基于MSP430F149的高精度低功耗電能消耗計量裝置

1、山東科技大學(xué)電子學(xué)院通信工程專業(yè)方向課程設(shè)計年級學(xué)號： * 姓 名：* 指導(dǎo)教師： * 設(shè)計時間： 2015.9.72015.9.20 目錄摘要3關(guān)鍵字31目的與內(nèi)容42硬件系統(tǒng)設(shè)計42.1電壓采樣方案52.2電流采樣方案62.3電壓、電流有效值測量方案63單元模塊設(shè)計原理73.1電壓采樣電路73.2電流采樣電路83.3電流電壓測量電路83.4短信模塊93.5過流報警和過流保護模塊103.6防竊電模塊103.7智能電能表與電腦的通信114、總的電路原理圖及仿真輸出波形125、系統(tǒng)特點與性能126、心得體會13參考文獻 15附錄16摘要本系統(tǒng)以MSP430F149單片機為控制核心，設(shè)計并制作了高

2、精度低功耗電能消耗計量裝置。該系統(tǒng)硬件電路簡單穩(wěn)定，可靠性較高；該系統(tǒng)由阻容降壓供電電路，電壓測量電路，電流測量電路，顯示電路等部分組成。電壓測量部分是220v電壓經(jīng)過變壓器降壓后經(jīng)過整流橋得到1.7v半波電壓，輸入單片機之后經(jīng)采樣和數(shù)據(jù)處理，可得到電壓的峰值，周期，頻率，有效值等參數(shù)；電流參數(shù)測量電路是采用了50A/62.5mA互感器將負載上的大電流轉(zhuǎn)換成較小的電流，并將小電流通過定值電阻，電阻兩端的電壓輸入單片機從而計算得到電流峰值，有效值等參數(shù)；采用的是全球鷹SIM900A V3.7模塊，固定時間給用戶發(fā)送短信，讓用戶了解目前耗電情況。題目中要求的參數(shù)均經(jīng)單片機計算輸出到OLED液晶屏模

3、塊上予以顯示。關(guān)鍵詞：MSP430F149 低功耗 ADC采樣SIM900A V3.7模塊1目的與內(nèi)容 隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展,電力已經(jīng)成為國家的最重要能源。長期以來,我國生產(chǎn)的交流電度表均為感應(yīng)式機械電度表,幾十年來不得不采用人工抄讀電表的原始方式。這種方法不但勞動強度大、效率低,而且還會存在抄表不到位、估抄、漏抄、錯抄、錯算及抄表周期長等問題,對竊電的防治更無從談起。在社會走向信息化,網(wǎng)絡(luò)化,電力系統(tǒng)大踏步現(xiàn)代化的今天,手工抄表更是與無人值班等高度的自動化形成了鮮明對比,成為制約供電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的一大障礙。正是由于以上背景,智能電能表應(yīng)運而生。2硬件系統(tǒng)設(shè)計由民用單相電的火線和零線接入電

4、能表接入口，在火線入口處接有一個繼電器，用于過流（短路）保護?；鹁€在電表內(nèi)分成并聯(lián)的兩路：一路經(jīng)過變壓器變?yōu)殡p6V，然后經(jīng)過峰值檢波電路，將交流變?yōu)橹绷?，然后?jīng)過分壓電路分壓，通過IAP15F2K61S2單片機AD口采集，得到電壓數(shù)據(jù)；另一路通過電流互感器，感應(yīng)出交流電流，通過放大電路和峰值檢波電路后，通過IAP15F2K61S2單片機的AD口采集數(shù)據(jù)。然后通過OLED液晶屏將數(shù)據(jù)顯示出來。具體如下框圖1所示。系統(tǒng)可以將用戶的電壓、電流以及耗電量顯示出來。另外，本系統(tǒng)還帶有過流報警與過流保護裝置、防竊電裝置、短信通知用戶每月耗電情況功能以及能夠?qū)崟r的將電表狀態(tài)及數(shù)據(jù)發(fā)送到電網(wǎng)公司電腦終端的功能

5、。2.1電壓采樣方案 方案一：直接在電網(wǎng)中并入1M的電阻采集電壓信號，串入一段小電阻銅絲，再加差放采集電流信號。該方案成本較低，但是采集電路會污染電網(wǎng)，不能使用。 方案二：采用光耦芯片HCNR200對電網(wǎng)進行耦合采集。但是光耦芯片較為昂貴，抗高壓的能力不足，在電網(wǎng)的電壓或者電流較大情況下，測量將受到限制。 方案三：采用變壓器降壓后在用大電阻分壓，分壓后得到適合ADC采樣輸入電壓，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號，最后按比例還原成原來的被測電壓的大小。綜上所述，我們選用了方案三。2.2電流采樣方案 方案一：直接在被測用電器上串聯(lián)小阻值大功率電阻，通過測量小阻值電阻兩端的電壓從而測得電路中的電流。次方案

6、的測量電阻的消耗功率大，同時會是測量系統(tǒng)連上單相電的火線，使得整個系統(tǒng)有安全隱患。 方案二：直接在被測用電器上串聯(lián)小阻值大功率電阻，小阻值電阻兩端的電壓加給光電耦合器，用光電耦合法測量電路中的電流，起到電器隔離的作用，使得測量系統(tǒng)安全可靠，但光電藕線性度不是很高，而且易受到干擾。 方案三：采用儀用精密高線性度交流互感器測量交流電流，線性度高，安裝簡單，調(diào)試方便，同時還能起到電氣隔離的作用，安全可靠。通過以上方案的比較，顯然選擇方案三是三個方案中最好的。2.3電壓、電流有效值測量方案 方案一：采用普通峰值檢波電路，實現(xiàn)電壓、電流峰值的采集，再根據(jù)正弦波峰值和有效值的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得出有效值。此方案簡

7、單，易于實現(xiàn)，但是此電路會使用二極管來半波整流，二極管上會有壓降，從而引入誤差，另外，檢波的值和前端峰值不成線性比例關(guān)系，測量困難。方案二：由正弦波與基準電壓相比較得到的脈寬再和基準電壓通過相關(guān)公式算出有效值。 圖3 它的主要優(yōu)點是無需A/D轉(zhuǎn)換就能快速測量交流電壓有效值，且能消除直流分量對測量結(jié)果的影響。但是其測量值只在較小范圍內(nèi)線性，不能符合本題0到20V的測量要求。 方案三：采用精密峰值檢波電路，電路中運用跟蹤和保持模式對正弦波精密采集，克服了方案一不線性的缺陷，且測量值精確，符合本題要求。綜上所述，我們選取方案三。3、單元模塊設(shè)計原理3.1電壓采樣電路 電壓采樣電路是先通過變壓器降壓后

8、，再用分壓電阻網(wǎng)絡(luò)采樣被測電壓。電路中采用了變壓器起到了電氣隔離的作用，系統(tǒng)安全，其電路如圖 1 圖43.2電流采樣電路 用高線性度的儀用電流互感器來測量電路中的電流，起到電器隔離的作用，測量方便簡潔，電路如Error! Reference source not found.,互感器感應(yīng)產(chǎn)生的電流在電阻上的壓降，經(jīng)OP07運算放大器組成的電壓更隨器輸出給ADC測量。 圖53.3電流電壓測量電路 把采樣到的電流、電壓信號經(jīng)過AC_DC轉(zhuǎn)換電路后得到對應(yīng)的電壓信號的真有效值，把真有效值信號輸入到ADC就能測量其大小，電路圖如 圖 圖6其中DCV模塊是交流轉(zhuǎn)直流電路，其電路如 圖 圖 73.4短信模

9、塊 采用的是全球鷹SIM900A V3.7模塊，固定時間給用戶發(fā)送短信，讓用戶了解目前耗電情況。其中部分短信發(fā)送模塊代碼如下。 if(SIM_ONE=0&Count2400) PrintString1(AT+CMGF=1rn); DelaySec(3);PrintString1(AT+CSMP=17,167,2,25rn);DelaySec(3);PrintString1(AT+CSCS=UCS2rn);DelaySec(3);PrintString1(AT+CMGS=00310035003700360034003200340036003000370031rn);/此處修改為對方的電話號Del

10、aySec(3);PrintString1(sms_text);/修改短信內(nèi)容TX1_write2buff(0x1a);DelaySec(3);SIM_ONE=1; 3.5過流報警和過流保護模塊 該模塊采用的是聲光報警方式。用戶可以自行設(shè)置報警電流閾值，當電表監(jiān)測到用戶的電流大于該閾值的時候，警示燈會立即點亮、報警聲響起，與此同時，控制火線的繼電器會斷開火線，使用戶財產(chǎn)不會遭受進一步損失。3.6防竊電模塊 系統(tǒng)采用多種方法來防止竊電行為的發(fā)生。第一，本系統(tǒng)時刻監(jiān)測著電表兩端的電壓值，一旦有竊電行為，電表兩端電壓接近零伏，本裝置就會發(fā)送信息島電腦終端；第二，本系統(tǒng)采用在零線上接一個氖管，一旦出現(xiàn)

11、將零火線反接的竊電行為時，氖管就會發(fā)光，提示有竊電行為發(fā)生。3.7智能電能表與電腦的通信為了方便管理和消除傳統(tǒng)抄表的繁瑣，我們自己編寫了一款上位機，實現(xiàn)了智能電表與電網(wǎng)公司的電腦進行通信的功能。系統(tǒng)能夠?qū)⒂脩舻暮碾娗闆r實時的傳輸?shù)诫娔X的軟件終端，并且可以將是否有竊電行為顯示到電腦上，能夠及時的預(yù)防竊電行為的發(fā)生。上位機軟件界面如下圖8所示。 圖84、總的電路原理圖及仿真輸出波形 電路原理圖 5、系統(tǒng)特點與性能第一，功耗低，本系統(tǒng)采用STC公司的低功耗單片機IAP15F2K61S2、OLED低功耗液晶屏，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗很低。第二，精度高，本系統(tǒng)充分利用IAP15F2K61S2的AD資源，

12、數(shù)據(jù)的精度值得信賴。第三，實現(xiàn)了人工智能，我們利用準確計時模塊，以固定時間間隔給用戶發(fā)送信息，通知用戶本月耗電情況，并提醒用戶計時繳電費，以免停電。第四，過流報警與過流保護，一旦用戶的家用電器發(fā)生短路，電表會及時斷開火線，以免用戶財產(chǎn)遭受進一步損失。第五，防竊電功能，本系統(tǒng)實現(xiàn)多種防竊電方法。第一，本系統(tǒng)時刻監(jiān)測著電表兩端的電壓值，一旦有竊電行為，電表兩端電壓接近零伏，本裝置就會發(fā)送信息到電腦終端，通知電網(wǎng)管理人員；第二，本系統(tǒng)在穿過電流互感器的電線上加了氖管，如果有反接零火線的竊電行為，氖管就會點亮。本設(shè)計實現(xiàn)了對電網(wǎng)質(zhì)量的測試，利用互感器對電流，電壓信號進行信號采集，用多種方法實現(xiàn)對電壓、

13、電流、功率的測試，經(jīng)過理論推理，計算出電壓有效值，電流有效值，負載功率，電網(wǎng)阻抗等，整個系統(tǒng)原理較為簡單易于實現(xiàn)，測試結(jié)果精度較高。利用SIM900A模塊，實現(xiàn)了固定時間給用戶發(fā)送短信的功能，使用戶能夠及時了解本月耗電情況，并及時繳電費以免被停電。并編寫了上位機，實現(xiàn)了智能電表與電腦的通信，極大方便了電網(wǎng)公司的管理。本系統(tǒng)的設(shè)計充分利用了MSP430F149單片機的資源，其中包括單片機的3路AD口，3個定時器T0、T1和T2，2路外部中斷，以及單片機的2個串口通訊。6、心得體會做這個系統(tǒng)的設(shè)計不僅是對自己過去的所學(xué)的知識做一個總結(jié)，同時也增強了自己的動手能力。它不僅是一門文化課程，教會了我們科

14、學(xué)技術(shù)，也是一門人生課程。我們學(xué)到了許多在課堂上無法學(xué)到的東西。無論遇到怎樣失敗，我們都要從失敗中爬起，哪怕再失敗。這是我們學(xué)習(xí)這門課程十分寶貴的知識。我們的設(shè)計包含了單片機技術(shù)，單片機技術(shù)是現(xiàn)在的熱門技術(shù)，單片機的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計思路，以前構(gòu)建一個系統(tǒng)不僅需用很多的數(shù)字模擬器件或者電路單元來構(gòu)建，而且制作的東西還存在可靠性差、缺乏靈活性、維護不便、成本高、無法實現(xiàn)智能化等諸多缺點。單片機的應(yīng)用解決了很多問題，現(xiàn)在只要寫一個軟件，通過單片機和一些簡單的外接電路就可以實現(xiàn)具有很多功能的、而且具有智能化的系統(tǒng)，同時可方便升級維護。所以單片機的應(yīng)用廣泛，在日常生活和生產(chǎn)中占用重要位置。我們在使用

15、單片機技術(shù)后也深深的體會到其強大的功能，所以我們意識到掌握好單片機技術(shù)是電子專業(yè)學(xué)生必須的。對英語知識和專業(yè)英語的學(xué)習(xí)，掌握了外文閱讀和外文翻譯的能力，在外文翻譯和查閱外文資料時候可以得心應(yīng)手；通過C語言的學(xué)習(xí)，在編程的時候也不感覺到非常棘手；計算機知識的學(xué)習(xí)，使我能夠熟練使用多種最基本的計算機相關(guān)軟件和專業(yè)軟件的使用方法，包括基本的Windows辦公軟件，還有一些專業(yè)軟件，如Protel99、Altium Designer等。同時，我們作為一個團隊，我們感受到了團隊精神的重要。團結(jié)是整個團隊的凝聚力。在完成這個項目是，需要小組所有成員的共同努力，單憑個人的力量是無法完成的。而每個人的能力都是

16、不同的，我們要根據(jù)每個人的實際情況進行分工。力求其在指定時間里完成任務(wù)，這樣才能保證任務(wù)的順利完成。通過以上的設(shè)計過程，我們不但在知識上收獲了，而且發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足之處：對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻掌握得不夠牢固。通過這次設(shè)計把知識溫故知新。同時，我們也對自己的動手能力有所鍛煉，而且一次成功的經(jīng)歷給我增添了不少的信心。在以后的時間里，我將繼續(xù)努力學(xué)習(xí)，除此之外，我還將培養(yǎng)自己的動手能力，常動手，把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合。我相信長期堅持之后一定會有更大的提升！在此我們還要感謝在這次設(shè)計中所有給予我們幫助的人們，謝謝你們！參考文獻【1】謝自美 電子線路設(shè)計實驗測試武漢：華中理工大學(xué)出版

17、社 2000年第二版【2】童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社【3】邱關(guān)源 電路高等教育出版附錄#include #include #define CPU_F (double)8000000) /External OSC#define delay_us(x) _delay_cycles(long)(CPU_F*(double)x/1000000.0)#define delay_ms(x) _delay_cycles(long)(CPU_F*(double)x/1000.0)#define DataPort P4OUT#define uchar unsigned char#defin

18、e uint unsigned int#define ulong unsigned long#define RS_CLR P5OUT &= BIT5 /RESET RS#define RS_SET P5OUT |= BIT5 /SET RS#define RW_CLR P5OUT &= BIT6 /RESET RW#define RW_SET P5OUT |= BIT6 /SET RW#define EN_CLR P5OUT &= BIT7 /RESET E#define EN_SET P5OUT |= BIT7 /SET E#define PSB_CLR P5OUT &= BIT0 /RES

19、ET PSB Serial #define PSB_SET P5OUT |= BIT0 /SET PSB，Parallel#define RST_CLR P5OUT &= BIT1 /RESET RST#define RST_SET P5OUT |= BIT1#define Num_of_Results 200#define Time_interval 30 /微秒static unsigned int index1,index2;/static unsigned int A0resultsNum_of_Results; /static unsigned int A1resultsNum_of

20、_Results;static unsigned int VoltageNum_of_Results; static unsigned int CurrentNum_of_Results;static uchar TransOverFlag = 1;static unsigned int periodN;static unsigned int index = 0;void Clock_Init() uchar i; BCSCTL1&=XT2OFF; /Turn XT2 BCSCTL2|=SELM1+SELS; /MCLK:8MHZ，SMCLK:8MHZ do IFG1&=OFIFG; /Cle

21、ar XT2 Error Flag for(i=100;i0;i-) ; while(IFG1&OFIFG)!=0); /Wait For XT2 IFG1&=OFIFG;void Clock_Init_Inc() / DCOCTL = DCO0 + DCO1 + DCO2; / Max DCO / BCSCTL1 = RSEL0 + RSEL1 + RSEL2; / XT2on, max RSEL DCOCTL = 0x60 + 0x00; /DCO 3MHZ，3030KHZ BCSCTL1 = DIVA_0 + 0x07; BCSCTL2 = SELM_2 + DIVM_0 + SELS

22、+ DIVS_0;void WDT_Init() WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /Stop WDT/*/初始化IO口子程序/*void Port_init()P4SEL = 0x00; P4DIR = 0xFF; /DATA PORT P5SEL = 0x00; P5DIR|= BIT5 + BIT6 + BIT7; /SET Control PIN MODE-OUT/*/顯示屏命令寫入函數(shù)/*void LCD_write_com(unsigned char com)RS_CLR;RW_CLR;EN_SET;DataPort = com; /WRITE COMMANDde

23、lay_ms(5);EN_CLR;/*/顯示屏數(shù)據(jù)寫入函數(shù)/*void LCD_write_data(unsigned char data)RS_SET;RW_CLR;EN_SET;DataPort = data; /WRITE DATAdelay_ms(5);EN_CLR;/*/顯示屏清空顯示/*void LCD_clear(void)LCD_write_com(0x01); /Clear SCREENdelay_ms(5);/*/顯示屏字符串寫入函數(shù)/*void LCD_write_str(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s)

24、if (y = 0) LCD_write_com(0x80 + x); /THE FIRST ROW else LCD_write_com(0xC0 + x); /THE SECOND ROW while (*s) LCD_write_data( *s); s +; /*/顯示屏單字符寫入函數(shù)/*void LCD_write_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char data) if (y = 0) LCD_write_com(0x80 + x); /THE FORST ROW else LCD_write_com(0xC0 + x)

25、; /THE SECOND ROW LCD_write_data( data);/*/顯示屏初始化函數(shù)/*void LCD_init(void) LCD_write_com(0x38);/顯示模式設(shè)置 delay_ms(5); LCD_write_com(0x08);/顯示關(guān)閉 delay_ms(5); LCD_write_com(0x01);/顯示清屏 delay_ms(5); LCD_write_com(0x06);/顯示光標移動設(shè)置 delay_ms(5); LCD_write_com(0x0C);/顯示開及光標設(shè)置 delay_ms(5);/*求最大值*/unsigned int ge

26、tMax(unsigned int temp) unsigned int max=temp0; for(unsigned int i=0;iNum_of_Results;i+) if(maxtempi) max = tempi; index1 = i; if(tempi+1max) break; return max;/*轉(zhuǎn)換最大值至電壓電流*/float maxTOv(unsigned int vParameter) float transResult = vParameter/100.5; return transResult; float maxTOi(unsigned int iPar

27、ameter) float transResult = iParameter/10.5; return transResult; /*獲得周期*/ unsigned int getPeriod(unsigned int temp) unsigned int periodN; unsigned int i,num=tempindex1; for(i=index1;itempi) num = tempi; index2 = i; periodN = 4*(index2 - index1); return periodN; /*獲得相位差*/float PhaseDiff(unsigned int

28、curTemp) float difference; unsigned int i,num=curTempindex1; for(i=index1;iNum_of_Results;i+) if(numcurTempi) num = curTempi; index2 = i; if(curTempi+1num) break; difference = (index2 - index1)/periodN; return difference;/*數(shù)字周期轉(zhuǎn)換至模擬周期*/float transTOperiod(unsigned int temp) return temp/Time_interval

29、;/*數(shù)值提取至數(shù)組用以顯示，*/void deltaExtract(float temp,uint a) unsigned int temp1; if(temp=0) return ; else temp1 = (unsigned int)temp*1000; a2 = temp1%10; /取個位 a1 = (temp1/10)%10; /取十位 a0 = (temp1/100); /取百位 /*數(shù)值轉(zhuǎn)換至ASCII*/void transTOASCII(unsigned int temp,unsigned int num) for(unsigned int i=0;inum-1;i+)

30、tempi+=0; tempnum-1 =0;void main(void) /*初始化*/ WDT_Init(); /Set WDT Clock_Init(); /Clock Initialize Port_init(); /PORT Initialize delay_ms(100); /delay 100ms LCD_init(); /LCD Initialize LCD_clear(); /clear screen LCD_write_str(0,0,OSC); delay_ms(1000); /*AD轉(zhuǎn)換*/ P6SEL = 0x03; / Enable A/D channel inp

31、uts ADC12CTL0 = ADC12ON+MSC+SHT0_8 + REFON +REF2_5V; / Turn on ADC12, extend sampling time / to avoid overflow of results ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_3; / Use sampling timer, repeated sequence ADC12MCTL0 = INCH_0+SREF_1; / ref+=2.5V, channel = A0 ADC12MCTL1 = INCH_1+EOS+SREF_1; / ref+=2.5V, channel = A1

32、end seq ADC12IE = 0x02; / Enable ADC12IFG.3 ADC12CTL0 |= ENC; / Enable conversions ADC12CTL0 |= ADC12SC; / Start conversion _EINT(); /global interrupt while(TransOverFlag); /wait for conversion over LCD_write_str(0,0,ADC); delay_ms(1000); /*處理數(shù)據(jù) */ /* for(unsigned i = 0;iNum_of_Results;i+) Voltagei=

33、A0resultsi; Currenti=A1resultsi; */ unsigned int vMaxNum; unsigned int cMaxNum; float MaxVol; float MaxCur; float POWER; float PERIOD; vMaxNum = getMax(Voltage); /電壓電流最大值 cMaxNum = getMax(Current); MaxVol = maxTOv(vMaxNum); /電壓峰值 MaxCur = maxTOi(cMaxNum); /電壓峰值 float delta; float phaseDiff; float avoltage; float acurrent; float pPara; per