基于单片机的数字电能表设计

12届

分类号：T M933.4

单位代码：HC-DQ121基于单片机控制的数字电能表设计

姓名：Ezreal Yi

院系：物理与机电工程学院

专业：电气工程及其自动化

班级：

学号：********

时间：2016年1月1日

摘要

在设计中试图探索分时计费数字电能表的设计技术，主要工作内容有：基于MSP430C323进行了电能表的完整设计，探索了利用MSP430C323的有限硬件资源与软件的有机结合，实现实时时钟、I2C和串行通信等接口的设计方法；以电能表为对象，重点探讨了基于低功耗单片机的低功耗仪表的基本原理和设计技术，综合设计使电能表的工作可靠性得到大大提高，对其它低功耗仪表的设计具有参考价值。

关键词：多费率电能表；MSP430单片机；硬软件合成

ABSTRACT

In the design, I try to search the design technique of time sharing charging digital electrical energy meter. The main work content includes: made out integrity the design of the electrical energy meter based on MSP430C323H, searched for using the limited hardware resources and the software organic synthesis of MSP430C323, realized the design method of real-time clock, I2C and serial port communication; the electrical energy meter as the object, , the basis theory and the design technique of low power loss instrument basing on the low power Single-Chip computer has been discussed, the integrated design make the electrical energy meter’s operational reliability to improve greatly, its reference value is useful to design other kind low power loss meter.

Key words:Multi-tariffs electrical energy meter; MSP430 Single-Chip computer; hardware and software synthesis

目录

1 引言 (1)

2 电能测量与多费率电能表 (2)

2.1 电能参数的测量 (2)

2.2 多费率电能表的原理 (3)

3 电能表的硬件电路设计 (4)

3.1 硬件总体方案 (4)

3.2 MSP430C3XX系列单片机 (5)

3.3 ADC14的原理与电压电流输入通道的设计 (7)

3.4 电压电流输入通道的设计 (10)

3.5 串行E2PROM接口 (11)

3.6 串行通信接口的实现 (12)

3.7 红外接口的设计 (12)

4 电能表的软件设计 (14)

4.1 电能表的主流程与模块化程序设计 (14)

4.2 电能测量模块的设计 (16)

4.3 电能计费模块的软件设计 (17)

4.4 E2PROM读写模块的设计 (18)

5 总结 (23)

参考文献 (24)

谢辞 (25)

1 引言

电能是社会生产、人民生活必需的重要能源之一，随着国民经济的不断发展，电力需求急骤上升，电力供应与电力需求出现了不平衡。电能表是当前电量计量和经济结算的主要工具。本课题研制了基于MSP430的单相多功能电能表，同时对系统的软硬件设计也作了介绍。

本选题研制的单相多功能电能表以MSP430单片机作为电能表的微处理器，MSP430是超低功耗的16位单片机，采用精简指令集。它具有丰富的片内外设，功能强大，并且具有很低的电能消耗。图1是电能表的结构原理图。

图1 电能表的结构原理图

单相多功能电表由输入转换部分、单片机部分、通信部分和输出部分组成。其中电压电流经输入转换变成单片机可以处理的信号，单片机采用MSP430X3XX，通信采用外通信方式，输出部分则是有关数据送LCD显示和脉冲输出。本电能表可实现以下功能：

（1）电能计量：对市电的电压、电流采样处理，得到电压有效值和电流有效值，有功功率和无功功率等电能参数；

（2）费率管理：每天有3种费率可供选择；

（3）时间管理：具有日历、计量和闰年自动切换功能；

（4）通信:利用红外通信方式，与电能表手持抄录器交换数据；

（5）显示:可显示上月、本月总电量及各费率时段的电量。

该电能表的主要技术指标如下:

（1）电能计量精度达到1%；时钟记时误差

（2）电气性能:

电子模块功耗<3VA；

工作电压范围0.8—1.2V额定电压；

电池寿命≥8年。

（3）环境条件:

工作温度：-20℃—+55℃；

运输温度：-25℃—+70℃；

（4）红外通信距离≥4m。

2 电能测量与多费率电能表

2.1 电能参数的测量

电压、电流测量：

周期性电压、电流的瞬时值是随时变化的，所以一般用有效值表征它们的做功能力并度量其“大小”，如电流有效值的定义是一个周期性电流的做功能力和直流电流的做功能力相比，则有：在相同时间T内周期电流i流过电阻R所做的功与