摘 要：智能仪表的技术是以计算机、通信技术等现代化科学技术为基础发展起来的一项新技术。论文介绍了智能仪器的相关知识、发展状况，总结了前人的研究成果，结合现在电表收费中存在的弊端进行分析，智能电表改变了以往人工抄表的服务方式，实行无人查表，由物业管理公司或供给公司在控制中心集中抄收，避免了因人工抄表所造成的错抄、漏抄、估抄、抄表时间跨度大、工作效率低、存在安全隐患等弊端。既节省了人力物力，也提高了安全性。
本文主要介绍的是基于DL/PT645标准的智能电表的设计过程，业主在家就可查询累积电量和剩余电量。本系统所涉及的主要内容有：硬件的选用、硬件设计和软件的设计，通过对系统中涉及的硬件的选用和组合，使整个系统的功耗和稳定性达到较好效果。
关键词：智能仪器；智能电表；微控制器；远程抄表
中图分类号：TP368.1 文献标识码：a DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.02.042
Base on MSP430 and DL/PT645 Communication Protocol Of Intelligent power-convertor’s Design
SUN Meijun, SHI wei(College of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024)
【Abstract】 the technology about the Intelligent apparatus is a recently rising technology,it based on the computer and communica
tion. This paper introduces the related knowledge,developing state. the current achievements in the field are summarized. It analyzes the existing abuse of the electrodynamic meter’s charge nowadays. Intelligent power-convertor’s charge changes the past serving manner of manual work, avoids the disadvantages of the manual work, such as the wrong, liaking, and estimating reading, the great time lag, the low efficiency,the existing hidden safety problems. It not only saves the manpower and material resources,but also enhances the security.
this paper ’main content is Base on DL/Pt645 communication protocol of Intelligent power-convertor’s hardware design process.
Users will be at home for the cumulative and surplus electricity quantity. This system’s main content involves the hardware chooses to use with design and the software to use with design.the system in consumption and stability is optinal effect through selection hardware.
【Key words】Intelligent apparatus, Intelligent power-convertor; microcontroller; remote meter-reading
0 引 言
电力是人类社会生存、进步和发展所不可缺少的一种重要能源，人类的所有活动几乎都与电有着密切的关系.电力给人类带来了一个崭新的飞速发展的时代，作为一种能源它不仅给人类带来光明，更重要的是酝酿并推动了现代化大生产和现代化科学技术，为人类创造了辉煌的物质文明和精神文明，使人类进入了现代化时代。
随着科学技术的发展，电在我们的生活中越来越重要。电能表作为电能计量工具，在国民经济各部门得到广泛应用。特别是近十几年来，我国的国民经济有了长足的发展，电力行业跃居世界前列。随着电力工业的发展，电能计量仪表制造行业的发展也日新月异。目前我国的电能资源相对缺乏，电能的节约和有效合理的利用就显得非常重要。因此，对电能的精确测量及其功能的扩展越来越受到关注和高度重视。近年，全国范围内推行一户一表，使电力行业对集中抄表系统的需求也变得更为迫切。
随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，人们都迫切希望在一种安全而舒适的环境下生活。由于城市的发展，人们的居住环境发生了很大的变化，楼宇住宅高层化、单元封闭式、住宅小区智能化发展。楼宇智能化和住宅小区智能化已成为一种趋势而水、电、气、暖等商业化管理发展的进程，以及小区物业规范化管理需求，其计费的准确、公正和便利已直接关系到供水、供电、供气、供暖公司的经济效益和物业公司管理运营，以及业主的权利和义务。因此，以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表势在必行。
1 通信协议
此设计使用的是基于DL/PT645标准多功能电表通信规 约的通信协议[2]。制定本标准是为统一和规范多功能电能表的费率装置与数据终端设备进行数据交换时的物理连接和协议。标准的编写参照了国际标准IEC关于本地和总线数据通信的有关内容，同时结合我国电力系统多功能电能表使用中的实际情况。本规约为电力行业标准《DL/PT645-199多功能电表通信规约》在低压集抄系统的实施细则，本规约未指明之处，参照DL/PT645-1997标准执行。
2 硬件电路设计
本次设计的智能电表硬件[3]是由以下几部分组成：主控芯片、电源电路、电量采集电路、通信接口电路、显示电路、时钟电路和执行机构。本设计选用的主控芯片是MSP430F413，在MSP430F413内部没有EEPROM，所以要再加一个存储器模块。为了节约电能希望显示电路部分的显示器不常处在亮的状态所以要再加一个独立键，使之具有唤醒功能，可以让显示器不常处在亮的状态，这样可以达到节能的目的。另外再增加一个显示灯，以便于随时可以查看是否有电。具体的设计结构见图1
图1 智能电表具体设计结构Fig.1 intelligent power-convertor’specific design structure
2.1 主控芯片
MSP430系列[4]单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。
本次设计选用的单片机是MSP430F413，F41x系列单片机的优势：超低功耗，没有外时钟要求的地区，可用内部时钟，降低成本。有很强的抗干扰能力，已经通过各项EMC测试。其中主控微处理器控制模块是整个电能表的心脏，是决定电能表性能的关键因素。微处理器可以实现对采集的电能脉冲进行累计转换为实际用电量，可以完成对内存数据的读写控制，可以实现对显示电路的控制，可以实现对继电驱动的控制。
2.2 电源电路
直流电源是电子设备中供给能量的部分，因此是不可缺少的单元。本系统采用了由交流电经变压、整流、滤波、稳压而形成的直流电源。其要求实现为主控微处理器及各外围模块供电。早期的直流电源的稳压部分是由独立元件组成，所用元器件多，占空间大，接线多。自有了集成稳压器件问世后，大大方便了电源的设计。目前常用的是三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。
图2 电源电路
Fig.2 the power circuit
2.3 电量采集模块
电量采集电路由两个光电耦合器S1和S2与两个反相器40106组成，分别接到主控芯片的P1.6和P1.7（P1口和P2口具有中断功能）。智能电度表不损坏原来机械电度表的结构，而只是由反射式光电耦合器将机械电度表的电度计数转盘上的反光标志进行检测，检测结果再由反相型施密特触发器40106进行整型，然后以中断方式送入到单片机MSP430F413内部，为了防止误判，使记电发生错误，维护业主的利益，所以要用两个路电量采集电路来确保用户确实在使用电。其中光电耦合器的主要优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
图3 电量采集电路
Fig.3 power acquisition circuit
2.4 通信接口电路
本设计采用Maxim 公司生产的MAX485芯片作为 RS485通信收发器, MAX485 芯片具有RS-485通信协议,可以带下位机128个、、传输速率达250kb/s，它不仅传传输距离大于1km，通晓可靠，而且使用单一+5V电源或+3V电源，逻辑电平与传统的TTL兼容。此外，对传输介质没有任何严格的要求，只需将普通双绞线捆绑在一起即可简便地组成网络。除点到点与广播通行方式外，还具有多点通信方式。RS-485[5]为半双工工作方式，在某一时刻，一个发送一个接收。RS-485标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，RS-485电路具有控制方便、成本低廉等优点。
单片机可以通过RS485总线方式与主控计算机相连,主控计算机可以向智能电表发出遥控指令,采集到当前的电量数据和历史数据,构成了主从式的RS485通信应用系统。
2.5 显示电路及独立按键
MSP430F413内含96段LCD驱动器，可以直接驱动静态、2-MUX、3-MUX和4-MUX的液晶显示器。LCD的控制逻辑可以通过软件以及内存位操作形式来定义。LCD显示内存，是LCD模块的一部分，而不是数据存储器。有8种模式和控制位用来定义LCD驱动器的操作和电流消耗。可以很容易地通过查表方法得到单个数字的驱动信息。字段信息可以通过存储器操作指令存到LCD显示内存。所以显示部分采用LCD显示，并利用MSP430F413 自身驱动96 段LCD驱动器来完成与单片机系统的显示接口以显示电量的剩余量和累积量。液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件装配在一起的组件。
当用户想要了解剩余电量情况时，按下显示按钮，将显示表中的剩余电量，当用户想了解剩余电量和累计用电量时，按下独立按键，从存储器中取出要显示的量(剩余电量和累计用电量)，送到单片机内存单元，单片机获得一个中断信号，则首先显示输出剩余电量，持续5秒钟后再显示用户累计用电量。
2.6 时钟电路
智能分时计费电能表中必须要有实时时钟，分为硬时钟和软时钟两种。在众多的实时时钟芯片中，我们选用了PHILIPS公司的PCF8563。它是一款具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能及中断输出功能,可以完成各种复杂的定时服务。PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，带有256个字节的时钟/日历芯片。它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。PCF8563是一款带有256个字节的时钟/日历芯片。
2.7 执行电路
执行机构电路用于控制用户用电以及停止供电。在用户智能电表存储器中的剩余电量尚未达到跳闸限值时，该电路控制供电开关向用户供电；当用户剩余电量达到跳闸限值时，则该电路控制供电开关断开，停止向用户供电。执行机构电路由晶体管，继电器，二极管，限流电阻和光耦合器组成。
光耦合器是为防止干扰从输出级反方向干扰系统，所以在MSP430F413的输出口和输出级之间加入的；为了驱动输出控制继电器,输出通道上采用三极管作为功率驱动器。
继电器是一个动作机构，当用户所购买的电量用完时或剩余电量小于某一个值时，切断电路，用户将必须再去用电管理部门买电才可再次接通电路继续用电。具体电路为图4
图4 执行电路
Fig.4 executive circuit
3 软件的设计
智能电度表的软件主要是实现电量的采集、处理、存储和显示等功能，并通过通信接口[6]与主系统进行数据交换。主系统流程如图5所示：
图5 系统流程
Fig.5 system flow chart
通信处理模块的功能是按照通讯规约实现主站和从站的可靠通信，由主站读取用户电量数据和地址等电表参数和校时。电量处理模块是由计量芯片计算剩余电量，累计用户的实际用电量等。显示处理模块是显示用户的累积用电量，剩余电量等信息。
4 结 论
智能仪器技术是一个应用面很宽的领域，具有一定的深度和广度。本文以基于DL/PT645标准的智能电表硬件设计为研究对象，对智能仪器，智能电表的设计等问题进行了叙述，完成了系统的硬件和软件设计。有了智能化技术在电表中的应用，还可以进一步推广到在煤气表、水表中的应用，智能电表集中管理应用系统的使用，将一改目前落后的用电管理制度，省去大量的人力、财力，具有很强的实用性。本课题使用MSP430F414为主控微处理器设计的智能电表具有可靠性高、安全性好、使用方便、操作速度快等特点。使用智能电度表可提前预收电费。安装此类电度表并上规模后，可大大节约人力，减轻收费难度，提高服务质量和水平。实行先买电后用电的预付费用电管理，并依据电子式预付费电度表的负荷控制功能，对于改革用电体制、实行电力商品化、有效控制和调节负荷、降损提效，有着不可替代的作用。
参考文献
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