摘要：本文詳細(xì)介紹了基于MAXQ3120的多功能家用電表的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電表記錄有用功、能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸和分時(shí)段付費(fèi)的功能。本文具體介紹了系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了部分電路，給出系統(tǒng)軟件的框圖和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，最后實(shí)踐的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)提出了改進(jìn)。 關(guān)鍵字: 多功能電表；MAXQ3120；DS3231時(shí)鐘模塊；通訊協(xié)議 一、引言 目前常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)的電表是一種基于旋轉(zhuǎn)金屬圓盤的機(jī)械式千瓦-時(shí)電表，它不考慮輸入電壓或功率因數(shù)，只跟蹤記錄實(shí)際的用電量。它主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是機(jī)械電表不能夠記錄時(shí)間，它只能記錄費(fèi)拉斯輪的旋轉(zhuǎn)數(shù)，無(wú)法記錄與之相對(duì)應(yīng)的快速旋轉(zhuǎn)和慢速旋轉(zhuǎn)的時(shí)間；二是它只能夠記錄理論實(shí)時(shí)有功功率，而實(shí)際上用戶的用電量不僅取決于輸入電流、輸入電壓，還取決于功率因數(shù)。傳統(tǒng)的機(jī)械式電表無(wú)法對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而是直接默定為電流、電壓相位相同，這樣實(shí)際有一部分無(wú)功功率也被計(jì)算在內(nèi)了，結(jié)果實(shí)際有用功率小于輸入電壓和電流的乘積。而且現(xiàn)在用電收費(fèi)需要考慮到時(shí)段、峰值用電量和功率因數(shù)，而機(jī)械式電表根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種基于Maxq3120微控制器的設(shè)計(jì)方案能夠解決上述問(wèn)題。 二、方案設(shè)計(jì) 與以往電表區(qū)別，家用多功能電表主要實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾點(diǎn)：1）實(shí)現(xiàn)只記錄用戶實(shí)際使用的有用功；2）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分段付費(fèi)；3）自動(dòng)抄報(bào)電表數(shù)據(jù)；家用電表的技術(shù)指標(biāo)：額定電壓：220V；額定頻率：50Hz；基本電流：10（40）A；時(shí)鐘準(zhǔn)確度（日誤差）：≤0.5s。 本系統(tǒng)主要采用Maxq3120微控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。MAXQ3120的核心是MAXQ20內(nèi)核，其工作頻率為8MHz，含有32k字節(jié)閃存和512字節(jié)RAM；MAXQ3120內(nèi)含兩個(gè)16位、 - 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以精確測(cè)量瞬時(shí)電壓和電流幅值和相位。這兩個(gè)ADC通道每48µs完成1次新的轉(zhuǎn)換，即轉(zhuǎn)換速率為20667采樣/秒。MAXQ3120集成了1個(gè)帶40位累加器的16 x 16位乘法器。該乘法器在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)即可完成一次運(yùn)算，因與CPU內(nèi)核緊密地集成在一起，所以效率極高。MAXQ3120集成了一個(gè)LCD控制器，可驅(qū)動(dòng)的段數(shù)高達(dá)112段。MAXQ3120提供兩路UART，其中一路具有特殊邏輯電路，可輕松實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸另一路可實(shí)現(xiàn)RS485串行傳輸。MAXQ3120包含一個(gè)電池備份的時(shí)鐘模塊，具有亞秒計(jì)數(shù)器和報(bào)警功能。該時(shí)鐘具有數(shù)字微調(diào)功能，時(shí)鐘精度非常高。 系統(tǒng)主要可分成以下幾個(gè)部分：A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理部分、時(shí)鐘及時(shí)間管理部分、串口通信管理部分、LCD顯示部分及電源管理部分、Jatg調(diào)試部分和軟件部分。 1）A/D轉(zhuǎn)換部分 本部分主要采用MAXQ3120內(nèi)部的兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行采集。電壓輸入是交流220V，而MAXQ3120的模擬信號(hào)輸入是±1V，所以必須進(jìn)行分壓處理；電流信號(hào)是通過(guò)電流分流器產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電表的應(yīng)用的最大電流參數(shù)取決于此電流分流器。本表設(shè)計(jì)的規(guī)格是常用10A，最大40A。若電流分流器為0.5mΩ，那么最大滿偏電壓為20mv，但根據(jù)歐姆定律，電流分流器的功耗就為0.8w，電流分流器不宜選用大于0.5mΩ；本表設(shè)計(jì)的精度為1%，測(cè)量范圍從1A到40A，那么最小能夠分辨的電流為10mA，最大要識(shí)別40A即4000個(gè)10mA才不至于A/D飽和，所以A/D的精度必須要達(dá)到12位（4096分之一）以上，而MAXQ3120的A/D轉(zhuǎn)換是16位的，能夠滿足設(shè)計(jì)需求，所以采用0.5mΩ電流分流器。電壓分壓電路如圖1所示。 2）時(shí)鐘及時(shí)間管理部分 MAXQ3120的時(shí)鐘電路有兩種情況：一種是采用時(shí)鐘芯片DS3231。這款時(shí)鐘內(nèi)含一個(gè)日歷時(shí)鐘，一個(gè)預(yù)先篩選并經(jīng)過(guò)微調(diào)的晶體和一個(gè)溫度傳感器。時(shí)鐘自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在整個(gè)-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于±3.5ppm/°C的計(jì)時(shí)精度。DS3231通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線可以直接與微控制器連接。另一種情況是使用MAXQ3120內(nèi)部的時(shí)鐘。MAXQ3120內(nèi)含的日歷時(shí)鐘采用標(biāo)準(zhǔn)的音叉晶體作為時(shí)基，音叉晶體的工作頻率受溫度的影響非常顯著，隨著溫度的變化時(shí)鐘的頻率將會(huì)變化。MAXQ3120同時(shí)內(nèi)含一個(gè)微調(diào)寄存器用于微調(diào)功能，通過(guò)外接一個(gè)溫度傳感器來(lái)獲取溫度，并且編寫軟件根據(jù)溫度對(duì)微調(diào)寄存器進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)微調(diào)計(jì)時(shí)后的精度優(yōu)于4ppm。綜合比較采用第一種方案。計(jì)時(shí)收費(fèi)是根據(jù)不同的時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算，把費(fèi)率寫進(jìn)寄存器，根據(jù)從DS3231讀取的時(shí)段進(jìn)行收費(fèi)，系統(tǒng)最大支持四個(gè)時(shí)段。DS3231接口電路如圖2所示。 3）串口通信管理部分 MAXQ3120集成兩個(gè)串口串口控制器，其中一個(gè)可以接紅外收發(fā)器，另一個(gè)可作普通串口使用。本系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)計(jì)紅外通訊部分，只設(shè)計(jì)了RS485通訊，使用了SP3490芯片，其電路圖如圖3所示。 4）LCD顯示部分及電源管理部分 MAXQ3120集成了一個(gè)LCD控制器，可驅(qū)動(dòng)的段數(shù)高達(dá)112段。所以本系統(tǒng)直接把MAXQ3120與LCD顯示屏連接起來(lái)。電源采用SPX1117芯片，它能夠?qū)?V的電壓轉(zhuǎn)化為工作電壓。需要注意的SPX1117芯片的第一個(gè)管腳為GND，而與7805芯片的管腳有所不同。 5）Jatg調(diào)試部分和軟件部分 Jatg調(diào)試部分是使用MAXQ3120的KIT提供的Jatg調(diào)試電路。 軟件主要包含幾個(gè)模塊：初始化模塊、A/D采樣模塊、寄存器管理模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算及收費(fèi)管理模塊，數(shù)據(jù)封裝模塊。 系統(tǒng)軟件的流程圖如圖4所示： 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的格式如表1： 表1 通訊協(xié)議格式 數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾：分別為2個(gè)字節(jié)，用來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，主要需要考慮數(shù)據(jù)的透明傳輸問(wèn)題，即數(shù)據(jù)中出現(xiàn)與數(shù)據(jù)尾相同的數(shù)據(jù)導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)校驗(yàn)。 目標(biāo)機(jī)地址：6個(gè)字節(jié)，用來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)送目標(biāo)。 命令：一個(gè)字節(jié)，用來(lái)指示目標(biāo)機(jī)的具體動(dòng)作。 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是指數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)是命令所需要的參數(shù)。 本系統(tǒng)采用RS485接口組成的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的傳送采用輪詢的方式，這樣雖然實(shí)時(shí)性不高，但可以避免數(shù)據(jù)沖突，可以完全實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸。 三、結(jié)束語(yǔ) 本文中作者創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)集成度很高的MAXQ3120芯片，設(shè)計(jì)了一款能夠真實(shí)記錄用戶有用功、能夠多費(fèi)率收費(fèi)、自動(dòng)傳送數(shù)據(jù)的家用電表，并且在很好的控制制作成本的前提下，穩(wěn)定性非常好。本系統(tǒng)已經(jīng)完成測(cè)試，達(dá)到了當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求，但是有一部分內(nèi)容需要改進(jìn)，如：串口通信部分只完成485接口，還需增加紅外通信接口、電表還需增加防潛動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)，電壓回路加額定電壓115%，電流線路無(wú)電流時(shí)，電表不產(chǎn)生多于一個(gè)脈沖的輸出；另外為節(jié)約成本應(yīng)考慮使用片內(nèi)晶振等。 參考文獻(xiàn) 1、胡圣堯，常春，張東來(lái)，強(qiáng)文義. 基于無(wú)線通訊的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息，2004,20（3）：55-56 2、MAXQ3120 Datasheet. 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