設(shè)計(jì)方案

　　文中的設(shè)計(jì)針對(duì)對(duì)象是小區(qū)用戶，在小區(qū)內(nèi)每一座住宅樓的各個(gè)單元中安裝一塊智能電表，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，一塊電表可實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元最多16戶的電能自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)斷電等附屬功能（可通過增加數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)目實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元更多的用戶點(diǎn)數(shù)目）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，從系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)上電表可分為控制單元，測(cè)量與執(zhí)行單元，通訊單元三部分。具體功能分析如下：

　　控制單元

　　電表的控制單元由基于MSP430F133的控制器模塊組成，控制器模塊按照預(yù)先設(shè)定的控制程序通過對(duì)數(shù)據(jù)選擇器的相應(yīng)操作逐次接受對(duì)應(yīng)電能計(jì)量模塊傳送的脈沖信號(hào)，按照文中設(shè)計(jì)的計(jì)量方式，經(jīng)內(nèi)部計(jì)算處理后，得出其在循環(huán)周期內(nèi)的電量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)累加存儲(chǔ)并定時(shí)以ZigBee通訊方式上傳，同時(shí)控制執(zhí)行器模塊/通訊模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)/定時(shí)的欠費(fèi)斷電/實(shí)時(shí)抄送命令的執(zhí)行。而且控制器單元作為智能電表的大腦也負(fù)責(zé)了整個(gè)電表系統(tǒng)日常工作的運(yùn)行與維護(hù)。

　　測(cè)量與執(zhí)行單元

　　電表的測(cè)量單元由16個(gè)電表計(jì)量模塊與一個(gè)16選1數(shù)據(jù)選擇器組成，每一塊計(jì)量模塊由ADE7755電能計(jì)量芯片及其附屬電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)一個(gè)家庭用戶的電能自動(dòng)測(cè)量，符合當(dāng)前“一戶一表”的要求，ADE7755可以實(shí)現(xiàn)用電量的自動(dòng)測(cè)量，將當(dāng)前用電量以脈沖信號(hào)的形式經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器輸送到控制器，而16選1數(shù)據(jù)選擇器可通過設(shè)定的程序逐次將各個(gè)計(jì)量模塊的脈沖信號(hào)輸送到控制器，針對(duì)家庭居民用戶，用電功率小且功率曲線平緩不易突變的特點(diǎn)，采用在一循環(huán)時(shí)間周期內(nèi)用其中某一時(shí)間段的平均功率代替整個(gè)時(shí)間范圍平均功率的計(jì)量方式。文中選取32s作為循環(huán)周期，具體地講，在32s的循環(huán)周期內(nèi)，每2s逐次接通一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量通道，控制器記錄下相應(yīng)電能計(jì)量模塊在2s時(shí)間內(nèi)的積累脈沖數(shù)。

　　采用此種計(jì)量方式不僅可以保證測(cè)量精度，而且大大節(jié)省了控制器芯片的端口資源從而有效降低系統(tǒng)成本。數(shù)據(jù)選擇器采用控制器對(duì)其4個(gè)控制引腳的不同職位實(shí)現(xiàn)16個(gè)數(shù)據(jù)上傳通道的逐次接通。電表的執(zhí)行單元由一個(gè)4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器和16個(gè)SSR構(gòu)成，一旦單片機(jī)收到上端集中器下傳來的欠費(fèi)或者其他原因引起的斷電信號(hào)就立即通過對(duì)4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器的G0，G1，A，B，C，D6個(gè)引腳的不同置位控制相應(yīng)用戶所屬的固態(tài)繼電器切斷其電源供應(yīng)。

　　通訊單元

　　電表與上層集中器的通訊方式采用ZigBee通訊方式。從過程上講，采用CC2420芯片通過ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)將16戶的當(dāng)前用電量以被動(dòng)查詢或定時(shí)上傳的形式發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。或者將上層數(shù)據(jù)集中器的查詢命令與欠費(fèi)自動(dòng)斷電命令下載到控制器單元。從數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)上講，一定數(shù)目的多用戶智能電表和一個(gè)集中器構(gòu)成中心結(jié)構(gòu)的ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　控制器單元原理圖電路構(gòu)建

　　控制單元以MSP430F133單片機(jī)作為核心控制芯片，MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器（MixedSignalProcessor）。稱之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。

　　MSP430F133單片機(jī)在32s的循環(huán)周期內(nèi)通過控制數(shù)據(jù)選擇器的4位選擇引腳，每2s逐次接通一個(gè)通道將從對(duì)應(yīng)電能計(jì)量模塊上傳來的累加脈沖信號(hào)累加到對(duì)應(yīng)的累加器單元中，在每10min將積累的計(jì)量脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的用電量數(shù)據(jù)附加上當(dāng)前的時(shí)間常數(shù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器單元中。在每1h末按照預(yù)先的程序定時(shí)上傳存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者隨時(shí)執(zhí)行下傳的抄送命令立即將積累的脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)化為用電數(shù)據(jù)附加上此刻