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一、引言
目前常用的机械结构的电表是一种基于旋转金属圆盘的机械式千瓦-时电表，它不考虑输入电压或功率因数，只跟踪记录实际的用电量。它主要表现在两个方面：一是机械电表不能够记录时间，它只能记录费拉斯轮的旋转数，无法记录与之相对应的快速旋转和慢速旋转的时间；二是它只能够记录理论实时有功功率，而实际上用户的用电量不仅取决于输入电流、输入电压，还取决于功率因数。传统的机械式电表无法对功率因数进行监测，而是直接默定为电流、电压相位相同，这样实际有一部分无功功率也被计算在内了，结果实际有用功率小于输入电压和电流的乘积。而且现在用电收费需要考虑到时段、峰值用电量和功率因数，而机械式电表根本无法实现。本文提出了一种基于Maxq3120微控制器的设计方案能够解决上述问题。
二、方案设计
与以往电表区别，家用多功能电表主要实现的功能有以下几点：1）实现只记录用户实际使用的有用功；2）实现自动分段付费；3）自动抄报电表数据；家用电表的技术指标：额定电压：220V；额定频率：50Hz；基本电流：10（40）A；时钟准确度（日误差）：≤0.5s。
本系统主要采用Maxq3120微控制器进行设计。MAXQ3120的核心是MAXQ20内核，其工作频率为8MHz，含有32k字节闪存和512字节RAM；MAXQ3120内含两个16位、 - 模数转换器（ADC），可以精确测量瞬时电压和电流幅值和相位。这两个ADC通道每48µs完成1次新的转换，即转换速率为20667采样/秒。MAXQ3120集成了1个带40位累加器的16 x 16位乘法器。该乘法器在单个时钟周期内即可完成一次运算，因与CPU内核紧密地集成在一起，所以效率极高。MAXQ3120集成了一个LCD控制器，可驱动的段数高达112段。MAXQ3120提供两路UART，其中一路具有特殊逻辑电路，可轻松实现红外数据传输另一路可实现RS485串行传输。MAXQ3120包含一个电池备份的时钟模块，具有亚秒计数器和报警功能。该时钟具有数字微调功能，时钟精度非常高。
系统主要可分成以下几个部分：A/D转换数据处理部分、时钟及时间管理部分、串口通信管理部分、LCD显示部分及电源管理部分、Jatg调试部分和软件部分。
1）A/D转换部分
本部分主要采用MAXQ3120内部的两个A/D转换通道对电压信号和电流信号进行采集。电压输入是交流220V，而MAXQ3120的模拟信号输入是±1V，所以必须进行分压处理；电流信号是通过电流分流器产生一个电压信号进行数据采集，电表的应用的最大电流参数取决于此电流分流器。本表设计的规格是常用10A，最大40A。若电流分流器为0.5mΩ，那么最大满偏电压为20mv，但根据欧姆定律，电流分流器的功耗就为0.8w，电流分流器不宜选用大于0.5mΩ；本表设计的精度为1%，测量范围从1A到40A，那么最小能够分辨的电流为10mA，最大要识别40A即4000个10mA才不至于A/D饱和，所以A/D的精度必须要达到12位（4096分之一）以上，而MAXQ3120的A/D转换是16位的，能够满足设计需求，所以采用0.5mΩ电流分流器。电压分压电路如图1所示。
图1 电压分压电路
2）时钟及时间管理部分
MAXQ3120的时钟电路有两种情况：一种是采用时钟芯片DS3231。这款时钟内含一个日历时钟，一个预先筛选并经过微调的晶体和一个温度传感器。时钟自动进行温度补偿，在整个-40°C至+85°C温度范围内可实现优于±3.5ppm/°C的计时精度。DS3231通过工业标准I2C总线可以直接与微控制器连接。另一种情况是使用MAXQ3120内部的时钟。MAXQ3120内含的日历时钟采用标准的音叉晶体作为时基，音叉晶体的工作频率受温度的影响非常显著，随着温度的变化时钟的频率将会变化。MAXQ3120同时内含一个微调寄存器用于微调功能，通过外接一个温度传感器来获取温度，并且编写软件根据温度对微调寄存器进行调整，经过微调计时后的精度优于4ppm。综合比较采用第一种方案。计时收费是根据不同的时间段进行计算，把费率写进寄存器，根据从DS3231读取的时段进行收费，系统最大支持四个时段。DS3231接口电路如图2所示。
图2 DS3231接口电路
3）串口通信管理部分
MAXQ3120集成两个串口串口控制器，其中一个可以接红外收发器，另一个可作普通串口使用。本系统没有设计红外通讯部分，只设计了RS485通讯，使用了SP3490芯片，其电路图如图3所示。
图3 RS485工作电路
4）LCD显示部分及电源管理部分
MAXQ3120集成了一个LCD控制器，可驱动的段数高达112段。所以本系统直接把MAXQ3120与LCD显示屏连接起来。电源采用SPX1117芯片，它能够将将5V的电压转化为工作电压。需要注意的SPX1117芯片的第一个管脚为GND，而与7805芯片的管脚有所不同。
5）Jatg调试部分和软件部分
Jatg调试部分是使用MAXQ3120的KIT提供的Jatg调试电路。
软件主要包含几个模块：初始化模块、A/D采样模块、寄存器管理模块、数据计算及收费管理模块，数据封装模块。 系统软件的流程图如图4所示：
图4 软件流程图
数据通讯协议的格式如表1：
表1 通讯协议格式
数据头、数据尾：分别为2个字节，用来区分数据的完整性，主要需要考虑数据的透明传输问题，即数据中出现与数据尾相同的数据导致无法通过校验。
目标机地址：6个字节，用来区分数据的发送目标。
命令：一个字节，用来指示目标机的具体动作。
数据长度、数据：数据长度是指数据的长度，数据是命令所需要的参数。
本系统采用RS485接口组成的网络，数据的传送采用轮询的方式，这样虽然实时性不高，但可以避免数据冲突，可以完全实现数据的自动传输。
三、结束语
本文中作者创新点是通过集成度很高的MAXQ3120芯片，设计了一款能够真实记录用户有用功、能够多费率收费、自动传送数据的家用电表，并且在很好的控制制作成本的前提下，稳定性非常好。本系统已经完成测试，达到了当初的设计要求，但是有一部分内容需要改进，如：串口通信部分只完成485接口，还需增加红外通信接口、电表还需增加防潜动逻辑设计，电压回路加额定电压115%，电流线路无电流时，电表不产生多于一个脉冲的输出；另外为节约成本应考虑使用片内晶振等。
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