摘要：本文詳細介紹了基于MAXQ3120的多功能家用電表的設計，實現了電表記錄有用功、能夠實現數據自動傳輸和分時段付費的功能。本文具體介紹了系統方案的設計，并詳細介紹了部分電路，給出系統軟件的框圖和數據通訊協議，最后實踐的結果對系統提出了改進。 關鍵字: 多功能電表；MAXQ3120；DS3231時鐘模塊；通訊協議 一、引言 目前常用的機械結構的電表是一種基于旋轉金屬圓盤的機械式千瓦-時電表，它不考慮輸入電壓或功率因數，只跟蹤記錄實際的用電量。它主要表現在兩個方面：一是機械電表不能夠記錄時間，它只能記錄費拉斯輪的旋轉數，無法記錄與之相對應的快速旋轉和慢速旋轉的時間；二是它只能夠記錄理論實時有功功率，而實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。傳統的機械式電表無法對功率因數進行監測，而是直接默定為電流、電壓相位相同，這樣實際有一部分無功功率也被計算在內了，結果實際有用功率小于輸入電壓和電流的乘積。而且現在用電收費需要考慮到時段、峰值用電量和功率因數，而機械式電表根本無法實現。本文提出了一種基于Maxq3120微控制器的設計方案能夠解決上述問題。 二、方案設計 與以往電表區別，家用多功能電表主要實現的功能有以下幾點：1）實現只記錄用戶實際使用的有用功；2）實現自動分段付費；3）自動抄報電表數據；家用電表的技術指標：額定電壓：220V；額定頻率：50Hz；基本電流：10（40）A；時鐘準確度（日誤差）：≤0.5s。 本系統主要采用Maxq3120微控制器進行設計。MAXQ3120的核心是MAXQ20內核，其工作頻率為8MHz，含有32k字節閃存和512字節RAM；MAXQ3120內含兩個16位、 - 模數轉換器（ADC），可以精確測量瞬時電壓和電流幅值和相位。這兩個ADC通道每48µs完成1次新的轉換，即轉換速率為20667采樣/秒。MAXQ3120集成了1個帶40位累加器的16 x 16位乘法器。該乘法器在單個時鐘周期內即可完成一次運算，因與CPU內核緊密地集成在一起，所以效率極高。MAXQ3120集成了一個LCD控制器，可驅動的段數高達112段。MAXQ3120提供兩路UART，其中一路具有特殊邏輯電路，可輕松實現紅外數據傳輸另一路可實現RS485串行傳輸。MAXQ3120包含一個電池備份的時鐘模塊，具有亞秒計數器和報警功能。該時鐘具有數字微調功能，時鐘精度非常高。 系統主要可分成以下幾個部分：A/D轉換數據處理部分、時鐘及時間管理部分、串口通信管理部分、LCD顯示部分及電源管理部分、Jatg調試部分和軟件部分。 1）A/D轉換部分 本部分主要采用MAXQ3120內部的兩個A/D轉換通道對電壓信號和電流信號進行采集。電壓輸入是交流220V，而MAXQ3120的模擬信號輸入是±1V，所以必須進行分壓處理；電流信號是通過電流分流器產生一個電壓信號進行數據采集，電表的應用的最大電流參數取決于此電流分流器。本表設計的規格是常用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；本表設計的精度為1%，測量范圍從1A到40A，那么最小能夠分辨的電流為10mA，最大要識別40A即4000個10mA才不至于A/D飽和，所以A/D的精度必須要達到12位（4096分之一）以上，而MAXQ3120的A/D轉換是16位的，能夠滿足設計需求，所以采用0.5mΩ電流分流器。電壓分壓電路如圖1所示。 2）時鐘及時間管理部分 MAXQ3120的時鐘電路有兩種情況：一種是采用時鐘芯片DS3231。這款時鐘內含一個日歷時鐘，一個預先篩選并經過微調的晶體和一個溫度傳感器。時鐘自動進行溫度補償，在整個-40°C至+85°C溫度范圍內可實現優于±3.5ppm/°C的計時精度。DS3231通過工業標準I2C總線可以直接與微控制器連接。另一種情況是使用MAXQ3120內部的時鐘。MAXQ3120內含的日歷時鐘采用標準的音叉晶體作為時基，音叉晶體的工作頻率受溫度的影響非常顯著，隨著溫度的變化時鐘的頻率將會變化。MAXQ3120同時內含一個微調寄存器用于微調功能，通過外接一個溫度傳感器來獲取溫度，并且編寫軟件根據溫度對微調寄存器進行調整，經過微調計時后的精度優于4ppm。綜合比較采用第一種方案。計時收費是根據不同的時間段進行計算，把費率寫進寄存器，根據從DS3231讀取的時段進行收費，系統最大支持四個時段。DS3231接口電路如圖2所示。 3）串口通信管理部分 MAXQ3120集成兩個串口串口控制器，其中一個可以接紅外收發器，另一個可作普通串口使用。本系統沒有設計紅外通訊部分，只設計了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LCD控制器，可驅動的段數高達112段。所以本系統直接把MAXQ3120與LCD顯示屏連接起來。電源采用SPX1117芯片，它能夠將將5V的電壓轉化為工作電壓。需要注意的SPX1117芯片的第一個管腳為GND，而與7805芯片的管腳有所不同。 5）Jatg調試部分和軟件部分 Jatg調試部分是使用MAXQ3120的KIT提供的Jatg調試電路。 軟件主要包含幾個模塊：初始化模塊、A/D采樣模塊、寄存器管理模塊、數據計算及收費管理模塊，數據封裝模塊。 系統軟件的流程圖如圖4所示： 數據通訊協議的格式如表1： 表1 通訊協議格式 數據頭、數據尾：分別為2個字節，用來區分數據的完整性，主要需要考慮數據的透明傳輸問題，即數據中出現與數據尾相同的數據導致無法通過校驗。 目標機地址：6個字節，用來區分數據的發送目標。 命令：一個字節，用來指示目標機的具體動作。 數據長度、數據：數據長度是指數據的長度，數據是命令所需要的參數。 本系統采用RS485接口組成的網絡，數據的傳送采用輪詢的方式，這樣雖然實時性不高，但可以避免數據沖突，可以完全實現數據的自動傳輸。 三、結束語 本文中作者創新點是通過集成度很高的MAXQ3120芯片，設計了一款能夠真實記錄用戶有用功、能夠多費率收費、自動傳送數據的家用電表，并且在很好的控制制作成本的前提下，穩定性非常好。本系統已經完成測試，達到了當初的設計要求，但是有一部分內容需要改進，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邏輯設計，電壓回路加額定電壓115%，電流線路無電流時，電表不產生多于一個脈沖的輸出；另外為節約成本應考慮使用片內晶振等。 參考文獻 1、胡圣堯，常春，張東來，強文義. 基于無線通訊的遠程環境監測與管理信息系統設計. 微計算機信息，2004,20（3）：55-56 2、MAXQ3120 Datasheet. Maxim Integrated Product. Inc. 3、謝希仁. 計算機網絡. 大連理工出版社. 2004.9 4、Customization Guide for the MAXQ3120 Electricity Meter Reference Design. Maxim Integrated Product. Inc. 2006.3