Реализация электронного счетчика электроэнергии на микроконтроллере серии MSP430FE42x

Реализация электронного счетчика электроэнергии на микроконтроллере серии MSP430FE42x

Введение

В настоящее время встроенные компьютерные системы получают все большее распространение из-за их высокого качества и надежности, а так же простоты обработки информации.

В ходе работы необходимо разработать КС которая будет считывать данные с оптопары и выводить обработанную информацию на точечный LED индикатор.

По техническому заданию на курсовой проект КС должна быть посторена на микроконтроллере MSP430.

Микроконтроллеры MSP430 - это 16-разрядные микроконтроллеры RISC-архитектуры, с развитой периферией и сверхнизким энергопотреблением. Микроконтроллеры семейства MSP430 содержат 16-разрядное RISC CPU, периферийные модули и гибкую систему тактирования, соединенные через фон-Неймановскую общую адресную шину (MAB) памяти и шину памяти данных (MDB). Объединяя современное CPU с отображаемыми в памяти аналоговыми и цифровыми периферийными устройствами, семейство MSP430 предлагает решения для приложений со смешанными сигналами.

Так же в данном курсовом проекте описана схема электрическая принципиальная и программное обеспечение электронного счетчика электроэнергии на микроконтроллере семейства MSP430FE42x. В качестве дополнения предполагается использовать руководство пользователя модуля ESP430CE1.

Микроконтроллеры семейства MSP430FE42x, со встроенным сигнальным процессором ESP430CE1, для однофазного счетчика электроэнергии, со встроенным аналоговым входным терминалом и температурным датчиком, были разработаны специально для использования в устройствах измерения потребляемой мощности. ESP430CE1 выполняет большинство действий по измерению потребления электроэнергии автоматически, не используя ресурсы вычислительного ядра. Это позволяет сохранить ресурсы вычислительного ядра для использования их в других задачах, например для осуществления связи с другими устройствами. ESP430CE1 может работать с различными токовыми датчиками. Все параметры могут быть настроены программно, а калибровочные константы могут быть сохранены во Flash памяти микроконтроллера MSP430 и переданы ESP430CE1 при инициации системы.

1. Анализ поставленной задачи

Рассмотрим общую структурную схему, приведенную на рисунке 1.1

Рис. 1.1 - Структурная схема устройства

В качестве микроконтроллера выберем MSP430FE42x.

Микроконтроллеры семейства MSP430FE42x содержат три независимых 16 - битных сигма-дельта АЦП и усовершенствованное ядро обработки сигналов, использующееся для измерения электропотребления в 2- и 3 - фазных сетях. Также эти микроконтроллеры содержат 16 - битный таймер, 128 - сегментный драйвер ЖКИ и 14 линий портов ввода-вывода общего назначения.

К типичной области применения относятся 2- и 3 - фазные электросчетчики.

На рисунке 1.2 приведен MSP430FE42x.

Рис. 1.2 - Назначение выводов MSP430FE423, MSP430FE425, MSP430FE427

Отличительные особенности и характеристики:

· Диапазон напряжения питания от 2.7 до 3.6 В

· Сверхмалое потребление энергии:

– Активный режим: 400 мкА при 1 МГц, 3 В

– Дежурный режим (Standby): 1.6 мкА

– Режим выключения (Off) (сохранение информации в ОЗУ): 0.1 мкА

· Пять режимов с уменьшением потребления

· Выход из дежурного режима (Standby) за 6 мкс

· Встроенная система ФАПЧ

· 16-разрядная RISC-архитектура, длительность машинного цикла 125 нс

· Усовершенствованное ядро обработки сигналов

· 16 - битный таймер Timer_A с тремя регистрами захвата / сравнения

· Драйвер ЖКИ, обслуживающий до 128 сегментов

· Последовательный коммуникационный интерфейс (USART), способный работать в режиме асинхронного UART или синхронного SPI интерфейса

· Броуновский детектор

· Супервизор/монитор напряжения питания с программируемым порогом детектирования

· Последовательный внутрисхемный программатор, не требующие дополнительного вешнего источника питания

· Возможность защиты кода программы от считывания

· Загрузчик Flash памяти

· В семейство входят:

· MSP430FE423: 8кБ + 256 байт флэш-памяти, 256 байт ОЗУ

· MSP430FE425: 16кБ + 256 байт флэш-памяти, 512 байт ОЗУ

· MSP430FE427: 32кБ + 256 байт флэш-памяти, 1 кБ ОЗУ

· Выпускаются в 64-выводном QFP корпусе

· Для более полного описания смотрите руководство пользователя с обозначением SLAU056

На рисунке 1.3 приведена внутренняя структура MSP430FE42x

Рис. 1.3 - Внутренняя структура MSP430FE42x

2. Проектирование принципиальной схемы устройства

2.1 Схема включения микропроцессора

Микроконтроллер MSP430FE42x содержит 6 регистров ввода / вывода. Задействуем Port 1 и Port 2 управления светодиодным индикатором. Port 4 служит для считывания данных с оптопары.

На рисунке 2.1 приведена структурная схема включения микроконтроллера.

Рис. 2.1 - структурная схема включения микроконтроллера

2.2 Двунаправленные, токоизмерительные (по шине с большим потенциалом) усилители с встроенным ИОН

Недорогие, двунаправленные, токоизмерительные усилители (по шине с большим потенциалом) ИС MAX4069-MAX4072 идеальны для мониторинга состояния заряда и токов разряда батарей в ноутбуках, сотовых телефонах и в другом портативном оборудовании. Данные ИС обладают широким (до 24 В) диапазоном напряжений входных синфазных сигналов, низким потребляемым током (который снижается до 10 мкА в режиме отключения), и суммарной выходной погрешностью, составляющей, менее 1.5%. Широкий диапазон входного синфазного напряжения от 1.35 В до 24 В не зависит от напряжения питания, обеспечивая прецизионный уровень обратной связи токоизмерительного сигнала, даже при подключении к глубоко - разряженной батарее.

Для обеспечения максимальной гибкости, внешний токоизмерительный резистор используется в сочетании с аппаратно - выбираемым (с помощью логического входа управления) уровнем усиления 50 В/В, или 100 В/В. Единый выход обеспечивает непрерывный мониторинг, как зарядного, так и разрядного токов и исключает необходимость использования отдельного выхода для каждой из полярностей.

ИС MAX4070 имеет встроенный источник опорного напряжения (ИОН) с уровнем 2.5 В. Величина зарядного тока представляется при уровне выходного напряжения от 2.5 В до VCC, а ток разряда - при напряжении от 2.5 В до шины корпуса. ИС MAX4071 имеет подобное строение, отличающееся уровнем 1.5 В встроенного ИОН. ИС MAX4069 имеет регулируемый ИОН, устанавливаемый при помощи двух внешних резисторов. ИС MAX4072 имеет вход для подключения внешнего ИОН.

ИС MAX4069/MAX4071/MAX4072 имеют однополярное питание от 2.7 В до 24 В. ИС MAX4070 имеет однополярное напряжение питания от 3.6 В до 24 В. Все ИС семейства специфицированы для эксплуатации в автомобильном диапазоне температур (от -40С до +125С).

ИС MAX4069 выпускается в корпусе 10-pin µMAX, тогда как, ИС MAX4070/ MAX4071/ MAX4072 выпускаются в корпусе 8-pin µMAX, и корпусе типа 8-pin QFN.

Отличительные особенности:

· Двунаправленные, компактные, токоизмерительные устройства

· Суммарная выходная погрешность менее 1.5%

· Выбираемый режим усиления 50 В/В и 100 В/В

· Широкий диапазон (от 1.35 В до 24 В) входных синфазных напряжений, не зависящий от напряжения питания

· Однополярное питание от 2.7 В до 24 В

· Встроенный прецизионный ИОН:

· Регулируемый (MAX4069)

· 2.50 В (MAX4070)

· 1.50 В (MAX4071)

· Низкий потребляемый ток:

· 100 мкА

· 10 мкА в режиме отключения

· Выпускаются в малогабаритных корпусах:

· 8-Pin QFN (MAX4070/MAX4071/MAX4072)

· 8-Pin µMAX (MAX4070/MAX4071/MAX4072)

· 10-Pin µMAX (MAX4069)

Области применения:

· Измеритель расхода/ заряда батарей в ноутбуках

· Смарт - батареи/ зарядные устройства

· Управление электродвигателями

· Системы управления энергопотреблением

· Мониторинг токов батареи в сотовых телефонах

Типовая схема включения:

2.3 Схемы входных и выходных устройств

Данное устройство считывает данные оптопары. Применим оптрон АОД130А. Оптопара диодная, состоящая из излучателя и кремниевого фотоприёмника, изготовленных по эпитаксиальной технологии, в пластмассовом корпусе, предназначены для использования в качестве элементов гальванической развязки в высоковольтной электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре.

Характеристики датчика:

· Входное напряжение (Iвх = 10 мА) 1,5В

· Время нарастания выходного сигнала 100 нс

· Время спада выходного сигнала 100 нс

· Сопротивление изоляции 1011 Ом

Для отображения считанных данных с оптопары по заданию нужно применить точечный (5x7dot) светодиодный индикатор. Данные индикаторы включены по схеме динамической индикации. В один момент времени подсвечен только один столбик точек индикатора. Но за счет инерционности человеческого зрения можно увидеть символы изображенные на индикаторе. Правда яркость получается несколько ниже чем при статическом отображении. Увеличение яркости можно выполнить с помощью частичного увеличения пикового тока светодиода. Схема включения 3-х индикаторов 5x7dot приведена на рисунке 8.

Рис. 2.3 - Схема включения 3-х индикаторов 5x7dot