基于GPRS非法用电报警装置的设计毕业设计论文

1、 20132013 届届 电气与电子工程电气与电子工程 学院学院 专专 业业 电子信息工程（通信技术）电子信息工程（通信技术） 完成日期完成日期 20132013 年年 6 6 月月 1010 日日 毕业设计任务书 题题目目基于 gprs 的非法用电报警装置的设计 专专 业业 电子信息工程（通信技术） 班班 级级电 0904-1 班学生姓名学生姓名 承担指导任务单位承担指导任务单位电气工程分院导师姓名导师姓名导师职称导师职称副教授 石家庄铁道学院毕业设计 the design of basing on gprss illegal use of electric alarm device 基于基

2、于 gprsgprs 的非法用电报警装置的设计的非法用电报警装置的设计 一、设计内容： 1、总体方案的设计。 2、电源及复位模块设计。 3、数据采集系统 att7022b 模块外围电路的设计。 4、蓄电池电压电流模块的设计。 5、数据保存模块设计。 6、gprs 通信模块及显示模块设计。 二、基本要求 1、gprs 网络监测电压变化情况 2、能检测到非法用电并进行报警 3、显示器正确显示故障类型 三、主要技术指标 1、gtm900 模块 （1）重量 10 g （2）尺寸（长宽高）56.5 mm36 mm3 mm（包括屏蔽盒） （3）电源电压 3.3v4.8v（推荐值 4.0v ）工作电流3.8

3、ma（空闲模式） 2、msp430f149 模块 （1）安全熔丝的程序代码保护 （2）低电压(电压范围是 1.8v-3.6v)，超低功耗(2.2v 1mhz 280ua ) （3）使用中断请求将 cpu 从低功耗模式下唤醒时间：6us 四、应收集的资料及参考文献 1、沈建华，杨艳琴，翟晓曙。msp43o 系列 16 位超低功耗单片机实践与系统设m 。清华 大学出版社，2005 2、秦龙。msp430 单片机应用系统开发典型事例m。北京:中国电力出版社 3、胡大可。msp43o 系列 flash 型超低功耗 1 位单片机m。北京:北京航空航大大学出版 社，2001 4、魏灵坤，刘志军，胡春华。a

4、tt7022b 的功能及其应用技术研究。科技创新 导报，2008 五、进度计划 1、2 月 24 日-3 月 31 日收集资料，生产实习，熟悉 cad 软件，装机调试。 2、4 月 1 日-4 月 30 日完成各模块硬件布图的整体框架，选定各模块所需器件。 3、5 月 1 日-5 月 31 日完成全部设计，完成硬件布图。 4、6 月 1 日-6 月 13 日整理设计书，准备答辩。 教研组主任签字教研组主任签字时时间间 年年 月月 日日 毕业设计开题报告 题目基于 gprs 的非法用电报警装置的设计 专 业电子信息工程（通信技术）班 级电 0904-1 班学生姓名刘荣艳 研究背景：近年来，通信公

5、司大力完善网络覆盖，公司的蜂窝网基站数量大，分布 面广，安装位置分散且情况复杂。基站大多是租用民房，由于缺乏具体的监测手段，基 站用电较难管理，也无法对基站的用电量进行科学系统地监测管理。因此，研究并建设 能适应大规模基站系统需要的非法用电报警系统，对于节能减排的建设和用电的精细化 管理具有积极的意义。 国内研究现状：除电力供电基站外，有很大一部分基站都是采用出租房屋方提供的 电源，因场地条件限制，许多电表安装无法规范，可人为私自改动电表或私接电源窃电 的机会很多。由于没有先进的技术手段对此行为进行监督管理，光靠现有的管理手段， 既使有人改电表或窃电，我们的工作人员也无法知道。现在所有基站（机

6、房）都是无人 值守，正好给窃电分子有机可乘。加之大多数人对窃电行为的严重性意识不足，认为窃 电不是违法犯罪，联通有钱对这点小钱不在乎。另外窃电者的窃电手段普遍都比较高明， 不通过技术的手段是很难抓到窃电者的。利用私接电线的手段进行窃电的现象相当普遍。 这样的问题基站现场电表读数是无法真实反映基站实际用电情况的。 研究方法：通过自己所学的相关课程，如移动通信、通信原理、数字电路、模拟电 路电子线路等；以及通过借阅图书馆相关资料和上网收集相关课题信息；最后到实地进 行考察，如参观一些基站用电检测系统，或者去参观新型小区的基站。 主要工作：系统各模块分析、各模块硬件电路设计与分析、主控制器的选择与性

7、能 分析、gprs无线通信网络设计、各模块cad绘图、各功能模块调试。 指导教师签字时 间 年 月 日 毕业设计评语及成绩 学生姓名刘荣艳专业 电子信息工程 （通信技术） 班 级电 0904-1学 号20092397 毕业设计（论文） 题目 基于 gprs 的非法用电报警装置的设计 指导教师 姓 名 陈东阳 指导教师 职 称 副教授 指导教师评语： 专家评语： 签字： 年 月 日 答辩小组意见： 答辩小组组长签字： 年 月 日 成绩： 院长(主任) 签字： 年 月 日 摘要 探讨了一种基于 gprs 通信技术的防窃电实时监控系统方案，详细阐述了其系 统组成、核心硬件单元和窃电行为识别与诊断方法

8、，还指出了该系统的安全措施和 技术特点。该系统方案将供用电过程透明化，供用电信息实时化，从而能有效地防 治窃电行为。 本设计是从降低开发成本、扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性的设计 目的出发，采用 msp430f149 单片机为控制核心、以 gatt7022b 来完成电压信号 的采集、电压以数字的方式显示在 led 液晶上，最终实现电压的采集、显示。并重 点阐述了系统的硬件构成和软件编程的设计过程。其中硬件构成有六部分:电源及复 位模块、数据采集模块、数据存储模块、上位机、gtm900 模块和显示模块。 msp430f149 是一种 16 位内含 flash 型芯片的单片机，具有高速运算

9、、开发 设备简便、可现场编程等特点，这给控制系统的设计带来了极大的便利性。各个模 块的电路原理图都由 cad 来完成。 关键词：gprs msp430f149 电压控制 cad att7022b abstract the design of realtime monitoring system against electric larceny is discussed based on gprs technology；and its framework，core hardware as well as methods for detecting and diagnosing electricl

10、arceny are expounded in detail. besides，the stability，reliability and merits of the system are also mentioned the design makes the process from power supplier to consumers transparent and can prevent electric larceny with the full realtime information the design is to reduce costs, expand the develo

11、pment of the scope and the system running stability, reliability, designed by msp430f149 monolithic integrated circuits to control the voltage sensor to complete the temperature of the collection, the voltage in the number of ways in led display led1602, achieve the voltage of the collection and dis

12、play and police. the minimum temperature values based on actual requirements, the keyboard for set, for automatic temperature control and other function, and the hardware and software system of the programming process the design of hardware to constitute a part of six modules, power and resets the c

13、ollected, the data acquisition module, thedata storage module, pc, the gtm900 module and module display module. msp430f149 is a 16-bit flash chips including the type of operation of a monolithic integrated circuits, the development of device easy, but the characteristics and programming for the cont

14、rol system design a great convenience., all modules of a schematic diagram of a circuit are cad to complete. key words: gprs msp430f149 voltage control cad att7022b 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 课题研究的目的意义 .1 1.2 研究现状 .1 1.2.2 基站的现状及其发展趋势 .2 1.3 论文研究内容及创新特点 .3 1.3.1 主要研究内容 .3 1.3.2 主要创新特点 .4 第 2 章 硬件模块理论基础.5 2.

15、1 gtm900 系统简介.5 2.1.1 产品定位 .5 2.1.2 产品外形 .5 2.1.4 逻辑框图 .7 2.1.5 产品应用 .7 2.1.6 电气特性 .9 2.2 msp430f149 单片机.10 2.3.1 msp430f149 的组成.10 2.3.2 msp430f149 的特点.10 2.3.3 msp430f149 的定时器及转换模块.11 2.3 电压电流采集系统 .12 2.3.1 芯片特性 .13 2.3.2 内部框图 .14 2.3.3 引脚描述 .14 2.3.4 应用示意图.17 第 3 章 硬件部分.18 3.1 总体方案的设计 .18 3.2 电源模

16、块设计 .19 3.2.1 计量工作电源 .19 3.2.2 微处理器工作电源 .20 3.3 复位模块设计 .21 3.3.1 上电复位和电源电压监视 .22 3.3.2 硬件复位和软件监视 .22 3.4 电参数计量的设计 .22 3.4.1 att7022b 外围硬件设计.22 3.4.2 微处理器与 att7022b 之间的数据交换.25 3.4.3 电参数数据的获取 .29 3.4.4 校表方法 .29 3.5 蓄电池电压采集电路的设计 .31 3.6 蓄电池电流采集电路的设计 .32 3.7 数据保存电路的设计 .33 3.8 gprs 通信接口的硬件设计 .34 3.9 显示模块

17、的设计 .35 3.10 重连机制的改进 .36 第 4 章 软件设计.39 4.1 串口 0 任务处理 .39 4.2 gprs 任务处理 .39 4.3 短信任务处理 .40 第五章 总结与展望.42 5.1 总结 .42 5.2 展望 .42 参考文献.43 致谢.44 附录 1：外文翻译.45 附录 2 原理图.55 附录 3：软件相关程序.56 第 1 章 绪论 本章主要介绍课题研究的目的意义，国内外研究现状，以及课题研究的主要内 容及创新点。 1.1 课题研究的目的意义 近年来，各公司大力完善网络覆盖，公司的蜂窝网基站数量大，分布面广，安 装位置分散且情况复杂。基站大多是租用民房，

18、有些电表由电网公司安装，有些电 表为业主安装，表的类型非常多，既有机械式电度表，也有电子式电度表，还有 ic 卡电表。由于点多面广，情况复杂，公司需要派专人或委托代维公司抄表、维护， 以满足基站的电量核算、用电分析等能耗日常管理。特别是近年来，随着基站数量 迅速增加，用电成本已经成为公司的主要成本，而且比例还在逐年增加。 现有的窃电手段很多，归纳起来无非都是从电能计量的基本原理或计量装置下 手。电能表对电能的计量决定于电压、电流、功率因素三要素及其与时间的乘积， 改变这些要素中的任何一个，或者改变电能计量装置的结构或对其施加影响使电能 表慢转、停转甚至反转，以达到窃电的目的。尽管目前防窃电技术

19、已经取得很大进 步，但是由于窃电手段也日益智能化和专业化，从而窃电更加隐蔽，更加不易查处， 甚至少数供电部门内部人员监守自盗造成大量“人情电”流失。常规的防窃电手段 都只是设置在用户端，缺乏实时监控，造成窃电证据不能及时采集，窃电者仍有可 趁之机对于某些内外勾结进行大肆窃电的非法行为，不能得到有效的控制。从根 本上防止窃电行为的发生，只有通过实现基于供电和用电电量平衡的全程实时监测 方案来解决，将整个供用电过程透明化使窃电者无机可趁由于缺乏具体的监测手段， 基站用电较难管理，也无法对基站的用电量进行科学系统地监测管理。因此，研究 并建设能适应大规模基站系统需要的能耗管理系统，对于节能减排的建设

20、和用电的 精细化管理具有积极的意义。 1.2 研究现状 1.2.1 gprs 技术的国内外现状1 gprs 是通用分组无线业务(general packet radio service)的简称，它突破了 gsm 网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站 系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用 户数据速率却相当可观。gprs(general packet radio service)是一种以全球手机系统 gsm 为基础的数据传输技术，可说是 gsm 的延续。gprs 和以往连续在频道传输 的方式不同，是以封包(packet)式来传输，

21、因此使用者所负担的费用是以其传输资料 单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。 gprs 的传输速率可提升至 56 甚至 114kbps。而且，因为不再需要现行无线应 用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机 上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上(vrn)的使用者，甚至 可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。 1.2.2 基站的现状及其发展趋势 基站即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖 区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信 电台。移动通信基站的建设是我国移动通信运营商投资的重

22、要部分，移动通信基站 的建设一般都是围绕覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护方便等要素进 行。随着移动通信网络业务向数据化、分组化方向发展，移动通信基站的发展趋势 也必然是宽带化、大覆盖面建设及 ip 化2。 广义的基站是基站子系统(bss，base station subsystem)的简称。以 gsm 网络 为例，包括基站收发信机(bts)和基站控制器(bsc)。一个基站控制器可以控制十几 以至数十个基站收发信机。而在 wcdma 等系统中，类似的概念称为 nodeb 和 rnc。 狭义的基站，即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无 线电覆盖区中，通过移动通信交换中

23、心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线 电收发信电台。 无论 2g 还是 3g 基站，都有一些通用的要求，总结起来有八点：性能卓越，包 括接收灵敏度、抗干扰能力、极限容量、发射频谱等；投资节省，就是降低综合运 营成本，能够充分利用已有投资，设备投资注重长远收益；基站的容量配置比较灵 活，支持多载波技术、大功率功放、多频段；支持的业务更加多样，除了基本业务 还能支持一些新的业务，对视频和其他新的业务支持更加方便；产品的形态更加丰 富，如宏蜂窝基站、微基站，小型基站，室内站和室外站等；设备集成度更高，从 射频和基带两方面提高设备的集成度；灵活的部署方式，要选址/安装方便，共用已 有设施，美化环境

24、；另外，升级维护要方便，支持硬件/软件升级、远程维护管理等。 传统型基站主要提供宏基站和微基站服务。宏基站容量大、体积大、功率大， 适用于大部分区域；微基站特点是容量小、体积小，小功率型适用于密集地区和 室内覆盖，大功率型适用于机房获取困难及偏远地区。特色型基站包括分布式基站 rru 形式，其特点备受关注，应用前景广阔。大功率的分布式基站被用于解决大容 量问题，小型化基站则主要解决室内覆盖的建网。另外还有概念型基站微微蜂窝， 这主要是解决家庭小区域的覆盖。 从基站的发展趋势来看，主要呈现下面几个特点3： 第一，将呈现开放式模块化的特点，使基站建设可以以“搭积木”的方式进行， 能够快速响应，缩短

25、建设时间，同时使维护设备种类减少，降低运维难度，节省运 维成本。微基站将进一步缩小体积，分布式基站则继续强化灵活性，未来将扮演复 杂无线环境的应用主角。 第二，基站将能够支持多载波、大容量，具有更高的集成度、更低的功耗、更 高的性能。容量需求变化时只需增加信道板，就可以实现快速平滑扩容，这将成为 基站的另一个重要发展趋势。现在能看到的是 12 个载波的系统，或者搭载更多，一 个宏基站加上 ruu 就能够提供更好的覆盖。 第三，高功率效率。功放部分现在有两种主流实现：一种是 dsp 加 ipta，其 中采用了软件技术，能够更灵活更快地响应市场需求；还有一种方式是采用专用的 集成芯片，其优点是集成

26、芯片能够批量生产，成本和集成度方面比第一种方式更有 优势，可以有效降低维护成本，并增强系统的可靠性。 第四，ip 化发展。如今从核心网到无线接入网再到终端，移动通信网络整体都 在向全 ip 方向发展，基站设备和传输也必须注重 ip 化，从而降低从传统的 tdm 网 络直接升级为全 ip 网络的风险，保护投资。 第五，一些新的室内覆盖解决方案将面世。3g 室内业务量特别是多媒体业务量 在室内比较多，现在能够统计的结果是 70%左右的业务量是发生在室内的。此外， 3g 对室内覆盖的要求比 2g 要高，因此有必要细分各种室内覆盖的设备市场，发展 大型、中型和小型室内办公，家庭办公等地区室内覆盖解决方

27、案。 1.3 论文研究内容及创新特点 1.3.1 主要研究内容 (1)完成三相电参数数据的采集，包括各相电压电流有效值、各相和合相有功无 功功率、各相和合相有功和无功电能、各相和合相功率因数以及电网频率等，计量 精度达到 1s。 (2)完成蓄电池电压、蓄电池电流的数据采集，电压采集精度达到 0.05v，蓄电 池电流精度达到 1ma。 (3)将数据预设定阈值进行比较，判断告警事件发生与否。告警类型包括市电停 电、蓄电池电压欠压、市电端相、市电过压、市电过流。 (4)可通过串口进行本地操作，通过上位机将各种数据从终端中读取出来。 1.3.2 主要创新特点 采用 msp430f149 作为控制模块的

28、主要部件，外围接有 gprs 模块，数据采集 模块，led 灯，蓄电池电压电流采集模块，数据存储模块等。而且如果发生故障或 是达到报警阈值就会在 led 灯上显示出来，以便工作人员检修和维护。同时 msp430f149 通过串口 uart0 可与上位机相连，直接对其进行各种参数的复制，简 单快捷。该设计实现了对基站电量实时监控的功能，提高了效率，节省财力物力， 是一个很实用的设备。 基于 gprs 的通信基站用电监测终端具有以下创新点： (1)电压采集一般用电阻分压后供 a/d 采样，本论文采用的继电器采集方案用低 成本的方式实现了蓄电池电压高精度采集，也达到了电气隔离和抗干扰的作用。 (2)

29、采用蓄电池充放电方向来判断市电停电与否。 (3)通信模块选择了华为公司的 gtm900，内置 tcp/ip 协议，大大缩短了项目 开发时间。 (4)对通信故障发生后系统自主重连网络的机制进行了改进，不仅实现了可靠重 连网络的功能，还大大缩短了重连网络所取消的时间。 (5)在 gprs 网络正常情况下，由终端发起的通讯都采用 gprs 方式，由服务器 发起的通讯都采用 sms 方式；在 gprs 网络故障情况下，终端通讯方式有 gprs 方 式转为 sms 方式，每次有发送数据需求时，采用 sms 发送，待 gprs 故障恢复后， 再启用 gprs 模式，这样确保了通信的可靠性4。 第 2 章

30、硬件模块理论基础 本章简要介绍华为公司的 gtm900 模块，msp430f149 单片机模块及 att7022b 模块等硬件的技术特点、功能、发展优势等等。 2.1 gtm900 系统简介4 2.1.1 产品定位 华为 gtm900 无线模块是一款三频段 gsm/gprs 无线模块。它支持标准的 at 命令及增强 at 命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种 应用的理想解决方案。同时，gtm900 无线模块也适合在 gt800 的网络下运行。它 提供组呼、广播、私密呼叫、优先级呼叫等丰富的集群功能，是 gt800 各类终端的 核心解决方案。 2.1.2 产品外形 gtm9

31、00 无线模块的外形规格，如表 2-1 所示。 表 2-1 产品外形规格 外形规格指标 重量10 g 尺寸（长宽高）56.5 mm36 mm3 mm（包括屏蔽盒） gtm900 无线模块的物理外形，如图 2-1 所示。 图 2-1 产品物理外形 2.1.3 产品特性 gtm900 的产品特性如所表 2-2 示。 表 2-2 产品特性 产品特性描述 工作频段 egsm900/gsm1800 双频 工作频段 gt800单频 gsm850/gsm1900（需要另外选配器件） 最大发射率 egsm900/gt800 class4(2w) gsm1800 class1(1w) 接收灵敏度-102dbm

32、工作温度-30c +75c 电源电压3.3v4.8v（推荐值 4.0v ） 工作电流3.8ma（空闲模式） 协议 兼容gsm/gprs phase2/2+协议 支持华为gt800 协议 at 命令 gsm 标准at 命令 at命令 v.25 at命令 华为扩展的 at 命令 40pin fpc 连接器uart 接口（最大串口速率可达 115200bit/s） 标准sim 卡接口（3v） 两路模拟音频接口 电源接口 gsc 射频天线连接器50 gsc 射频天线连接器 语音业务支持fr、efr、hr 和amr 的语音编码 语音业务 支持免提通话，提供回声抑制功能 短消息业务支持mo 和mt 短消息

33、业务 点对点和小区广播 短消息模式支持 text 和 pdu gprs 数据业务 gprs class 10 编码方式cs 1，cs 2，cs 3，cs 4 最高速率可达85.6kbit/s 支持pbcch 内嵌 tcp/ip 协议：支持多链接，提供 ack 应答，提供 大容量缓存 电路型数据业务 支持csd 数据业务，最高速率可达14.4kbit/s 支持传真：group3 ，class2.0 支持 ussd 补充业务来电显示、呼叫转移、呼叫保持、呼叫等待、三方通话 等 集群功能组呼，广播，私密呼叫等 2.1.4 逻辑框图 gtm900 使用 at 命令集，通过 uart 接口与外部 cpu

34、 通信，主要实现无线发 送和接收、基带处理、音频处理等功能。键盘、lcd(liquid crystal display)等外部 设备由外部 cpu 进行控制。 gtm900 的逻辑框图如图 2-2 所示。 图 2-2 逻辑框图 上述实现方式的优点如下： (1)接口简单。 (2)用户能利用各种键盘和 lcd 开发各种类型的终端产品。 2.1.5 产品应用 gtm900 在 terminal 型固定台、phone 型固定台、车载台和公用电话、电力无 线抄表业务等方面被广泛的应用。 (1)业务演示框图 gtm900 的业务演示框图如图 2-3 所示。 电源管理单元程序和数据存储单元sim卡处理单元

35、串口处理单元cpu中央处理器 单元 模拟基带处理单元 射频收发单元 射频信号功率 放大单元 音频处理单元数字基带处理单元ad/da 转换单元射频天线开关单元 到基站模拟器去的50欧姆电缆或天线 标准rs232串口 gsc 接头 3v 电平信号，需作电平转换 的射频电缆 40pin 的 柔性电缆 图 2-3 业务演示框图 (2)terminal 型固定台应用 gtm900 应用于 terminal 型固定台时，需外接 cpu。外接 cpu 主要完成对 slic(subscriber line interface circuit)芯片的配置以及电源管理、串口通信等功能， 其余的功能均由 gtm90

36、0 完成。 terminal 型固定台应用的逻辑框图如图 2-4 所示 audio 天 线 uart sim irda power 图 2-4 terminal 型逻辑框图 (3)phone 型固定台应用 gtm900 应用于 phone 型固定台时，外部需要增加键盘和 lcd。键盘和 lcd 受外接 cpu 的控制。phone型固定台应用的逻辑框图如图2-5所示。 计算机 电源 gtm900 sim 卡 用户设备 （如固定台， 车载台，移 动台） 串口 无 线 模 块 开灯、亮灯控 制 irda sim power cpu slic 电池充放电 及电池管理 audio 天 线 uart si

37、m irda power 图 2-5 phone型逻辑框图 (4)车载台、公用电话应用 gtm900 应用于车载台时，配合 gps 卫星定位系统,提供有效的实时监控和方 便的集群语音调度功能；gtm900 应用于公用电话时，应用方式与 terminal 型固定 台和 phone 型固定台应用方式相同。用户可根据具体需要，开发相应的键盘、lcd 模块以及其他结构。 (5)电力无线抄表业务应用 gtm900 应用于无线抄表业务时，通过单片机 cpu 连接控制。 2.1.6 电气特性 （1）极限应用条件 gtm900 的极限应用条件如表 2-3 所示。 表 2-3 极限应用条件 参数参数描述最小值最

38、大值单位 ts储藏温度-40+85 vi在任何管脚上输入 或者输出信号电压 -0.53.5 v iin输入电流-100ma vesd静电电压-2000v 无 线 模 块 采样、开关机检测等 irda sim power cpu lcd 串口 电池充放电 及电池管理 audio keypad （2）电源特性 输入电源 gtm900 的输入电源要求如表 2-4 所示。 表 2-4 输入电源要求 参数最小值典型值最大值 单位 vbatt+3.34.04.8v 工作电流 gtm900 的工作电流要求如表 2-5 所示。 表 2-5 工作电流要求 工作模式最小值典型值最大值单位 空闲状态-3.8ma 通

39、话状态-250-ma gprs 数据传输状态-350(gprs4+1)-ma 关机状态-50-a 2.2 msp430f149 单片机 本设计采用 msp430f149 单片机作为核心部件。 2.3.1 msp430f149 的组成 基础时钟模块，包括一个数控振荡器(dco)、一个高速晶体振荡器(最高 8mhz) 和一个低速晶体振荡器(32768hz)。 看门狗定时器 watch timer，可用作通用定时器。 带有 3 个捕获/比较寄存器的 16 位定时器 timer_a3。 带有 7 个捕获/比较寄存器的 16 位定时器 timer_b7。 两个具有中断功能的 8 位并行端口:p1 与 p

40、2。 四个 8 位并行端口;p3、p4、p5 与 p6。 模拟比较器 compator_a。 2 位 200kbps 的 a/d 转换器 adc12，自带采样保持。 两通道串行通信接口可用于异步或同步(usart0、usa1t1)。 一个硬件乘法器。 2.3.2 msp430f149 的特点5 (1)低电压(电压范围是 1.8v-3.6v)，超低功耗(2.2v 1mhz 280ua)。 (2)超低功耗。在休眠条件下上作电流只有 0.8ua;就是在(2.2v、1mhz)条件下电 流只有 280ua。 (3)使用中断请求将 cpu 从低功耗模式下唤醒时间：6us。 (4)快速的指令执行时间。msp

41、430f149 为 16 位 risc 结构，指令周期为 150ns。 (5)片内有 12 位 a/d 转换器，片内提供参考电压。a/d 转换器具有采样保持和 自动扫描特点。 (6)具有灵活的时钟设计。 (7)方便的调试功能。 (8)单片机是 flash 型的，可以实现写入和擦除，再加上次单片机提供 jtag 口，能实现能很好的在线调试仿真功能。通过集成的 ide 开发环境，使用户很容易 调试程序8。 (9)片内提供模拟信号比较器、较多的储存器。 (10)串口通信模块，usart0 usart1。 (11)提供 pl.0-p6.0 六个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。 (12)安全熔丝的

42、程序代码保护。 2.3.3 msp430f149 的定时器及转换模块6 在 msp430f149 中有一个 16 位定时器和一个 12 位转换模块 adc12。 16 位定时器可以用作看门狗定时器，实现在秒数量级上的定时。其中有 2 个中 断向量，便于处理各种定时中断。另外，定时器还具有捕获模式，我们可以通过定 时器的捕获功能实现各种测量，比如脉冲宽度测量。12 位 a/d 转换用到 2 个参考电 平，即 vr+和 vr-，作为转换范围的上下限和读数的量程值和 0 值。转换数值在输入 信号大于等于 vr+时为满量程，小于等于 vr-时为0。adc12 有 4 种工作模式。 可以在单通道上实现单

43、次转换或多次转换，也可以在序列通道上实现单次转换或重 复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。转换的结果保存在 16 个转 换寄存器中，这样 adc12 可以进行多次转换而不需要软件干顶，这一点提高了系 统性能，也减少了软件开销。 msp430f149 单片机管脚如图 2-5 所示： 图 2-5msp430f149 单片机管 2.3 电压电流采集系统 该系统采用 att7022b, att7022b 是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用 于三相三线和三相四线应用。att7022b 集成了六路二阶 sigma-delta adc、参考电 压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及

44、频率测量的数字信号处理等电 路。att7022b 能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能 量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等 参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。att7022b 支持全数字域的增益、 相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出 cf1、cf2 提供瞬时有功、无 功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。详细校表方法请参考第三部分 校表方法。att7022b 可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出 cf3 和 cf4 提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校正7。 att702

45、2b 提供两类视在能量输出，rms 视在能量以及 pqs 视在能量，cf3 和 cf4 也可被配置为视在能量脉冲输出。att7022b 提供一个 spi 接口，方便与外 部 mcu 之间进行计量参数以及校表参数的传递。spi 具体规格参见后面第四部分的 详细说明。所有计量参数都可以通过 spi 接口读出8。att7022b 内部的电压监测电 路可以保证加电和断电时正常工作。 2.3.1 芯片特性9 高精度在输入动态工作范围(1000:1),内非线性测量误差小于 0.1% 有功测量满足 0.2s、0.5s，支持 iec 62053-22，gb/t 17883-1998 无功测量满足 2 级、3

46、级，支持 iec 62053-23，gb/t 17882-1999 提供基波、谐波电能以及总电能测量功能 提供视在电能测量功能 提供正向和反向有功/无功电能数据 提供有功、无功、视在功率参数 提供功率因数、相角、线频率参数 提供电压和电流有效值参数,有效值精度优于 0.5% 提供电压相序检测功能 提供电流相序检测功能 提供三相电流矢量和之有效值输出 提供三相电压矢量和之有效值输出 提供电压夹角测量功能 提供失压判断功能 具有反向功率指示 提供有功、无功、视在校表脉冲输出 提供基波有功、基波无功校表脉冲输出 合相能量绝对值相加与代数相加可选 内置温度测量传感器 电表常数可调 起动电流可调 可准确

47、测量到含 21 次谐波的有功、无功和视在功率 支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿 具有 spi 接口，方便与外部 mcu 通讯 适用于三相三线和三相四线模式 采用 qfp44 封装 单+5v 供电 2.3.2 内部框图10 att7022b 内部框图如 2-6 所示. 图 2-6 att7022b 内部框图 2.3.32.3.3 引脚描述引脚描述10 att7022b 引脚图如 2-7 所示。 1reset 输入， att7022b 复位管脚低电平有效内部有 47k 上拉电阻 2 sig 输出，att7022b 上电复位或者异常原因重新启动时，sig 将变为低电平。 当外部 mcu 通过 s

48、pi 写入较表数据后，sig 将立即变为高电平 3,4 v1p/v1n 输入，a 相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式， 正常工作最大输入 vpp 为 1.5v，两个引脚内部都有 esd 保护电路,最大承受电压 为 6v 5refcap 输出，基准 2.4v，可以外接；该引脚应使用 10uf 电容并联 0.1uf 电 容进行去耦 6,7 v3p/v3n 输入，b 相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式， 正常工作最大输入 vpp 为1.5v，两个引脚内部都有 esd 保护电路,最大承受电压为 6v 8 agnd 电源， 模拟电路(即 adc 和基准源)的接地参考点 9,10

49、v5p/v5n 输入，c 相电流信道正，负模拟输入引脚。完全差动输入方式， 正常工作最大输入 vpp 为1.5v，两个引脚内部都有 esd 保护电路,最大承受电压 为6v 11 refout 输出,基准电压输出，用作外部信号的直流偏置 12 avcc 电源，该引脚提供 att7022b 模拟电路的电源，正常工作电源电压应 保持在 5v5%，为使电源的纹波和噪声减小至最低程度，该引脚应使用 10uf 电容 并联 0.1uf 电容进行去耦 13,14 v2p/v2n 输入，a 相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方 式，正常工作最大输入 vpp 为1.5v，两个引脚内部都有 esd 保护电

50、路,最大承受 电压为 6v 15 agnd 电源，模拟电路(即 adc 和基准源)的接地参考点 16,17 v4p/v4n 输入，b 相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方 式，正常工作最大输入 vpp 为1.5v，两个引脚内部都有 esd 保护电路,最大承受 电压为6v 18avc 电源，该引脚提供 att7022b 模拟电路的电源，正常工作电源电压应保 持在 5v5%，为使电源的纹波和噪声减小至最低程度，该引脚应使用 10uf 电容并 联 0.1uf 电容进行去耦 19,20 v6p/v6n 输入，c 相电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方 式正常工作最大输入 vpp 为1

51、.5v，两个引脚内部都有 esd 保护电路,最大承受电 压为6v 21，22 v7p/v7n 输入，第七路 adc 的正、负模拟输入引脚。完全差动输入 方式，正常工作最大输入 vpp 为1.5v,两个引脚内部都有 esd 保护电路,最大承受 电压为 6v 23gnd 电源，数字地引脚 24test 输入测试管脚，正常应用接地。内有 47k 下拉电阻 25nc -不连接 26 sel 输入三相三线低电平，三相四线高电平选择。内部 300k 上拉电阻 27cf1 输出，有功电能脉冲输出，其频率反映合相平均有功功率的大小，常用 于仪表有功功率的校验，也可以用作有功电能计量 28cf2 输出，无功电能

52、脉冲输出，其频率反映合相平均无功功率的大小，常用 于仪表无功功率的校验也可以用作无功电能计量 29 nc - 不连接 30cf3 输出，cf3：基波有功电能脉冲输出，其频率反映基波的合相平均有功 功率的大小，常用于仪表基波有功功率的校验，也可以用作基波有功电能计量， cf3 也可配置为 rms 视在电能脉冲输出 31cf4 输出，cf4:基波无功电能脉冲输出,其频率反映基波的合相平均无功功 率的大小,常用于仪表基波无功功率的校验,也可以用作基波无功电能计量。cf4 也 可配置为 pqs 视在电能脉冲输出。 32nc -不连接 33vdd 电源内核电源输出 3.0v。外接 10f 电容并联 0.

53、1uf 电容进行去耦 34vcc 电源，数字电源引脚；正常工作电源电压应保持在 5v5%，该引脚应 使用 10uf 电容并联 0.1uf 电容进行去耦 35cs 输入 ，spi 片选信号，低电平有效，内部上拉 200k 电阻 36 sclk 输入，spi 串行时钟输入(施密特)，注意：上升沿放数据，下降沿取数 据 37 din 输入 ，spi 串行数据输入(施密特)，内部下拉 200k 电阻 38 dout 输出 spi 串行数据输出，cs 为高时高阻输出 39 vdd 电源 ，内核电源输出 3.0v。外接 10uf 电容并联 0.1uf 电容进行去耦 40revp 输出，当检测到任意一相的有

54、功功率为负时，输出高电平；当检测到 各相有功功率都为正时，该引脚的输出又将复位到低电平 41vcc 电源，数字电源引脚；正常工作电源电压应保持在 5v5%，该引脚应 使用 10uf 电容并联 0.1uf 电容进行去耦 42osci 输入系统晶振的输入端或是外灌系统时钟输入晶振频率 24.576mhz 43osco 输出晶振的输出端 44gnd 电源数字地引脚 图 2-7 att7022b 引脚图 2.3.4 应用示意图 att7022b 的应用示意图如 2-8 所示。 图 2-8 att7022b 的应用示意图 第 3 章 硬件部分 本章主要介绍硬件部分的各个模块，这些模块包括电源模块及复位模

55、块，gprs 模块的 gtm900，msp430f149 单片机控制模块，数据采集模块，数据存储模块， 报警模块，led 显示模块。gprs 模块采用 gtm900 芯片，实现对实时数据和故障 诊断数据上传服务器，接收服务器和用户数据，通过短信形式下达命令。数据采集 模块采用 att7022b 三相专用电能计量芯片，实现数据电压电流电功率等采集。数 据存储模块采用 fm24c512 芯片，保存打包的实时电参数和故障诊断数据。led 显 示灯显示工作的正常与否。 3.1 总体方案的设计 基于 gprs 非法用电报警系统是由三相专用电能计量芯片 att7022b、高性能 单片机 msp430f14

56、9、gprs 模块 gtm900 和蓄电池参数采集四大部分及其它辅助 电路，如 led 指示灯、数据存储器 fm24c512、复位芯片 max706s、三端稳压芯 片 pl1085adj 等组成，并可与上位机通过 uapt0 通信。总体硬件框图如图 3.1 所 示。 蓄电池电压 电流采集 msp430 f149 att 7022 b gtm900上位机 fm24c512 图 3.1 总体硬件框图 微处理器 msp430f149 通过握手信号线 sig、复位控制线 reset 和 spi 口线实 现对计量芯片 att7022b 的控制和数据读写，能够读取 att7022b 内所有计量参数 寄存器

57、的数据，然后进行有关数据处理，完成电参数数据采集；上位机可通过 uart0 与微处理器通信、修改 att7022b 内寄存器参数、读写数据存储器寄存器值， 读出终端数据11；微处理器通过 uart1 与 gprs 模块通信，并将故障诊断数据通 过发送短信方式发送到固定手机上。fm24c512 保存打包的实时电参数和故障诊断 数据。蓄电池电压、电流采集电路将蓄电池电压和电流信号送入 msp430f149 内部 a/d 转换器进行实时采集。 3.2 电源模块设计 终端内 att7022b 的工作电压为 5v，msp430f149 的工作电压为 3.3v，gtm900 的工作电压为 4v，存在 3

58、个不同等级的工作电源，故电源设计非常 重要。为了提高电源的可靠性，电源模块分为计量工作电源和微处理器工作电源 2 个部分。 3.2.1 计量工作电源 计量工作电源电路如下图 3.2 所示 图 3.2 计量工作电源电路 蓄电池电压 48v 经 dc-dc 模块 t1 变换为 7.5v 后给三端稳压模块 pl1085adj 供电，输出 5v 直流电压供给计量芯片 att7022b。 dc-dc 变换器 dc-dc converter，是指在直流电路中将一个电压值的电能变为 另一个电压值的电能的装置。 性能： 1.输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量 2.输出阻抗为零 3.快速动态响应,抑制

59、能力强 4.高效率小型化 pl1085adj 是一款输出电压可调的输入输出压差低的三端稳压模块，压差最小 达到 0.5v，输出端口 vout 两端的电压 u 计算公式为： （3-1） = (1 + 2 1) + 2 式中典型值为 1.25v，典型值为 0.055ma，应用中，为 2为3001 100， （3-2） = 1.25 (1 + 300 100) + 0.055 0.3 = 5() 3.2.2 微处理器工作电源 微处理器工作电源电路如下图 3.3 所示： 图 3.3 微处理器工作电源电路 蓄电池电压 48v 经 dc-dc 模块 t2 变换为 7.5v 后给三端稳压模块 pl1085a

60、dj 供电，输出 5v 直流电压供给三端稳压模块 as11117-33,as1117-33 稳压输出 3.3v 作为微处理器 msp430f149 的工作电源。 as11117-33 是一款输出电压值确定的输入输出压差低的稳压管，压差典型值为 1v。 图 3.3 中的 vdd5 经过图 3.16 的稳压管 spx29302 输出 4v，作为 gprs 模块 gtm900 的工作电源。 3.3 复位模块设计 复位电路如图 3.4 所示，复位芯片采用 max706s。max706s 可实现 4 种功能： 上电复位、电源电压监视、按键复位微处理器和软件运行情况监视。 图 3.4 复位电路 max70