基于單片機的智能電表設(shè)計

摘 "要： 智能電表的推廣與使用是一項惠及百姓的民生工程，它大大改善了農(nóng)村居民用電條件，提高了配電網(wǎng)的自動化水平，對于減少電力能源的消耗具有重大的意義。采用單片機80C51為核心，同時增加電能計量芯片CS5460A、LCD顯示器1602、Wifi通信電路、SD存儲卡等芯片，來實現(xiàn)電能的計量與顯示、無線通信、數(shù)據(jù)存儲等功能。用戶可以通過電表上的按鍵來選擇是顯示用戶當前用電量，還是某一時段用電量。

關(guān)鍵詞： 智能電表; 單片機; 電能計量; 無線通信

中圖分類號： TN919?34; TM933 " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0059?03

Design of smart meter based on single chip microcomputer

MIAO Yu?zhi， WANG Yan

（School of Information and Control Engineering， Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China）

Abstract： The promotion and use of smart meter are of benefit to the people's livelihood. It has greatly improved the electricity utilization conditions of rural residents， and improved the automation level of power distribution network. It is of great significance to reduce the electricity energy consumption. MCU 80C51 is taken as the core. Electric energy metering chip CS5460A， LCD display 1602， Wifi communication circuit and SD memory card are added to realize the electric energy metering and display， wireless communication， data storage and other functions. Users can select the buttons on the meter to show their electricity consumption at present or in any period.

Keywords： smart meter; single chip microcomputer; electric energy metering; wireless communication

隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，建筑智能化程度越來越高。住宅的智能化抄表系統(tǒng) 在建筑智能化中是必不可少的。在我國，對用戶的電表仍采用人工抄表的方法。這種原始的查表方法不僅造成了人力、物力的浪費，打擾居民正常生活[1]，而且其精度差 ，電量數(shù)據(jù)需要人為讀數(shù)不能實時傳輸[2]。為了從根本上解決這個問題，因此設(shè)計一種基于單片機的智能電表。電表若以單片機為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)機械及電子線路，可以容易地將計算技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，形成智能化測量儀表[3]。這種儀表由計量電路、微處理器、LCD顯示器、實時時鐘、通信接口及電源等組成[4]，具有電能量計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能[5]。

1 "智能電表的工作原理

智能電表的硬件方案框圖如圖1所示。電能表主要由計量、電源管理、存儲 、顯示、按鍵處理、脈沖輸出和通信單元7個部分組成[6]。本文的智能電表是以80C51為核心處理器。除此之外，加入了電能計量芯片CS5460A和LCD顯示芯片1602，用于用戶用電量的計量與顯示。但是，由于CS5460A芯片只能測量瞬時的電量，所以，還需要采用時間芯片DS1302將時間分段，這樣電表就可以通過按鍵，不但可以顯示出用戶的瞬時用電量，而且還能顯示某個時段的用電量。WiFi通信電路的使用，可以實現(xiàn)智能電表的無線通信，這樣查電表的工作人員不用再挨家挨戶的登門查詢，而是直接接收WiFi信號，就可以了解到用戶的用電情況，比較方便、省時。對于存儲模塊，本文采用體積小、容量大的SD卡，相比于一般的存儲模塊，SD卡還可以隨時拆卸、更換，既方便又實用。對于電源模塊，本文采用的是外部供電方式。

2 "智能電表的硬件設(shè)計

2.1 "電能計量電路設(shè)計

電能計量芯片采用CS5460A。其主要功能如下：具有特殊的自動引腳模式功能，能使芯片獨立工作，得電時自動初始化[7];具有片內(nèi)看門狗定時器與內(nèi)部電源監(jiān)視器;可以精確測量正反兩個方向的電壓瞬時值、電流瞬時值、電壓有效值、電流有效值以及功率和能量[8];提供了外部復位引腳;雙向串行接口與內(nèi)部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接;外部時鐘最高頻率可達20 MHz;具有功率方向輸出指示[9]。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼14T1.tifgt;

圖1 智能電表的硬件設(shè)計圖

CS5460A與單片機80C51的連接電路圖見圖2。

圖2 CS5460A與80C51的連接電路圖

2.2 "WiFi通信模塊設(shè)計

電表采用WiFi無線通信的方式，WiFi通信電路使用BCM8000。WiFi通信技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸率高、組網(wǎng)靈活、可移動性好等優(yōu)點。WiFi通信采用的是無線網(wǎng)絡(luò)，使智能電表的安裝不受通信線路的局限性，具有安裝便利的優(yōu)勢[10]。WiFi通信電路與單片機80C51的連接，只需要將BCM8000的 RXDH和TXDH引腳分別對應連接到80C51的TXD和RXD引腳，如圖3所示。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼14T3.tifgt;

圖3 WiFi通信電路與80C51的硬件連接設(shè)計

3 "智能電表的軟件設(shè)計

智能電表的軟件設(shè)計部分包括以下的幾個部分：電能計量芯片CS5460A的數(shù)據(jù)傳輸、液晶顯示器1602顯示子程序、鍵功能處理程序、WiFi無線通信程序、時鐘芯片DS1302的讀/寫操作程序、SD卡儲存模塊的軟件設(shè)計。

其主程序的流程圖如圖4所示。CS5460A軟件框圖如圖5所示。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼14T4.tifgt;

圖4 智能電表的軟件主程序框圖

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼14T5.tifgt;

圖5 CS5460A軟件框圖

4 "結(jié) "論

本次設(shè)計的智能電表集成了計量與顯示電量、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等多種功能。經(jīng)試驗驗證后，證實了電表性能的穩(wěn)定、計算準確、誤差較小、可以進行無線通信等。但是，本次設(shè)計的電表可能在故障自診斷方面有些不足，需要日后加以完善。

參考文獻

[1] 忻龍彪，楊曉睛，宋淑彩.一種基于CAN總線電路抄表系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2005，9（8）：37?38.

[2] 王文波，郭世明.基于ADE7755的帶CAN總線的工業(yè)用電度表設(shè)計方案[J].國外電子測量技術(shù)，2005，9（z1）：40?43.

[3] 劉凱，柴旭崢.一種智能型兆歐表的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2005，9（2）：25?27.

[4] 古碧綺，王健.基于SA9904B的三相多功能電能表的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2004，8（1）：29?31.

[5] 王志勇，張鐵壁，侯錫銘.淺談智能電表的應用及發(fā)展[J].河北工程科技高等?？茖W校學報，2013，9（3）：33?35.

[6] 申斌，封維忠，施山菁，等.基于ADE7953的智能電表設(shè)計與研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（11）：44?45.

[7] 郭海文，劉永濤.基于CS5460A的大型電機保護器的研究設(shè)計[J].高科技產(chǎn)品研發(fā)，2011（2）：64?65.

[8] 馮韜，姜久春，黃李.基于CS5460A的無軌電車智能電度表系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2007，11（8）：21?23.

[9] 鄭虎，馬殷元，李濤.基于CS5460A的三相電能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電工研究，2012（10）：69?70.

[10] 王科，童嶸，甘建平.WiFi通信在智能電表中的應用研究[J].電測與儀表，2013（9）：64?68.