一種基于C8051F20的無(wú)線傳輸電能表

李 鵬，李 皓

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)春凈月管委會(huì)，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電能的需求逐漸遞增，國(guó)內(nèi)的電網(wǎng)面臨著巨大壓力和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)式電表采用的是先用電再抄表模式，根據(jù)抄表的結(jié)果付費(fèi)，不但效率低，而且浪費(fèi)人力物力資源。為解決這一問(wèn)題，提出了一種基于無(wú)線通信的智能電表，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集用電量。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要從電能采集、顯示存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行闡述，工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

在采集電路中降壓，通過(guò)電能計(jì)量芯片采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)送給主控制芯片。主控制芯片分析、存儲(chǔ)及顯示接收到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳送到遠(yuǎn)處的上位機(jī)。上位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、分析以及統(tǒng)計(jì)收集到的數(shù)據(jù)，可及時(shí)了解和掌握小區(qū)各戶(hù)的用電情況。多功能電表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能電表除了具有高效的數(shù)據(jù)采集效率外，還具有很好的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

2 系統(tǒng)硬件組成及介紹

2.1 控制芯片

設(shè)計(jì)中的主控芯片選用C8051F020單片機(jī)，不但具有很好的穩(wěn)定性，而且性?xún)r(jià)比具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其工作電壓與電量采集芯片MAXQ3180吻合，可以同時(shí)供電。與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比，它的內(nèi)部資源更加豐富，使用更加靈活[1]。具體對(duì)比如表1所示。

圖2 多功能電能表結(jié)構(gòu)圖

表1 C8051F020與AT89S51主要參數(shù)比較

2.2 前端測(cè)量芯片

前端測(cè)量芯片選用MAXQ3180芯片，為三相計(jì)量模擬前端，具備監(jiān)視和測(cè)量電壓、電流以及功率因數(shù)等參數(shù)的功能。該芯片為28TSSOP封裝，工作電壓3.3 V，與主控芯片電壓吻合。MAXQ3180的外部電壓采集電路如圖3所示。

2.3 無(wú)線傳輸模塊

設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程傳輸部分選用GPRS，利用GPRS技術(shù)將MAXQ3180采集到的信息通過(guò)串行口傳送到控制芯片，再由無(wú)線模塊發(fā)送到上位機(jī)[2]。設(shè)計(jì)中的無(wú)線通信模塊采用可靠性高的SIM900A芯片，參數(shù)如表2所示。

表2 SIM900A基本參數(shù)

電能表中的GPRS無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)模塊和主控制器C8051F020通過(guò)RS232C總線進(jìn)行傳輸。

圖3 MAXQ3180外部電壓采集電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)步驟。首先，系統(tǒng)初始化，設(shè)置MAXQ3180寄存器。其次，主控制芯片通過(guò)SPI讀取MAXQ3180對(duì)應(yīng)寄存器的值。再次，將讀取的十六進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制（后期會(huì)用到），在LCD中顯示。最后，通過(guò)232串口發(fā)送給無(wú)線傳輸模塊，將信息數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 電能采集軟件設(shè)計(jì)

MAXQ3180作為從機(jī)，可中斷申請(qǐng)線，在使用時(shí)要按照SPI通信協(xié)議進(jìn)行編碼，才能使系統(tǒng)正常工作。通信格式從最高有效位開(kāi)始，以最低有效位結(jié)束，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)[3]。MAXQ3180具有獨(dú)立的晶振電路，如果設(shè)計(jì)晶振為8 MHz，其通信速率小于等于2 MHz。MAXQ3180的模擬通道掃描周期為320 μs，軟件設(shè)計(jì)時(shí)通信延時(shí)設(shè)計(jì)為50 μs。通信時(shí)，MAXQ3180與主控制器在通信總線上“握手”成功后，可以讀取寄存器的內(nèi)容。

3.3 無(wú)線通信模塊軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用GPRS模塊選擇SIM900A芯片，實(shí)現(xiàn)電表與上位機(jī)的通信，其中TCP/IP協(xié)議為電表與上位機(jī)的通信協(xié)議。TCP/IP通信協(xié)議具有很好的安全性和穩(wěn)定性，是一種可靠的傳輸方式。實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)倪^(guò)程中，首先通過(guò)串口讀取要發(fā)送的內(nèi)容，其次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理使其能夠分組發(fā)送，再次將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，并通過(guò)基站送到IP端口，最后通過(guò)移動(dòng)基站的子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)送到GPRS的終端[4]。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行模塊初始化，設(shè)定串口的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行傳輸。SIM900A無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖5所示。

圖5 SIM900A無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 結(jié) 論

基于無(wú)線傳輸?shù)亩喙δ茈姳恚陲@示用電參數(shù)的同時(shí)，也能通過(guò)GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，具有效率高、精確度高以及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)掌握用戶(hù)的用電情況，并進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。