基于無線通信的多功能數字電表設計

胡保玲 崔宇航 解思博 馬 俊 單信凱 張平改

（1.巢湖學院計算機與人工智能學院，安徽 巢湖 238024；2.巢湖學院電子工程學院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

2020 年，中國發電量全球占比為29%。目前，中國大部分地區仍采用傳統機械電表進行計量，消耗了大量人力與物力資源，且傳統機械電表錯誤率相對較高。因此，研究設計一款具有無線通信功能的數字電表具有重要的實用價值。國內外學者對其進行研究，并取得了豐碩成果。歐陽曾愷等［1］設計了一種基于無線通信的新型智能電表監測系統，具有數據分析、監測與顯示等功能；鄔劍升等［2］設計了一種基于嵌入式的網絡遠程終端控制系統，有效實現了遠程無線終端控制；苗彧智等［3］基于AT89C51 設計了一種智能電表，可實現對電能的計量顯示、無線通信和數據存儲等功能；喬凌霄等［4］基于STM32F103RBT6 設計了一種能遠程檢測三相電器設備用電情況的系統，可將各項參數顯示在LCD屏幕上；毋育捷等［5］設計了一種基于STM32F1 單片機與RS485 通信協議的智能電表遠程抄表系統，采用半雙工通信模式來獲取電表數據和發送指令；田猛［6］設計了一款基于AT89C51 的新型智能數字電表，采用ADC0832模數轉換芯片來實現WiFi聯網和SD卡存儲功能；徐京生等［7］設計了一種基于RF通信的無線程序升級的智能電表，通過無線升級程序來實現電表計軟件的升級；孫毅等［8］設計了一種模塊化松耦合式的多芯智能電表，通過試驗對多芯智能電表的性能和功能進行測試。

在以往的研究中，研究人員對智能電表進行了大量研究，并取得一定成果，但上述各類數字電表檢測方式單一，且檢測精確度相對不高等因素制約著數字電表向智能化方向發展。為克服上述問題，筆者在以往研究基礎上，設計一種基于無線通信的多功能電數字表，其具有更好的可延展性，具備遠程無線通信功能，在人力成本和社會安全方面優勢明顯。

1 系統硬件設計

該系統硬件部分以STC89C52 芯片為主處理器，包括單片機核心控制器、電能模塊、繼電器模塊、無線通信模塊、LCD 顯示模塊、鍵盤控制模塊、電源模塊、時鐘模塊，其總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架

1.1 AT89C52單片機及其最小系統

該系統選用的AT89C52 是一種低功耗且高性能的CMOS8 位微控制器，主要由單片機、復位電路、晶振電路和電源電路構成。其中，采用5 V直流電源供電，晶振電路由30 pF 的電容C3、電容C6 和石英晶振組成，單片機最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統

1.2 電能檢測模塊設計

電能檢測電路主要用于測量IC 卡或多功能數字電表的用電量，其傳感器采用ADE7755 型電力測量芯片，耗電量用芯片輸出的脈沖數來表示。ADE7755 是一款高性能、電能測量集成式芯片，其能在各種環境下長期穩定工作，且精度極高。本研究選用的電能檢測模塊連接電路如圖3所示。

圖3 電能檢測模塊連接電路

1.3 繼電器模塊設計

繼電器電路由三極管Q1、限流電阻R6 和繼電器等組成，如圖4 所示。當單片機發出接電信號時，P32端產生低電平且有效，三極管Q1導通，與繼電器開關連接吸合。

圖4 繼電器電路

1.4 無線通信模塊設計

無線通信模塊使用WiFi 模塊實現遠程遙控抄表功能，ESP8266 模塊使用時接通3.3 V 電源，然后將其1 腳與單片機的串口RXD 相連接、8 腳與單片機的串口TXD 相連接即可，電容C1 是電源濾波電容，具體電路如圖5所示。

圖5 無線通信電路

1.5 LCD顯示模塊設計

LCD 顯示模塊采用LCD1602 液晶屏來顯示系統檢測的參數，其電路如圖6所示。

圖6 LCD顯示模塊電路

1.6 鍵盤模塊設計

鍵盤模塊采用獨立按鍵來實現系統指令的輸入，其電路如圖7 所示。K2 為回退按鈕，由顯示菜單回到上一菜單，直到主界面；K3 增加按鈕，改變所選中的數字，短按者為加一，長按時間超過1 s為連加；K4 為減數鍵，改變所選中的數字大小，短按時間為減一，長按時間大于1 s 為連減；K5 設定菜單鍵。

圖7 按鍵電路

2 軟件系統

多功能電數字表軟件系統設計是該系統的重要組成部分，決定了所設計系統能否正常工作，軟件系統流程如圖8所示。

圖8 軟件系統流程

3 系統調試與試驗驗證

基于上述設計進行實物搭建并調試，所設計的無線通信多功能數字電表實物如圖9 所示。系統的電信息采集使用的是AD7755 集成模塊，被測元件通過分流器和繼電器進行輸出，并將這些數值顯示在LCD1602上，然后再調試繼電器控制引腳的驅動電路、報警電路、按鍵電路等。開關電源和電量模塊進行并聯和實現繼電器的通斷，然后通過繼電器對單片機、顯示電路和蜂鳴器進行連接，最后進行時鐘模塊和備用電源的串聯，從而完成整體系統的調試。

圖9 設計整體實物

在接通220 V 電壓后，演示接入一個額定功率為3 W 的風扇，并將讀取的參數在LCD1602 上顯示。通過ESP8266 連接上手機WiFi，發送抄表指令，并清楚顯示當前用電量。每隔1 h 記錄連接3種不同用電器顯示屏的用電數據，見表1。并將數據繪制成折線圖，如圖10 所示。由圖10 和表1 可知，所設計的多功能數字電表能有效地檢測不同用電設備在不同時刻的用電情況，實現系統正常工作。

表1 試驗數據記錄表

圖10 試驗數據折線圖

此外，需要對該系統進行無線通信功能測試。手機連接WiFi 后，通過指令接收讀取到的數據結果情況如圖11 所示。其中，第一行顯示的是用電設備實時用電量，第二行顯示的是繼電器狀態，表明該系統可正常執行無線通信功能，從而達到遠程檢測與抄表的目的。

圖11 手機WiFi連接抄表數據顯示

4 結語

通過對多功能數字電表的需求分析，采用AT89C52處理器設計一款基于無線通信的多功能數字電表。該系統硬件模塊主要包含單片機核心控制器、電能模塊、繼電器模塊、無線通信模塊、LCD顯示模塊、鍵盤控制模塊，同時需要設計相應的軟件模塊來驅動該系統正常工作。由試驗結果可知，所設計的基于無線通信的多功能數字電表能有效地實現電能檢測，能夠記錄3 種不同設備在1 h、2 h、3 h 的用電情況，并實現用電數據的遠程無線傳輸。