基于單片機(jī)的智能電表設(shè)計(jì)

摘 "要： 智能電表的推廣與使用是一項(xiàng)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(dòng)化水平，對(duì)于減少電力能源的消耗具有重大的意義。采用單片機(jī)80C51為核心，同時(shí)增加電能計(jì)量芯片CS5460A、LCD顯示器1602、Wifi通信電路、SD存儲(chǔ)卡等芯片，來實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量與顯示、無線通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。用戶可以通過電表上的按鍵來選擇是顯示用戶當(dāng)前用電量，還是某一時(shí)段用電量。

關(guān)鍵詞： 智能電表; 單片機(jī); 電能計(jì)量; 無線通信

中圖分類號(hào)： TN919?34; TM933 " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 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(jì)算機(jī)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(duì)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(fèi)，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(shí)時(shí)傳輸[2]。為了從根本上解決這個(gè)問題，因此設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的智能電表。電表若以單片機(jī)為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)機(jī)械及電子線路，可以容易地將計(jì)算技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，形成智能化測(cè)量?jī)x表[3]。這種儀表由計(jì)量電路、微處理器、LCD顯示器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通信接口及電源等組成[4]，具有電能量計(jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)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(jì)量、電源管理、存儲(chǔ) 、顯示、按鍵處理、脈沖輸出和通信單元7個(gè)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(jì)量芯片CS5460A和LCD顯示芯片1602，用于用戶用電量的計(jì)量與顯示。但是，由于CS5460A芯片只能測(cè)量瞬時(shí)的電量，所以，還需要采用時(shí)間芯片DS1302將時(shí)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(shí)用電量，而且還能顯示某個(gè)時(shí)段的用電量。WiFi通信電路的使用，可以實(shí)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(hào)，就可以了解到用戶的用電情況，比較方便、省時(shí)。對(duì)于存儲(chǔ)模塊，本文采用體積小、容量大的SD卡，相比于一般的存儲(chǔ)模塊，SD卡還可以隨時(shí)拆卸、更換，既方便又實(shí)用。對(duì)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(jì)

2.1 "電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)

電能計(jì)量芯片采用CS5460A。其主要功能如下：具有特殊的自動(dòng)引腳模式功能，能使芯片獨(dú)立工作，得電時(shí)自動(dòng)初始化[7];具有片內(nèi)看門狗定時(shí)器與內(nèi)部電源監(jiān)視器;可以精確測(cè)量正反兩個(gè)方向的電壓瞬時(shí)值、電流瞬時(shí)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(fù)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(shí)鐘最高頻率可達(dá)20 MHz;具有功率方向輸出指示[9]。

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圖1 智能電表的硬件設(shè)計(jì)圖

CS5460A與單片機(jī)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(jì)

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(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)。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(shì)[10]。WiFi通信電路與單片機(jī)80C51的連接，只需要將BCM8000的 RXDH和TXDH引腳分別對(duì)應(yīng)連接到80C51的TXD和RXD引腳，如圖3所示。

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圖3 WiFi通信電路與80C51的硬件連接設(shè)計(jì)

3 "智能電表的軟件設(shè)計(jì)

智能電表的軟件設(shè)計(jì)部分包括以下的幾個(gè)部分：電能計(jì)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(shí)鐘芯片DS1302的讀/寫操作程序、SD卡儲(chǔ)存模塊的軟件設(shè)計(jì)。

其主程序的流程圖如圖4所示。CS5460A軟件框圖如圖5所示。

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圖4 智能電表的軟件主程序框圖

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圖5 CS5460A軟件框圖

4 "結(jié) "論

本次設(shè)計(jì)的智能電表集成了計(jì)量與顯示電量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等多種功能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，證實(shí)了電表性能的穩(wěn)定、計(jì)算準(zhǔn)確、誤差較小、可以進(jìn)行無線通信等。但是，本次設(shè)計(jì)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。

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