基于STM32F103的三相智能電表設(shè)計(jì)

王冠 陳利

摘要：該文主要介紹基于ST公司推出的STM32F103為MCU的新型三相智能電表的設(shè)計(jì)方案。該電能表主要實(shí)現(xiàn)三相電的電壓、電流、功率因素、正反向有用功、正反向無(wú)用功等參數(shù)的計(jì)量與檢測(cè)。ATT7022C計(jì)量芯片對(duì)三相電進(jìn)行檢查與電能計(jì)量，把結(jié)果通過(guò)內(nèi)部總線傳給核心控制器STM32F103，經(jīng)過(guò)STM32F103處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并把結(jié)果輸出到顯示控制芯片DS3231，在該芯片控制下利用LCD液晶顯示屏進(jìn)行顯示。同時(shí)本表還配置了RS485、RS232、紅外線通信接口，借助RS485、RS232通信接口和網(wǎng)絡(luò)，電能表與上位機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能抄表；對(duì)于無(wú)網(wǎng)絡(luò)偏遠(yuǎn)地區(qū)用電用戶，抄表員使用掌機(jī)，借助紅外線接口與電能表通信，快速便捷的完成抄表工作。

關(guān)鍵詞：智能電表；STM32F103；ATT7022C；DS3231；計(jì)量

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）22-0219-03

1 引言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)、工廠、機(jī)關(guān)、居民等對(duì)電能的需求量也急劇的增加。電能表作為供電部門和用電用戶之間計(jì)量的唯一工具，其地位和作用尤為重要。傳統(tǒng)的感應(yīng)電表存在不穩(wěn)定、計(jì)量精確度差、不可靠等缺點(diǎn)，更不能檢測(cè)到用戶偷電現(xiàn)象，需要抄表員逐表抄記，抄表效率極低，帶來(lái)人力、物力的極大浪費(fèi)。隨著國(guó)家信息化技術(shù)的高速發(fā)展、人工成本的日益增高，具備遠(yuǎn)程抄表功能的高精度、高可靠性的智能電表在市場(chǎng)中的應(yīng)用日益廣泛。

本文設(shè)計(jì)的三相電表以STM3231F103芯片為核心控制處理器，通過(guò)高精度計(jì)量芯片ATT7022C進(jìn)行計(jì)量，借助芯片DS3231控制顯示。完成了三相電壓、三相電流、功率因素、正反向有功，正反向無(wú)功等計(jì)量數(shù)據(jù)的顯示和遠(yuǎn)程抄讀。

2 智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體三相電表設(shè)計(jì)分為2大部分，分別是主板和底板構(gòu)成。主板主要由核心控制處理器STM3231F103、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片AT45DB161E， RTC顯示控制芯片DS3231、液晶顯示屏、相應(yīng)按鍵開(kāi)關(guān)、串行通信接口等組成；底板是由計(jì)量芯片ATT7022C，互感器，電源模塊等組成。

智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2.1 主板設(shè)計(jì)

1）核心控制處理器

本電表MCU采用的是ST公司的基于CORTEX-M3內(nèi)核的芯片STM32F103VBT6。此款MCU采用ECOPACK封裝方式，工作頻率可達(dá)72MHz；2個(gè)DMA控制器，共12個(gè)DMA通道；128K的FLASH作為程序存儲(chǔ)空間和內(nèi)置的20K的 SRAM；工作電壓為2.0-3.6V；0至3.6V的A/D轉(zhuǎn)換器；支持定時(shí)器、SPI、USB、IIC和UART等多個(gè)外設(shè)；具有接口豐富、功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，是一款性價(jià)比極高的核心控制處理器。

本電能表在STM32F103VBT6的控制下，接收具有防盜電功能的高精度計(jì)量芯片ATT7022C計(jì)量的電流、電壓、功率、正反有無(wú)功等數(shù)據(jù)，通過(guò)自身高速度的數(shù)據(jù)處理能力，處理結(jié)果實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示。利用該芯片提供的RS485、232等通信接口與上位機(jī)遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表功能，使得供電部門實(shí)時(shí)掌握用戶的用電情況，根據(jù)需要可以做出遠(yuǎn)程供電控制和啟用防竊電功能，同時(shí)芯片自身極低的功耗降低了電表自身電能消耗，極大地節(jié)約了人力、物力成本。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

DATA FLASH 采用的是ADESTO的AT45DB161E，此款芯片具有字節(jié)寫(xiě)的特點(diǎn)，最高工作頻率可達(dá)85MHz，支持SPI、Rapids接口傳輸；Ultra Power Down模式功耗最低可到500nA，工作電壓范圍可達(dá)2。3V～3。6V。工作溫度范圍為-40°C ～ 85°C。通過(guò)配套的軟件DFSS算法可以使AT45DB161E更加容易操作，讀寫(xiě)次數(shù)可達(dá)100萬(wàn)次。該芯片通過(guò)SPI總線與核心控制芯片STM32F103VBT6互相通信，存儲(chǔ)MCU處理后的電表計(jì)量數(shù)據(jù)；其內(nèi)的數(shù)據(jù)可以隨時(shí)供上位機(jī)查詢。

3）顯示控制芯片RTC

RTC采用的是成本低廉、精度高的基于I2C總線的DS3231，此款芯片0℃～40℃的溫度范圍內(nèi)顯示精度可大±2ppm，-40℃～85℃精度可達(dá)±3.5ppm，I2C接口可達(dá)400KHz，工作電壓范圍在2.3V～5.5V。該芯片自帶電池輸入端，斷開(kāi)主電源時(shí)仍可保持精確的計(jì)時(shí)。內(nèi)部集成晶振確保芯片長(zhǎng)期的精確度。

DS3231顯示控制芯片可以存儲(chǔ)秒、分、時(shí)、星期、日期、月和年的日期時(shí)間信息；具有自動(dòng)校日期、年份的功能。時(shí)鐘的顯示格式可以選擇切換為24時(shí)制或帶/AM/PM指示的12小時(shí)制。該芯片通過(guò)I2C雙向總線串行與MCU傳輸?shù)刂放c數(shù)據(jù)信息。

通過(guò)芯片自身監(jiān)視VCC狀態(tài)，檢測(cè)電源故障，并提供復(fù)位輸出，可以自行切換到備份電源。即使主電源掉電，該器件仍可繼續(xù)工作。當(dāng)主電源恢復(fù)時(shí)，借助片上復(fù)位功能可用來(lái)重新啟動(dòng)核心控制器。

在本電表設(shè)計(jì)方案中，DS3231顯示控制芯片電路圖如圖2所示。

4）電源管理芯片

電源管理芯片采用了AMS1117和AMS3106M1。其中AMS1117款穩(wěn)定可靠的LDO，輸入電壓最大到15V，輸出電流最大到1A，可以滿足本設(shè)計(jì)中核心控制器STM32F103VBT6和其他相關(guān)器件的供電需求。通過(guò)AMS1117輸出的3.3V電壓主要給主板中的MCU以及外圍器件供電，輸出的5V主要給MAX485芯片供電。

AMS3106也是款穩(wěn)定可靠的LDO，輸入電壓最大可到12V，輸出電流最大可到500mA。在本電能表設(shè)計(jì)中選用AMS3106M1芯片，該芯片輸出3.3v電壓主要給LCD液晶顯示供電。

5）LCD液晶顯示

LCD顯示采用了160*160點(diǎn)陣的液晶顯示模塊，來(lái)顯示的數(shù)據(jù)有A相電壓，A相電流，B相電壓，B相電流，C相電壓，C相電流，A相功率因素，B相功率因素，C相功率因素，總功率因素，組合有功總電能，正向有功總電能，反相無(wú)功總電能，組合無(wú)功電能等計(jì)量數(shù)據(jù)。

6）RS485接口

RS485芯片采用的是MAX485，此款芯片是很成熟的485芯片，具有±15KV的ESD保護(hù)，最高速率可達(dá)2.5Mbps，接收器的輸入端具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開(kāi)路時(shí)，可以保證輸出邏輯高電平。

7）RS232接口

RS232接口采用的是MAX3232芯片，此款芯片是一款高性能，工業(yè)級(jí)的232接口芯片，具有±15KV的ESD保護(hù)，電流最低可達(dá)10nA，供電電壓范圍在3.0V～5.5V，速率最高可達(dá)1Mbps。

8）紅外接口

紅外接收管采用的是SFH5110，紅外發(fā)射管采用的是TSAL6200，這兩顆都在電力儀器儀表設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用。借助該紅外模塊與掌機(jī)通信，可以方便抄表員在沒(méi)網(wǎng)絡(luò)的欠發(fā)達(dá)地區(qū)實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的抄讀和完成電表參數(shù)配置，極大地提高了抄表員工作效率，節(jié)省了人力資源成本。

2.2 底板設(shè)計(jì)

1）計(jì)量芯片

電能表的計(jì)量芯片采用三塊ATT7022C，此款芯片是款高精度計(jì)量芯片，有功測(cè)量可滿足0.2S、0.5S，無(wú)功測(cè)量可滿足2級(jí)、3級(jí)。提供基波、諧波電能以及總電能測(cè)量的功能，提供視在電能測(cè)量功能等。通過(guò)這三塊計(jì)量芯片分別對(duì)A、B、C三相電進(jìn)行用戶用電相關(guān)參數(shù)的檢查與采集，借助MCU自帶的SPI串行總線與控制器STM32F103VBT6連接實(shí)現(xiàn)電表內(nèi)部信息傳輸。

2）互感器

互感器采用的是南京擇明電子有限公司生產(chǎn)的電流互感器和電壓互感器，通過(guò)互感器把大的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小的直流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)計(jì)量芯片計(jì)算出三相電的電壓，電流等測(cè)量數(shù)據(jù)。

互感器與計(jì)量芯片設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

3）電源模塊

電源模塊是AC-DC，輸入220V，輸出5V/2A和12V/0.5A，輸出的兩路電源是完全隔離，互相不受影響的，并且可以做到4000V的耐壓，是款性能穩(wěn)定可靠的電源模塊。

3 功能介紹

該智能三相表主要通過(guò)互感器對(duì)三相電交流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)為直流信號(hào)后傳給計(jì)量芯片ATT7022C，由該芯片完成三相電壓、電流以及電能等數(shù)據(jù)的計(jì)量；計(jì)量后的數(shù)據(jù)借助SPI總線傳遞給核心控制芯片STM32F103VBT6；進(jìn)過(guò)MCU的進(jìn)一步的處理后把這些需要計(jì)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于AT45DB161E，并在LCD液晶屏上進(jìn)行顯示。該電表通過(guò)RS485接口、RS232接口以及紅外接口與上位機(jī)通信，由上位機(jī)軟件來(lái)讀取計(jì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。

存儲(chǔ)于AT45DB161E的數(shù)據(jù)包括三相電壓、電流、總功率因素、功率因素、視在總電能、正反向有功總電能等。儲(chǔ)存數(shù)據(jù)豐富多樣，實(shí)現(xiàn)了電能計(jì)量的高精度性。存儲(chǔ)于AT45DB161E的數(shù)據(jù)可以通過(guò)LCD液晶屏直觀顯示的反映計(jì)量的結(jié)果，也可通過(guò)LCD液晶顯示反映存儲(chǔ)于AT45DB161E的數(shù)據(jù)是否正確，方便供電部門工作人員對(duì)電表的校正。

電表與上位機(jī)的通信可以根據(jù)需要選擇RS232接口或485接口，用上位機(jī)軟件可以完成三相表的配置以及遠(yuǎn)程讀取存儲(chǔ)于AT45DB161E的三相表數(shù)據(jù)。該表設(shè)計(jì)配備的紅外接口是用于和掌機(jī)的通信，可以通過(guò)掌機(jī)來(lái)配置和讀取三相表的數(shù)據(jù)。

該電表的供電方式采用三相四線制電源供電，三相中斷任意一相或兩相，三相表仍正常工作。同時(shí)配置了備用電池供電，當(dāng)供電電源斷電時(shí)，仍然可以完成抄表工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本智能三相電表設(shè)計(jì)基于核心控制芯片STM32F103VBT6，主要完成了電表的原理圖設(shè)計(jì)、元器件的選擇和實(shí)現(xiàn)功能的說(shuō)明。該電表同時(shí)完成電能參數(shù)計(jì)量檢測(cè)和液晶顯示，具備精度高、速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗小、成本低、操作方便的特點(diǎn)。借助電表豐富的通信接口，上位機(jī)可以便捷地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、監(jiān)控等功能，在市場(chǎng)上有較廣泛的應(yīng)用。

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