一種基于C8051F20的無線傳輸電能表

李 鵬，李 皓

（1.長春理工大學 光電信息學院，吉林 長春 130000；2.長春凈月管委會，吉林 長春 130000）

0 引 言

近年來，隨著社會的發(fā)展，人們對電能的需求逐漸遞增，國內(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)抄表的結果付費，不但效率低，而且浪費人力物力資源。為解決這一問題，提出了一種基于無線通信的智能電表，能夠進行遠距離傳輸，并實時監(jiān)測和采集用電量。

1 系統(tǒng)方案設計

設計主要從電能采集、顯示存儲以及遠程傳輸?shù)确矫孢M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，通過電能計量芯片采集數(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、存儲及顯示接收到的數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸模塊傳送到遠處的上位機。上位機系統(tǒng)負責存儲、分析以及統(tǒng)計收集到的數(shù)據(jù)，可及時了解和掌握小區(qū)各戶的用電情況。多功能電表的系統(tǒng)結構如圖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)定性和測量精度。

2 系統(tǒng)硬件組成及介紹

2.1 控制芯片

設計中的主控芯片選用C8051F020單片機，不但具有很好的穩(wěn)定性，而且性價比具有優(yōu)勢，同時其工作電壓與電量采集芯片MAXQ3180吻合，可以同時供電。與傳統(tǒng)的51單片機相比，它的內(nèi)部資源更加豐富，使用更加靈活[1]。具體對比如表1所示。

圖2 多功能電能表結構圖

表1 C8051F020與AT89S51主要參數(shù)比較

2.2 前端測量芯片

前端測量芯片選用MAXQ3180芯片，為三相計量模擬前端，具備監(jiān)視和測量電壓、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 無線傳輸模塊

設計遠程傳輸部分選用GPRS，利用GPRS技術將MAXQ3180采集到的信息通過串行口傳送到控制芯片，再由無線模塊發(fā)送到上位機[2]。設計中的無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無線傳輸數(shù)據(jù)模塊和主控制器C8051F020通過RS232C總線進行傳輸。

圖3 MAXQ3180外部電壓采集電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 采集系統(tǒng)程序設計

程序設計可以分為以下幾個步驟。首先，系統(tǒng)初始化，設置MAXQ3180寄存器。其次，主控制芯片通過SPI讀取MAXQ3180對應寄存器的值。再次，將讀取的十六進制數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進制（后期會用到），在LCD中顯示。最后，通過232串口發(fā)送給無線傳輸模塊，將信息數(shù)據(jù)上傳至上位機。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 電能采集軟件設計

MAXQ3180作為從機，可中斷申請線，在使用時要按照SPI通信協(xié)議進行編碼，才能使系統(tǒng)正常工作。通信格式從最高有效位開始，以最低有效位結束，數(shù)據(jù)長度為一個字節(jié)[3]。MAXQ3180具有獨立的晶振電路，如果設計晶振為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，軟件設計時通信延時設計為50 μs。通信時，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 無線通信模塊軟件設計

設計采用GPRS模塊選擇SIM900A芯片，實現(xiàn)電表與上位機的通信，其中TCP/IP協(xié)議為電表與上位機的通信協(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。實現(xiàn)傳輸?shù)倪^程中，首先通過串口讀取要發(fā)送的內(nèi)容，其次對數(shù)據(jù)進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，并通過基站送到IP端口，最后通過移動基站的子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)送到GPRS的終端[4]。軟件設計時，先進行模塊初始化，設定串口的相關參數(shù)進行傳輸。SIM900A無線數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖5所示。

圖5 SIM900A無線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 結 論

基于無線傳輸?shù)亩喙δ茈姳恚陲@示用電參數(shù)的同時，也能通過GPRS進行遠距離傳輸，具有效率高、精確度高以及穩(wěn)定性高等特點，同時可以實時掌握用戶的用電情況，并進行分析與統(tǒng)計，具有很好的實用價值。