【導(dǎo)讀】智能電表的使用是一項(xiàng)重要的民生工程。在大大改善農(nóng)村居民生活用電條件的同時(shí)，還提高了配電網(wǎng)的自動(dòng)化水平，在減少電力能源消耗上起到了重要作用。本文主要設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的智能電表，這個(gè)電表能夠?qū)崿F(xiàn)電能的計(jì)量的顯示、無線通信和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。
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 ，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 。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)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，形成智能化測量儀表 。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 ，具有電能量計(jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)控制、信息交互等功能 。
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 。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，就可以了解到用戶的用電情況，比較方便、省時(shí)。對于存儲(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 ；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 ；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 。
圖1 智能電表的硬件設(shè)計(jì)圖
[page] 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 。WiFi通信電路與單片機(jī)80C51 的連接，只需要將BCM8000 的RXDH 和TXDH 引腳分別對應(yīng)連接到80C51的TXD和RXD引腳，如圖3所示。
圖3 WiFi通信電路與80C51的硬件連接設(shè)計(jì)
[page] 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。
圖4 智能電表的軟件主程序框圖
圖5 CS5460A軟件框圖
結(jié)語
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。
相關(guān)閱讀：
第五講：高能效智能電表電源方案
第五講：PLC技術(shù)在智能電表上的應(yīng)用方案
第四講：智能電表的電源管理及其省電設(shè)計(jì)方案
