基于80C51單片機(jī)的智能電表設(shè)計(jì)

 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(lái)實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量與顯示、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。用戶可以通過(guò)電表上的按鍵來(lái)選擇是顯示用戶當(dāng)前用電量，還是某一時(shí)段用電量。

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(lái)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(guó)，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 ，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(wèn)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 。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(cè)、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(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(guò)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(wú)線通信，這樣查電表的工作人員不用再挨家挨戶的登門(mén)查詢(xún)，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 ;具有片內(nèi)看門(mén)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 ;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

CS5460A與單片機(jī)80C51的連接電路圖見(jiàn)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(wú)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(wú)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) 。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。

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(wú)線通信程序、時(shí)鐘芯片DS1302 的讀/寫(xiě)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

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(wú)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。