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基于单片机的智能电表系统设计
智能电表是智能电网的智能终端,既具有传统电表的用电计量功能,又具有多种智能化功能.目前的电表多是单向式的,也就是电表只与电力部门交换信息,用户则无法及时了解自己的用电情况.而如果用户能及时了解自己的用电信息,则在一定程度上会提高节电意识,从而能在生活中节约用电,达到节能降耗的目的,有较大的现实意义[1].因此,本文研究和设计了具有用户端的智能电表系统,系统中的电能表能具有客户端,能实现电表与电力部门以及用户的双向通信与互联.
一、系统概述
本文研究和设计的智能电表系统是以单片机为控制核心的一个系统,包括电表主系统和用户端系统两个部分.电表主系统的结构框图如图1 所示.
本系统的主要核心是单片机AT89C52,电能采集芯片ADE7755 将电能信号转化为脉冲输出到单片机,此脉冲的个数可以用来计量电能；使用存储器件AT24C02 存储总用电量,即使停电,电能的相关数据也不会丢失；在时间计量上采用了时钟芯片DS1302；继电器模块在用户欠费或电力维修需要时,可以对用户进行断电；液晶显示屏上显示时间,年月日信息以及实时的电能信息；通信模块可以实现单片机系统与电网的通信,考虑到所选用的单片机只有一个串行通信口,所以增加了一块从单片机来实现电表与用户端的通信.当电量发生变化时,主单片机通过I/O 口通知从单片机,使从单片机存储的电量同步增加.
用户端系统的结构框图如图2 所示.本系统的主要核心也是单片机AT89C52,使用存储器件AT24C02 存储总用电量,月初电量；时间计量上同样采用了时钟芯片DS1302,同时利用测温器件DS18B20 进行室内温度的测量.液晶显示屏上显示时间,年月日以及星期,同时显示当前室内的温度；当本月用电量超过相应阶梯电量的上限,会显示某一阶梯电量已满,请节约用电,并点亮相应的报警指示灯.通过功能按键,可清除报警画面、进行本月用电量的查询以及调整时间信息.用户端通过串行口从电表主系统处获取实时的用电信息.
二、硬件设计
1. 电能计量模块.电能计量电路对输入的电流、电压相乘,转化为电能脉冲,该模块以计量芯片ADE7755 为核心.ADE7755 通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率,并能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率,所有信号处理都是由数字电路完成,因此具有优良的温度和时间稳定性.电流取样采用锰铜电阻直接采样方式,电压采样使用电阻网络,来获取满足计量芯片要求的电压值输入到计量芯片[2].ADE7755 芯片内部对采样到的数据进行处理,然后将处理好的电能信息以脉冲的方式送入单片机.
2. 时钟模块.时钟模块主要使用日历时钟芯片DS1302来实现,它是一种串行接口的实时时钟,芯片内部具有可编程日历时钟和31 个字节的静态RAM,具有闰年补偿功能,采用三线接口与单片机进行通信[3].DS1302 的引脚中RST 是复位/ 片选端,当它为高电平时,可以读写数据；SCLK 为串行时钟输入端,控制数据的输入输出；I/O 为串行数据输入输出端,在使用时,SCLK、I/O、RST 与单片机相连.
3. 存储模块.存储模块的主要芯片使用的是AT24C02,用来存储电量,时间等信息,是一种I2C 接口的EEPROM 器件.AT24C02 具有256×8 位的存储容量,工作于从器件方式,接口方便,体积小,掉电后数据不丢失.I2C 总线是一种简单、双向二线制同步串行总线,它只需要两根线即可在总线上传送信息.AT24C02 中SDA 用于数据的接收和发送；SCL 用于产生接收和发送数据的时钟；A0、A1 和A2 为地址线,用于多个器件级联时设置器件地址；WP 引脚为写保护端,接Vcc 时,只能读,接GND 时,可正常的读写操作；如果单片机无I2C 总线接口,可以使用单片机的两根I/O 线来实现此功能,也就是SCL 和SDA 分别与单片机的I/O 相连,再通过软件实现I2C 总线功能[3].
4. 通信模块.考虑到通信的距离,本设计中的通信均采用RS-485 的通信方式,该方式通信成功率高,可随时掌握电能表的用电情况.AT89C52 单片机串行口的输入输出均为TTL 电平,在使用时需要使用MAX485 芯片将TTL 电平转换成RS-485 电平.芯片中的RO 和DI 分别为数据的接收端和发送端,和DE 分别为接收和发送控制端.当为低电平时,允许RO 接收来自总线的数据,并将其送入单片机,为高电平时,RO 失效；当DE 为高电平时,允许DI 将来自单片机的数据发送出去,DE 为高电平时,DI 失效.通常将这两个控制端接到一个单片机的I/O 口,来控制数据的收发.
5. 其它模块.本设计中显示部分采用12864 点阵图形液晶显示模块；温度检测使用DS18B20 数字温度传感器,它与单片机连接时仅需要一条接口线即可实现数据传输；阶梯用电量的报警提示由显示屏闪烁和点亮不同颜色的指示灯来实现；按钮具有选择时间设定的对象,进行时间的调整；查询本月电量和清除报警信息的功能.
三、软件设计
本系统采用C 语言进行程序设计.每一个单片机都有自己的主程序并搭配相应功能模块的子程序来实现相应的电路功能,主要有显示子程序,报警子程序,时钟子程序,电能脉冲计量中断程序和串行通信中断程序等.电表主系统中主单片机的主程序流程图如图3 所示；用户端电表主程序流程图如图4 所示.
四、结语
本文针对目前用户不能获得实时用电信息的问题,设计了一个具有用户端的智能电表系统.该系统的电表部分在常规电表的基础上,增加了与用户通信的通信模块,用户能通过与电表的通信,实时的获得自己的用电信息；同时用户端具有按阶梯电量报警提示的功能,能达到提高用户节约用电意识的目的,有利于节能降耗,具有实际的意义.H
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