苗彧智+王艳
摘 要： 智能电表的推广与使用是一项惠及百姓的民生工程，它大大改善了农村居民用电条件，提高了配电网的自动化水平，对于减少电力能源的消耗具有重大的意义。采用单片机80C51为核心，同时增加电能计量芯片CS5460A、LCD显示器1602、Wifi通信电路、SD存储卡等芯片，来实现电能的计量与显示、无线通信、数据存储等功能。用户可以通过电表上的按键来选择是显示用户当前用电量，还是某一时段用电量。
关键词： 智能电表; 单片机; 电能计量; 无线通信
中图分类号： TN919?34; TM933 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0059?03
Design of smart meter based on single chip microcomputer
MIAO Yu?zhi， WANG Yan
（School of Information and Control Engineering， Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China）
Abstract： The promotion and use of smart meter are of benefit to the people's livelihood. It has greatly improved the electricity utilization conditions of rural residents， and improved the automation level of power distribution network. It is of great significance to reduce the electricity energy consumption. MCU 80C51 is taken as the core. Electric energy metering chip CS5460A， LCD display 1602， Wifi communication circuit and SD memory card are added to realize the electric energy metering and display， wireless communication， data storage and other functions. Users can select the buttons on the meter to show their electricity consumption at present or in any period.
Keywords： smart meter; single chip microcomputer; electric energy metering; wireless communication
随着计算机技术和通信技术的发展，建筑智能化程度越来越高。住宅的智能化抄表系统 在建筑智能化中是必不可少的。在我国，对用户的电表仍采用人工抄表的方法。这种原始的查表方法不仅造成了人力、物力的浪费，打扰居民正常生活[1]，而且其精度差 ，电量数据需要人为读数不能实时传输[2]。为了从根本上解决这个问题，因此设计一种基于单片机的智能电表。电表若以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规机械及电子线路，可以容易地将计算技术与测量控制技术结合在一起，形成智能化测量仪表[3]。这种仪表由计量电路、微处理器、LCD显示器、实时时钟、通信接口及电源等组成[4]，具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能[5]。
1 智能电表的工作原理
智能电表的硬件方案框图如图1所示。电能表主要由计量、电源管理、存储 、显示、按键处理、脉冲输出和通信单元7个部分组成[6]。本文的智能电表是以80C51为核心处理器。除此之外，加入了电能计量芯片CS5460A和LCD显示芯片1602，用于用户用电量的计量与显示。但是，由于CS5460A芯片只能测量瞬时的电量，所以，还需要采用时间芯片DS1302将时间分段，这样电表就可以通过按键，不但可以显示出用户的瞬时用电量，而且还能显示某个时段的用电量。WiFi通信电路的使用，可以实现智能电表的无线通信，这样查电表的工作人员不用再挨家挨户的登门查询，而是直接接收WiFi信号，就可以了解到用户的用电情况，比较方便、省时。对于存储模块，本文采用体积小、容量大的SD卡，相比于一般的存储模块，SD卡还可以随时拆卸、更换，既方便又实用。对于电源模块，本文采用的是外部供电方式。
2 智能电表的硬件设计
2.1 电能计量电路设计
电能计量芯片采用CS5460A。其主要功能如下：具有特殊的自动引脚模式功能，能使芯片独立工作，得电时自动初始化[7];具有片内看门狗定时器与内部电源监视器;可以精确测量正反两个方向的电压瞬时值、电流瞬时值、电压有效值、电流有效值以及功率和能量[8];提供了外部复位引脚;双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接;外部时钟最高频率可达20 MHz;具有功率方向输出指示[9]。
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图1 智能电表的硬件设计图
CS5460A与单片机80C51的连接电路图见图2。
图2 CS5460A与80C51的连接电路图
2.2 WiFi通信模块设计
电表采用WiFi无线通信的方式，WiFi通信电路使用BCM8000。WiFi通信技术具有数据传输率高、组网灵活、可移动性好等优点。WiFi通信采用的是无线网络，使智能电表的安装不受通信线路的局限性，具有安装便利的优势[10]。WiFi通信电路与单片机80C51的连接，只需要将BCM8000的 RXDH和TXDH引脚分别对应连接到80C51的TXD和RXD引脚，如图3所示。
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图3 WiFi通信电路与80C51的硬件连接设计
3 智能电表的软件设计
智能电表的软件设计部分包括以下的几个部分：电能计量芯片CS5460A的数据传输、液晶显示器1602显示子程序、键功能处理程序、WiFi无线通信程序、时钟芯片DS1302的读/写操作程序、SD卡储存模块的软件设计。
其主程序的流程图如图4所示。CS5460A软件框图如图5所示。
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图4 智能电表的软件主程序框图
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图5 CS5460A软件框图
4 结 论
本次设计的智能电表集成了计量与显示电量、数据存储、数据通信等多种功能。经试验验证后，证实了电表性能的稳定、计算准确、误差较小、可以进行无线通信等。但是，本次设计的电表可能在故障自诊断方面有些不足，需要日后加以完善。
参考文献
[1] 忻龙彪，杨晓睛，宋淑彩.一种基于CAN总线电路抄表系统[J].国外电子测量技术，2005，9（8）：37?38.
[2] 王文波，郭世明.基于ADE7755的带CAN总线的工业用电度表设计方案[J].国外电子测量技术，2005，9（z1）：40?43.
[3] 刘凯，柴旭峥.一种智能型兆欧表的设计[J].国外电子测量技术，2005，9（2）：25?27.
[4] 古碧绮，王健.基于SA9904B的三相多功能电能表的设计[J].国外电子测量技术，2004，8（1）：29?31.
[5] 王志勇，张铁壁，侯锡铭.浅谈智能电表的应用及发展[J].河北工程科技高等专科学校学报，2013，9（3）：33?35.
[6] 申斌，封维忠，施山菁，等.基于ADE7953的智能电表设计与研究[J].仪表技术与传感器，2012（11）：44?45.
[7] 郭海文，刘永涛.基于CS5460A的大型电机保护器的研究设计[J].高科技产品研发，2011（2）：64?65.
[8] 冯韬，姜久春，黄李.基于CS5460A的无轨电车智能电度表系统[J].国外电子测量技术，2007，11（8）：21?23.
[9] 郑虎，马殷元，李涛.基于CS5460A的三相电能控制系统的设计[J].电工研究，2012（10）：69?70.
[10] 王科，童嵘，甘建平.WiFi通信在智能电表中的应用研究[J].电测与仪表，2013（9）：64?68.
CS5460A与单片机80C51的连接电路图见图2。
图2 CS5460A与80C51的连接电路图
2.2 WiFi通信模块设计
电表采用WiFi无线通信的方式，WiFi通信电路使用BCM8000。WiFi通信技术具有数据传输率高、组网灵活、可移动性好等优点。WiFi通信采用的是无线网络，使智能电表的安装不受通信线路的局限性，具有安装便利的优势[10]。WiFi通信电路与单片机80C51的连接，只需要将BCM8000的 RXDH和TXDH引脚分别对应连接到80C51的TXD和RXD引脚，如图3所示。
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图3 WiFi通信电路与80C51的硬件连接设计
3 智能电表的软件设计
智能电表的软件设计部分包括以下的几个部分：电能计量芯片CS5460A的数据传输、液晶显示器1602显示子程序、键功能处理程序、WiFi无线通信程序、时钟芯片DS1302的读/写操作程序、SD卡储存模块的软件设计。
其主程序的流程图如图4所示。CS5460A软件框图如图5所示。
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图4 智能电表的软件主程序框图
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图5 CS5460A软件框图
4 结 论
本次设计的智能电表集成了计量与显示电量、数据存储、数据通信等多种功能。经试验验证后，证实了电表性能的稳定、计算准确、误差较小、可以进行无线通信等。但是，本次设计的电表可能在故障自诊断方面有些不足，需要日后加以完善。
参考文献
[1] 忻龙彪，杨晓睛，宋淑彩.一种基于CAN总线电路抄表系统[J].国外电子测量技术，2005，9（8）：37?38.
[2] 王文波，郭世明.基于ADE7755的带CAN总线的工业用电度表设计方案[J].国外电子测量技术，2005，9（z1）：40?43.
[3] 刘凯，柴旭峥.一种智能型兆欧表的设计[J].国外电子测量技术，2005，9（2）：25?27.
[4] 古碧绮，王健.基于SA9904B的三相多功能电能表的设计[J].国外电子测量技术，2004，8（1）：29?31.
[5] 王志勇，张铁壁，侯锡铭.浅谈智能电表的应用及发展[J].河北工程科技高等专科学校学报，2013，9（3）：33?35.
[6] 申斌，封维忠，施山菁，等.基于ADE7953的智能电表设计与研究[J].仪表技术与传感器，2012（11）：44?45.
[7] 郭海文，刘永涛.基于CS5460A的大型电机保护器的研究设计[J].高科技产品研发，2011（2）：64?65.
[8] 冯韬，姜久春，黄李.基于CS5460A的无轨电车智能电度表系统[J].国外电子测量技术，2007，11（8）：21?23.
[9] 郑虎，马殷元，李涛.基于CS5460A的三相电能控制系统的设计[J].电工研究，2012（10）：69?70.
[10] 王科，童嵘，甘建平.WiFi通信在智能电表中的应用研究[J].电测与仪表，2013（9）：64?68.
CS5460A与单片机80C51的连接电路图见图2。
图2 CS5460A与80C51的连接电路图
2.2 WiFi通信模块设计
电表采用WiFi无线通信的方式，WiFi通信电路使用BCM8000。WiFi通信技术具有数据传输率高、组网灵活、可移动性好等优点。WiFi通信采用的是无线网络，使智能电表的安装不受通信线路的局限性，具有安装便利的优势[10]。WiFi通信电路与单片机80C51的连接，只需要将BCM8000的 RXDH和TXDH引脚分别对应连接到80C51的TXD和RXD引脚，如图3所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼14T3.tif>
图3 WiFi通信电路与80C51的硬件连接设计
3 智能电表的软件设计
智能电表的软件设计部分包括以下的几个部分：电能计量芯片CS5460A的数据传输、液晶显示器1602显示子程序、键功能处理程序、WiFi无线通信程序、时钟芯片DS1302的读/写操作程序、SD卡储存模块的软件设计。
其主程序的流程图如图4所示。CS5460A软件框图如图5所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼14T4.tif>
图4 智能电表的软件主程序框图
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼14T5.tif>
图5 CS5460A软件框图
4 结 论
本次设计的智能电表集成了计量与显示电量、数据存储、数据通信等多种功能。经试验验证后，证实了电表性能的稳定、计算准确、误差较小、可以进行无线通信等。但是，本次设计的电表可能在故障自诊断方面有些不足，需要日后加以完善。
参考文献
[1] 忻龙彪，杨晓睛，宋淑彩.一种基于CAN总线电路抄表系统[J].国外电子测量技术，2005，9（8）：37?38.
[2] 王文波，郭世明.基于ADE7755的带CAN总线的工业用电度表设计方案[J].国外电子测量技术，2005，9（z1）：40?43.
[3] 刘凯，柴旭峥.一种智能型兆欧表的设计[J].国外电子测量技术，2005，9（2）：25?27.
[4] 古碧绮，王健.基于SA9904B的三相多功能电能表的设计[J].国外电子测量技术，2004，8（1）：29?31.
[5] 王志勇，张铁壁，侯锡铭.浅谈智能电表的应用及发展[J].河北工程科技高等专科学校学报，2013，9（3）：33?35.
[6] 申斌，封维忠，施山菁，等.基于ADE7953的智能电表设计与研究[J].仪表技术与传感器，2012（11）：44?45.
[7] 郭海文，刘永涛.基于CS5460A的大型电机保护器的研究设计[J].高科技产品研发，2011（2）：64?65.
[8] 冯韬，姜久春，黄李.基于CS5460A的无轨电车智能电度表系统[J].国外电子测量技术，2007，11（8）：21?23.
[9] 郑虎，马殷元，李涛.基于CS5460A的三相电能控制系统的设计[J].电工研究，2012（10）：69?70.
[10] 王科，童嵘，甘建平.WiFi通信在智能电表中的应用研究[J].电测与仪表，2013（9）：64?68.
