胡保玲 崔宇航 解思博 馬 俊 單信凱 張平改

（1.巢湖學(xué)院計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，安徽 巢湖 238024；2.巢湖學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

2020 年，中國(guó)發(fā)電量全球占比為29%。目前，中國(guó)大部分地區(qū)仍采用傳統(tǒng)機(jī)械電表進(jìn)行計(jì)量，消耗了大量人力與物力資源，且傳統(tǒng)機(jī)械電表錯(cuò)誤率相對(duì)較高。因此，研究設(shè)計(jì)一款具有無(wú)線通信功能的數(shù)字電表具有重要的實(shí)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，并取得了豐碩成果。歐陽(yáng)曾愷等［1］設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信的新型智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)與顯示等功能；鄔劍升等［2］設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無(wú)線終端控制；苗彧智等［3］基于AT89C51 設(shè)計(jì)了一種智能電表，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的計(jì)量顯示、無(wú)線通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；喬凌霄等［4］基于STM32F103RBT6 設(shè)計(jì)了一種能遠(yuǎn)程檢測(cè)三相電器設(shè)備用電情況的系統(tǒng)，可將各項(xiàng)參數(shù)顯示在LCD屏幕上；毋育捷等［5］設(shè)計(jì)了一種基于STM32F1 單片機(jī)與RS485 通信協(xié)議的智能電表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，采用半雙工通信模式來(lái)獲取電表數(shù)據(jù)和發(fā)送指令；田猛［6］設(shè)計(jì)了一款基于AT89C51 的新型智能數(shù)字電表，采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)WiFi聯(lián)網(wǎng)和SD卡存儲(chǔ)功能；徐京生等［7］設(shè)計(jì)了一種基于RF通信的無(wú)線程序升級(jí)的智能電表，通過(guò)無(wú)線升級(jí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)電表計(jì)軟件的升級(jí)；孫毅等［8］設(shè)計(jì)了一種模塊化松耦合式的多芯智能電表，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)多芯智能電表的性能和功能進(jìn)行測(cè)試。

在以往的研究中，研究人員對(duì)智能電表進(jìn)行了大量研究，并取得一定成果，但上述各類數(shù)字電表檢測(cè)方式單一，且檢測(cè)精確度相對(duì)不高等因素制約著數(shù)字電表向智能化方向發(fā)展。為克服上述問(wèn)題，筆者在以往研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線通信的多功能電數(shù)字表，其具有更好的可延展性，具備遠(yuǎn)程無(wú)線通信功能，在人力成本和社會(huì)安全方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分以STC89C52 芯片為主處理器，包括單片機(jī)核心控制器、電能模塊、繼電器模塊、無(wú)線通信模塊、LCD 顯示模塊、鍵盤控制模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊，其總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 AT89C52單片機(jī)及其最小系統(tǒng)

該系統(tǒng)選用的AT89C52 是一種低功耗且高性能的CMOS8 位微控制器，主要由單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路和電源電路構(gòu)成。其中，采用5 V直流電源供電，晶振電路由30 pF 的電容C3、電容C6 和石英晶振組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

1.2 電能檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

電能檢測(cè)電路主要用于測(cè)量IC 卡或多功能數(shù)字電表的用電量，其傳感器采用ADE7755 型電力測(cè)量芯片，耗電量用芯片輸出的脈沖數(shù)來(lái)表示。ADE7755 是一款高性能、電能測(cè)量集成式芯片，其能在各種環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，且精度極高。本研究選用的電能檢測(cè)模塊連接電路如圖3所示。

圖3 電能檢測(cè)模塊連接電路

1.3 繼電器模塊設(shè)計(jì)

繼電器電路由三極管Q1、限流電阻R6 和繼電器等組成，如圖4 所示。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出接電信號(hào)時(shí)，P32端產(chǎn)生低電平且有效，三極管Q1導(dǎo)通，與繼電器開(kāi)關(guān)連接吸合。

圖4 繼電器電路

1.4 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊使用WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控抄表功能，ESP8266 模塊使用時(shí)接通3.3 V 電源，然后將其1 腳與單片機(jī)的串口RXD 相連接、8 腳與單片機(jī)的串口TXD 相連接即可，電容C1 是電源濾波電容，具體電路如圖5所示。

圖5 無(wú)線通信電路

1.5 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

LCD 顯示模塊采用LCD1602 液晶屏來(lái)顯示系統(tǒng)檢測(cè)的參數(shù)，其電路如圖6所示。

圖6 LCD顯示模塊電路

1.6 鍵盤模塊設(shè)計(jì)

鍵盤模塊采用獨(dú)立按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指令的輸入，其電路如圖7 所示。K2 為回退按鈕，由顯示菜單回到上一菜單，直到主界面；K3 增加按鈕，改變所選中的數(shù)字，短按者為加一，長(zhǎng)按時(shí)間超過(guò)1 s為連加；K4 為減數(shù)鍵，改變所選中的數(shù)字大小，短按時(shí)間為減一，長(zhǎng)按時(shí)間大于1 s 為連減；K5 設(shè)定菜單鍵。

圖7 按鍵電路

2 軟件系統(tǒng)

多功能電數(shù)字表軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的重要組成部分，決定了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能否正常工作，軟件系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)物搭建并調(diào)試，所設(shè)計(jì)的無(wú)線通信多功能數(shù)字電表實(shí)物如圖9 所示。系統(tǒng)的電信息采集使用的是AD7755 集成模塊，被測(cè)元件通過(guò)分流器和繼電器進(jìn)行輸出，并將這些數(shù)值顯示在LCD1602上，然后再調(diào)試?yán)^電器控制引腳的驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警電路、按鍵電路等。開(kāi)關(guān)電源和電量模塊進(jìn)行并聯(lián)和實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷，然后通過(guò)繼電器對(duì)單片機(jī)、顯示電路和蜂鳴器進(jìn)行連接，最后進(jìn)行時(shí)鐘模塊和備用電源的串聯(lián)，從而完成整體系統(tǒng)的調(diào)試。

圖9 設(shè)計(jì)整體實(shí)物

在接通220 V 電壓后，演示接入一個(gè)額定功率為3 W 的風(fēng)扇，并將讀取的參數(shù)在LCD1602 上顯示。通過(guò)ESP8266 連接上手機(jī)WiFi，發(fā)送抄表指令，并清楚顯示當(dāng)前用電量。每隔1 h 記錄連接3種不同用電器顯示屏的用電數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。并將數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖10 所示。由圖10 和表1 可知，所設(shè)計(jì)的多功能數(shù)字電表能有效地檢測(cè)不同用電設(shè)備在不同時(shí)刻的用電情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

圖10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)折線圖

此外，需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信功能測(cè)試。手機(jī)連接WiFi 后，通過(guò)指令接收讀取到的數(shù)據(jù)結(jié)果情況如圖11 所示。其中，第一行顯示的是用電設(shè)備實(shí)時(shí)用電量，第二行顯示的是繼電器狀態(tài)，表明該系統(tǒng)可正常執(zhí)行無(wú)線通信功能，從而達(dá)到遠(yuǎn)程檢測(cè)與抄表的目的。

圖11 手機(jī)WiFi連接抄表數(shù)據(jù)顯示

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多功能數(shù)字電表的需求分析，采用AT89C52處理器設(shè)計(jì)一款基于無(wú)線通信的多功能數(shù)字電表。該系統(tǒng)硬件模塊主要包含單片機(jī)核心控制器、電能模塊、繼電器模塊、無(wú)線通信模塊、LCD顯示模塊、鍵盤控制模塊，同時(shí)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)正常工作。由試驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線通信的多功能數(shù)字電表能有效地實(shí)現(xiàn)電能檢測(cè)，能夠記錄3 種不同設(shè)備在1 h、2 h、3 h 的用電情況，并實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。