基于80C51单片机的智能电表设计

 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。

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 ，而且其精度差，电量数据需要人为读数不能实时传输 。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 。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 ，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 。

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 。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 ;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 ;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 。

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 。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。

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。

图4 智能电表的软件主程序框图

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。