基于STM32F103的三相智能电表设计

王冠 陈利

摘要：该文主要介绍基于ST公司推出的STM32F103为MCU的新型三相智能电表的设计方案。该电能表主要实现三相电的电压、电流、功率因素、正反向有用功、正反向无用功等参数的计量与检测。ATT7022C计量芯片对三相电进行检查与电能计量，把结果通过内部总线传给核心控制器STM32F103，经过STM32F103处理后进行数据的存储，并把结果输出到显示控制芯片DS3231，在该芯片控制下利用LCD液晶显示屏进行显示。同时本表还配置了RS485、RS232、红外线通信接口，借助RS485、RS232通信接口和网络，电能表与上位机通信，从而实现了远程智能抄表；对于无网络偏远地区用电用户，抄表员使用掌机，借助红外线接口与电能表通信，快速便捷的完成抄表工作。

关键词：智能电表；STM32F103；ATT7022C；DS3231；计量

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0219-03

1 引言

21世纪以来，随着我国经济的快速发展，企业、工厂、机关、居民等对电能的需求量也急剧的增加。电能表作为供电部门和用电用户之间计量的唯一工具，其地位和作用尤为重要。传统的感应电表存在不稳定、计量精确度差、不可靠等缺点，更不能检测到用户偷电现象，需要抄表员逐表抄记，抄表效率极低，带来人力、物力的极大浪费。随着国家信息化技术的高速发展、人工成本的日益增高，具备远程抄表功能的高精度、高可靠性的智能电表在市场中的应用日益广泛。

本文设计的三相电表以STM3231F103芯片为核心控制处理器，通过高精度计量芯片ATT7022C进行计量，借助芯片DS3231控制显示。完成了三相电压、三相电流、功率因素、正反向有功，正反向无功等计量数据的显示和远程抄读。

2 智能电表系统设计

整体三相电表设计分为2大部分，分别是主板和底板构成。主板主要由核心控制处理器STM3231F103、数据存储芯片AT45DB161E， RTC显示控制芯片DS3231、液晶显示屏、相应按键开关、串行通信接口等组成；底板是由计量芯片ATT7022C，互感器，电源模块等组成。

智能电表系统设计图如图1所示。

2.1 主板设计

1）核心控制处理器

本电表MCU采用的是ST公司的基于CORTEX-M3内核的芯片STM32F103VBT6。此款MCU采用ECOPACK封装方式，工作频率可达72MHz；2个DMA控制器，共12个DMA通道；128K的FLASH作为程序存储空间和内置的20K的 SRAM；工作电压为2.0-3.6V；0至3.6V的A/D转换器；支持定时器、SPI、USB、IIC和UART等多个外设；具有接口丰富、功耗低、运行稳定等特点，是一款性价比极高的核心控制处理器。

本电能表在STM32F103VBT6的控制下，接收具有防盗电功能的高精度计量芯片ATT7022C计量的电流、电压、功率、正反有无功等数据，通过自身高速度的数据处理能力，处理结果实时存储、实时显示。利用该芯片提供的RS485、232等通信接口与上位机远程通信，实现了远程抄表功能，使得供电部门实时掌握用户的用电情况，根据需要可以做出远程供电控制和启用防窃电功能，同时芯片自身极低的功耗降低了电表自身电能消耗，极大地节约了人力、物力成本。

2）数据存储器

DATA FLASH 采用的是ADESTO的AT45DB161E，此款芯片具有字節写的特点，最高工作频率可达85MHz，支持SPI、Rapids接口传输；Ultra Power Down模式功耗最低可到500nA，工作电压范围可达2。3V～3。6V。工作温度范围为-40°C ～ 85°C。通过配套的软件DFSS算法可以使AT45DB161E更加容易操作，读写次数可达100万次。该芯片通过SPI总线与核心控制芯片STM32F103VBT6互相通信，存储MCU处理后的电表计量数据；其内的数据可以随时供上位机查询。

3）显示控制芯片RTC

RTC采用的是成本低廉、精度高的基于I2C总线的DS3231，此款芯片0℃～40℃的温度范围内显示精度可大±2ppm，-40℃～85℃精度可达±3.5ppm，I2C接口可达400KHz，工作电压范围在2.3V～5.5V。该芯片自带电池输入端，断开主电源时仍可保持精确的计时。内部集成晶振确保芯片长期的精确度。

DS3231显示控制芯片可以存储秒、分、时、星期、日期、月和年的日期时间信息；具有自动校日期、年份的功能。时钟的显示格式可以选择切换为24时制或带/AM/PM指示的12小时制。该芯片通过I2C双向总线串行与MCU传输地址与数据信息。

通过芯片自身监视VCC状态，检测电源故障，并提供复位输出，可以自行切换到备份电源。即使主电源掉电，该器件仍可继续工作。当主电源恢复时，借助片上复位功能可用来重新启动核心控制器。

在本电表设计方案中，DS3231显示控制芯片电路图如图2所示。

4）电源管理芯片

电源管理芯片采用了AMS1117和AMS3106M1。其中AMS1117款稳定可靠的LDO，输入电压最大到15V，输出电流最大到1A，可以满足本设计中核心控制器STM32F103VBT6和其他相关器件的供电需求。通过AMS1117输出的3.3V电压主要给主板中的MCU以及外围器件供电，输出的5V主要给MAX485芯片供电。

AMS3106也是款稳定可靠的LDO，输入电压最大可到12V，输出电流最大可到500mA。在本电能表设计中选用AMS3106M1芯片，该芯片输出3.3v电压主要给LCD液晶显示供电。

5）LCD液晶显示

LCD显示采用了160*160点阵的液晶显示模块，来显示的数据有A相电压，A相电流，B相电压，B相电流，C相电压，C相电流，A相功率因素，B相功率因素，C相功率因素，总功率因素，组合有功总电能，正向有功总电能，反相无功总电能，组合无功电能等计量数据。

6）RS485接口

RS485芯片采用的是MAX485，此款芯片是很成熟的485芯片，具有±15KV的ESD保护，最高速率可达2.5Mbps，接收器的输入端具有失效保护特性，当输入开路时，可以保证输出逻辑高电平。

7）RS232接口

RS232接口采用的是MAX3232芯片，此款芯片是一款高性能，工业级的232接口芯片，具有±15KV的ESD保护，电流最低可达10nA，供电电压范围在3.0V～5.5V，速率最高可达1Mbps。

8）红外接口

红外接收管采用的是SFH5110，红外发射管采用的是TSAL6200，这两颗都在电力仪器仪表设计中经常使用。借助该红外模块与掌机通信，可以方便抄表员在没网络的欠发达地区实现电表数据的抄读和完成电表参数配置，极大地提高了抄表员工作效率，节省了人力资源成本。

2.2 底板设计

1）计量芯片

电能表的计量芯片采用三块ATT7022C，此款芯片是款高精度计量芯片，有功测量可满足0.2S、0.5S，无功测量可满足2级、3级。提供基波、谐波电能以及总电能测量的功能，提供视在电能测量功能等。通过这三块计量芯片分别对A、B、C三相电进行用户用电相关参数的检查与采集，借助MCU自带的SPI串行总线与控制器STM32F103VBT6连接实现电表内部信息传输。

2）互感器

互感器采用的是南京择明电子有限公司生产的电流互感器和电压互感器，通过互感器把大的交流信号转换为小的直流信号进行检测，然后通过计量芯片计算出三相电的电压，电流等测量数据。

互感器与计量芯片设计框图如图3所示。

3）电源模块

电源模块是AC-DC，输入220V，输出5V/2A和12V/0.5A，输出的两路电源是完全隔离，互相不受影响的，并且可以做到4000V的耐压，是款性能稳定可靠的电源模块。

3 功能介绍

该智能三相表主要通过互感器对三相电交流信号进行检测，检测结果转为直流信号后传给计量芯片ATT7022C，由该芯片完成三相电压、电流以及电能等数据的计量；计量后的数据借助SPI总线传递给核心控制芯片STM32F103VBT6；进过MCU的进一步的处理后把这些需要计量的数据存储于AT45DB161E，并在LCD液晶屏上进行显示。该电表通过RS485接口、RS232接口以及红外接口与上位机通信，由上位机软件来读取计量数据，实现远程抄表功能。

存储于AT45DB161E的数据包括三相电压、电流、总功率因素、功率因素、视在总电能、正反向有功总电能等。储存数据丰富多样，实现了电能计量的高精度性。存储于AT45DB161E的数据可以通过LCD液晶屏直观显示的反映计量的结果，也可通过LCD液晶显示反映存储于AT45DB161E的数据是否正确，方便供电部门工作人员对电表的校正。

电表与上位机的通信可以根据需要选择RS232接口或485接口，用上位机软件可以完成三相表的配置以及远程读取存储于AT45DB161E的三相表数据。该表设计配备的红外接口是用于和掌机的通信，可以通过掌机来配置和读取三相表的数据。

该电表的供电方式采用三相四线制电源供电，三相中断任意一相或两相，三相表仍正常工作。同时配置了备用电池供电，当供电电源断电时，仍然可以完成抄表工作。

4 结束语

本智能三相电表设计基于核心控制芯片STM32F103VBT6，主要完成了电表的原理图设计、元器件的选择和实现功能的说明。该电表同时完成电能参数计量检测和液晶显示，具备精度高、速度快、稳定性强、功耗小、成本低、操作方便的特点。借助电表丰富的通信接口，上位机可以便捷地实现远程抄表、监控等功能，在市场上有较广泛的应用。

参考文献：

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[2] 李周平.三相四线制电子式多功能电能表的设计与实现[J].机械工程技术，2010（4）.

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[4] 張瑞占.基于ATT7022B三相精确计量智能电能表设计[J].电子测量技术，2008（09）.

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