一种基于C8051F20的无线传输电能表

2020-09-07李鹏，李皓

通信电源技术 2020年11期

李鹏，李皓

（1.长春理工大学光电信息学院，吉林长春 130000；2.长春净月管委会，吉林长春 130000）

0 引言

近年来，随着社会的发展，人们对电能的需求逐渐递增，国内的电网面临着巨大压力和挑战。传统式电表采用的是先用电再抄表模式，根据抄表的结果付费，不但效率低，而且浪费人力物力资源。为解决这一问题，提出了一种基于无线通信的智能电表，能够进行远距离传输，并实时监测和采集用电量。

1 系统方案设计

设计主要从电能采集、显示存储以及远程传输等方面进行阐述，工作流程如图1所示。

图1 工作流程图

在采集电路中降压，通过电能计量芯片采集数据，并将采集的数据送给主控制芯片。主控制芯片分析、存储及显示接收到的数据，并通过无线传输模块传送到远处的上位机。上位机系统负责存储、分析以及统计收集到的数据，可及时了解和掌握小区各户的用电情况。多功能电表的系统结构如图2所示。智能电表除了具有高效的数据采集效率外，还具有很好的稳定性和测量精度。

2 系统硬件组成及介绍

2.1 控制芯片

设计中的主控芯片选用C8051F020单片机，不但具有很好的稳定性，而且性价比具有优势，同时其工作电压与电量采集芯片MAXQ3180吻合，可以同时供电。与传统的51单片机相比，它的内部资源更加丰富，使用更加灵活[1]。具体对比如表1所示。

图2 多功能电能表结构图

表1 C8051F020与AT89S51主要参数比较

2.2 前端测量芯片

前端测量芯片选用MAXQ3180芯片，为三相计量模拟前端，具备监视和测量电压、电流以及功率因数等参数的功能。该芯片为28TSSOP封装，工作电压3.3 V，与主控芯片电压吻合。MAXQ3180的外部电压采集电路如图3所示。

2.3 无线传输模块

设计远程传输部分选用GPRS，利用GPRS技术将MAXQ3180采集到的信息通过串行口传送到控制芯片，再由无线模块发送到上位机[2]。设计中的无线通信模块采用可靠性高的SIM900A芯片，参数如表2所示。

表2 SIM900A基本参数

电能表中的GPRS无线传输数据模块和主控制器C8051F020通过RS232C总线进行传输。

图3 MAXQ3180外部电压采集电路

3 系统软件设计

3.1 采集系统程序设计

程序设计可以分为以下几个步骤。首先，系统初始化，设置MAXQ3180寄存器。其次，主控制芯片通过SPI读取MAXQ3180对应寄存器的值。再次，将读取的十六进制数值转换为十进制（后期会用到），在LCD中显示。最后，通过232串口发送给无线传输模块，将信息数据上传至上位机。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

3.2 电能采集软件设计

MAXQ3180作为从机，可中断申请线，在使用时要按照SPI通信协议进行编码，才能使系统正常工作。通信格式从最高有效位开始，以最低有效位结束，数据长度为一个字节[3]。MAXQ3180具有独立的晶振电路，如果设计晶振为8 MHz，其通信速率小于等于2 MHz。MAXQ3180的模拟通道扫描周期为320 μs，软件设计时通信延时设计为50 μs。通信时，MAXQ3180与主控制器在通信总线上“握手”成功后，可以读取寄存器的内容。

3.3 无线通信模块软件设计

设计采用GPRS模块选择SIM900A芯片，实现电表与上位机的通信，其中TCP/IP协议为电表与上位机的通信协议。TCP/IP通信协议具有很好的安全性和稳定性，是一种可靠的传输方式。实现传输的过程中，首先通过串口读取要发送的内容，其次对数据进行处理使其能够分组发送，再次将数据发送到基站，并通过基站送到IP端口，最后通过移动基站的子系统将数据送到GPRS的终端[4]。软件设计时，先进行模块初始化，设定串口的相关参数进行传输。SIM900A无线数据传输流程图如图5所示。