基于无线通信的多功能数字电表设计

胡保玲 崔宇航 解思博 马 俊 单信凯 张平改

（1.巢湖学院计算机与人工智能学院，安徽 巢湖 238024；2.巢湖学院电子工程学院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

2020 年，中国发电量全球占比为29%。目前，中国大部分地区仍采用传统机械电表进行计量，消耗了大量人力与物力资源，且传统机械电表错误率相对较高。因此，研究设计一款具有无线通信功能的数字电表具有重要的实用价值。国内外学者对其进行研究，并取得了丰硕成果。欧阳曾恺等［1］设计了一种基于无线通信的新型智能电表监测系统，具有数据分析、监测与显示等功能；邬剑升等［2］设计了一种基于嵌入式的网络远程终端控制系统，有效实现了远程无线终端控制；苗彧智等［3］基于AT89C51 设计了一种智能电表，可实现对电能的计量显示、无线通信和数据存储等功能；乔凌霄等［4］基于STM32F103RBT6 设计了一种能远程检测三相电器设备用电情况的系统，可将各项参数显示在LCD屏幕上；毋育捷等［5］设计了一种基于STM32F1 单片机与RS485 通信协议的智能电表远程抄表系统，采用半双工通信模式来获取电表数据和发送指令；田猛［6］设计了一款基于AT89C51 的新型智能数字电表，采用ADC0832模数转换芯片来实现WiFi联网和SD卡存储功能；徐京生等［7］设计了一种基于RF通信的无线程序升级的智能电表，通过无线升级程序来实现电表计软件的升级；孙毅等［8］设计了一种模块化松耦合式的多芯智能电表，通过试验对多芯智能电表的性能和功能进行测试。

在以往的研究中，研究人员对智能电表进行了大量研究，并取得一定成果，但上述各类数字电表检测方式单一，且检测精确度相对不高等因素制约着数字电表向智能化方向发展。为克服上述问题，笔者在以往研究基础上，设计一种基于无线通信的多功能电数字表，其具有更好的可延展性，具备远程无线通信功能，在人力成本和社会安全方面优势明显。

1 系统硬件设计

该系统硬件部分以STC89C52 芯片为主处理器，包括单片机核心控制器、电能模块、继电器模块、无线通信模块、LCD 显示模块、键盘控制模块、电源模块、时钟模块，其总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架

1.1 AT89C52单片机及其最小系统

该系统选用的AT89C52 是一种低功耗且高性能的CMOS8 位微控制器，主要由单片机、复位电路、晶振电路和电源电路构成。其中，采用5 V直流电源供电，晶振电路由30 pF 的电容C3、电容C6 和石英晶振组成，单片机最小系统如图2所示。

图2 单片机最小系统

1.2 电能检测模块设计

电能检测电路主要用于测量IC 卡或多功能数字电表的用电量，其传感器采用ADE7755 型电力测量芯片，耗电量用芯片输出的脉冲数来表示。ADE7755 是一款高性能、电能测量集成式芯片，其能在各种环境下长期稳定工作，且精度极高。本研究选用的电能检测模块连接电路如图3所示。

图3 电能检测模块连接电路

1.3 继电器模块设计

继电器电路由三极管Q1、限流电阻R6 和继电器等组成，如图4 所示。当单片机发出接电信号时，P32端产生低电平且有效，三极管Q1导通，与继电器开关连接吸合。

图4 继电器电路

1.4 无线通信模块设计

无线通信模块使用WiFi 模块实现远程遥控抄表功能，ESP8266 模块使用时接通3.3 V 电源，然后将其1 脚与单片机的串口RXD 相连接、8 脚与单片机的串口TXD 相连接即可，电容C1 是电源滤波电容，具体电路如图5所示。

图5 无线通信电路

1.5 LCD显示模块设计

LCD 显示模块采用LCD1602 液晶屏来显示系统检测的参数，其电路如图6所示。

图6 LCD显示模块电路

1.6 键盘模块设计

键盘模块采用独立按键来实现系统指令的输入，其电路如图7 所示。K2 为回退按钮，由显示菜单回到上一菜单，直到主界面；K3 增加按钮，改变所选中的数字，短按者为加一，长按时间超过1 s为连加；K4 为减数键，改变所选中的数字大小，短按时间为减一，长按时间大于1 s 为连减；K5 设定菜单键。

图7 按键电路

2 软件系统

多功能电数字表软件系统设计是该系统的重要组成部分，决定了所设计系统能否正常工作，软件系统流程如图8所示。

图8 软件系统流程

3 系统调试与试验验证

基于上述设计进行实物搭建并调试，所设计的无线通信多功能数字电表实物如图9 所示。系统的电信息采集使用的是AD7755 集成模块，被测元件通过分流器和继电器进行输出，并将这些数值显示在LCD1602上，然后再调试继电器控制引脚的驱动电路、报警电路、按键电路等。开关电源和电量模块进行并联和实现继电器的通断，然后通过继电器对单片机、显示电路和蜂鸣器进行连接，最后进行时钟模块和备用电源的串联，从而完成整体系统的调试。

图9 设计整体实物

在接通220 V 电压后，演示接入一个额定功率为3 W 的风扇，并将读取的参数在LCD1602 上显示。通过ESP8266 连接上手机WiFi，发送抄表指令，并清楚显示当前用电量。每隔1 h 记录连接3种不同用电器显示屏的用电数据，见表1。并将数据绘制成折线图，如图10 所示。由图10 和表1 可知，所设计的多功能数字电表能有效地检测不同用电设备在不同时刻的用电情况，实现系统正常工作。

表1 试验数据记录表

图10 试验数据折线图

此外，需要对该系统进行无线通信功能测试。手机连接WiFi 后，通过指令接收读取到的数据结果情况如图11 所示。其中，第一行显示的是用电设备实时用电量，第二行显示的是继电器状态，表明该系统可正常执行无线通信功能，从而达到远程检测与抄表的目的。

图11 手机WiFi连接抄表数据显示

4 结语

通过对多功能数字电表的需求分析，采用AT89C52处理器设计一款基于无线通信的多功能数字电表。该系统硬件模块主要包含单片机核心控制器、电能模块、继电器模块、无线通信模块、LCD显示模块、键盘控制模块，同时需要设计相应的软件模块来驱动该系统正常工作。由试验结果可知，所设计的基于无线通信的多功能数字电表能有效地实现电能检测，能够记录3 种不同设备在1 h、2 h、3 h 的用电情况，并实现用电数据的远程无线传输。