一種智能化抄表算費系統設計

呂佳慧

（國網山東省電力公司萊陽市供電公司 山東 萊陽 265200）

0 引言

隨著經濟水平和科學技術的發展，人們對電力需求量越來越大，電力抄核收模式已經不能滿足社會需求，傳統的抄核收模式不僅費時費力，還容易出錯。因此須進行改革，提高效率、降低成本、方便群眾，以促進供電企業更好更快地發展，提高服務水平、增加社會效益、實現經濟效益最大化。電力抄表核算收費智能化是為減輕電力企業工作人員工作負擔而產生的，抄表算費智能化系統提升了抄表核算收費效率[1]。智能電表通常設計有對應的電能統計和遠程通信模塊，因此，供電公司就可以通過其服務器遠程監測用戶用電情況，簡化煩瑣抄表過程，并且耗電數據可由微處理器直接算費。

1 系統整體設計

系統可劃分為5個單元：電源模塊、STM32F103C8T6芯片的最小系統模塊、繼電器保護模塊、交流電流電壓檢測模塊、Wi-Fi模塊。電源模塊對系統電路進行供電；STM32F103C8T6芯片的最小系統模塊對整個系統進行監控[2]；繼電器保護模塊確保其他模塊能夠正常工作；交流電流電壓檢測模塊采用交流220 V電源在降壓處理后作為外部輸入信號，同時也作為Wi-Fi模塊的電源輸入；Wi-Fi模塊以實現系統數據的接收和發送。

2 硬件系統設計

2.1 STM32F103C8T6芯片及時鐘電路

STM32F103C8T6芯片作為一款單片機，內核采用32位。它支持多種協議及操作系統，有強大的外設驅動能力，市場潛力巨大。與C51單片機相比，STM32F103C8T6芯片有更多的功能與串口，被用于許多自動化控制設備中[3]。

STM32F103C8T6芯片基本參數電路類別為集成電路（IC）控制型，總線寬度為32位，最高工作速度為72 MHz，輸入輸出數量為37個，程序存儲器的容量為64 KB，程序存儲器的型號為FLASHRAM，容量為20 K×8，模數轉換器為A/D10x12 b。STM32F103C8T6芯片引腳，如圖1所示。

圖1 STM32F103C8T6芯片引腳

該設計使用了外部時鐘，分別為高速外部時鐘8 MHz接PD1、PD0計數，低速外部時鐘32.768 kHz接PC14、PC15，以實現時鐘的使能。時鐘電路的功能主要與晶振電路配套使用，以提高工作的準確性節奏平穩，使用時間片為50 ms，所述系統時鐘配置為APB1，使時鐘使能，使用10 kHz為計數頻率，采用向上計數，以初始化時鐘3的時間為基數參數，IRQ通道的使能、外設NVIC寄存器的初始化和使能時鐘3的實現[4]。所用2種時鐘電路的原理，如圖2所示。

圖2 時鐘電路原理圖

2.2 電源模塊

STM32F103C8T6芯片工作電壓為DC 3.3 V，因此電源電路需要一個能將大于3.3 V電壓轉換為穩定的3.3 V電壓的芯片。選擇AMS1117-3.3降壓穩壓芯片，芯片輸入電壓為DC 4.75～15 V、輸出電壓為3.3 V/1 A max，芯片的輸入電壓具有較寬的范圍，以及電路連接方便，輸入與輸出并聯為10 F,22 F濾波電容均可。電源接口為mini貼片USB接口，在開發板上導入5 V供電，串聯在一起的二極管用來保護開發板。電源模塊電路原理，如圖3所示。

圖3 電源模塊電路原理

2.3 交流電流電壓檢測模塊

將交流220 V電源降壓處理后作為外部輸入信號，同時也作為Wi-Fi模塊電源輸入。交流檢測模塊由電壓互感器（TV1005）、電流互感器（TA1005）二極管IN4148、4個電容和4個電阻連接而成。電壓互感器原理與變壓器作用相似，使用一次繞組（N1）為高壓側連接電源，二次繞組（N2）為低壓側連接輸出，起到降壓作用。電流互感器的原理與電壓互感器原理類似，一次側匝數（n1）與二次側匝數（n2）的比為電流比（kn），起到使輸入的電流成比縮小的作用。將濾波電容在STM32F103C8T6芯片引腳PA1和PA2作輸入信號。

2.4 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊選用的是ESP8266芯片，具有體積較小，能耗較少，方便實用，性價比高，可靠性好等優點。Wi-Fi模塊利用串口和單片機進行通信，內建TCP/IP協議棧可以實現串口和Wi-Fi的切換。ESP8266芯片內含有滿足協議棧網絡標準的TCP/IP協議，可以滿足本文設計中功能的實現要求。由于使用了以上技術，系統需將多個設備連接起來組成一個局域網，并且具有很強的擴展性。另外，ESP8266芯片本身自帶USB接口，能夠與其他外部設備相連接。Wi-Fi模塊完成串口協議的收發數據，分別為pin1和pin2，功能UART_RXD為接收命令，UART_TXD為發送命令，這是Wi-Fi模塊設計時的主要作用。

2.5 繼電保護

為了保護其他模塊的正常工作，避免負載模塊溫度過高而造成不應有的損失，設計上增加了繼電器對線路進行保護，當使用功率大于200 W后繼電器將被帶動進而切斷電源。電路設計時由于STM32F103C8T6芯片引腳處電流驅動性能很低，難以帶動繼電器通斷，故采用9012三極管供電，從而實現繼電器的關閉。LED1亮滅可判斷繼電器是否關斷，若燈亮則繼電器已關斷，若燈滅則繼電器已斷路。

為了保證繼電器能夠可靠工作，需要對三極管的管壓和導通時間等參數進行測量，并根據數據進行相應調整。由于元器件數量較多，電路比較復雜，故采用分立元件模型。為保護二極管 前加裝限流電阻，則為保護三極管，繼電保護設計中也會安裝限流電阻。此外，由于STM32F103C8T6芯片內部集成有1個電阻（R）和3個電容（C2、C3、C4），通過改變電阻值可以調節繼電器輸出電壓的高低，進而調整其靈敏度。當輸入電壓較高時繼電器不工作，反之，輸入電壓較低時則工作。控制引腳RY1收到的信號為高電平，則繼電器立即關斷，否則繼電器不關斷。繼電器模塊如圖4所示。

圖4 繼電器模塊

2.6 硬件調試

硬件調試主要分動態調試與靜態調試2個部分，檢查硬件主要線路有無虛焊短路問題，以直流電源或示波器來整體調試被焊板，檢查各器件是否運轉正常。靜態調試是檢查開發板外層有無表面問題、焊接過程中有無焊點問題及線路漏接，利用儀器檢查開發板連接線路有無錯誤，尤其電源模塊，需查看管腳接線焊點焊接情況，并使用萬用表逐一檢查電路判斷短路問題[5]。完成檢查后，可對開發板進行上電檢測，若上電后指示燈能正常點亮且各模塊均未發生故障，則可在該開發板上進行各模塊功能檢測與調試。動態調試是以靜態調試已全部調試成功為先決條件，給開發板通電，查看指示燈均是否正常亮，并與PC端相連，看功能能否全部完成。

3 軟件系統設計

3.1 主程序設計

就整體程序設計而言，子程序均需連接控制芯片調試，對于不同模塊連接方式，需研究不同通道連接的方式。電源模塊對通電互感器執行處理，直至控制模塊能夠接收到電壓和電流后，送入控制芯片STM32F103C8T6中進行ADC轉換，以實現模擬信號到數字信號的轉換，將接收到的數據存入規則數據寄存器（ADC1）寄存器，STM32F103C8T6芯片通過引腳端口與Wi-Fi模塊相連，Wi-Fi模塊用于將手機端的APP以AP模式進行發送，手機端可顯示目前用電量，并且根據當前的最新電價進行計算電費并實時顯示電費。若功率大于200 W時，繼電器將切斷電源，以保護線路[6]。系統設計程序流程，如圖5所示。

圖5 系統設計程序流程

3.2 ADC模數轉換程序

ADC的狀態和控制寄存器初始化，主要是針對多重ADC模式下的DMA請求。在ADC程序設計中選用了逐步逼近型使能ADC1時鐘，初始化配置并設定六分頻器和PA1、PA2用作模擬通道的輸入引腳，轉換工作選用單通道ADC1進行，工作模式為單次轉化，觸發方式選用軟件觸發。選定工作模式后使能規定ADC1并打開AD校準和終止校準，選取規則通道，啟動軟件轉換ADC1，等轉換完成，返回近期ADC1規則轉換結果，芯片將數據結果發送至規則數據寄存器。ADC模塊子程序流程，如圖6所示。

圖6 ADC模塊子程序流程

3.3 Wi-Fi模塊子程序

Wi-Fi模塊子程序功能負責從芯片接收數據后，向接收數據顯示終端發送數據，能用流程圖來表達。無線模塊的子程序通過初始化使IP地址匹配，VVC輸入3.3 V電壓，在GPIO3執行UART-RXD接收數據的指令，啟動數據接收，Wi-Fi模塊用于以AP模式完成UART-TXD的發送命令，將對應電量消耗值顯示于手機終端上。模塊程序按要求初始化，從芯片接收數據，將外設與Wi-Fi模塊相連接收數據，顯示所述對應消耗電量及電費。Wi-Fi模塊子程序流程，如圖7所示。

圖7 Wi-Fi模塊子程序流程

3.4 程序調試

軟件調試前需要對系統進行整體通電調試。硬件的監測是觀察其表面焊接有無問題，是否有很明顯地破裂，元器件正負極均是否有接反現象，電路接線是否接錯等。監測完成后用萬用表探測有無短路和其他嚴重電路連線。整個硬件的焊接情況也需要做細致檢查，以保證不出現缺焊、過焊等問題。

調試平臺建成后，開始進行軟件程序的調試。當程序未出現問題，隨即進行功能調試，考察功能能否達到設計要求，如功能有問題，需要立即進行程序的再次調試，直至功能能夠完全滿足設計的要求，軟件調試步驟如下。

步驟1 開發軟件Keil uVision5，需從菜單中選擇project創建新項目文件夾，查找新項目并鍵入新項目名稱后保存，然后選擇“STM32F103”型號單片機。

步驟2 將程序源代碼寫入到新的空白文本后，保存并命名為文件，即源文件建立成功。

步驟3 進行程序編譯與調試，啟動編譯程序、運行文檔、窗口啟動輸出信息。如出現報錯程序時，需及時查找錯誤并糾正，重新編譯直到不報錯為止，其中提醒可忽略而不需修改[7-8]。

4 結論

綜上所述，本文設計是以STM32F103C8T6芯片為核心，經電源模塊降壓處理，并將其傳送至STM32F103C8T6芯片，實現了模擬信號值到數字信號值的ADC轉換，并在ADC1寄存器里保存它們的數據，由此電流電壓與其用電量消耗的作用。將所述芯片連接采用AP模式的Wi-Fi模塊并向其發送數據，以Wi-Fi作為熱點端，對所設計的Wi-Fi和IP地址進行匹配連接，得到一個專門的單一通道的聯系，從而達到遠程查看電表功能。此設計實現了智能電表遠程抄表與算費，方便用戶隨時隨地查看用電量和電費，較好地發揮了其特有的優越性，發展前景非常廣闊。