具有数据中继功能的三相数字电表简易设计

基于STM32F103的三相智能电表设计作者：王冠陈利来源：《电脑知识与技术》2018年第22期摘要：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）22-0219-031 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。

摘要本设计阐述了该三相多费率电能表的解决方案，系统主控制器采用片内资源丰富、抗干扰能力较强的PIC18F452单片机，具有对三相电能分时段计量的功能，并且还集成了时段管理、RS-485抄表接口等智能化的电能管理手段。

首先介绍了三相电能表的选题背景，然后给出了设计的总体方案，并对系统所采用的专用芯片如时钟芯片DS1302、ATT7026、MAX485等进行了简要的介绍。

并分别从硬件或软件的角度描述了电能计量、按键设计、同步脉冲等模块的实现细节，论述中涉及到了信号变换和隔离、电能累加和时段控制算法以及各种通信方式的软硬件实现。

文中对三相多费率电能表的时钟准确性及抗干扰设计也有很详细的介绍。

关键词：三相多费率电能计量 PIC18F452单片机 ATT7026 时钟芯片AbstractThis design elaborated this three-phase multi-tariff electrical energy table's solution, the system master-control unit uses the internal fruitful in resources, theAnti jamming ability strong PIC18F452 monolithic integrated circuit, has divides the time interval measurement to the three-phase electrical energy the function, and also integrated the time interval management, RS-485 to copy intellectualized and so on table connection electrical energy management tools.First introduced the three-phase electrical energy table's selected topic background, then has given the design overall concept, and special-purpose chip like clock chip DS1302 which, ATT7026, MAX485 uses to the system and so on have carried on the brief introduction. And separately described modules and so on electrical energy measurement, pressed key design, synchropulse from the hardware or software's angle to realize the detail, in the elaboration involves the signal translation and the isolation, the electrical energy accumulation and the time interval control algorithm as well as each kind of mailing address software and hardware realizes. In the article also has the very detailed introduction to the three-phase multi-tariff electrical energy table's clock accuracy and the antijamming design.Key word:tri-phase multi-rate energy metering PIC18F452MCU ATT7026 real-time clock目录摘要 (1)第一章绪论 (5)1.1选题背景 (5)1.2选题依据 (6)第二章设计的内容与要求 (8)2.1毕业设计的内容 (8)2.2设计实现的主要功能 (8)2.3主要技术指标 (8)第三章系统的组成及工作原理 (9)3.1方案设计 (9)3.1.1三种方案 (9)3.1.2方案的比较 (12)3.1.3总体方案的确定 (13)3.2系统工作原理 (14)3.2.1系统原理 (14)3.2.2设计可以实现的主要功能 (15)3.2.3.多时段电能测量原理： (15)3.3系统的功能模块 (17)第四章系统的硬件设计 (19)4.1硬件组成 (19)4.1.1PIC18F452单片机 (19)4.1.2选择PIC18F452单片机的优点 (19)4.2功能模块的设计 (20)4.2.1电能参数采集电路的设计 (20)4.2.2电能计算及电能计量芯片ATT7026的设计 (23)4.2.3 RS485通讯电路的设计 (28)4.2.4实时时钟芯片电路的设计 (30)4.2.5 掉电检测的设计 (36)4.2.6.用户按键的设计 (37)4.2.7.显示模块设计 (38)4.2.8抗干扰技术的设计 (39)4.2.9直流稳压电源的设计 (41)第五章系统的软件设计 (46)5.1系统软件需求分析 (46)5.2流程图分析 (47)5.3软件流程 (50)第六章结论 (55)附录A (56)附录B (74)参考文献 (76)外文文献翻译 (77)致谢 (94)第一章绪论1.1选题背景随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。

第4章 ZigBee 技术 131pin1和pin4是需要目标板供电的，RESET 引脚连接系统复位引脚。

6．SPI 接口电路SPI 接口即串行外接口（Serial Peripheral Interface ），是Motorola 公司首先在其MC68HCXX 系列处理器上定义的。

SPI 接口主要应用在EEPROM 、FLASH 、实时时钟、AD 转换器、数字信号处理器和数字信号解码器之间。

中继器的SPI 接口连接了一颗2MBYTE 的FLASH 芯片，AT26DF161A 是ATMEIL 公司的产品，操作速度高达60M ，可反复擦写10万次，数据保存10年以上。

接口电路如图4-29所示。

图4-29 SPI 接口电路4.6.3 三表数据采集中继器软件设计中继器节点主要实现的功能是建立可靠的通信通道，处理和交换集中器与表单元间的数据信息，采集并存储每层楼的三表数据和地址信息。

同时中继器接收集中器的采集指令，对下面挂载的所有表的能耗数据采集完成后，将数据发送到集中器。

为保证数据的可靠采集和传输，通信过程中必须参照国家或行业相应的通信协议标准来进行。

软件结构框图如图4-30所示。

中继器软件设计采用模块化的设计方法，对各功能模块进行封装。

软件模块主要包括数据采集与数据存储、三表地址存储、串口通信、系统时钟和中断等几部分。

1．软件开发环境 中继器软件开发选用A VR Studio 编译软件。

A VR Studio 是一款ATMEL 的AVR 单片机的集成环境汇编及开发调试软件，可免费使用。

ATMEL A VR Studio 集成开发环境（IDE ），包括了A VR Assembler 编译器、A VR Studio 调试功能、A VR Prog 串行、并行下载功能和JTAG ICE 仿真等功能。

它集汇编语言编译、软件仿真、芯片程序下载、芯片硬件仿真等一系列基础功能，与任一款高级语言编译器配合使用即可完成高级语言的产品开发调试。

三相远程费控智能电能表设计三相远程费控智能电能表设计随着电力系统的发展和智能电网的建设，电能表作为电力系统中重要的计量设备，逐渐向远程智能化方向发展。

在此背景下，本文将介绍一种三相远程费控智能电能表的设计。

1. 引言传统电能表只能进行简单的电能计量，无法满足现代电力系统的需求。

随着电力系统的发展，需要对电能进行更细致、精确的计量，并实现远程数据采集和费控功能。

因此，设计一种能够满足这些要求的三相远程费控智能电能表具有重要的意义。

2. 硬件设计该远程费控智能电能表由电能测量模块、数据采集模块、远程通信模块和费控模块组成。

电能测量模块采用高精度电流互感器和电压互感器进行电流和电压的测量。

数据采集模块通过AD转换器将测量得到的电流和电压转换为数字信号，并进行数据处理和存储。

远程通信模块采用GPRS无线通信技术，实现与电力公司的远程通信。

费控模块利用计量数据和通信功能，实现对用户用电量和电费进行管理和控制。

3. 软件设计软件设计包括电能计量算法、远程通信协议和费控算法。

电能计量算法根据测量得到的电流和电压数据，计算出用户的用电量。

远程通信协议采用标准的通信协议，实现电能表与电力公司服务器之间的数据交互。

费控算法根据用户的电费余额和设定的电费阈值，实现对用户用电量的控制和告警功能。

4. 功能特点该三相远程费控智能电能表具有以下功能特点：4.1 高精度计量功能：采用高精度电流互感器和电压互感器，实现对电流和电压的精确测量。

4.2 远程数据采集功能：通过GPRS无线通信技术，实现与电力公司服务器之间的远程数据采集。

4.3 费控功能：通过费控模块，实现对用户用电量的管理和控制，避免用户欠费问题。

4.4 远程监控功能：通过远程通信模块，实现对用户用电情况的远程监控，及时发现用电异常问题。

4.5 数据存储功能：通过数据采集模块，实现电能数据的存储和查询功能。

5. 应用前景该三相远程费控智能电能表在电力供应系统中具有广阔的应用前景。

基于ADE7878的智能三相电度表的设计(任务书)任务书设计题目：基于ADE7878的智能三相电度表的设计设计目标：1. 设计一种智能三相电度表，能够准确测量三相电能，并实现实时数据采集与传输；2. 利用ADE7878芯片实现功率计算、电能计算与数据处理；3. 实现多种数据读取方式，包括本地显示和远程数据访问；4. 建立安全可靠的通信机制，确保数据传输的隐私和完整性；5. 考虑产品的可靠性、稳定性和易用性。

设计内容：1. 系统硬件设计：a. 选择合适的外部电源，并设计供电电路；b. 选取适当的传感器进行电流和电压测量，并与ADE7878芯片连接；c. 设计时钟电路，提供稳定的时钟信号；d. 设计运算放大电路，用于对输入信号进行放大；e. 设计滤波电路，用于滤除噪声和干扰；f. 连接通信模块，用于与远程服务器进行数据传输；g. 设计显示电路，用于本地数据显示。

2. 系统软件设计：a. 编写驱动程序，控制ADE7878芯片完成数据采集和处理；b. 设计采样算法，对输入信号进行采样，并进行滤波和放大处理；c. 实现功率计算和电能计算算法；d. 编写通信模块驱动程序，与远程服务器进行数据传输；e. 设计用户界面，实现本地数据显示和操作功能。

3. 系统测试与验证：a. 搭建实验环境，进行系统硬件连接；b. 编写测试程序，验证系统硬件与软件的功能和性能；c. 对系统进行实际测试，验证系统测量数据与实际情况的吻合程度；d. 进行系统稳定性和可靠性测试。

参考文献：1. ADE7878 Datasheet, Analog Devices, Inc.2. ADE7878 Reference Manual, Analog Devices, Inc.3. 吴立峰, 刘捷. 单片机与嵌入式系统设计. 清华大学出版社, 2015.进度计划：1. 第一周：研究ADE7878芯片的功能和使用方法，理解设计需求；2. 第二周：进行系统硬件设计，包括电路选择、传感器选择和外围电路设计；3. 第三周：进行系统软件设计，包括驱动程序编写、算法设计和通信模块设计；4. 第四周：系统测试与验证，包括实验环境搭建、功能性测试和性能测试；5. 第五周：撰写设计报告，包括设计思路、实现方法、测试结果和结论；6. 第六周：进行设计报告的修改和完善，并准备答辩。

基于STM32的三相智能电表设计与研究基于STM32的三相智能电表设计与研究电力是现代社会发展的重要支撑，而电表作为电力计量的关键装置，其准确性和可靠性对于电力管理和用户负荷控制至关重要。

随着科技的不断进步和智能化的发展，传统的电表已经趋向于被更高精度、更智能的三相智能电表所取代。

在本文中，我们将探讨基于STM32的三相智能电表的设计与研究。

一、设计需求及硬件平台选型在设计三相智能电表时，我们需要考虑以下几个关键需求：高度精确的电能计量、用户用电状态的监测和数据传输的可靠性。

为了满足这些需求，我们选用了STM32系列微控制器作为硬件平台。

STM32系列微控制器具有低功耗、高性能和丰富的外设接口等特点，能够满足三相智能电表的各项功能要求。

同时，STM32的开发环境友好且开源，便于软件开发和调试，因此是设计三相智能电表的理想选择。

二、电能计量算法的设计与实现电能计量是电表的核心功能之一，其准确性直接关系到电力管理和用户负荷控制的效果。

我们选择实时采集三相电压和电流信号，并利用DSP算法进行精确的电能计量。

首先，我们通过高精度的模拟电路进行电压和电流信号的采集，并将其转换为数字信号。

然后，利用DSP算法对信号进行处理，包括滤波、功率计算和累积等。

最后，通过实时更新的数据，我们可以准确地计算出电能的使用情况。

三、用户用电状态监测与显示除了电能计量，三相智能电表还需要实时监测用户的用电状态，以便及时发现用电异常和实施负荷控制。

我们通过添加多个传感器模块，对用户的用电状态进行监测，包括电压、电流、功率因数等，并利用STM32的显示屏模块将监测数据实时显示。

通过用户用电状态的监测和显示，我们可以及时发现用电异常，如电流过大或功率因数不理想等情况，并向用户发出警报。

这样不仅提高了用户的用电安全性，还有助于合理调节用户的用电行为，减少用电浪费。

四、数据传输的可靠性设计为了实现远程电能计量和监测，我们需要设计可靠的数据传输方案。

CS5467的三相电度表设计摘要本文以智能计量总表为研究对象，采用计量芯片CS5467和AT89S52设计三相电度表，介绍了计量电路原理、系统结构特点。

针对10∼35kV输配电网正常负荷情况下的精确计量，提出按功率额度计量的电度表设计方案。

采用电流传感器进行信号的检测采样，当负荷电流低于额定电流的20％时，单片机通过检测功率，自动切换到低负荷计量回路，即小电流比计量回路，最大限度降低了电流传感器低负荷运行时造成的信号检测误差，提高电能计量精度。

单片机通过对瞬时有功功率的检测，实现了计量回路的实时选通切换和功率分段计量：通过对时间参数的检测，实现了定时存储和分时段计量。

根据电度表参数配置进行CS5467初始化参数计算。

为了评估电度表计量数据的真实性和有效性，对模拟信号输入电路进行试验设计，应用ME300B单片机开发系统进行在线仿真调试。

以功率参数为性能指标，通过仿真试验，对功率参数的理论值和电度表的显示值两组数据进行分析比较，得出电度表计量数据是真实有效的结论。

采用双变比电流传感器进行电度表设计，扩大了负荷计量范围，提高了电能计量精度，且计量回路切换无需进行人工干预。

该方案有望实现全量程的精度均衡和精确计量，为具有实时分段计量功能的三相电度表设计提供一种可行的方案。

目前，已完成样表的设计与测试工作。

基于精确的试验平台，完成对电度表的增益和偏差校准，即可进行现场试验和数据采集，具有良好的市场应用前景。

关键词：实时分段; 精确计量;CS5467，AT89S52AbstractThe intelligent total energy meter is studied and discussed in this paper．With CS5467 as electrical energy measurememt IC and AT89S52 as control unit，the principium of measuring circuit，and characters of system structure are introduced．As to achieving accurate measurement undernormal load for 1 0～35kV power system，this paper presents a new strategy of three-phase watt-hour meter with the function of real-time measuring in section according to load power．Considering time-unbanlance of power-consumption，another strategy of multi．rate time-subsection measuring to regulate powerload curves is also proposed．In this paper, current sensors with double ratios are used to carry out signal detecting and sampling．When the load current is below 20％of rated value,the singlechip regulates ratios of current sensors to lower 10ad measuring circuit．which reduces current sensor’s detecting error under lower laod．and enhances accurate measurement．By means of power parameters detecting．the adjustment of measuring circuits between normal load and lower 10ad are finished．Time memory and time．subsection measuring are realized by time parameters detecting．The initial values of CS5467 are computed according to the configurations of meter parameters．In order to evaluate the authenticity and ef|ficiency for the measuring data，this paper designs the analog input circuits，and uses ME300B to do simulation and debugging on line．Using power parameters as evaluation index．the experiment results show that the measuring data are valid and faithful，by means of comparing power parameters that computed in theory and that displayed by three．phase watt—hour meter．In the design of three．．phase watt．．hour meter,current sensor with double ratios enlarges the load measuring range and enhances measuring precision．This scheme can be expected to realize the whole．process precision balance and accurate measurement，and also provides a method for real—time subsection measuring．The design process and test process have been finished．With accurate experiment。

数字式三相智能电能表的研制陈娇英;梁志达;李啸骢【摘要】介绍了一款基于单片机Atmega128的三相数字式智能电能表的研制，从电路硬件选型、电路设计及制作进行论述。

所设计的智能电能表与同类产品相比具有集成度高、功能强、成本更低廉、抗干扰能力强、功耗低等优点。

随着未来电能智能化管理及电能表集抄需求，该款表具有很大的应用前景。

%This paper introduces a digital three phase electric energy meter development based on Atmega128 singlechip,deal-ing with hardware lectotype and circuit design and fabrication. In comparision with similar products,the design intelligent electric energy meter has the good features of high integrated, high retiability, powerful function, high measuring accuracy, low cost and low power dissipation.With larger demands of electric energy Intelligent management and Electric energy meter mete reading in the fu-ture,it has a good application prospect.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2012(031)022【总页数】3页(P67-69)【关键词】智能电能表;硬件选型;电路制作【作者】陈娇英;梁志达;李啸骢【作者单位】广西工业职业技术学院电子与电气工程系,广西南宁530001;广西大学电气工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004【正文语种】中文【中图分类】TP311随着电能管理的现代化，需要访问电能表信息很多，同时决策还要与电能表进行双向通信，由于数字式智能型电能表是以微处理器为核心，所以其功能容易扩展，易和配电自动化系统集成。

一种基于SoC的三相智能电表设计陶军;吕新伟【摘要】设计了一种基于SoC的三相智能电表,采用MK30N512VMD100作为主芯片,使用主芯片内置的ADC进行电压、电流采样,通过程序实现电量计量,并以此为基础实现智能电表的功能.文中介绍了主MCU芯片用于三相智能电表设计的资源,对三相智能电表的硬件和软件设计进行了说明,提供了一整套基于SoC的三相智能电表设计方案.该方案不仅可以提高电表的稳定性和可靠性,同时也降低了电表制造的物料成本和生产成本.【期刊名称】《江苏电机工程》【年(卷),期】2013(032)004【总页数】4页(P38-40,44)【关键词】三相智能电表;SoC;MK30N512VMD100【作者】陶军;吕新伟【作者单位】江苏省电力公司,江苏南京210036;湖南威胜集团公司,湖南长沙410205【正文语种】中文【中图分类】TM633.4智能电网是以特高压电网为骨干网架，以各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网[1-4]。

智能电表作为智能电网的最终节点，是智能电网的重要组成部分，加快其发展对于电网实现信息化、自动化、互动化具有重要支撑作用[3-6]。

随着微电子技术的发展，电子芯片的集成度得到了极大提高，使得将整个计算机集成到一个芯片，即片上系统（System-on-Chip）成为可能[7]。

SoC不但集成度高，更重要的是具有应用领域的行为和功能特征，具有更多的应用专业知识含量，使整机成本和体积以及功耗都大大降低，加快了整机系统更新换代的速度。

与单功能芯片相比，SoC芯片具有体积小、印制电路板（PCB）空间占用少、功耗低、抗电磁干扰能力强、可靠性高、成本低等优势[7，8]。

同时，采用SoC可以减少外围电路芯片，降低整机成本。