基于STM32的单相智能电表的设计
基于STM32的单相智能电表的设计
韩军，物理与电子信息学院
摘 要：智能电网在国家电网的发电、输电、配电、调度中发挥着不可忽视的重要性，而智能电表作为智能电网中最底层也同时最基础的一环节，影响着智能电网整体的发展和完善。
本设计是一个以STM32F103RCT6芯片作为MCU的智能电表。为了更加准确的计量用电数据，本系统使用具高精度测量的IM1281B电能计量模块采集用户电能数据，并把这些数据通过RS485通讯方式传送给控制芯片，控制芯片分析采集到的用电数据，通过相应的公式计算出电压、电流、功率，功率因数等，依据制定的规则实现各种控制功能。除此之外该智能电表还具有查询显示模块，用电数据存储模块，用户通信模块，用电控制模块，在这些模块的共同协作下完成各种控制任务。其中用户通信模块具有远程通讯功能，可以同用户进行信息交换，当用电异常时能够及时做出关闭用电的处理，更好得提升用户用电体验。
关键词：智能电表，IM1281B电能计量，用电管理
目 录
目 录 2
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题研究意义及目的 3
第二章 智能电表硬件设计 4
2.1智能电表的设计思路 4
2.2智能电表硬件总体设计方案概述 4
2.2.1最小系统的设计 5
2.2.2电能采集模块的设计 7
2.2.3用户通信模块的设计 8
2.2.4用电管理设备的设计 9
2.2.4显示模块的设计 10
第三章 智能电表软件设计 11
3.1智能电表软件总体概述 11
3.1.1电能采集任务 11
3.1.2用户通信任务 12
3.1.3显示存储任务 13
3.1.4供电通信任务 13
第四章 总结与展望 15
4.1总结 15
4.2展望 15
第一章 绪论
1.1课题的研究背景
随着国民经济的不断进步,电力已然变成社会与家庭的最重要能源。就民用电力来说，由于科学技术的发展与进步，越来越多的智能化电器的使用和普及使居民的生活质量迅速提升，同时伴随着对电力质量的需求也迅速增大。先前供电部门对用户用电的管理方式过于落后，用电管理收费一直以来采用先用电、后抄表、再付费的用电流程。这种用电管理方式，不仅加大了供电管理人员的工作，而且还增加了很多弊端。社会不断的向前发展，管理方式也应不断地进步，为了确保用户合理、安全、更加便捷地用电，对传统的机械和半机械电表及用电的管理方式进行改进，就成为了适应社会进步亟待解决的问题。在这种背景下，智能电表应运而生，同时也推动了智能电网的发展及应用。国家动用大量资金投资智能电网，同时也极大地促进了智能电表的快速发展，相关数据表明我国于2020年左右将建成覆盖全国的智能电网网络，并且在电网基础设施的
建设上投入了4万亿，这一战略计划的实施预示着智能电表的应用新局面正在到来[[[] 智能电表现状研究及发展趋势报告[R].中国产业调研网,2015． ]]。
目前全国大部分电力公司、电业局已基本完成了用电营业计算机管理系统的开发和应用。但作为用电管理最重要也是最基础的用户用电数据采集在全国很大一部分地区仍采用原始落后的人工抄收的方法，劳动强度大、效率低下，而且经常发生各种抄表错误问题，对窃电的防治更起不到任何效果。
1.2国内外研究现状
自1831年，法拉第发现电磁感应，制造出世界上第一台能产生连续电流的发电机后，人们就对电产生了极大地兴趣，由此对电的使用及测量从未停止。相 较于国外，我国的智能电表的普及率差距甚大，一方面在于用电较于国外时间短，研究经验少；一方面在于用户基数大，更新换代难。
西班牙政府在2007年8月出台了相关法律，要求截止到2014年，所有经销商需要有高级表计管理（AMM）操作系统。根据其规定到2018年末，所有的电表全部换成智能电表，在实现电表的基本电能数据采样的功能上，又添加了远程断/供电、远程编程和电源管理等功能[[[] 杨金涛,乐健,汪妮等. 谐波背景下电能计量系统的计量误差分析[J].电力系统自动化,2015,39(13):144-150. ]]。截止到 2016 年底，法国 95%的智能电表已于 AMM（advanced meter management）操作系统相连，法国 Actaris 和兰吉尔公司采用 PLC 通信方式的智能电表已在全国范围内铺开。智能电表作为第 2 代智能电网的核心设备，在国外发达国家的发展已处于较高水平[[[] 冯庆东,何占勇. 国内外智能用电发展分析比较[J].电测与仪表2012,49(554):1-6.[] 郭庆,郭建炎.智能电表在智能电网中的应用与发展[J]. 电工电气,2017(3): 65-67. ]]。在欧盟和欧洲各国政府的大力推行和号召下，预计在2020年，智能电表的安装台数达到1.7～1.8亿[[[] 冯庆东,何占勇. 国内外智能用电发展分析比较[J].电测与仪表2012,49(554):1-6.[] 郭庆,郭建炎.智能电表在智能电网中的应用与发展[J]. 电工电气,2017(3): 65-67. ]]。
相较于发达国家相比较，我国智能电网及其智能电表的起步较为落后，但是随着经济社会的发展，更加合理的使用和分配电能摆在了眼前，这是一个亟待解决的问题。因此在政府的高度扶持和积极鼓励下，相关领域的研究和实验如火如荼地开展。
2011年，智能用电被重点纳入“十二五规划”及“八六三计划”，智能用电的价值得到了政府和社会的重视，其相关技术的研究逐渐成为人们关注的对象[[[] 国家能源局.国家能源科技“十二五”规划[S]. 2011. ]][[[] 国家科技部.国家高技术研究发展计划(863计划)先进
能源技术领域智能电网关键技术研发（一期）重大项目申请指南[EB/OL].(2010-10-28)[2011-11-03].https://www.360docs.net/doc/d219150683.html,/htmledit/BFB3FA42-6D62-0F74-F065-A220AB8D4EF8.html. ]]。
前的智能电网技术主要集中在研究和示范，而非推广和应用，可深挖的方面十分可观。2010年开始，我国首个智能家居示范工程在上海世博会展出，随后陆续在北京、天津、江苏、甘肃等地开展智能楼宇试点工程建设，旨在建设环境友好、低能耗高效率的现代化示范项目[[[] 王广辉. 中国智能用电的实践与未来展望[J]. 中国电力. 2012(01): 1-5. ]]。2009-2020年，国家电网在智能电网方面总投资约为3841亿元，如表1-1，用电环节的投资额占智能电网投资的比重最高，达30.8%，用电环节的投资主要用于用电信息采集系统的建设，这一建设将实现电力运营商与电力用户在电能上的双向交流、信息上的双向采集、业务上的双向互动。用电信息采集系统的建设包括两个方面，一方面是用电信息的精确计量，另一方面是用电信息的传输。如今在中国，自动低压抄表系统已覆盖千万用户，从电网公司总部到省到市再到乡，都有相应的电力报表自动生成和指标监管等系统功能。国家电网从2008年起便提出建设用电信息采集的总体规划和体系，以省电力公司为单位实现信息自动化的电网信息采集平台，15分钟为一个采集周期，建设现代化、智能化、互动化的营销计量、抄表、收费模式新标准，充分考虑电力用户的现实需求，也为全面实行阶梯电价打下了坚实基础[[[] 丁雨彤. 家庭用电智能管理系统的研究[D].华东交通大学，2018]]。
表1-1 智能电网各个环节的投资额
不同环节 合计投资额 合计投资比例
发电环节 60 1.60%
输电环节 239 6.20%
变电环节 748 19.50%
配电环节 892 23.20%
用电环节 1,185 30.80%
调度环节 146 3.8%
通信信息平台 571 14.90%
合计 3,841 100.00%
我国智能用电行业发展程度相较于发达国家仍处于落后状态，智能电表的研发和推广还有不小的差距，这不仅表现在智能电表的设计方面，还表现在智能电表的普及程度上，我国智能电表的发展还有着很大的提升空间。
1.3课题研究意义及目的
目前,电力系统的发电、输电、配电环节已基本实现网络化管理,只有用户用电数据的采集还未很好的融入到整个智能电网中,造成了智能电网管理的不完整性,极大的损失了智能电网整体功效。因此供电部门希望有着一款能很好地融入到整个用电系统的智能电表，智能电表的开发与使用有着难以估量的发展前景。其中集中远传自动抄表系统代表了智能化电表的发展方向，随着社会的进步、科技的发展，集中远传自动抄表系统定会从高档居民小区
走向大众，实现它的价格平民化过程。
智能电网管理系统运行的优良与否从根本上取决于对用电的准确测量，然而用电电量的准确测量来源于计量精确，功能完善的智能电表。目前国家对电网管理的要求越来越经济、智能、高效，这就对智能电表的发展提出更为严格的要求，现在智能电表还无法很好地满足这些功能，智能电表还需要更为长远的发展。
第二章智能电表硬件设计
2.1智能电表的设计思路
所谓智能电表，就是在传统电表上添加一些智能化实用的功能，让拥有电能计量的电表更好地服务于供电部门对电能精确的计量和合理的配送。当前国内智能电表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。全电子式智能电表就是整体各个部分全部采用电子器件用于电能测量和数据传输，而机电一体式智能电表是在原机械式电能表的基础上添加一些数据传输的装置用于把机械数据转换为电子数据。全电子式与机电一体化相比,具有精确度高、可靠性强、节能等优点。根据两种智能电表的有点预计，未来的智能电表的发展前景将被全电子式智能电表占据，这种智能电表没有“机械数据”与“电子数据”的转换部件，不会损失测量精度，因此采集精度要高上一个级别。因此本设计也是在前者进行功能提高和扩展的。
智能电表的本质是对电能数据精准的采集，因此本系统选用的深圳市艾锐达光电有限公司生产的IM1281B单相互感式电能计量模块，IM1281B高度集成测量、数字通讯技术，能够完成电能测量、采集及传输的单相交流电参数测量，能准确测量单相交流电压、电流、功率、功率因数、频率、电量等电参数。该模块具有1路TTL电平接口，体积小，接口简单，具有极优的性价比。
为了体现电表的智能，本设计还结合了其他“智能模块”，具体有显示模块，存储模块，用户通信模块，自动通断电模块，另外本电表还可以扩展各种通信模块，以便供电部门实现智能电网对电能的高效率电能配送，可扩展的通信模块有TTL通信，RS323通信，SPI通信等。各个模块的功能内容与软硬件设计如下所述。
2.2智能电表硬件总体设计方案概述
该智能电表使用的MCU的是ST公司生产的STM32F10RCT6芯片，STM32F103RCT6是一种微控制器的集成电路，芯体尺寸是32位，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，RAM容量是48K，有着丰富的接口资源，可以配合多种外设实现控制任务，且有着低功耗、低成本的优点。该智能电表主要由MCU最小系统，电能采集模块，显示模块，通信模块等其他电路组成。智能电表系统结构图如图2-1所示。
图2-1 智能电表系统结构
图
2.2.1最小系统的设计
单片机最小系统,或者称为最小应用系统，是指一个MCU在能正常工作，正常下载程序前提下的最简电路。在这个基本电路下，MCU才能实现其复杂的控制任务。本系统的最小系统具体是由供电电路、复位电路、外部时钟电路、备用电池电路、程序下载电路组成。
其中系统供电电路的用电来源于用户供电的220V市电，交流电经过变压器交流降压到12V交流电，然后经过桥式整流电路把交流电整合成脉动直流并用大电容C1作平滑滤波后送到LM7805三端稳压器芯片稳成5V输出，并用大电容C4作进一步的平滑滤波，得到更好的直流输出。整流后的5V直流电用于各个5V模块的用电，为了给MCU和其他3.3V模块的供电，最后使用AMS1117-3.3稳压器芯片进一步降压到稳定的3.3V电压。系统供电电路如图2-2。
图2-2 系统供电电路图
系统复位是指复位除时钟控制寄存器CSR中的复位标志和备份区域中的寄存器以外的所有寄存器为它们的复位数值，使MCU恢复到最运行初时的状态。MCU的复位方式有很多种，当以下事件发生其中一件时，会产生一个系统复位：
1.NRST引脚上的低电平(外部复位)；
2.窗口看门狗计数终止(WWDG复位)；
3. 独立看门狗计数终止(IWDG复位)；
4. 软件复位(SW复位)；
5. 低功耗管理复位。
本系统的复位电路是通过外部复位来完成系统复位的，当给予控制芯片中的NRST引脚持续20ns的低电平，即可完成系统复位操作。但智能电表一旦启用，其复位工作只能由用电管理人员进行操作，因此本系统的复位按键放置在智能电表的内部。
本系统带有一个时钟电路，使用的是32.678KHz低速外部晶体主要提供一个精确的时钟源用于RTC时钟(实时时钟)使用。
由于本系统要实时了解时钟信息，当遇到意外停电时，系统自动启用后备电池，可以保存备份寄存器（BKP）的内容和维持RTC的功能。备份寄存器是42个16位的寄存器，可用来存储84个字节的用户应用程序数据。他们处在备份域里，当VDD电源被切断，他们仍然由VBAT维持供电。当系统在待机模式下被唤醒，或系统复位或电源复位时，他们也不会被复位。此外，BKP控制寄存器用来管理侵入检测和RTC校准功能。
图2-3 最小系统电路
2.2.2电能采集模块的设计
就全电子式电能计量方案而言，国内的技术研发以及制造技术已经达到或者超过了发达国家的水平。早在80年代末期，国内已经开始了计量芯片的研发；当时国内的代表作是1932 和0932而当时的技术水平远低于美国的AD的AD7755；随着国内的两网改造以及智能电网改造的市场拉动，国内的计量芯片的研发已经发展到了一个极高的水平；比如炬力公司的ATT7026 ATT7022，以