基于單片機(jī)的智能抄

哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IIVPAGE摘要隨著科技日新月異的飛速發(fā)展，現(xiàn)如今智能抄表系統(tǒng)可以是一個(gè)將電能表上的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)共享集為一體的智能化系統(tǒng)，用來(lái)達(dá)到為家庭、企業(yè)和相關(guān)部門服務(wù)，這個(gè)系統(tǒng)我們可以將千家萬(wàn)戶的使用電情況與相關(guān)管理部門的電腦的網(wǎng)絡(luò)中心連接集成為一體，這樣就能夠從根本上解決我們目前用水、用電、用氣管理的自動(dòng)化程度過(guò)低,中間環(huán)節(jié)繁雜,繳費(fèi)不及時(shí)用戶欠費(fèi)過(guò)多等問(wèn)題。我們是設(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)可以具有很多種的通訊方式,聯(lián)網(wǎng)的方式靈活多變,擴(kuò)充方便,能過(guò)從不同角度滿足用戶的多種需要,能過(guò)真正地實(shí)現(xiàn)了居民小區(qū)的科學(xué)化管理。本次設(shè)計(jì)本著創(chuàng)新的思想，故把STM32F103單片機(jī)作為核心，并且安裝上來(lái)可以檢測(cè)功率的HLW8032芯片來(lái)使他完成監(jiān)測(cè)的用戶所用電能功率的任務(wù)；在此系統(tǒng)中安裝并且使用NB—IOT模塊來(lái)云端上傳用電信息數(shù)據(jù)；通過(guò)使用LCD12864顯示器來(lái)實(shí)時(shí)顯示各種采集數(shù)據(jù)、用電數(shù)據(jù)，這樣就可以很大程度的避免由于人工抄表對(duì)信息造成的錯(cuò)抄、漏抄、估抄、抄表時(shí)間跨度大、工作效率低、存在安全隱患等很多弊端。既省了人力物力財(cái)力，還能提高了安全性。關(guān)鍵詞：抄表；HLW8032；NB—IOT；LCD12864AbstractWiththerapiddevelopmentofsciencetechnologychangeswitheachpassingday,todaytheintelligentbeawatt-hourmeterondataacquisition,datatransmission,datastorage,datasharingsetstheintegrationofintelligentsystems,toachieveserviceforfamilies,enterprisesandtherelevantdepartments,thesystemcanbethousandsofelectricityuseandrelatedadministrativedepartmentofthecomputernetworkcenterintegration,canfundamentallysolvethecurrentwater,electricity,gas,managementoflowdegreeofautomation,theintermediatelinks,toomuchpaymentproblemssuchasnotintime.Thissystemcanhaveavarietyofwaysofcommunication,networkflexible,convenientexpansion,canmeettheneedsofusersfromdifferentangles,canreallyachievethescientificmanagementofresidentialarea.Thisdesignisinlinewiththeideaofinnovation,soSTM32F103microcontrollerasthecore,andinstalledontheHLW8032chipcandetectthepowertoenablehimtocompletethemonitoringoftheuser'selectricalpowertask;Nb-iotmoduleisinstalledandusedinthissystemtouploadelectricityconsumptioninformationdatainthecloud.ThroughtheuseofLCD12864displaytodisplayallkindsofdatacollection,electricityconsumptiondatainrealtime,toavoidreadingcausedbywrongreading,missingreading,estimationreading,readingtimespan,lowefficiency,therearesecurityrisksotherdisadvantages.Itnotonlymanpowerandmaterialresources,butimprovessecurity.Keywords：Smartmeters；HLW8032；NB—IOT；LCD12864目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1設(shè)計(jì)的背景和意義 11.2國(guó)內(nèi)外比較 11.3設(shè)計(jì)目標(biāo) 2本章小結(jié) 2第2章硬件介紹 32.1功率計(jì)量芯片 32.1.1功率計(jì)量芯片功能介紹 32.1.2應(yīng)用領(lǐng)域 42.2云端傳輸NB-IOT 52.2.1NB—IOT性能介紹 52.2.2模塊供電 72.3控制芯片STM32F103 82.4蜂鳴器 82.5液晶顯示LCD12864 92.6LM2596降壓模塊 10本章小結(jié) 10第3章硬件設(shè)計(jì) 113.1功率檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 113.1.1電路圖設(shè)計(jì) 113.1.2設(shè)計(jì)說(shuō)明 113.2NB-IOT設(shè)計(jì) 123.2.1電路設(shè)計(jì) 123.3顯示電路設(shè)計(jì) 133.3.1設(shè)計(jì)說(shuō)明 133.4聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì) 143.4.1電路設(shè)計(jì) 143.4.2設(shè)計(jì)說(shuō)明 143.5輔助電源模塊設(shè)計(jì) 153.6STM32硬件電路設(shè)計(jì) 15本章小結(jié) 16第4章程序設(shè)計(jì) 184.1HLW8032采集程序 184.2輸出顯示模塊程序 194.3上位機(jī)的設(shè)計(jì) 204.4系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 21本章小結(jié) 21第5章經(jīng)濟(jì)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的思考 23結(jié)論 24致謝 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附錄1原理圖 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附錄2設(shè)計(jì)程序部分源代碼 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。 PAGE33第1章緒論1.1設(shè)計(jì)的背景和意義 伴隨著我們所在的國(guó)家的公用事業(yè)(比如：水、電、氣)的快速發(fā)展，社會(huì)上的人們?cè)谏瞽h(huán)境、生活質(zhì)量上又提出了很高的要求。經(jīng)過(guò)政府在政策的鼓勵(lì)下，智能家居出現(xiàn)了，并且發(fā)展非常迅速。智能的抄表系統(tǒng)已經(jīng)變成智能產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，而且他也得到了及其迅速的蓬勃發(fā)展。我們社會(huì)上傳統(tǒng)的人工進(jìn)行挨家挨戶抄表的方式方法即費(fèi)時(shí)、又費(fèi)力，他的準(zhǔn)確性以及及時(shí)性也得不到保證，而且另外還會(huì)出現(xiàn)抄表員和很多用戶一些不開(kāi)心不舒服的比較尷尬的局面，所以這種非常老舊的方式方法已經(jīng)不能夠再繼續(xù)適應(yīng)我們所生存的這個(gè)社會(huì)的發(fā)展的需要了。當(dāng)然這也對(duì)抄表的方式方法提出了愈高的要求，智能抄表就應(yīng)運(yùn)而生了?，F(xiàn)在，小區(qū)里的抄表基本上有兩種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，有線數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。在這個(gè)背景下，各種各樣自動(dòng)抄表系統(tǒng)逐漸提上日常成活中來(lái)，用來(lái)提高電公司抄表的服務(wù)保質(zhì)保量，抄表成本也會(huì)降低很多。我們的手持終端抄表、以及遠(yuǎn)程的抄表、和集中抄表等系統(tǒng)都是本著這種考慮而去設(shè)計(jì)的。由于水、氣、電的具體情況，所采用的技術(shù)方案和進(jìn)度各不相同。創(chuàng)藝科技是這方面的先行者。許多大城市已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了集中抄表和手持終端抄表。很多電力公司還設(shè)立了抄表公司，負(fù)責(zé)抄表和日常抄表維護(hù)。由于我們國(guó)電力系統(tǒng)的改革，這就對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)提高了要求，首先不僅要實(shí)現(xiàn)它的基本功能，還應(yīng)該要實(shí)現(xiàn)以及完成現(xiàn)代用電企業(yè)和用戶大規(guī)模用電對(duì)計(jì)量系統(tǒng)提出的更高要求，必須同時(shí)擁有使用便捷、遠(yuǎn)程抄表和智能計(jì)量等功能才是我們應(yīng)該有的電能計(jì)量系統(tǒng)。1.2國(guó)內(nèi)外比較我們國(guó)內(nèi)的研發(fā)人員在智能電表已經(jīng)有的基礎(chǔ)之上，強(qiáng)烈的提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居管理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)是一種新型的信息技術(shù)已經(jīng)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將運(yùn)用到我們的智能家居系統(tǒng)中，這是一次全新的創(chuàng)新嘗試，所有的物品將通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行射頻識(shí)別、無(wú)線傳感器等很多信息設(shè)備都將接入到互聯(lián)網(wǎng)中來(lái)，人們可以在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制任意家庭中的所有家電設(shè)備，以及電子產(chǎn)品，智能電表作為一種全新的基于嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品，智能家居系統(tǒng)當(dāng)然也可以使用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)[8]。1.3設(shè)計(jì)目標(biāo) （1）通過(guò)微信提供斷電報(bào)警和供電恢復(fù)確認(rèn)的信息處理（2）提供電能質(zhì)量剩余的監(jiān)視（3）可以進(jìn)行遠(yuǎn)程編程設(shè)定以及對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)（4）設(shè)備支持遠(yuǎn)程時(shí)間同步（5）能根據(jù)需求側(cè)響應(yīng)要求而限制負(fù)荷本章小結(jié)我們?cè)O(shè)計(jì)的本系統(tǒng)可以將千家萬(wàn)戶的用電用量將與管理部門的電腦使用的網(wǎng)絡(luò)中心聯(lián)成一體，從而從根本上解決了目前社會(huì)中用水、用電、用氣管理的自動(dòng)化程度小,中間環(huán)節(jié)繁雜,繳費(fèi)不及時(shí)造成欠費(fèi)過(guò)多等一系列問(wèn)題。我們?cè)O(shè)計(jì)的該系統(tǒng)具有多種通訊方式,他的組網(wǎng)方式非常靈活,擴(kuò)充及其方便,我們可以從不同角度滿足用戶的多種需求,真正地實(shí)現(xiàn)了居民小區(qū)的科學(xué)化管理。智能抄表的出現(xiàn)極大是為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的進(jìn)行能源數(shù)據(jù)的計(jì)量以及其管理，在目前，大多數(shù)的高檔住宅小區(qū)都已經(jīng)開(kāi)始安裝智能抄表系統(tǒng)，他在現(xiàn)代化進(jìn)程中起到了非常關(guān)鍵的表率作用，智能抄表系統(tǒng)也在智慧的城市發(fā)展中起到了尤為重要的作用。

第2章硬件介紹2.1功率計(jì)量芯片2.1.1功率計(jì)量芯片功能介紹HLW8032是個(gè)高性能的電能測(cè)量芯片,他運(yùn)用CMOS創(chuàng)造手段，特別用在單相用途。他可以計(jì)量線電壓和電流，而且可以計(jì)算有功功率，視在功率和功率因數(shù)。這個(gè)芯片里面集成了兩個(gè)∑-Δ型ADC和一個(gè)高性能的電能測(cè)量?jī)?nèi)核。HLW8032能夠用UART口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，HLW8032運(yùn)用5V供電，里面有3.579M晶振，封裝是8管腳的SOP。HLW8032擁有高精度、功耗低、可靠性高、環(huán)境適和能力大等優(yōu)點(diǎn)，可用于單相兩線制電力用戶的電能測(cè)量。HLW8032能夠計(jì)量有功功率、視在功率、電流和電壓有效值,有功電能脈沖從PF管腳輸出在1000比1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有功功率的計(jì)量誤差大約0.2%；有效電流的計(jì)量誤差大約0.5%；在1000比1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有效電壓的計(jì)量誤差大約0.5%。它內(nèi)部置頻率振蕩器、電壓參考源、電源監(jiān)控電路，UART通訊方式。圖2-1芯片引腳表2-1引腳定義序號(hào)引腳名稱類型描述1VDD電源5V電壓2IP模擬輸入電流差分信號(hào)輸入端，最大差分輸入電壓有效值是±30.9mV3IN模擬輸入4VP模擬輸入電壓信號(hào)正輸入端，最大輸入電壓有效值是±495mV5GND模擬地模擬地6TX數(shù)字輸出UART數(shù)據(jù)輸出口7PF數(shù)字輸出輸出有功高頻方波脈沖，占空比50%8RX數(shù)字輸入U(xiǎn)ART數(shù)據(jù)輸入口(保留端口,用戶不需使用)2.1.2應(yīng)用領(lǐng)域它的應(yīng)用領(lǐng)域有很多例如智能家電產(chǎn)品、計(jì)量插座、智能WIFI插座、電動(dòng)車充電樁、PDU設(shè)備、LED照明、路燈控制等。圖2-2內(nèi)部框圖2.2云端傳輸NB-IOT2.2.1NB—IOT性能介紹窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為萬(wàn)物互聯(lián)的一個(gè)不可缺少的一部分。NB-IoT建立于蜂巢網(wǎng)絡(luò)，只\o"花費(fèi)"花費(fèi)\o"大概"大概180kHz的帶寬，能夠直接\o"布署"布署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或者LTE網(wǎng)絡(luò)，來(lái)減少布置成本、達(dá)到平滑升級(jí),NB-IoT是IoT方面一個(gè)新發(fā)展的技術(shù)，可以提供低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂巢數(shù)據(jù)的連接，也被稱作低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。NB-IoT可以待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接性能挺高設(shè)備的高效連接。聽(tīng)說(shuō)NB-IoT裝置電池壽命能夠提高最少10年，并且還能供給特別全面的室內(nèi)蜂巢數(shù)據(jù)連接覆蓋。因?yàn)镹B-IoT自己擁有的功耗低、覆蓋廣、小成本、容量大等優(yōu)勢(shì)，讓他能夠?qū)挿哼\(yùn)用于多種垂直行業(yè)，例遠(yuǎn)程抄表、追蹤資產(chǎn)、智能泊車、智能化農(nóng)業(yè)等。圖2-3芯片引腳表2-2管腳腳定義管腳名稱I/0引腳電平說(shuō)明1NC未使用引腳2NC未使用引腳3NC未使用引腳4NC未使用引腳5UTXD1O3V模塊調(diào)試串口發(fā)送腳6UTXD2O3V模塊通信串口發(fā)送腳7URXD1I3V模塊通信串口接受腳8URXD2I3V模塊調(diào)試串口接受腳9WORKO3V模塊工作指示燈引腳，啟動(dòng)后輸出高電平10NC未使用引腳11GNDG模塊供電負(fù)極12GNDG模塊供電負(fù)極13VINP5-16V模塊供電正極，供電電壓范圍：5~16V。14VIN15NETO3V模塊聯(lián)網(wǎng)指示引腳，聯(lián)網(wǎng)后輸出高低電平（不開(kāi)放）16VBATP3.5V~4.2V此引腳和VIN二選一供電，不可同時(shí)使用。供電電壓:3.1V~4.2V17GPIO8I/O3V普通I/O引腳（不開(kāi)放）18PELOADI3V3s~15s以內(nèi)恢復(fù)出廠參數(shù)，低電平有效（不開(kāi)放）19RESETI3V模塊復(fù)位引腳,低電平有效20NC未使用引腳21NC未使用引腳22NC未使用引腳23NC未使用引腳圖2-4模塊應(yīng)用2.2.2模塊供電模塊可選用兩種供電方式，DC5~16V和DC3.1~4.2V供電。用戶可能夠使用一節(jié)鋰電池供電，若應(yīng)用恒壓源供電，電壓經(jīng)典值3.8V，峰值輸電電流0.5A，當(dāng)模塊應(yīng)用3.8V輸電時(shí)，16腳可以向模塊提供3.8V工作電壓，用戶的外圍電路能夠提供足夠的輸電能力，供電電壓波動(dòng)300mV，峰值供電電流0.5A。并在DC/DC或者LDO后放置旁路電容。接旁路電容起到穩(wěn)定模塊工作的作用。RESET接口模塊RESET引腳為低電平，模塊復(fù)位。RESET引腳輸入電平。表2-3RESEET引腳描述Symbol節(jié)點(diǎn)名稱ParameterMinTypMaxUnitVILRESET低電平輸入電壓000.6V表2-4工作存儲(chǔ)溫度ParameterMinMax工作溫度-35℃+75℃擴(kuò)展工作溫度范圍-40℃+85℃存儲(chǔ)溫度-40℃+125℃表2-5輸入電源ParameterPINMin(V)Type(V)Max(V)InputVoltage（V）1451216InputVoltage（V）2.3控制芯片STM32F103STM32F103RCT6主頻達(dá)到72MHz，擁有USART、I2C、SPI、ADC、DMA、DAC、定時(shí)器等功能，在智能工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用著，STM32最小系統(tǒng)除了控制芯片之外，還有晶振電路和復(fù)位電路這兩個(gè)重要組成部STM32單片機(jī)外部共有64個(gè)I/O口管腳，DMA控制器有12個(gè)通道。它可以支持定時(shí)器，ADC，SP，IIC和USART等外部連接[6]。采用3.3V或5V外接電源。STM32F103C8T6單片機(jī)自帶IIC接口，分別為PC12,PC11接口通過(guò)與傳感器SCL,SDA端口相連。對(duì)于LCD12864的與單片機(jī)的連接，數(shù)據(jù)顯示串口RS，R/W分別定義了與單片機(jī)的PB12,PB13管腳相連，使能端口則與單片機(jī)PA14管腳相連。其背光與電源正負(fù)極分別對(duì)應(yīng)單片的正負(fù)極。因?yàn)镾TM32單片機(jī)管腳較多，功能強(qiáng)大。非常適合本次多功能參數(shù)系統(tǒng)。2.4蜂鳴器蜂鳴器是一個(gè)結(jié)構(gòu)一體的電子器件，應(yīng)用直流電壓供給電壓，廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、打印機(jī)、電子大小玩具、電子汽車設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子用品中作揚(yáng)聲器件，蜂鳴器主要分為有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器兩種類型，蜂鳴器的工作原理是振動(dòng)裝置和諧振裝置構(gòu)成，有源的蜂鳴器內(nèi)部裝有集成電路，不需要音頻驅(qū)動(dòng)電路，只要接通直流電源就能直接發(fā)出聲響；無(wú)源蜂鳴器只有外加音頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)才能發(fā)出聲響[6]。本設(shè)計(jì)不需要音頻可控但是希望控制簡(jiǎn)單所以選用有源蜂鳴器。表2-6類型比較區(qū)別有源蜂鳴器無(wú)源蜂鳴器外形高度高低引腳部位黑膠封閉綠色電路板電壓高低響聲連續(xù)發(fā)聲響一次停一次2.5液晶顯示LCD12864LCD12864顯示屏，是基于KS0108液晶芯片，采用3-5V外部供電，2MHZ時(shí)鐘頻率，通訊方式為串口，并口可選。其分辨率為128X64，故名為12864。它可以顯示中文字符和圖形，8192（16*16）個(gè)漢字和128（8*16）個(gè)字符[5]。LCD12864顯示模塊的屏幕上每個(gè)顯示點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，其中1為亮，0為熄滅，AIP31020為其內(nèi)部遙控控制器，LCD12864顯示，內(nèi)部含有64*256點(diǎn)陣顯示RAM，可直接與單片機(jī)相連，它擁有8位并型和3位串行連接兩種方式，本系統(tǒng)我們調(diào)用串行連接方式。LCD12864軟件功能相對(duì)比較強(qiáng)大，支持光標(biāo)顯示，可以自己定義喜歡好記得字符，睡眠模式等功能。LED背光可根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)，可勝任不同的工作環(huán)境。LCD12864顯示模塊的工作電壓VDD為3.3~5V，內(nèi)置升壓電路，無(wú)需負(fù)壓。工作環(huán)境溫度要求為-30~50℃。其中RS端口為顯示屏的數(shù)據(jù)輸出端口，RST端口為復(fù)位端口，R/W端口為使能端口，E端口為單片機(jī)初始化程序中的端口，端口RS，R/W,E分別對(duì)應(yīng)硬件設(shè)計(jì)中的PA3口，PA4口，PA5口，本次設(shè)計(jì)中PSB口和BLK口接電源負(fù)極，BLA口接5V正極，該端口控制LCD12864的背光亮度調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)R1改變顯示屏亮度。2.6LM2596降壓模塊LM2596是一種降低電壓的電源管理單片其集成電路包含了開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有相當(dāng)不錯(cuò)的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性,可以調(diào)節(jié)輸出小于37V的各種電壓環(huán)境，該器件內(nèi)部集成了一種頻率補(bǔ)償和一種固定頻率的發(fā)生器，開(kāi)關(guān)頻率大小為150KHZ，其輸入電壓范圍為直流3.2V至40V，但是輸入的電壓必須要比輸出的電壓高1.5V以上而且不能生壓[3]。輸入電壓大范圍為1.25V至35V電壓連續(xù)可調(diào)，高效率最大輸出電流為3A，輸出2A以下可以長(zhǎng)時(shí)間不用加熱散熱片輸出電流大于2.5A或者輸出功率大于10W長(zhǎng)時(shí)間工作需要加散熱片。本章小結(jié)HLW8032芯片、WH-NB75模塊、STM32F103芯片、蜂鳴器LCD12864、LM2596這些都是本設(shè)計(jì)必不可少的組成部分，只有詳細(xì)的了解他們才能更好的應(yīng)用，其中最為重要的部分就是STM32F103芯片部分，因?yàn)镾TM32F103是本設(shè)計(jì)的核心部分，相當(dāng)于智能抄表的大腦，沒(méi)有了他，一切都運(yùn)轉(zhuǎn)不了，所以必須詳細(xì)的了解此芯片，而另外一大重要部分就是WH-NB75模塊部分，WH-NB75模塊是基于NB-IOT技術(shù)制作而成，NB-IOT技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)今一大流行技術(shù)，此模塊可以使抄表系統(tǒng)的電能、電池使用情況等各種重要數(shù)據(jù)上傳到云端從而使用戶或者有關(guān)部門能夠隨時(shí)隨地的查看相關(guān)數(shù)據(jù)，WH-NB75模塊也是本設(shè)計(jì)的特色之一，向萬(wàn)物互聯(lián)理念方向靠攏，所以本章非常詳細(xì)的介紹了這幾大硬件部分，為后面的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

第3章硬件設(shè)計(jì)3.1功率檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.1.1電路圖設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中需要對(duì)電能表所檢測(cè)的功率進(jìn)行獲取，所以我選擇HLW8032功率檢測(cè)芯片對(duì)功率進(jìn)行采集，通過(guò)功率檢測(cè)芯片把實(shí)際功率數(shù)值傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理。在HLW8032的電源端，應(yīng)并聯(lián)兩個(gè)小電容，以濾除來(lái)自電網(wǎng)高頻及低頻噪聲。電流信號(hào)通過(guò)錳銅電阻采樣后接入HLW8032，電壓信號(hào)則通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)后輸入到HLW8032。圖3-1檢測(cè)電路3.1.2設(shè)計(jì)說(shuō)明HLW8032內(nèi)部的DSP擁有相關(guān)的增益，通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換模塊之后，有功功率、電流有效值和電壓有效值的輸出頻率可由固定公式計(jì)算，有功功率等于電流通道引腳上的電壓信號(hào)乘以電壓通道引腳上的電壓信號(hào)在乘四十八所得的結(jié)果除以內(nèi)置基準(zhǔn)源的平方最后再乘以內(nèi)置晶振頻率除一百二十八，電流有效值為電流通道引腳上的電壓信號(hào)乘二十四的結(jié)果除內(nèi)置基準(zhǔn)源最后再乘以內(nèi)置晶振頻率除五百一十二，而電壓有效值的計(jì)算公式為電壓通道引腳上的電壓信號(hào)乘二除內(nèi)置基準(zhǔn)源乘內(nèi)置晶振頻率除五百一十二。????????代表內(nèi)置晶振，典型頻率約為3.579MHZ；????????是內(nèi)置基準(zhǔn)源，典型電壓為2.43V。HLW8032采用了一種新的抗爬行算法。如果輸入信號(hào)的功率值大于內(nèi)部噪聲值，計(jì)量模塊將開(kāi)始正常計(jì)量。使用的內(nèi)置振蕩器的頻率約3.579M左右，電源電壓抑制比則<0.01/V。內(nèi)置很高精度的帶隙參考源，參考源輸出的典型電壓為2.43V。單片機(jī)通過(guò)串口讀取到HLW8032的寄存器后，通過(guò)程序中的公式計(jì)算出電壓有效值、電流有效值以及有功功率，因?yàn)镠LW8032在廠家出廠時(shí)己經(jīng)被校準(zhǔn)，HLW8032的出廠精度約是2%,所以如果外圍電路選用高精度器件(如圖3-1所示，采樣電阻和的分壓電阻)后[1]。他可以穩(wěn)定計(jì)量精度控制在2%左右，這樣就免去了用戶校準(zhǔn)的不方便等問(wèn)題。計(jì)算方式如下：電壓有效值計(jì)算（3-1）電壓系數(shù):電壓通道的電阻分壓系數(shù)（3-2）電流有效值計(jì)算（3-3）電流系數(shù):電流通道的電阻系數(shù)，采樣電阻為R=0.001Ω（3-4）有功功率的計(jì)算（3-5）3.2NB-IOT設(shè)計(jì)3.2.1電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中使用NB-IOT模塊在和下位機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。NB-IOT模塊和本設(shè)計(jì)的STM32主芯片通過(guò)串口來(lái)輸送數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)使用WH-NB75模塊可以采取兩種供電方法，DC5-16V和DC3.1-4.2V供電。用戶可直接使用一節(jié)鋰電池供電若使用恒定電壓供電，電壓典型值3.8V，峰值供電電流0.5A，當(dāng)模塊使用3.8V供電時(shí)，16腳用于向模塊提供3.8V工作電壓，用戶的外圍電路能夠提供充足的供電能力，供電電壓波動(dòng)300mV，峰值供電電流0.5A。并在DC/DC或者LDO后放置旁路電容。接旁路電容起到穩(wěn)定模塊工作的作用。圖3-2云傳電路3.3顯示電路設(shè)計(jì)3.3.1設(shè)計(jì)說(shuō)明因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)的獨(dú)特功能，使用所用到的LCD12864液晶屏只用8個(gè)引腳就可以實(shí)現(xiàn)他的功能，在他器件中，VDD給LCD12864液晶屏提供他所需要的電能，GND接地。LEDA則用來(lái)給他調(diào)節(jié)背光亮度的強(qiáng)弱，他接的是VCC管腳，SCK是時(shí)鐘線他需要與STM32單片機(jī)的PC8引腳與他相連接，SDA是數(shù)據(jù)線，需要與STM32的PC9引腳與他彼此進(jìn)行相連接，RS可以控制數(shù)據(jù)線命他發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)皆可，兩個(gè)模式下，RS=0，數(shù)據(jù)線為其發(fā)送命令，RS=1時(shí)，數(shù)據(jù)線就會(huì)給他發(fā)送數(shù)據(jù)，該引腳需要將他接在PC10管腳上，RST為液晶屏的復(fù)位引腳，可以對(duì)液晶屏進(jìn)行復(fù)位操作，當(dāng)RET為低電平時(shí)（給其低電平），LCD12864就會(huì)執(zhí)行自動(dòng)復(fù)位操作，他接的是PC11引腳，CS為他的使能信號(hào)引腳，必須且只有當(dāng)CS被拉高成為高電平時(shí)，該液晶屏才能工作，使用者才能正常使用。圖3-3顯示電路3.4聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)3.4.1電路設(shè)計(jì)我們?cè)谶@個(gè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)帶有了聲光報(bào)警電路，當(dāng)這個(gè)抄表系統(tǒng)發(fā)生異?，F(xiàn)象或者用電不足的時(shí)候就觸發(fā)報(bào)警電路。其中聲音報(bào)警電路我們通過(guò)蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)，光報(bào)警就通過(guò)一個(gè)小LED燈實(shí)現(xiàn)。圖3-4聲光報(bào)警電路3.4.2設(shè)計(jì)說(shuō)明本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的聲音報(bào)警模塊我們使用的是有源蜂鳴器，在相對(duì)無(wú)源蜂鳴聲比較的情況下來(lái)說(shuō)，我們可以很輕松控制有源蜂鳴器。蜂鳴器的原理是因?yàn)殡娏髟陔姶啪€圈中流動(dòng)并且產(chǎn)生一種震動(dòng)磁場(chǎng)以使B4振動(dòng)膜振動(dòng)以此發(fā)出聲音。因?yàn)樗艿絾纹瑱C(jī)的控制，所以當(dāng)PB0管腳輸出高電平時(shí)，三極管就會(huì)進(jìn)行導(dǎo)通，電路就可以形成通路，蜂鳴器就可以發(fā)出聲音，進(jìn)行警報(bào)。如果PB0引腳輸出低電平的情況，三極管就會(huì)發(fā)生反向截止，從而電路形成開(kāi)路，蜂鳴器也就不會(huì)再繼續(xù)工作。而光報(bào)警電路比較簡(jiǎn)單，因?yàn)長(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)電流不大，不需要通過(guò)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)一個(gè)限流電阻，將LED燈的陰極接地，另外一端連接STM32單片機(jī)PB4管腳，通過(guò)控制IO的高低電平就可以實(shí)現(xiàn)控制LED燈的點(diǎn)亮與熄滅。3.5輔助電源模塊設(shè)計(jì)通過(guò)上述的各個(gè)章節(jié)的電路設(shè)計(jì)中可以得出結(jié)論，在系統(tǒng)中需要5V直流電源為采樣模塊、顯示模塊等電路供電，3.3V直流電源為單片機(jī)等數(shù)據(jù)邏輯電路供電，4V直流電源為NB75模塊供電，而系統(tǒng)供電采用的是6V電池電源。3.3V的穩(wěn)壓芯片采用的是低壓差的LDO芯片，輸入5V，輸出固定為3.3V，根據(jù)LDO芯片手冊(cè)中可以得出，輸出電流最大為100mA，符合STM32單片機(jī)的運(yùn)行要求。如果采用7805或其他類型的LDO類型的穩(wěn)壓模塊可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量過(guò)大。所以在本設(shè)計(jì)中采用的是LM2596系列的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片，我們?cè)贚M296的輸入端加加上輸入濾波電容，電容就像電荷的大海，可以源源不斷的將電荷供給LM2596的輸入端，從而保LM2596芯片能夠得到平穩(wěn)的輸入電壓，LM596的輸出端加上儲(chǔ)能電感，因?yàn)長(zhǎng)M2596是開(kāi)關(guān)型芯片，當(dāng)芯片關(guān)閉是就由儲(chǔ)能電感向負(fù)載供電，以達(dá)到不間斷的給單片機(jī)供電，保證智能抄表的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。在儲(chǔ)能電感的輸出端加上LC濾波電路是為了讓輸出的電壓更加平滑，因?yàn)長(zhǎng)M2596是開(kāi)關(guān)型芯片將電壓變成開(kāi)關(guān)量，如果直接加在負(fù)載上會(huì)導(dǎo)致用電器工作不正常，甚至是損壞。圖3-5輔助電源電路3.6STM32硬件電路設(shè)計(jì)STM32F103C8T6單片機(jī)是由Cortex-M332的RISC內(nèi)核組成的，工作頻率為可以達(dá)到72MHZ，他的內(nèi)部具有高速儲(chǔ)存器，內(nèi)部電路有晶振電路，復(fù)位電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，時(shí)鐘電路，穩(wěn)壓電路等構(gòu)成。本設(shè)計(jì)不僅僅包括了主晶振電路設(shè)計(jì)思想，還有復(fù)位電路設(shè)計(jì)構(gòu)思，在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，STM32單片機(jī)獨(dú)有的晶振采用得是8M無(wú)源晶振，他的晶振得兩端被分別連接了一個(gè)22PF的電容上邊，為的是用于輔助晶振的啟震功能，同時(shí)他為了大量提高其晶振的抗干擾能力，我們則在該晶振與STM32單片機(jī)的SOC_IN和SOC_OUT之間并行連接一個(gè)1M的電阻用來(lái)完成目的。在日常的正常工作中，一旦系統(tǒng)中如果出現(xiàn)了異常情況，我們將STM32單片機(jī)進(jìn)行程序復(fù)位操作，這時(shí)候就不得不需要用到復(fù)位電路，復(fù)位電路的原理圖如圖3-1所示，在這其中RESET管腳就做為STM32單片機(jī)的復(fù)位管腳來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，我們將該復(fù)位管腳輸入一個(gè)2.5ms的低電平時(shí)，他就可以觸發(fā)STM32單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，當(dāng)操作者按下復(fù)位按鍵時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)重啟。開(kāi)發(fā)STM32系列單片機(jī)可以采用的是庫(kù)開(kāi)發(fā)的方式，而且不同系列的STM32單片機(jī)的代碼大多數(shù)都是兼容的，這大大提高了開(kāi)發(fā)的方便性。圖3-6控制電路本章小結(jié)通過(guò)不斷的查詢資料，動(dòng)手仿真，最終完成了功率檢測(cè)電路、NB-IOT、顯示電路、聲光報(bào)警電路、輔助電源模塊五個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到的很多困難，但是確確實(shí)實(shí)的學(xué)習(xí)到了很多。功率檢測(cè)電路通過(guò)HLW8032芯片來(lái)檢測(cè)電能使用情況，單片機(jī)通過(guò)WH-NB75模塊將檢測(cè)到的各種相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到云端，用戶可以實(shí)時(shí)的觀測(cè)到相關(guān)情況、了解相關(guān)信息，從而讓用戶可以及時(shí)的獲取相應(yīng)的用電信息。通過(guò)LCD1284顯示屏將智能抄表系統(tǒng)各種信息顯示出來(lái)，這樣用戶即使不查看云端也可直接從智能抄表上觀測(cè)到相關(guān)信息，真正的使查表變得簡(jiǎn)單化，聲光報(bào)警電路實(shí)際上就是通過(guò)蜂鳴器與發(fā)光二極管一起組合構(gòu)成能在特殊情況時(shí)給予用戶相關(guān)的警示，讓用戶更加放心的使用本智能抄表系統(tǒng)，輔助電源模塊負(fù)責(zé)給單片機(jī)供電，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)手段使單片機(jī)在工作時(shí)能夠平穩(wěn)的正常的運(yùn)作，單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的大腦，正式因?yàn)橛辛怂拍荏w現(xiàn)抄表的智能化，在日常的正常工作中一旦核心出現(xiàn)問(wèn)題那么其他外設(shè)將出現(xiàn)問(wèn)題，所以做單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)尤為重要。

第4章程序設(shè)計(jì)4.1HLW8032采集程序程序運(yùn)行第一步就是先將HLW8032接入的串口進(jìn)行初始化，然后讀取其寄存器的值，接下來(lái)就是計(jì)算各個(gè)值并進(jìn)行將數(shù)值傳送，HLW8032是一款精度很高的計(jì)量IC，它是之前HLW8012芯片的升級(jí)版本，這款芯片是采用了串口的通訊方式，這樣就可以使得和MCU之間的通訊更加方便快捷，單片機(jī)通過(guò)串口讀取到HLW8032的寄存器后，通過(guò)程序中的公式計(jì)算出電壓有效值、電流有效值以及有功功率。因?yàn)镠LW8032在廠家出廠時(shí)己經(jīng)被校準(zhǔn)，HLW8032的出廠精度約是2%,所以如果外圍電路選用高精度器件后[1]。他可以穩(wěn)定計(jì)量精度控制在2%左右，這樣就免去了用戶校準(zhǔn)的麻煩。圖4-1采集程序流程圖4.2輸出顯示模塊程序LCD12864顯示屏，是基于KS0108液晶芯片，采用3-5V外部供電，2MHZ時(shí)鐘頻率，通訊方式為串口，并口可選。其分辨率為128X64，故名為12864.它不僅可以顯示中文字符還可以顯示圖形，8192（16*16）個(gè)漢字和128（8*16）個(gè)字符[2]。LCD12864顯示模塊的屏幕上每個(gè)顯示點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，其中1為亮，0為熄滅，AIP31020為其內(nèi)部遙控控制器，LCD12864顯示，內(nèi)部含有64*256點(diǎn)陣顯示RAM，可直接與單片機(jī)相連，它擁有8位并型和3位串行連接兩種方式，本系統(tǒng)我們調(diào)用串行連接方式。LCD12864軟件功能相對(duì)比較強(qiáng)大，支持光標(biāo)顯示，可以自己定義喜歡好記得字符，睡眠模式等功能。LED背光可根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)，可勝任不同的工作環(huán)境。LCD12864顯示模塊的工作電壓VDD為3.3~5V，內(nèi)置升壓電路，無(wú)需負(fù)壓。工作環(huán)境溫度要求為-30~50℃。圖4-2顯示程序流程圖當(dāng)給RS寄存器信號(hào)為1，R/W讀寫信號(hào)也為1并且使能信號(hào)的時(shí)候。此時(shí)就會(huì)讀出數(shù)據(jù)，在通過(guò)顯示屏上的點(diǎn)陣的地址位置，顯示在屏幕上的某行某列。4.3上位機(jī)的設(shè)計(jì)在此次創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)中需要通過(guò)他將NB-IOT模塊和遠(yuǎn)程服務(wù)器建立MODBUS協(xié)議連接的操作，其中NB-IOT模塊內(nèi)部出廠時(shí)已經(jīng)具有集成了的可以使用的MODBUS協(xié)議棧，STM32單片機(jī)則只需要他通過(guò)執(zhí)行AT指令就能實(shí)現(xiàn)與NB-IOT模塊的交互功能的操作。圖4-3上位機(jī)程序流程圖在他操作的第一步，STM32單片機(jī)執(zhí)行發(fā)送一系列AT指令操作，命令NB-IOT模塊與他的遠(yuǎn)程服務(wù)器建立MODBUS協(xié)議連接操作并確認(rèn)端口號(hào)的操作，如果他發(fā)送失敗，請(qǐng)操控者重新發(fā)送它，直到它成功為止，任務(wù)進(jìn)而可以達(dá)到。但是由于他的