基于單片機的智能抄

哈爾濱工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（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)可以是一個將電能表上的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)共享集為一體的智能化系統(tǒng)，用來達到為家庭、企業(yè)和相關(guān)部門服務(wù)，這個系統(tǒng)我們可以將千家萬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、用氣管理的自動化程度過低,中間環(huán)節(jié)繁雜,繳費不及時用戶欠費過多等問題。我們是設(shè)計的這個系統(tǒng)可以具有很多種的通訊方式,聯(lián)網(wǎng)的方式靈活多變,擴充方便,能過從不同角度滿足用戶的多種需要,能過真正地實現(xiàn)了居民小區(qū)的科學化管理。本次設(shè)計本著創(chuàng)新的思想，故把STM32F103單片機作為核心，并且安裝上來可以檢測功率的HLW8032芯片來使他完成監(jiān)測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模塊來云端上傳用電信息數(shù)據(jù)；通過使用LCD12864顯示器來實時顯示各種采集數(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信息造成的錯抄、漏抄、估抄、抄表時間跨度大、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)計的背景和意義 11.2國內(nèi)外比較 11.3設(shè)計目標 2本章小結(jié) 2第2章硬件介紹 32.1功率計量芯片 32.1.1功率計量芯片功能介紹 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 113.1功率檢測電路設(shè)計 113.1.1電路圖設(shè)計 113.1.2設(shè)計說明 113.2NB-IOT設(shè)計 123.2.1電路設(shè)計 123.3顯示電路設(shè)計 133.3.1設(shè)計說明 133.4聲光報警電路設(shè)計 143.4.1電路設(shè)計 143.4.2設(shè)計說明 143.5輔助電源模塊設(shè)計 153.6STM32硬件電路設(shè)計 15本章小結(jié) 16第4章程序設(shè)計 184.1HLW8032采集程序 184.2輸出顯示模塊程序 194.3上位機的設(shè)計 204.4系統(tǒng)整體設(shè)計 21本章小結(jié) 21第5章經(jīng)濟環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的思考 23結(jié)論 24致謝 錯誤!未定義書簽。參考文獻 錯誤!未定義書簽。附錄1原理圖 錯誤!未定義書簽。附錄2設(shè)計程序部分源代碼 錯誤!未定義書簽。 PAGE33第1章緒論1.1設(shè)計的背景和意義 伴隨著我們所在的國家的公用事業(yè)(比如：水、電、氣)的快速發(fā)展，社會上的人們在生活環(huán)境、生活質(zhì)量上又提出了很高的要求。經(jīng)過政府在政策的鼓勵下，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。我們社會上傳統(tǒng)的人工進行挨家挨戶抄表的方式方法即費時、又費力，他的準確性以及及時性也得不到保證，而且另外還會出現(xiàn)抄表員和很多用戶一些不開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)我們所生存的這個社會的發(fā)展的需要了。當然這也對抄表的方式方法提出了愈高的要求，智能抄表就應(yīng)運而生了。現(xiàn)在，小區(qū)里的抄表基本上有兩種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑芯€數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸。在這個背景下，各種各樣自動抄表系統(tǒng)逐漸提上日常成活中來，用來提高電公司抄表的服務(wù)保質(zhì)保量，抄表成本也會降低很多。我們的手持終端抄表、以及遠程的抄表、和集中抄表等系統(tǒng)都是本著這種考慮而去設(shè)計的。由于水、氣、電的具體情況，所采用的技術(shù)方案和進度各不相同。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，負責抄表和日常抄表維護。由于我們國電力系統(tǒng)的改革，這就對電能計量系統(tǒng)提高了要求，首先不僅要實現(xiàn)它的基本功能，還應(yīng)該要實現(xiàn)以及完成現(xiàn)代用電企業(yè)和用戶大規(guī)模用電對計量系統(tǒng)提出的更高要求，必須同時擁有使用便捷、遠程抄表和智能計量等功能才是我們應(yīng)該有的電能計量系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外比較我們國內(nèi)的研發(fā)人員在智能電表已經(jīng)有的基礎(chǔ)之上，強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)得到了越來越多的關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將運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，所有的物品將通過物聯(lián)網(wǎng)進行射頻識別、無線傳感器等很多信息設(shè)備都將接入到互聯(lián)網(wǎng)中來，人們可以在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通過無線網(wǎng)絡(luò)進行實時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)當然也可以使用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)[8]。1.3設(shè)計目標 （1）通過微信提供斷電報警和供電恢復確認的信息處理（2）提供電能質(zhì)量剩余的監(jiān)視（3）可以進行遠程編程設(shè)定以及對軟件進行升級（4）設(shè)備支持遠程時間同步（5）能根據(jù)需求側(cè)響應(yīng)要求而限制負荷本章小結(jié)我們設(shè)計的本系統(tǒng)可以將千家萬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中用水、用電、用氣管理的自動化程度小,中間環(huán)節(jié)繁雜,繳費不及時造成欠費過多等一系列問題。我們設(shè)計的該系統(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,真正地實現(xiàn)了居民小區(qū)的科學化管理。智能抄表的出現(xiàn)極大是為了實現(xiàn)實時精確精準實時的進行能源數(shù)據(jù)的計量以及其管理，在目前，大多數(shù)的高檔住宅小區(qū)都已經(jīng)開始安裝智能抄表系統(tǒng)，他在現(xiàn)代化進程中起到了非常關(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功率計量芯片2.1.1功率計量芯片功能介紹HLW8032是個高性能的電能測量芯片,他運用CMOS創(chuàng)造手段，特別用在單相用途。他可以計量線電壓和電流，而且可以計算有功功率，視在功率和功率因數(shù)。這個芯片里面集成了兩個∑-Δ型ADC和一個高性能的電能測量內(nèi)核。HLW8032能夠用UART口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，HLW8032運用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，可用于單相兩線制電力用戶的電能測量。HLW8032能夠計量有功功率、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的動態(tài)范圍內(nèi)，有功功率的計量誤差大約0.2%；有效電流的計量誤差大約0.5%；在1000比1的動態(tài)范圍內(nèi)，有效電壓的計量誤差大約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UART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、計量插座、智能WIFI插座、電動車充電樁、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)作為萬物互聯(lián)的一個不可缺少的一部分。NB-IoT建立于蜂巢網(wǎng)絡(luò)，只\o"花費"花費\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)，來減少布置成本、達到平滑升級,NB-IoT是IoT方面一個新發(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可以待機時間長、對網(wǎng)絡(luò)連接性能挺高設(shè)備的高效連接。聽說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。因為NB-IoT自己擁有的功耗低、覆蓋廣、小成本、容量大等優(yōu)勢，讓他能夠?qū)挿哼\用于多種垂直行業(yè)，例遠程抄表、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，啟動后輸出高電平10NC未使用引腳11GNDG模塊供電負極12GNDG模塊供電負極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（不開放）16VBATP3.5V~4.2V此引腳和VIN二選一供電，不可同時使用。供電電壓:3.1V~4.2V17GPIO8I/O3V普通I/O引腳（不開放）18PELOADI3V3s~15s以內(nèi)恢復出廠參數(shù)，低電平有效（不開放）19RESETI3V模塊復位引腳,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，當模塊應(yīng)用3.8V輸電時，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，模塊復位。RESET引腳輸入電平。表2-3RESEET引腳描述Symbol節(jié)點名稱ParameterMinTypMaxUnitVILRESET低電平輸入電壓000.6V表2-4工作存儲溫度ParameterMinMax工作溫度-35℃+75℃擴展工作溫度范圍-40℃+85℃存儲溫度-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主頻達到72MHz，擁有USART、I2C、SPI、ADC、DMA、DAC、定時器等功能，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，還有晶振電路和復位電路這兩個重要組成部STM32單片機外部共有64個I/O口管腳，DMA控制器有12個通道。它可以支持定時器，ADC，SP，IIC和USART等外部連接[6]。采用3.3V或5V外接電源。STM32F103C8T6單片機自帶IIC接口，分別為PC12,PC11接口通過與傳感器SCL,SDA端口相連。對于LCD12864的與單片機的連接，數(shù)據(jù)顯示串口RS，R/W分別定義了與單片機的PB12,PB13管腳相連，使能端口則與單片機PA14管腳相連。其背光與電源正負極分別對應(yīng)單片的正負極。因為STM32單片機管腳較多，功能強大。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)用在計算機、復印機、報警器、打印機、電子大小玩具、電子汽車設(shè)備、電話機、定時器等電子用品中作揚聲器件，蜂鳴器主要分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種類型，蜂鳴器的工作原理是振動裝置和諧振裝置構(gòu)成，有源的蜂鳴器內(nèi)部裝有集成電路，不需要音頻驅(qū)動電路，只要接通直流電源就能直接發(fā)出聲響；無源蜂鳴器只有外加音頻驅(qū)動信號才能發(fā)出聲響[6]。本設(shè)計不需要音頻可控但是希望控制簡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）個漢字和128（8*16）個字符[5]。LCD12864顯示模塊的屏幕上每個顯示點都對應(yīng)一個二進制數(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點陣顯示RAM，可直接與單片機相連，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軟件功能相對比較強大，支持光標顯示，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，無需負壓。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端口為復位端口，R/W端口為使能端口，E端口為單片機初始化程序中的端口，端口RS，R/W,E分別對應(yīng)硬件設(shè)計中的PA3口，PA4口，PA5口，本次設(shè)計中PSB口和BLK口接電源負極，BLA口接5V正極，該端口控制LCD12864的背光亮度調(diào)節(jié)，通過調(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關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有相當不錯的線性和負載調(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償和一種固定頻率的發(fā)生器，開關(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以下可以長時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長時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)計必不可少的組成部分，只有詳細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，因為STM32F103是本設(shè)計的核心部分，相當于智能抄表的大腦，沒有了他，一切都運轉(zhuǎn)不了，所以必須詳細的了解此芯片，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)部門能夠隨時隨地的查看相關(guān)數(shù)據(jù)，WH-NB75模塊也是本設(shè)計的特色之一，向萬物互聯(lián)理念方向靠攏，所以本章非常詳細的介紹了這幾大硬件部分，為后面的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

第3章硬件設(shè)計3.1功率檢測電路設(shè)計3.1.1電路圖設(shè)計在設(shè)計中需要對電能表所檢測的功率進行獲取，所以我選擇HLW8032功率檢測芯片對功率進行采集，通過功率檢測芯片把實際功率數(shù)值傳遞給單片機進行處理。在HLW8032的電源端，應(yīng)并聯(lián)兩個小電容，以濾除來自電網(wǎng)高頻及低頻噪聲。電流信號通過錳銅電阻采樣后接入HLW8032，電壓信號則通過電阻網(wǎng)絡(luò)后輸入到HLW8032。圖3-1檢測電路3.1.2設(shè)計說明HLW8032內(nèi)部的DSP擁有相關(guān)的增益，通過頻率轉(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算，有功功率等于電流通道引腳上的電壓信號乘以電壓通道引腳上的電壓信號在乘四十八所得的結(jié)果除以內(nèi)置基準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乘二十四的結(jié)果除內(nèi)置基準源最后再乘以內(nèi)置晶振頻率除五百一十二，而電壓有效值的計算公式為電壓通道引腳上的電壓信號乘二除內(nèi)置基準源乘內(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。如果輸入信號的功率值大于內(nèi)部噪聲值，計量模塊將開始正常計量。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。單片機通過串口讀取到HLW8032的寄存器后，通過程序中的公式計算出電壓有效值、電流有效值以及有功功率，因為HLW8032在廠家出廠時己經(jīng)被校準，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)定計量精度控制在2%左右，這樣就免去了用戶校準的不方便等問題。計算方式如下：電壓有效值計算（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）有功功率的計算（3-5）3.2NB-IOT設(shè)計3.2.1電路設(shè)計系統(tǒng)中使用NB-IOT模塊在和下位機之間傳輸數(shù)據(jù)。NB-IOT模塊和本設(shè)計的STM32主芯片通過串口來輸送數(shù)據(jù)。本設(shè)計使用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，當模塊使用3.8V供電時，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3.3.1設(shè)計說明因為該設(shè)計的獨特功能，使用所用到的LCD12864液晶屏只用8個引腳就可以實現(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則用來給他調(diào)節(jié)背光亮度的強弱，他接的是VCC管腳，SCK是時鐘線他需要與STM32單片機的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，兩個模式下，RS=0，數(shù)據(jù)線為其發(fā)送命令，RS=1時，數(shù)據(jù)線就會給他發(fā)送數(shù)據(jù)，該引腳需要將他接在PC10管腳上，RST為液晶屏的復位引腳，可以對液晶屏進行復位操作，當RET為低電平時（給其低電平），LCD12864就會執(zhí)行自動復位操作，他接的是PC11引腳，CS為他的使能信號引腳，必須且只有當CS被拉高成為高電平時，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聲光報警電路設(shè)計3.4.1電路設(shè)計我們在這個系統(tǒng)中設(shè)計帶有了聲光報警電路，當這個抄表系統(tǒng)發(fā)生異?，F(xiàn)象或者用電不足的時候就觸發(fā)報警電路。其中聲音報警電路我們通過蜂鳴器來實現(xiàn)，光報警就通過一個小LED燈實現(xiàn)。圖3-4聲光報警電路3.4.2設(shè)計說明本次設(shè)計系統(tǒng)的聲音報警模塊我們使用的是有源蜂鳴器，在相對無源蜂鳴聲比較的情況下來說，我們可以很輕松控制有源蜂鳴器。蜂鳴器的原理是因為電流在電磁線圈中流動并且產(chǎn)生一種震動磁場以使B4振動膜振動以此發(fā)出聲音。因為他受到單片機的控制，所以當PB0管腳輸出高電平時，三極管就會進行導通，電路就可以形成通路，蜂鳴器就可以發(fā)出聲音，進行警報。如果PB0引腳輸出低電平的情況，三極管就會發(fā)生反向截止，從而電路形成開路，蜂鳴器也就不會再繼續(xù)工作。而光報警電路比較簡單，因為LED的驅(qū)動電流不大，不需要通過復雜的驅(qū)動電路。通過一個限流電阻，將LED燈的陰極接地，另外一端連接STM32單片機PB4管腳，通過控制IO的高低電平就可以實現(xiàn)控制LED燈的點亮與熄滅。3.5輔助電源模塊設(shè)計通過上述的各個章節(jié)的電路設(shè)計中可以得出結(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芯片手冊中可以得出，輸出電流最大為100mA，符合STM32單片機的運行要求。如果采用7805或其他類型的LDO類型的穩(wěn)壓模塊可能會導致發(fā)熱量過大。所以在本設(shè)計中采用的是LM2596系列的開關(guān)型穩(wěn)壓芯片，我們在LM296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的輸出端加上儲能電感，因為LM2596是開關(guān)型芯片，當芯片關(guān)閉是就由儲能電感向負載供電，以達到不間斷的給單片機供電，保證智能抄表的數(shù)據(jù)不會丟失。在儲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，因為LM2596是開關(guān)型芯片將電壓變成開關(guān)量，如果直接加在負載上會導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STM32F103C8T6單片機是由Cortex-M332的RISC內(nèi)核組成的，工作頻率為可以達到72MHZ，他的內(nèi)部具有高速儲存器，內(nèi)部電路有晶振電路，復位電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，時鐘電路，穩(wěn)壓電路等構(gòu)成。本設(shè)計不僅僅包括了主晶振電路設(shè)計思想，還有復位電路設(shè)計構(gòu)思，在這項設(shè)計中，STM32單片機獨有的晶振采用得是8M無源晶振，他的晶振得兩端被分別連接了一個22PF的電容上邊，為的是用于輔助晶振的啟震功能，同時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單片機的SOC_IN和SOC_OUT之間并行連接一個1M的電阻用來完成目的。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單片機進行程序復位操作，這時候就不得不需要用到復位電路，復位電路的原理圖如圖3-1所示，在這其中RESET管腳就做為STM32單片機的復位管腳來實現(xiàn)功能，我們將該復位管腳輸入一個2.5ms的低電平時，他就可以觸發(fā)STM32單片機進行復位操作，當操作者按下復位按鍵時，系統(tǒng)就會自動重啟。開發(fā)STM32系列單片機可以采用的是庫開發(fā)的方式，而且不同系列的STM32單片機的代碼大多數(shù)都是兼容的，這大大提高了開發(fā)的方便性。圖3-6控制電路本章小結(jié)通過不斷的查詢資料，動手仿真，最終完成了功率檢測電路、NB-IOT、顯示電路、聲光報警電路、輔助電源模塊五個部分的電路設(shè)計，在設(shè)計的過程中遇到的很多困難，但是確確實實的學習到了很多。功率檢測電路通過HLW8032芯片來檢測電能使用情況，單片機通過WH-NB75模塊將檢測到的各種相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到云端，用戶可以實時的觀測到相關(guān)情況、了解相關(guān)信息，從而讓用戶可以及時的獲取相應(yīng)的用電信息。通過LCD1284顯示屏將智能抄表系統(tǒng)各種信息顯示出來，這樣用戶即使不查看云端也可直接從智能抄表上觀測到相關(guān)信息，真正的使查表變得簡單化，聲光報警電路實際上就是通過蜂鳴器與發(fā)光二極管一起組合構(gòu)成能在特殊情況時給予用戶相關(guān)的警示，讓用戶更加放心的使用本智能抄表系統(tǒng)，輔助電源模塊負責給單片機供電，通過開關(guān)電源技術(shù)手段使單片機在工作時能夠平穩(wěn)的正常的運作，單片機是本設(shè)計的大腦，正式因為有了它才能體現(xiàn)抄表的智能化，在日常的正常工作中一旦核心出現(xiàn)問題那么其他外設(shè)將出現(xiàn)問題，所以做單片機的電路設(shè)計尤為重要。

第4章程序設(shè)計4.1HLW8032采集程序程序運行第一步就是先將HLW8032接入的串口進行初始化，然后讀取其寄存器的值，接下來就是計算各個值并進行將數(shù)值傳送，HLW8032是一款精度很高的計量IC，它是之前HLW8012芯片的升級版本，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，單片機通過串口讀取到HLW8032的寄存器后，通過程序中的公式計算出電壓有效值、電流有效值以及有功功率。因為HLW8032在廠家出廠時己經(jīng)被校準，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)定計量精度控制在2%左右，這樣就免去了用戶校準的麻煩。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）個漢字和128（8*16）個字符[2]。LCD12864顯示模塊的屏幕上每個顯示點都對應(yīng)一個二進制數(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點陣顯示RAM，可直接與單片機相連，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軟件功能相對比較強大，支持光標顯示，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，無需負壓。工作環(huán)境溫度要求為-30~50℃。圖4-2顯示程序流程圖當給RS寄存器信號為1，R/W讀寫信號也為1并且使能信號的時候。此時就會讀出數(shù)據(jù)，在通過顯示屏上的點陣的地址位置，顯示在屏幕上的某行某列。4.3上位機的設(shè)計在此次創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)中需要通過他將NB-IOT模塊和遠程服務(wù)器建立MODBUS協(xié)議連接的操作，其中NB-IOT模塊內(nèi)部出廠時已經(jīng)具有集成了的可以使用的MODBUS協(xié)議棧，STM32單片機則只需要他通過執(zhí)行AT指令就能實現(xiàn)與NB-IOT模塊的交互功能的操作。圖4-3上位機程序流程圖在他操作的第一步，STM32單片機執(zhí)行發(fā)送一系列AT指令操作，命令NB-IOT模塊與他的遠程服務(wù)器建立MODBUS協(xié)議連接操作并確認端口號的操作，如果他發(fā)送失敗，請操控者重新發(fā)送它，直到它成功為止，任務(wù)進而可以達到。但是由于他的