带红外抄板和LCD显示的单相电能表设计

一、系统概述

基于STM32F103C8T6微控制器，集成专用电能计量芯片、LCD显示模块与红外抄表模块，实现单相电能高精度计量、实时数据显示、红外远程抄表功能，符合DL/T 645-2007《多功能电能表通信协议》标准。系统支持正向/反向电能累计、电压/电流/功率实时监测、历史数据存储，适用于家庭、商铺、工业用电计量场景，具备高精度（±0.5级）、低功耗、易抄表特点。

二、系统架构与硬件设计

1. 系统架构

电压/电流采样
UART/ SPI
I2C
GPIO/红外调制
I2C
供电
供电
供电
供电
供电
市电 220V/50Hz
电能计量芯片 HLW8032
STM32F103C8T6主控
LCD显示 SSD1306 OLED
红外收发模块 HS0038+发射管
EEPROM AT24C02, 存储电能数据
电源模块 220V→3.3V

2. 关键硬件组件

模块	型号/参数	功能
主控	STM32F103C8T6（72MHz，64KB Flash，20KB RAM）	计量数据处理、LCD控制、红外协议解析
计量芯片	HLW8032（UART接口，±0.5级精度）	电压/电流/功率采样，电能累计（kWh）
显示	SSD1306 OLED（128×64，I2C）	显示电压、电流、功率、电能、时间
红外模块	HS0038（接收头）+ 940nm发射管	红外抄表（DL/T 645协议，38kHz载波）
存储	AT24C02（I2C，2KB EEPROM）	存储累计电能、用户参数（防掉电）
电源	220V→5V（阻容降压）+ AMS1117-3.3V	系统供电（低功耗设计，待机<10mA）

3. 核心电路设计

（1）电能计量电路（HLW8032）

HLW8032连接 ：UART_TX接STM32的PA10 （USART1_RX），UART_RX接PA9（USART1_TX），VCC=3.3V，GND接地；
采样原理：通过内部ADC采样电压（220V经电阻分压）和电流（锰铜片采样），计算有功功率 P=UIcosϕ，累计电能 E=∫Pdt。

（2）红外通信电路

接收头HS0038 ：OUT接STM32的PA0 （外部中断0，下降沿触发），VCC=3.3V，GND接地，需加38kHz带通滤波；
发射管 ：通过STM32的PA1（PWM输出，38kHz载波）驱动，基极串1kΩ电阻，集电极接5V电源。

（3）LCD显示电路

SSD1306 OLED ：SCL接PB6 （I2C1_SCL），SDA接PB7（I2C1_SDA），VCC=3.3V，GND接地，通过I2C协议通信。

三、软件设计（C语言实现）

1. 开发环境

IDE：STM32CubeIDE（V1.13.0）
库：STM32 HAL库（V1.11.0）、HLW8032驱动（UART）、SSD1306驱动（I2C）、DL/T 645协议栈（自定义）
协议：DL/T 645-2007（红外抄表帧格式：起始符0x68+地址域+控制码+数据域+校验码+结束符0x16）

2. 主程序流程

c 复制代码

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "hlw8032.h"
#include "ssd1306.h"
#include "infrared.h"
#include "eeprom.h"
#include "dl645.h"

// 系统状态
typedef struct {
  float voltage;       // 电压(V)
  float current;       // 电流(A)
  float power;         // 功率(W)
  float energy;        // 累计电能(kWh)
  uint8_t lcd_update;  // LCD更新标志
} SystemState;

int main(void) {
  // 1. 初始化硬件
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();     // 72MHz主频
  HLW8032_Init(&huart1);   // 计量芯片初始化（UART1，4800bps）
  SSD1306_Init();          // OLED初始化（I2C1）
  Infrared_Init();         // 红外模块初始化（PA0外部中断，PA1 PWM）
  EEPROM_Init();            // AT24C02初始化（I2C1）
  DL645_Init();            // DL/T 645协议初始化

  SystemState sys_state = {0};
  sys_state.energy = EEPROM_ReadEnergy();  // 从EEPROM读取累计电能

  // 2. 主循环
  while (1) {
    // 2.1 读取计量数据（HLW8032通过UART主动上报）
    if (HLW8032_DataReady()) {
      HLW8032_ReadData(&sys_state.voltage, &sys_state.current, &sys_state.power);
      sys_state.energy += (sys_state.power * 0.001f);  // 1秒累计0.001kWh（示例）
      EEPROM_WriteEnergy(sys_state.energy);  // 存储累计电能（防掉电）
      sys_state.lcd_update = 1;  // 标记LCD需更新
    }

    // 2.2 处理红外抄表请求（DL/T 645协议）
    if (Infrared_ReceivedFrame()) {
      DL645_Frame frame = Infrared_GetFrame();
      if (DL645_Verify(&frame)) {  // 校验帧合法性
        DL645_ProcessFrame(&frame, &sys_state);  // 处理读/写请求
        Infrared_SendResponse(&frame);  // 发送响应帧
      }
    }

    // 2.3 更新LCD显示
    if (sys_state.lcd_update) {
      SSD1306_Clear();
      SSD1306_ShowString(0, 0, "U:%.1fV I:%.2fA", sys_state.voltage, sys_state.current);
      SSD1306_ShowString(0, 2, "P:%.1fW E:%.2fkWh", sys_state.power, sys_state.energy);
      SSD1306_Update();
      sys_state.lcd_update = 0;
    }

    // 2.4 低功耗管理（空闲时进入Stop模式）
    if (!sys_state.lcd_update && !Infrared_Busy()) {
      HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
      SystemClock_Config();  // 唤醒后恢复时钟
    }
  }
}

3. 关键模块实现

（1）电能计量驱动（HLW8032，C语言）

HLW8032通过UART主动上报数据帧（格式：0x55+电压高8+电压低8+电流高8+电流低8+功率高8+功率低8+校验和），STM32解析后转换为实际值：

c 复制代码

// HLW8032数据帧结构
typedef struct {
  uint8_t header;    // 0x55
  uint8_t vol_h;     // 电压高8位（整数部分）
  uint8_t vol_l;     // 电压低8位（小数部分，0.1V/bit）
  uint8_t cur_h;     // 电流高8位
  uint8_t cur_l;     // 电流低8位（0.01A/bit）
  uint8_t pow_h;     // 功率高8位
  uint8_t pow_l;     // 功率低8位（0.1W/bit）
  uint8_t checksum;  // 校验和（前7字节异或）
} HLW8032_Frame;

// 读取HLW8032数据
void HLW8032_ReadData(float* voltage, float* current, float* power) {
  uint8_t rx_buf[8];
  if (HAL_UART_Receive(&huart1, rx_buf, 8, 100) == HAL_OK) {
    // 校验和验证
    uint8_t sum = 0;
    for (int i=0; i<7; i++) sum ^= rx_buf[i];
    if (sum == rx_buf[7]) {
      // 解析数据（示例：电压= (vol_h<<8 | vol_l) * 0.1V）
      *voltage = (float)((rx_buf[1] << 8) | rx_buf[2]) * 0.1f;
      *current = (float)((rx_buf[3] << 8) | rx_buf[4]) * 0.01f;
      *power = (float)((rx_buf[5] << 8) | rx_buf[6]) * 0.1f;
    }
  }
}

（2）DL/T 645协议解析（红外抄表，C语言）

DL/T 645帧格式（读电能请求示例）：0x68 AA AA AA AA AA AA 68 01 02 00 00 00 00 00 00 16

解析逻辑：提取地址域、控制码（0x01=读数据）、数据域（0x0000=当前电能），返回响应帧（含电能值，BCD码格式）。

c 复制代码

// DL/T 645帧结构
typedef struct {
  uint8_t start;      // 0x68
  uint8_t addr[6];    // 地址域（6字节BCD码）
  uint8_t start2;     // 0x68
  uint8_t ctrl;       // 控制码（0x01=读，0x04=写）
  uint8_t data_len;   // 数据域长度
  uint8_t data[16];   // 数据域
  uint8_t cs;         // 校验和（地址域+控制码+数据域异或）
  uint8_t end;        // 0x16
} DL645_Frame;

// 处理读电能请求
void DL645_ProcessReadEnergy(DL645_Frame* req, SystemState* state, DL645_Frame* resp) {
  // 1. 构造响应帧（地址域+控制码+数据域）
  resp->start = 0x68;
  memcpy(resp->addr, req->addr, 6);  // 原样返回地址域
  resp->start2 = 0x68;
  resp->ctrl = req->ctrl | 0x80;  // 响应控制码（原控制码最高位置1）
  resp->data_len = 4;  // 电能值4字节（BCD码，0.01kWh/位）
  
  // 2. 电能值转为BCD码（示例：123.45kWh→0x12 0x34 0x50 0x00，小数点后2位）
  uint32_t energy_int = (uint32_t)(state->energy * 100);
  resp->data[0] = (energy_int / 1000000) % 10;  // 十万位
  resp->data[1] = (energy_int / 100000) % 10;   // 万位
  resp->data[2] = (energy_int / 10000) % 10;    // 千位
  resp->data[3] = (energy_int / 1000) % 10;     // 百位
  resp->data[4] = (energy_int / 100) % 10;      // 十位
  resp->data[5] = (energy_int / 10) % 10;       // 个位
  resp->data[6] = energy_int % 10;              // 小数位1
  resp->data[7] = 0;                            // 小数位2（补0）
  
  // 3. 计算校验和
  resp->cs = 0;
  uint8_t* p = (uint8_t*)resp;
  for (int i=1; i<(4+resp->data_len+1); i++) resp->cs += p[i];  // 地址域+控制码+数据域
  resp->end = 0x16;
}

（3）红外通信（38kHz载波调制，C语言）

通过STM32的PWM输出38kHz载波，调制DL/T 645帧数据（0=载波关，1=载波开）：

c 复制代码

// 红外发送函数（调制38kHz载波）
void Infrared_SendFrame(DL645_Frame* frame) {
  // 1. 帧数据转为二进制流（含起始/结束符）
  uint8_t bit_stream[256];
  uint16_t bit_len = 0;
  AddBitStream(0x55);  // 引导码（简化，实际用38kHz载波开/关表示0/1）
  
  // 2. PWM输出38kHz载波（载波开=1，关=0）
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);  // TIM2_CH1（PA1，38kHz）
  for (int i=0; i<bit_len; i++) {
    if (bit_stream[i]) {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 13);  // 50%占空比（38kHz/2=19μs高/19μs低）
    } else {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 0);   // 载波关
    }
    HAL_Delay(1);  // 每位1ms（示例，实际需按DL/T 645时序）
  }
  HAL_TIM_PWM_Stop(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

参考代码带红外抄板和LCD显示的单相电能表设计，附原理图源码设计说明 www.youwenfan.com/contentcst/160985.html

四、系统测试与优化

1. 测试指标

参数	指标	测试方法
电能计量精度	±0.5%（1-100A负载）	用标准功率源输入，对比标准表读数
红外抄表距离	≥5米（无障碍）	用红外抄表器发送请求，统计响应成功率
LCD显示刷新率	1Hz（1秒/次）	示波器测量数据更新间隔
待机功耗	<10mA（3.3V）	万用表串联测量电源电流

2. 优化方向

低功耗 ：STM32空闲时进入Stop模式，HLW8032和LCD仅在数据更新时唤醒；
抗干扰 ：红外通信增加重传机制 （3次重发），DL/T 645帧加CRC校验；
数据存储 ：用FRAM（铁电存储器） 替代EEPROM，提高擦写次数（100亿次 vs 10万次）；
多费率 ：扩展时钟模块（DS3231），实现峰谷电价计量（需修改DL/T 645数据域）。

五、总结

本设计基于STM32实现了带红外抄板和LCD显示的单相电能表，通过HLW8032计量芯片保证精度，DL/T 645协议实现标准化抄表，SSD1306 OLED实时显示数据，具备高精度、低功耗、易维护特点。系统可扩展为三相电能表或智能电表（增加GPRS/4G通信），满足电力计量与远程抄表需求。