一、系统设计背景与总体架构
传统机械电能表存在计量精度低、抄表繁琐、易磨损等问题，难以满足智能电网的精准计量需求。基于单片机的数字电能表，采用电子计量技术，具有计量准确、功能丰富、便于数据传输等优势，可实现电能的实时监测与智能化管理。
系统以STM32F103单片机为控制核心，由四大模块组成：电压电流采集模块、电能计量模块、数据显示模块及通信模块。单片机负责处理采集到的电参数，计算电能消耗量并控制各模块协同工作。采集模块获取电网电压、电流信号，计量模块完成功率与电能的计算，显示模块实时呈现用电数据，通信模块支持数据上传至上位机，整体架构紧凑，适配家庭、企业等多种用电场景，为用电监测提供可靠解决方案。
二、硬件电路设计
硬件电路围绕单片机构建，各模块通过专用接口连接，确保信号采集精准与数据传输稳定。
电压采集采用分压电路，220V交流电压经电阻分压网络降压后，通过运算放大器组成的跟随器调理，输入单片机ADC接口；电流采集采用霍尔电流传感器，将主回路电流转换为0-3.3V电压信号，经滤波电路处理后接入ADC通道，实现电流的隔离测量。电能计量模块选用ADE7755专用计量芯片，该芯片内置ADC和数字积分器，可直接输出有功功率脉冲，通过单片机计数脉冲数计算电能，简化软件计算压力。
数据显示模块采用1602字符型液晶屏，通过I2C接口与单片机连接，显示电压、电流、功率及累计电能值；通信模块集成RS485接口，采用MAX485芯片实现电平转换，支持Modbus协议，便于与智能网关或上位机通信。电源模块将220V交流电转换为5V和3.3V直流电源，分别为传感器、液晶屏和单片机供电，确保各模块稳定工作。
三、软件程序设计
软件采用C语言在Keil MDK环境编写，主程序协调各模块工作，实现电参数采集、计算与数据交互。
系统上电后初始化单片机外设、计量芯片及通信接口，随后进入循环工作状态。电压电流采集子程序通过ADC模块定时（每100ms）采集电压、电流信号，经数字滤波后计算有效值；ADE7755计量芯片输出的功率脉冲接入单片机外部中断引脚，通过计数脉冲频率获取实时功率，累计脉冲数换算为电能值（1脉冲对应0.1kWh）。
数据显示子程序将电压（单位V）、电流（单位A）、功率（单位W）及电能（单位kWh）实时刷新到液晶屏；通信子程序响应上位机的数据请求，通过RS485接口发送测量数据，支持远程抄表。程序加入过压、过流检测逻辑，当电压超过250V或电流超过10A时，触发内部中断，通过指示灯报警并记录异常时间，提升用电安全性。
四、系统测试与优化
通过实验室与现场测试验证系统性能，针对问题优化设计，确保计量准确与运行可靠。
性能测试中，与标准电能表对比，电压测量误差≤0.5%，电流测量误差≤1%，电能计量误差≤1%，满足国家二级电能表标准；连续运行72小时，数据采集稳定，无漂移现象。但测试发现，电网电压波动较大时，ADC采集精度受影响，导致功率计算偏差。
优化方案：硬件上增加有源低通滤波器，滤除电网高频干扰；软件上采用滑动平均滤波算法，对连续10次采集数据取平均值，提升数据稳定性。优化后电压波动导致的误差从2%降至0.3%。此外，扩展功能加入电能脉冲输出接口，兼容传统抄表系统，增强设备兼容性。最终系统实现了电能的精准计量与智能化管理，为智能电网建设提供了低成本解决方案。
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