遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)設(shè)計

1、遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)設(shè)計摘要:隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和電力事業(yè)的迅速發(fā)展，實現(xiàn)各種用戶儀表的自動抄錄具有重要意義。利用本地和遠(yuǎn)程自動抄表技術(shù)，可以實現(xiàn)自動抄表并達(dá)到實時監(jiān)控電能表的目的，同時減少人工上門抄表、數(shù)據(jù)輸入等繁雜又容易出錯的勞動，提高工作效率，真正做到用電管理自動化。自動抄表系統(tǒng)成為電力公司解決抄表問題的一種選擇。本論文主要介紹了基于單片機的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)用戶終端模塊的硬件設(shè)計。該模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能，本文主要解決了下面四個方面的問題：一是供電方式的硬件電路設(shè)計；二是掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能的設(shè)計；三是RS-232、RS-485串行通信設(shè)計；四是實時時鐘功能的設(shè)計。關(guān)鍵詞:單片機遠(yuǎn)程自動

2、抄表系統(tǒng)485總線232總線1系統(tǒng)功能描述遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要由主站端數(shù)據(jù)采集計算機、客戶端基于單片機的抄表模塊、具有串行數(shù)據(jù)通信接口的電能計量儀表三部分組成?？蛻舳说淖詣映砟K與數(shù)據(jù)采集計算機通過RS-485串行通信接口相連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的工作原理是：用戶終端的智能電表通過RS-232協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給抄表終端模塊，抄表終端在收到命令后把存儲的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上級數(shù)據(jù)采集計算機，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)交換。本次畢業(yè)設(shè)計主要是研究客戶端基于單片機的電能表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)終端的實現(xiàn)方案和硬件設(shè)計。綜合考慮各種因素之后，將該終端單片機抄表模塊所需實現(xiàn)的主要功能定義如下。第一，正常情況下采用市電

3、（220V交流電）供電的方式，即采用交流電源即能維持終端模塊的正常工作；系統(tǒng)具有備用電池供電功能以保證在斷電情況下的供電。第二，具有數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，能保存用戶用電電量等信息。第三，抄表終端與智能電表、遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集計算機分別通過RS-232和RS-485協(xié)議進(jìn)行通信。第四，終端模塊具有實時時鐘功能，便于實時測量用戶用電電量。2系統(tǒng)分析應(yīng)用于遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)的電能表有脈沖電能表和智能電能表兩類。脈沖電能表：能夠輸出與轉(zhuǎn)盤數(shù)成正比的脈沖串1。智能電能表：可以通過串行口以編碼方式進(jìn)行通信，按照智能表的輸出接口通信方式劃分，智能電能表可分為串行通行接口型和低壓配電線載波接口型兩大類1。電能表的兩種輸出

4、接口比較：輸出脈沖方式技術(shù)簡單但在傳輸過程中容易發(fā)生丟失脈沖或產(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象，而且不能重新發(fā)送；而具有串行接口輸出方式的智能電表則可以通過相關(guān)協(xié)議將采集的多項數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的遠(yuǎn)程傳輸1。因而本文中采用的電能表為具有串行通信接口的智能電表。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1系統(tǒng)供電方式設(shè)計由于本模塊的使用現(xiàn)場環(huán)境相對特殊，故對于電源的設(shè)計必須充分考慮到系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。長期以來單片機系統(tǒng)中使用的集成電路器件絕大多數(shù)在5V或3V的典型電壓下工作。為了避免采用多電源供電方案帶來的供電模塊設(shè)計過于復(fù)雜等問題，在設(shè)計本單片機系統(tǒng)時所采用的集成器件的典型工作電壓均為5V。在本系統(tǒng)中，220V的單相交流電作為電

5、源輸入，輸出為穩(wěn)定的+5V電壓。供電模塊用來實現(xiàn)2205V的電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)計方案如下：首先220V的交流電通過防雷抗干擾電路，接著利用220/18V變壓器降壓，再經(jīng)過橋式整流電路得到18V左右直流電壓，再接著通過一系列的隔離濾波進(jìn)入直流轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器件LM2575最終得到系統(tǒng)正常工作所需要的5V電壓。另外,考慮到現(xiàn)場存在停電的可能性，還應(yīng)該設(shè)計系統(tǒng)的備用電源。備用電源可以采用比較常見的鎳氫電池，當(dāng)系統(tǒng)正常供電時，電池處于充電狀態(tài)，對于充電的管理可以選用比較常用的電源充電管理芯片MAX713來管理備用電池的充電過程。當(dāng)現(xiàn)場停電時，自動轉(zhuǎn)為備用電池給抄表終端系統(tǒng)供電7。正常條件下供電電路系統(tǒng)在正常運行時

6、采用單相交流電源供電方式，提供給單片機穩(wěn)定的+5V電源?？梢圆捎玫湫偷膯蜗鄻蚴秸麟娐返玫?8V直流電壓，后通過直流轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器件LM2575轉(zhuǎn)換得到系統(tǒng)正常工作所需的+5V電壓。備用電池充電電路系統(tǒng)在由外部電源正常供電的同時對備用鎳氫電池進(jìn)行充電。備用電池充電電路的功能主要由電源充電管理芯片MAX713來完成。MAX713系列是Maxim公司生產(chǎn)的快速充電管理芯片，適合116節(jié)鎳氫電池或鎳鎘電池的充電。它可以通過簡單的管腳電壓配置進(jìn)行編程來實現(xiàn)對充電電池數(shù)量和最大充電時間的控制。當(dāng)系統(tǒng)失去外部市電供電電壓以后自動切換為由備用電池供電。3.2系統(tǒng)基本電路設(shè)計由抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖可知，抄表終端要使

7、用兩個串口分別對上層和下層通信，一個串口用作RS-232用來和電表進(jìn)行通信；一個串口用作RS-485用來和數(shù)據(jù)采集計算機通信。由于一般的51單片機只有一個串口驅(qū)動器，因此主控制器可以直接選用華邦公司的具有兩個串口驅(qū)動器的W77E58單片機或者采用一般單串口單片機外加串口擴展芯片例如16C550來擴展出第二個串口5。下面對這兩種方案做簡單的對比。方案1:采用具有兩個串口驅(qū)動器的增強型單片機W77E58。由于串口驅(qū)動器在單片機內(nèi)部，所以不用外部再增加硬件設(shè)備就可以實現(xiàn)雙串口功能，同時這種方案的穩(wěn)定性好也比較可靠，而且相對于采用單串口單片機外加串口擴展芯片16C550成本要低一些。方案2:采用具有一

8、個串口驅(qū)動器的單片機外加串口擴展芯片16C550。這種方案是對單片機擴展了一組外部寄存器，硬件投入比方案1多,系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有方案1好?？刂坪诵腤77E58單片機根據(jù)上文所述對單片機功能的要求以及方案的對比，本設(shè)計采用華邦公司的雙串口單片機W77E58。W77E58單片機內(nèi)含2個增強型串口和32kB大容量Flash存儲器，指令集與51系列單片機完全兼容,非常適合在智能化監(jiān)控系統(tǒng)中使用6。時鐘振蕩電路是CPU所需要的各種定時控制信號的必備單兀，它為單片機提供時鐘脈沖序列。復(fù)位電路由22uF的電容和1k的電阻及IN4148二極管組成。在滿足單片機可靠復(fù)位的前提下，該復(fù)位電路的優(yōu)點在于降低復(fù)位引腳的對

9、地阻抗，可以顯著增強單片機復(fù)位電路的抗干擾能力；二極管可以實現(xiàn)快速釋放電容電量的功能，滿足短時間復(fù)位的要求。322W77E58單片機核心電路單片機的核心電路包括單片機W77E58、單片機系統(tǒng)中常用的地址鎖存器芯片74LS373和存儲器SRAM6264。由于單片機的I/O引腳有限,實際應(yīng)用中常采用地址鎖存器進(jìn)行單片機系統(tǒng)總線的擴展。本設(shè)計中地址鎖存器74LS373用來擴展單片機的系統(tǒng)總線，以連接單片機和存儲容量為8kB的片外隨機存儲器SRAM6264。SRAM6264采用+5V的單電源，所有的輸入端和輸出端都與TTL電路兼容。WE為寫信號,CS為片選信號，0E為輸出允許信號,DOD7為8位數(shù)據(jù)線

10、,A0A12為13根地址線3,7,8。3.3掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能的實現(xiàn)在單片機控制系統(tǒng)中，通常要保證一些重要的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后不丟失，當(dāng)系統(tǒng)再次上電后能夠正確地讀取這些數(shù)據(jù)。本設(shè)計中就需要實現(xiàn)一些通信數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)功能。實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能的方法有很多，常用的有系統(tǒng)擴展易失性存儲器(RAM)外加電池的方法和系統(tǒng)擴展非易失性存儲器(ROM)的方法。其中系統(tǒng)擴展非易失性存儲器的方法中常使用EEPROM和FLASH作為存儲介質(zhì)。EEPROM也稱為可擦除可編程ROM(ElectricallyErasablePROM),隨著技術(shù)的發(fā)展,EEPROM的擦寫速度將不斷加快，容量將不斷提高，將可作為非易失性的RA

11、M使用。由于所設(shè)計的系統(tǒng)中需要實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能的數(shù)據(jù)不多，所以選用支持IIC總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的串行EEPROMAT24C04作為系統(tǒng)的掉電數(shù)據(jù)保護(hù)介質(zhì)，它擁有5128bit的存儲容量,具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點。它的IIC接口簡單、操作方便，特別適合存儲單片機控制系統(tǒng)中一些重要參數(shù)7,11。331IIC總線簡介IIC(Inter-lntegratedCircuit)總線是由PHILIPS公司開發(fā)的由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。IIC總線最主要的有點是簡單性和有效性。由于接口直接接在組件之上，因此IIC總線占用的空間非常小，減少了電路板的

12、空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。但要注意IIC總線的接口一般為開漏或開集電極輸出，所以在實際電路連接時需要加上拉電阻5。掉電數(shù)據(jù)保護(hù)電路設(shè)計由于所選用的W77E58單片機沒有IIC總線接口，所以我們要用單片機的I/O口模擬IIC總線的時序來實現(xiàn)芯片的讀寫功能。用單片機的普通I/O口模擬IIC總線的硬件連接非常簡單，只需要使用W77E58單片機的P1.0口連接SCL,P1.1口連接SDA即可。3.4基于RS-232、RS-485串行通信接口電路設(shè)計在實際應(yīng)用中，單片機很多時候不是作為一個獨立的控制單元而存在,它還要與其他單元進(jìn)行通信。串行接口是單片機應(yīng)用系統(tǒng)常用的通信接口。在實際應(yīng)用中，單

13、片機系統(tǒng)使用的是TTL電平，單片機中的串口輸出的信號也是如此，但是串行通信中一般使用的是RS-232通信協(xié)議，二者的電平并不相同，需要外接接口進(jìn)行電平匹配。實現(xiàn)這種電平變換可以使用分立元件，也可以采用集成電路芯片，目前較為廣泛的是使用集成電路轉(zhuǎn)換芯片7,8。由于抄表終端與數(shù)據(jù)采集計算機的距離較遠(yuǎn)，采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，帶負(fù)載能力差、通信范圍小，傳送距離不超過15m,難以滿足遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸和控制。長距離通信通常采用RS-485方式。在單片機系統(tǒng)中加入RS-485方式的串行通信，就可以完成抄表終端與遠(yuǎn)程上位數(shù)據(jù)采集計算機的數(shù)據(jù)傳送。RS-485總線采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，傳輸距離

14、遠(yuǎn)。采用雙絞線在100kbit/s的速率時可以傳送的距離為1.2km,若速率降到9600bit/s則傳送距離可達(dá)15km。RS-485可以實現(xiàn)多個負(fù)載的功能。用一對線便可連接多達(dá)32個不同設(shè)備13。RS-232既是電氣標(biāo)準(zhǔn)也是物理標(biāo)準(zhǔn)，而RS-485只是電氣標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)定現(xiàn)實其電氣特性所必需的物理環(huán)境，故可采用RS-232的物理標(biāo)準(zhǔn)。這就為在單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)RS-485通信提供了方便。應(yīng)用時仍使用單片機的串口，但是信號傳遞過程中使用RS-485協(xié)議，以達(dá)到較長的傳輸距離。本系統(tǒng)中需要使用兩個串行通信接口，一個用來和數(shù)據(jù)采集計算機通信，一個用來和電表通信，分別采用RS-485和RS-232標(biāo)準(zhǔn)。

15、參考文獻(xiàn)丁毓山電子式電能表與抄表系統(tǒng)M.北京：中國水利水電出版社,2005.曹振華.電路設(shè)計教程：Protel起步與進(jìn)階M.北京:國防工業(yè)出版社,2007.陳立周，陳宇.單片機原理及其應(yīng)用M.北京:機械工業(yè)出版社,2007.張盛福，王喜斌，張鵬.華邦51單片機原理及應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.胡耀輝，朱朝華.單片機系統(tǒng)開發(fā)實例經(jīng)典M.北京:冶金工業(yè)出版社,2006.余永權(quán).世界流行單片機技術(shù)手冊（歐亞系列）M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.求是科技.單片機典型模塊設(shè)計實例導(dǎo)航M.北京:人民郵電出版社,2004.求是科技.單片機典型外圍器件及其應(yīng)用實例M.北京:人民郵電出版社，2006.沈紅衛(wèi).基于單片機的智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)M.北京:電子工業(yè)出版社,2005.王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.嚴(yán)天峰.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與仿真調(diào)試M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.清源科技.Protel99SE電路原理圖與PCB設(shè)計及仿真M.北京:機械工業(yè)出版社,2007.徐德軍，蔡鍵龍,龔建榮.用單