电气工程及其自动化专业毕业论文基于单片机的远程抄表系统的设计

摘 要本文是针对智能化小区的水表、煤气表抄表系统所作的设计。该设计综合运用了传感器技术、单片机技术以及通信技术，实现了对水煤气表数据采集、存储、处理、传输等工作，使每一位住户的水表、煤气表数据准确传递给物业公司的中央控制室，以便查抄。为了准确地实现水表，煤气表数据地远程抄收，本设计完成了以AT89C52为控制核心，同时具备远程数据采集功能和数据通信功能的系统的硬件设计和软件设计。硬件设计部分包括：(1)智能仪表部分。主要包括通过传感器设计来完成物理量向电信号的转换；(2)数据采集器部分。主要包括单片机及其扩展接口的设计，采集部分的设计、模数转换电路设计，通讯接口设计。在硬件设计过程中尽量做到简化结构，节省外围电路。在软件设计上，主要针对数据采集器的数据采集功能和串行通讯功能进行程序的编写。本设计已成功地应用于一个智能化小区中，运行效果良好。由于本系统结构简单、工作可靠、成本较低，具有很好的应用价值和推广价值。关键词：远程抄表；智能；单片机；AT89C52 The Design and Research on Remote Meter ReadingSystem Based on Single-Chip Microcomputer AbstractWith the development of economy and the improvement of living standard, peoples living condition changed continuously. Safety 、comfort, convenience and healthiness of the-living condition come to become the new requirements. To meet these requirements, the buildings of intelligent residential quarters developed vigorously. It not only saves the manpower and material resources, but also enhances the security. Based on these techniques, data collecting, data processing, data storage as well as data transmitting are realized. The data of the water meter and the gas meter in every family can be transmitted to the center control room exactly.In order to carry out the remote reading of the water meters and gas meters accurately, this paper designed the hardware and software system, which used AT89C52 as the control core and possessed the remote data collecting and date communication function. The hardware design included the follows:(1)Intelligent meter module, converting the physical signals to the electrical signals by the sensor.(2)Data acquisition module, including the designs of microcomputer and its extended interface; the designs of signal demodulator circuit, signal switchover circuit and A/D converted circuit; the design of communicate interface. In the hardware design, this paper tries to simplify the system structure and peripheral circuit. The design has been used in an intelligent residential quarters. Because of the simply structure ， work reliability and low cost, the system has practical and wide-spreading applications.Keyword: Remote meter-reading Intelligently;Residential quarters; SCM ;AT89C52第1章 绪论随着社会经济的发展和生活水平的日益提高，人们对家居环境提出了越来越高的要求，安全、舒适、方便、快捷、人性化、智能化已成为新的追求目标，以往的住宅结构及管理方式越来越不能满足人们的需求。随着电子计算机、网络信息技术和微电子技术的飞速发展给世界的各个领域带来了无限的发展空间，建筑领域也不例外，智能大厦、智能化住宅小区先后出现，也逐渐实现了小区网上物业管理、安防联网报警、宽带上网等，但对于耗能表的计量及其查表出户问题的解决还处于较低的水平。本文是针对于智能化小区的计量表的抄收问题所做的研究。在智能化小区的管理系统中，安全自动化，通信自动化和管理自动化是三个主要的特征。耗能表数据抄收问题是衡量小区管理水平的一个非常重要的，不可回避的问题。对于它们的抄收问题解决是否有效将直接影响到居住的安全性、便捷性，也影响到物业公司的管理工作。以往三表数据的抄收采用人工方式，即供给公司派工作人员到住户家中抄取表的数据，然后回到公司，录入该数据，核算出相应的消费费用，打出收费单据，再派人上门收费，这样不能保证数据的准确性和实时性，会造成大量的人力、物力及时间上的浪费，也可能造成错抄、漏抄、估抄的现象1，给收费人员和住户带来很大的麻烦，甚至造成很多不必要的纠纷。不仅如此，耗能表的入户抄收也相应地会带来社会治安问题，有很多治安案件的发生正是由于犯罪人员冒充抄表、收费人员进行入户抢劫，给住户家居生活的安全性造成很大的威胁23。鉴于水表、气表、电表的人工入户抄收既造成了工作效率低下，时间跨度过大，又存在一定的安全隐患，因此传统抄表方式已经越来越不能适应今后住宅的发展需求和人们的生活需求而逐渐丧失生命力。取而代之的是户外自动抄表，即利用传感技术，控制技术、信息网络技术等将每个住户的耗能表数据传送至户外，再由供给公司集中抄表，这种方法既节省人力、物力、时间，又保证准确性，实时性也不再让住户安全性受到影响。因此，自动抄表方式即满足实际要求，又能提高能源管理的自动化水平和现代化水平，是促使人工抄表方式向着数字化、自动化方向发展的方式4。1.1 远程抄表系统的设计原则远程抄表系统作为一个控制系统，是由各个功能模块组合在一起之后形成的具有数据链锁处理过程的组件，因此，具体的设计原则应考虑以下几条45：a）可靠性和实用性。b）唯一性和一致性。c）先进性。d）易扩展性。e）开放性。f）易于维修。g）优越的性能价格比。1.2 设计的关键设计开发一套控制系统并不是掌握它的设计原则就可以的，原则只是在设计过程中遵循和考虑的规律，除了它们之外，还有许多关键性的因素必须要考虑：市场定位、经济性以及技术因素。技术因素是功能实现的决定性因素。系统是由很多部件组成，部件间的连接，数据的传递和累积及各种功能的实现必须要建立在一定的技术平台上。目前关系到自动抄表系统的技术平台有：(1)电子技术平台。(2)计算机技术平台。(3)控制技术平台。(4)通信技术平台。1.3 系统功能的确定确定系统的功能要从实际出发，综合考虑用户要求、经济因素、技术因素、人文因素、环境因素的特点，设计出经济实用，简单易操作的系统。作为在智能小区中应用的远程抄表系统应具备的功能及特点：(1)具有正常的数据采集、数据校验功能。能够准确完成对水表、煤气表的数据进行采集、处理，存储工作，以便向PC机发送数据。(2)通信功能。具有接收PC机的指令，与PC机进行信息交换的功能。(3)24小时不间断工作，并有先进可靠的断电保护功能，在外部电力网线突然掉电的情况下，对数据进行保护以防丢失。(4)防盗取功能，能够准确地区分出正常信号或盗取信号，对正常信号进行记录，对盗取信号不予理睬，提高计量的有效性。(5)自动复位功能。程序运行的过程中，由于某原因造成程序跑飞，或进入死循环，系统应能够自动复位，程序重新运行，提高程序运行的可靠性。(6)提供备用电源。在外网断电的情况下，要保证采集器正常工作，需提供备用电源。第2章 硬件电路设计任何一个系统功能的实现都离不开硬件的支持，它是系统功能实现的物质基础。硬件的设计要根据功能的要求和系统的工作原理来进行。经过系统结构模型的建立和通信网络的选择之后，远程抄表系统的具体结构原理如图1-1如下：RS485微 机数据采集板数据采集板水表煤气表水表煤气表图1-1 远程抄表系统的具体结构原理图由图1-1可以看出，系统的工作原理是：前端智能仪表根据实际耗能的情况产生计量脉冲，数据采集板对发送来的计量脉冲进行判断分析，接收处理、存储，当上位机要求查询耗能情况时，通过RS-485网络将命令传达给数据采集板，数据采集板在收到命令后把存储的数据信息发送给网络，传给PC机，这样就完成了一次数据交换，也可以说是完成一次查询任务。建立一个功能齐备的系统需准确定位每个组成部分的功能，并根据功能，选择最为合适的配置，遵循“技术与功能匹配，设备与技术匹配，设备和设备匹配的原则”。一个项目定下来以后，经过详细调研，方案论证后，就进入了正式的研究的阶段。为使硬件设计尽可能合理，应重点考虑以下几点6：(1)尽可能采用功能强的芯片，以简化电路。(2)留有余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改、扩展的方便。ROM空间。目前EPROM的容量越来越大，一般选用2764以上的EPROM，它们都是28脚，要升级很方便。RAM空间。为增强软件数据处理功能，必须要有足够的RAM空间。I/O端口。在硬件设计时，多设计出一些I/O端口，保证所有需要采集的信号都能够被送入处理器，并且对所有需要控制的物理量以及新增的输入输出量留有进出处理器的通道。A/D和D/A通道。和I/O端口同样的原因，留出一些A/D和D/A通道，将来可能会解决大问题。(3)以软代硬。单片机和数字电路的本质区别就是它具有软件系统。很多硬件电路做到的，软件也能做到。原则上，只要软件能做到的，就不用硬件。硬件多了不但增加成本，而且系统的故障率也提高了。以软代硬的实质是时间代替空间，软件执行程序需要消耗时间，因此这种代替带来的不足就是实时性下降。在实时性要求不高的场合，以软代硬是很合算的。(4)工艺设计。包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试维修的方便。另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。综合考虑各种因素之后，将远程抄表系统的硬件设计为如下几个部分：1智能仪表设计。主要涉及传感器的选择和传感器电路设计。2数据采集板(数据采集器)设计。包括芯片，器件的选择及其实现电路的设计。3通信部分设计。主要包括通信标准、器件和传输介质的选择及电路设计。4微机（PC机）。选择合适的操作平台。其中数据采集板的软、硬件设计是本课题的关键内容。2.1 智能仪表部分硬件设计目前国内外普通采用的自动抄表方式有三种：IC卡自动抄表、电力载波自动抄表，远程自动抄表方式，它们拥有各自的特点及适用范围8。智能仪表是整个系统的最前端，是脉冲信号产生的发源地，也是脉冲信号传输的起始端，在这里产生的脉冲信号是否准确有效，直接影响到单片机的计量结果，对整个系统的可靠性来说是非常重要的7。本系统中的智能仪表是在普通机械水表、煤气表的基础上加装传感器改造而成的。普通的机械表利用的是机械传动的原理来记录数据的，它们是靠齿轮间的啮合关系来完成的。而要想把普通的机械运动的结果转变为电信号就必须依靠传感器技术，传感器实质上是一种基于磁电转换技术，光电转换技术的脉冲电路单元。当前，传感器技术有很多种910。(1)干簧管传感器(2)霍尔传感器(3)光电传感器(4)红外线传感器(5)IC卡控制器(6)电子传感器其中干簧管传感器由于转换方便，成本低，体积小，重量轻等优点在智能水表的开发研制中占有一席之地。本课题选用的是WB2014型号的干簧管传感器，干簧管传感器技术利用的是电磁转换原理来工作的，如图2-1所示：图2 -1 传感器结构图表2-1 干簧管参数表触点负载5W最大开关电压最大开关电流接触电阻 ( 初始值 )动作时间释放时间耐高压触点电容绝缘电阻谐振频率工作温度范围最高湿度最高工作频率电气寿命100 VDC / VAC0.5A100 mOhms1.0 mSec.(Max.)0.4 mSec.(Max.)220VDC(AT25)0.7 pF1010 Ohms4 kHz-60 +155 98% (Max.)100 Hz108(5V ,10mA) 105(24V, 400mA)在机械表的指针上安装磁钢，磁钢是一种永磁铁，具有很强的磁力，当机械水表或煤气表的指针受到冲击产生旋转之后，附着在上面的磁钢也跟着旋转。当磁钢旋转到干簧管两簧片对应位置时，簧片由于受到磁钢的磁力作用而吸合，由其转换电路产生一个输出脉冲11。指针每转一圈，磁钢跟着旋转一圈，干簧管吸合一次，这样就把指针旋转一圈所代表的水量、煤气量由干簧管的一次吸合来替代。干簧管的吸合或断开是一个开关量，而采集系统识别的是电信号，因此需要进行开关量与电信号之间的转换。为了防止有人在智能水表或智能煤气表上恶意使用磁铁使干簧管永久性闭合，失去产生脉冲信号的能力，而达到盗用水、煤气的目的，本文设计了具有防盗功能的传感器，其电路原理图如图2-2示：图2-2 传感器电路原理图该电路由三只阻值不同的电阻及两只干簧管组成。G1、G2分别表示两只干簧管，当不同的干簧管闭合时，由于电阻的分压作用在输出端就会产生对应不同的输出电压，代表传感器不同的工作状态。干簧管每闭合一次，输出端就输出一个电压信号，这个电压信号就是系统将要分析和记录的脉冲信号。干簧管G1、G2闭合分别表示传感器产生正常脉冲信号和被盗取时的脉冲信号，也就是说如果G1闭合，那么说明是用户正常用水使其闭合的，采集器需进行记录；如果G2闭合则说明住户在盗用水，应提请注意并报警；如果G1、G2都闭合，则说明传感器被短路了；如果G1、G2都断开了，则说明传感器被断路了。关于如何判断产生的脉冲信号是有效的，盗取的，短路的，还是断路的，则是由软件来完成。通过以上的分析，知道需要采集器记录的脉冲信号是由传感器电路产生的。以水表为例，由传感器结构图可以看出，干簧管吸合一次代表着指针转过一圈，指针旋转的速度越快，则干簧管开、关的频率也就越快。由机械常识可以知道，指针数量级别越小，旋转一圈所需要的时间就越短，代表的流量也就越少，计算流量的精度也就越高。通常的机械表设置指针级别由10000吨一直到0.0001吨，而机械表主叶轮则比0.0001吨还要小一个级别，磁钢旋转一圈，说明流过的水量（煤气）是该级别的10倍，即为一个脉冲信号为该级别的10倍流量，由此不难看出，在同样用水情况下，磁钢所在指针级别越小，干簧管吸合，断开就越频繁，输出的脉冲数量越多，采集器的接收，处理工作越繁忙，需要的存储空间越大。这样不但会导制干簧管因频繁闭合而降低寿命，也会影响采集器处理其它工作。根据人们日常的生活习惯，也充分考虑到计量精度的问题，本课题设计时，对于水表选用将磁钢安装级别为0.01吨的指针上，干簧管闭合一次代表流水量为0.1吨，即1个脉冲相当于0.1吨水，而煤气表的磁钢则安放在0.001m3指针上。一个脉冲代表0.01m3的 煤气用量。由此也可以总结出：耗能表的实际耗能数据与脉冲数量之间的关系可以用一个公式来表示12：实际耗能值=脉冲数量脉冲常数基表常数 (2-1)在此系统中传感器不单独设立电源，它与数据采集板之间用双绞线相连，双绞线既是信号传输线，又是电源线，由数据采集板供电，以实现低功耗。2.2 数据采集板硬件设计传感器电路根据实际的耗能情况产生相应的计数脉冲后，接下来就要由数据采集系统对脉冲信号进行采集、处理、保存、等待向微机发送。因此，数据采集系统是整个控制系统的核心部分，事关系统工作成败。随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D的出现，数据采集结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件过程控制器组成的采集系统被微处理器控制的数据采集系统所代替22。数据采集系统一般由A/D、CPU、RAM、EPROM组成，其原理如框图2-3所示：传感器A/D单片机输入输出电路信号调理信号调理图2-3 数据采集系统原理框图本设计根据实际情况，由CPU、RAM、EPROM组成的部分可由单片机来代替。在传感器信号调理信号调理电路切换输入输出电路单片机A/D数据采集系统中，传感器产生脉冲信号是第一个环节，该部分的内容在前面智能仪表中已经介绍过，这里不再赘述。2.3 基本系统（单片机）设计本设计中的数据采集板是针对一个楼道口的十二户住户的水表，煤气表的采集需求设计的，采集板一方面与传感器直接相连实时监测测量状态，一方面通过串行接口与物业管理中心的PC机通讯，将采集数据报送给PC机。采集器起着沟通测量现场（住户条件）和管理中心的桥梁作用。作为数据采集板的数据采集处理以及管理等工作核心的基本系统的选择是非常重要的，本课题的基本系统结构框图如图2-4：AT89C52复位电路外部存储器供电电源电路时钟电路与PC机通讯接口电路输入输出电路图2-4 基本系统结构框图2.4 通讯方式的选择计算机CPU与外部交换信息的方式有两种：并行通信和串行通信。并行通信就是将所有的数据同时传递，其优点就是传送速度快，效率高，但传送多少位数据就需要多少根传输线，因此成本很高。在集成电路芯片的内部、同一插件板上各个部件之间、同一机箱内各个插件板之间等的数据传送都是并行的。并行传递的距离通常小于30m。串行通信的数据各位按顺序传输，其特点是只需一对传输线即可完成传输任务，成本低、速度慢、效率低，但传输距离可以从几米到几千公里。在计算机测控系统中，由于测控对象与控制中心之间距离一般较远，因此，一般都采用串行方式171314。根据对数据流的分界，定时及同步的方法不同，串行通信又可分为异步串行通信方式和同步串行方式。异步串行方式是以字符为信息单位传送的，即一个字符一个字符地传送，每一次传送的信息量少，一帧信息只包含一个字符；而同步串行通信是以数据块为信息单位传送，每帧信息包含成百上千字符，每次传送的位信息量大17。因而异步串行通信一般用在传送数据量较少和数据传输率要求不是很高的场合。在计算机测控系统中，数据通讯主要采用异步串行通讯方式。在设计通讯接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质，电平转换和通讯控制芯片等问题，以保证通讯的可靠性，通讯速度，通讯距离和抗干扰能力。不同的串行标准接口的特点不同，具体的选择原则是17：1可靠性。2通讯速度和通讯距离。3通讯信道的抗干扰能力。2.4.1 RS-232接口标准RS-232是串行通讯中应用最广泛的标准总线，它最初是为远程通信直接数据终端设备DTE与数据通信设DCE而制定的，该标准适用于DCE和ETE之间点对点的串行二进制通信，通信速率为4800，9600，192006bps等，最高通信速率为19.2kbps，在通信速率不高于20kbps时、RS-232所能连接的最远距离为15m，驱动器的负载电容应小于2500pf。为保证二进制数据能够正确传送，设备控制准确的完成，有必要使所用的信号电平保持一致，为此RS-232规定+3+15V之间的任意数据表示逻辑“0”电平，-3-150之间的任意电压表示逻辑“1”电平。2.4.2 RS-485接口标准RS-485接口标准与RS-422标准一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准，它在RS-422A的基础上进行了扩展。RS-485标准允许在电路中有多个发送器，允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是驱动发送器，接收器或收发器组合单元。RS-485标准的共线电路结构在一对平衡传输线的两端配置终端电阻，其发送器，接收器或组合收发器可挂接在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共享同一传输线的多点应用。RS-485标准的特点有2324：由于RS-485标准采用差动发送/接收方式，所以共模抑制比高，抗干扰能力强。传输率速高。它允许的最大传输速率可达10Mbps。检测精度高。可检测到低于200mv的电压。传输距离远。采用双绞线，当传输速率为100kbps时，可传送到1.2km。若传输速率下降，应可以提高传输距离。实现多层对多点的通信。RS-485可以联网构成分布系统最多可以另行挂接32个驱动器和32个接收器。 2.4.3 I2C总线接口I2C总线是一种串行的数据总线，挂在总线上的各集成电路模块通过一条串行数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL），按一定的通信协议进行寻址和信息传送。I2C总线具有多重主控能力。这意味着可以有多个具有作为主控器能力的芯片去控制占用总线。挂接在总线上的集成电路模块可根据其不同的工作状态，分为主控发送器，主控接收器，被控（从）发送器，被控（从）接收器。总线上数据传送的最高速率为400kbps，连接到总线上的器件数量以每根线不超过400PF总线电容为限。结合系统工作的实际情况：一个采集器可以采集多户居民的水表和煤气表数据，整个小区目前需要几十个采集器，这些采集器工作性质相同，一方面循环采集各户水表，煤气表的状态和测量它们的数值，一方面与PC机联系，按照PC机的要求，将存储器当中的相关数据传送给PC机，由PC机实现参数设置，数据存储等功能2930。充分考虑到系统通信距离，通信速率以及抗干扰能力等通讯方式主要的选择原则，本系统选择具有平衡方式传输特性的RS-485串行接口方式，由PC机与多个采集器组成一个主从式网络结构，且为一主多从，PC机作为主机可与每个采集器通信，告诉采集器PC机的要求，而采集器之间不能通信，也不能主动向PC机发送信息，什么时候通信以及做什么事情都由PC机来控制，PC机与采集器之间采用半双工方式通信。其结构如图2-5所示：PC机RS232RS232/485转换器数据采集板RS485数据采集板RS485图2-5 系统通信结构原理图第3章 硬件原理3.1 控制核心AT89C52根据以上对单片机功能要求，本课题采用AT89C52单片机。AT89C52单片机属于AT89C51的增强型，其主要工作特性是2425：(1)片内程序存储器内含8KB的Flash存储器，可擦写寿命为1000次；(2)片内数据存储器内含256字节的RAM；(3)具有32根可编程I/O线；(4)具有3个可编程定时器；(5)中断系统是具有8个中断源，6个中断矢量，2级优先权的中断结构；(6)串行口是具有1个全双工的可编程串行通信接口；(7)具有1个数据指针DPTR；(8)低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；(9)具有可编程的3级程序锁定位；(10)AT89C52的工作电压为5（10.2）V，其典型值为5V；(11)AT89C52最高工作频率为24MHZ，编程频率为324MHZ，可编程电流1mA；与AT89C51相比，AT89C52主要增加了以下功能：(1)程序存储器由4KB增加到8KB；(2)片内RAM由128字节增加到256字节；(3)定时器由2个增加到3个；(4)P1.0和P1.1口增加了替代功能；(5)中断系统由6个中断源增加到8个，中断矢量由5个增加到6个。3.2 AT89C52引脚功能分配本课题根据系统功能要求及AT89C52单片机的工作特性，对引脚功能进行分配如下：(1)P0.0-P0.7作为脉冲信号输入端口；(2) P1.0、P1.3、P1.4作为扩展存储器EEPROM的控制端口；(3) P1.5用来控制主电源与备用电源之间的切换；(4) XTAL1、XTAL2用来控制时钟电路；(5) P3.0、P1.2、P3.1用来控制通讯模块工作状态；(6) RST用来控制复位电路的工作状态。3.3 AT89C52的扩展电路3.3.1 时钟电路 时钟振荡电路是CPU所需要的各种定时控制信号的必备单元。它为单片机提供时钟脉冲序列，提供11.059MHZ的晶振频率。3.3.2 复位电路 几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单处机上电时能可靠复位；在下电时能防止程序乱飞，保证E2PROM中的数据不被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各因素的影响，有可能出现死机现象，导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，采用简单的复位电路，电路图3-1如下：图3-1复位电路原理图由电路图可以看出，该接口电路的作用是：提供复位信号3.3.3 AT89C52的供电电路AT89C52的供电电路分为主供电电源和备用供电电源电路两部分。 主供电电源电路如图 3-2：图3-2 主供电电源电路图低压交流电源经桥式电路整流后，转变为直流电源，输出值为变压后值3倍，一般15V左右。并经IN4007二极管后送入稳压器LM7805的输入端。由于LM7805的稳压作用，在输出端产生5V的稳压直流电，之所以选用LM7805，是因为它的稳压比比较大，AT89C52平时正常工作时的电压就由此电路供给。 用电源电路在正常情况下，采集器是由低压系统供电经过变压，滤波，整流和稳压得到的。但有时系统电网发生断电时，按规定采集器应该仍旧继续工作，此时必须引进备用电源。在本设计中，备用电源选择的是6V，4Ah的蓄电池。当单片机由于某些原因突然掉电时，为了保证单片机正常工作不受影响，电源自动切换到备用电源状态，如图3-3所示，在软件上将P1.5置1，导致Q2（NPN1）饱和导通，相应的Q3（PNP）导通，VDD=VBT，由备用电源继续供电。图3-3 备用电源电路3.3.4 A/D转换电路设计ADC是计算机同外界交换信息所必须的接口器件，因为它能将描述自然现象和生产过程的模拟量转换成便于计算机存储和处理数字量。因此，从某种意义上说，没有ADC的广泛应用，就没有计算机应用技术的发展。ADC的种类很多，性能各不相同，在实际工作中，选择ADC需考虑的指标有：分辨率、转换时间、精度、电源、输入电源范围、工作环境、数字输出特性、价格等25。本课题选用LM339作为ADC，来完成模数转换。如图3-4所示：图3-4 模数转换原理图其工作原理是：经CD4052选通之后的采集信号被送入由LM339组成的信号比较电路来完成模数转换如图10所示：在各比较器的负端都接有输入电阻，相应的会产生分压，而采集信号的电压值则由比较器的正端输入，与4个输入负端分压值进行比较，若比分压值高，则比较器输出1；若比分压值低，就输入出0，这样就把每一个采集到的脉冲信号转换为一个四位二进制数传送到CPU，再由CPU判断采集到的信号是开路信号、短路、盗取信号、正常信号，还是无输入信号当中的哪一种。最后由CPU决定是否进行计数，记录在哪一个单元中。这样的巡查每0.5秒进行一次。3.3.5显示电路设计除了以上的体现系统功能的主要电路设计之外，还设计了系统工作状态显示电路如图3-5所示，利用发光二极管可随时监控系统工作状态。图3-5 系统工作状态显示电路3.3.6外接存储器电路E2PROM在单片机实现的仪器仪表、家用电器、工业控制等系统中，对某些状态参数，不仅要求能够在线修改，而且断电后能保持，以备上电后恢复系统的状态。本设计为了确保系统断电后数据不丢失，选用I2C总线进行E2PROM串行扩展，芯片选用AT24C01A芯片，它与单片机的接口方法见图3-6所示：图3-6 单片机与AT24C01A接口原理图3.4 通讯接口的硬件设计PC机所使用的电平为TTL电平，而与正常使用的正、负电平不兼容，因此必须进行电平转换，才能完成数据交换。PC机上一般都配有两个RS-232串行接口，即com1和com2要实现PC机和下位机（单片机）的通讯，需要设计一个性能可靠的RS-232与RS-485的转换接口31。3.4.1 RS-232与TTL电平的转换RS-232是用正负电平来表示逻辑状态的，而TTL电平是以高低电平“1”、“0”表示逻辑状态的，二者的电气规范不一致。PC机为了能同非TTL器件接口，必须进行电平和逻辑关系的变换，在本设计中选择MAXIM公司生产的MAX232实现这一变换，MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232输出电平所需的10V电压，所以该芯片仅需+5V电源便可工作，实际应用中，T1IN，T2IN可直接接TTL/CMOS、AT89C52电平的单片机的串行发送端TXD；R1OUT、R2OUT可直接接TTL/CMOS电平的AT89C52单片机的串行接收端RXD；T1OUT、T2OUT可直接接PC机的RS-232串行接口的接收端RXD；R1IN、R2IN可直接接PC机的RS-232串行接口的发送端TXD。3.4.2 RS-485与TTL电平的转换与RS-232电平转换类似，要想实现数据远传，必须将TTL电平与RS-485标准的电平进行转换才可以。而PC机上没有RS-485接口，只有RS-232接口。本课题选用隔离型RS232/485转换器来完成电平的转换，此转换器能够将RS232的TDX和RDX信号换成平衡的半双工RS485信号1516。RS232/485转换器可以根据需要挂接的RS485接口的数量选择一托二型或是一托三型。RS485接口芯片的选择对RS485接口的抗干扰能力、可挂接的接收器、发送器的数量以及传输速度等都有着重要的影响。本课题采用的是TI公司75LBC184芯片作为RS-485的接口芯片。该芯片与普通的RS485收发器相比，有一个显著的特点，那就是片内A、B引脚接有高能量顺变干扰保护装置，可以承受峰值为400W（典型值）的过压顺变，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。如图3-7所示： 图3-7 75LBC184及MAX485引脚图A为RS-485总线接口，DI是发送端，RO为接收端，分别与单片机串行口的TXD、RXD连接，RE、DE为收发使能端，由单片机的P1.2口作为收发控制，芯片的驱动能力与输入阻抗有关， RS485芯片最多可挂接64台驱动器和接收器，最大传输速率10Mbps，当传输速率为100bps时，最大传输距离1200米。本系统设计的RS-485与AT89C52的接口电路原理如图14所示，其工作原理为：P1.2=1时，接收使能端RE=0，发送使能端DE=0，MAX485作为接收器；P1.2=0时，接收使能端RE=1，发送使能端DE=1，MAX485作为发送器。如图3-8所示：图3-8 MAX485与AT89C52接口原理图PC机与采集器进行一主多从通信的方式，由于PC机为主机，由它决定通信线路上数据的传送；而采集器工作在从机方式，等待PC机的命令，因而一般处于“收”状态，以侦听PC机发出的信息。当PC机发出信息后，RS-485接收端R0=1并将信息传递给每一个采集器，采集器收到信息后与本机地址进行核对，如果相符，才根据PC机的要求发送数据。如果采集器要向PC机发送数据时，DI=1，这样完成一次通信。在同一时刻，RS-485只能工作在接收或者是发送状态当中的一种方式，不能同时进行两项工作，即所以体现主从之间的半双工通信方式1722。RS-485总线选择二线制，带屏敝的双绞线作为信号传输线，这是因为双绞线在长度，方向上完全对称；因而它们所受的外界干扰程度完全相同，可以相互抵消。当干扰信息以共模方式出现，在接收器的输入端由于共模干扰受到抑制，所以能实现信号的可靠传送，屏敝层必须可靠接地，每个采集器也必须可靠接地179。除此之外，信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象，从而影响信号在传输距离较远的情况下的传送效果，因而采用匹配的方法采集消除反射。总线匹配的方式有两种：一种是加匹配电阻，在总线A、B之间跨接匹配电阻。另一种是RC匹配，双绞线（一般要求节距比D/d10，D为节距，d为线外径）的特性阻抗一般在10130欧姆之间，它通常与线的绝缘材料的厚度及导线的直径有关，RS-485信号线适宜选用截面积为0.75m2以上双绞线。由以上几节内容的介绍，可以总结出数据采集板的工作原理如图3-9所示：电源供电部分通信部分输入输出部分ADCE2PROM时钟电路复位电路传感信号部分ATC89C52图3-9 数据采集板的工作原理图完成的功能： 对传感器传送来的脉冲信号进行判断、识别、采集、记录、整理、保存。通过通信接口与上位机进行信息传递。第4章 系统软件设计本课题所设计的系统简化了以往设计的户机采集器PC机的组成结构，合并了户机和采集器，从某种意义上来说户机和采集器的功能是相同的。户机用来循环采集传感器输出的脉冲信号并进行记录，而采集器除了也进行同样的重复工作以外，因此，本课题设计了集数据采集和通讯功能于一体的数据采集器，以实现结构上的简化。在软件功能设计上，数据采集器主要完成：循环采集各路传感器输入的脉冲信号，并对输入的脉冲信号进行判断、分析、记录、处理以及保存。与上位机即PC机进行通讯。按照PC机的要求向其发送数据信息或设置、修改存储内容。根据功能的设定，软件设计采用自上向下，模块化、结构化的程序设计方法，把整个编程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个模块相互独立，其正确与否不依赖于其它模块，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，这样编制的程序易于调试修改，可读性好。在本系统中，软件的设计包括两个部分：采集器的计量部分软件设计和通信部分的软件设计，本章重点介绍采集器采集，计量部分的软件设计，此部分软件由汇编语言开发，包括自检、初始化、测量等模块。4.1 采集器计数方式本设计中对水量或煤气量的测量不是采用瞬时量测量，而是采用查询方式进行测量的方法。因为瞬时测量会造成单片机任务过于繁重，占用过多的单片机空间，影响单片机的其它正常工作。另外也没有必要采用瞬时量测量，因为通常情况下，自来水公司或煤气公司以按照每户使用水的吨数和煤气的立方米数来查表以及收费的。而查询测量式则减少了记录次数，也符合人们的习惯。具体地说就是单片机循环查询每一个传感器的输出，记录其当前状态，并与上一次状态进行比较，比较结果如果一致则不予理睬，如果不一致则重新比较，若是仍然不一致，则对该脉冲信号在对应单元进行记录。例如：对于水表计量来说，每流过0.1吨的水传感器就发送一个脉冲，说明需要记录流量，但CPU仍然继续原有工作，直到下一轮查询到该表时，再进行处理。经确认为有效信号后在对应的存储单元中加0.1，并用累加后的结果重写存储器中的记录。与此类似，在煤气表采集程序中做加0.01处理。采集板每一次查询全部24路数据所需要的时间是0.5秒。而正常脉冲信号电平转换后维持的时间都在几十秒，因此不会漏记。4.2 程序流程图在本设计中，采集器对各路数据的采集作为主程序，而脉冲信号的计量作为子程序来处理。除此之外，还应有具体耗能量的计算以及中断子程序。4.2.1 采集器主程序流程图：开始 初始化：1、设置推栈指针。2、设置串行口工作在方式1；设置SMOD=0；T0工作在模式1，定时方式；T1工作在模式2，定时方式；自动装载T0，T1定时初值。3、各计数单元，标志位清零。4、开中断读入各路数据初始状态到对应工作单元进入主循环：循环检测各路数据状态。图4-1 采集器主程序流程图采集器主程序主要作用是循环检测各个传感器的输出状态，以备比较。包括初始化程序和主循环程序。在初始化程序中设置堆栈指针；确定串行工作方式：将串行口控制寄存器SCON置为50H，确定串行口工作在方式1下；设置定时计数器T0、T1的工作方式：将工作方式控制寄存器TMOD置为21H，T0工作在模式1下，定时方式，T1工作在模式2下，定时方式，装载T0、T1定时初值。初始化程序结束之后，进入主循环程序，循环检测各路脉冲输入情况。4.2.2 采集器主循环程序流程图：开 始读输入是否有输入输入是否有效是否有输入输入是否有效调用相应水、煤气处理子程序读输入进入下一个计量通道提供复位信号返 回调用相应水、煤气处理子程序YYYYNNNN图4-2 采集器主循环程序流程图该程序主要用来对传感器发出的脉冲信号进行分析、比较并判断其是否为有效信号进而决定是否对其记录。传感器大多数情况下不发送脉冲只有小磁钢转过一圈，干簧管吸合，才能发送一个脉冲，因此当系统巡查到此类现象时就转去查询下一个传感器。若是有脉冲信号输入，那么该信号有可能正常信号、盗取信号、短路信号或是断路信号。这就需要单片机对信号进行判断。经判断为有效的信号后在对应的处理通道中进行记录及计算。4.2.3 水（煤气）耗能量计算处理子程序：开 始输入非法否是否为一个计量脉冲水表（煤气表）指针加法运算结果储存返回计算通道状态存储地址NYNY图4-3 水（煤气）耗能量计算处理子程序流程图此程序主要用来对有效的输入脉冲信号进行记录和加法运算。为了确保要记录的信号真实有效，在此程序中再次对信号进行判别，无误后，在对应地址单元加0.1，并且重写存储结果。4.2.4 采集器中断服务程序：Y开始关中断保护现场处理水、煤气滤波单元恢复现场返 回开中断长延时时间到否500ms定时时基：重置时间常数 启动定时器T0N图4-4 采集器中断服务程序说明：在该设计中，T0定时/计数器工作方式是定时方式，用于处理长延时计数器。4.2.5 PC机通信流程图：YY开 始发送命令串行初始化，设置波特率及字符格式接受数据发送地址接受从机状态返 回与从机地址相符否从机应答否数据接受完否NYNYN图4-5 PC机通信流程图4.2.6 采集器串行通信流程图：根据命令数据N开 始保护现场读写单户煤气表开 中 断恢 复 数 据取 数返 回读写单户水数据发送数据关 中 断是接受中断否发送完否是本机地址否读写8位字节数据读写整板数据NYNYY图4-6 采集器串行通信流程图 结 论本设计利用 AT89C52芯片，配合传感器模组，可以很容易地测量记录脉冲信号，尤其是一些学习或者工作的室内，可以利用该方案进行记录监测。简单便捷的采集模块在实现准确测量的同时更方便于人们操作和使用。本方案只是一个简单的例子，稍加扩展，就可以做一些挂接、控选等许多领域的方案。参考文献1 徐德军, 蔡键龙, 龚建荣. 用单片机实现远程自动抄表. 电子工程师, 2001, 27(5): 1718.2 刘志中, 孙丽芳, 董庆. 住宅小区远程抄表系统的实现. 电脑开发与应用, 2002, 15(4