毕业设计（论文）- 基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计.doc

基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计1南南阳阳理理工工学学院院本本科科毕毕业业设设计（论文）计（论文）基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计HardwareDesignofRemoteVoltageMonitoringSystemBasedonGPRS学院(系)：电子与电气工程系专业：电气工程及其自动化学生姓名：学号：97107045指导教师（职称）：讲师）评阅教师:完成日期：南阳理工学院NanyangInstituteofTechnology基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计I基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计电气工程及其自动化专业张坤摘要远程电压监测系统按工作过程可以分为三大部分，即电压监测终端设备、GPRS、无线网络、后台管理系统。课题首先研究和分析数据的采集方法，在现有的交流采样理论的基础上提出了改进措施，设计出符合要求远程电压监测系统终端设备。终端设备通过AD模数的转换芯片MAX197实时采集电压信号，单片机AT89C52处理采集到的电压数据并将结果和实时时钟SD2203对应的时间数据通过GPRS模块H7112发送给后台管理系统，同时也将该组数据保存于外部数据储存器AT24C128中。另外还可以通过按键和液晶显示器查询采集到的电压数据，同时还可以进行参数设置。以此实现远程监测电压的目的。关键词远程监测；电压；无线网络；单片机；HardwareDesignofRemoteVoltageMonitoringSystemBasedonGPRSElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyZHANGkunAbstract:BycompassionofschemerequirementandfunctionanalysisweusetheGPRSmodulewhichhasATcommandstocontrolagreementandachieveremotedatatransmission.AndwecomputevirtualvoltaguebasedonACsamplingtheorythatisinexistenceandthenwedesignasetmonitorvoltagesystemwhichcanreal-timeortimingcomputues.TheRTUterminalunitrealtimecollectvoltagesignalwhichbemanagedbySCMwhatcanalsosenddatatoadministersystem.Inadditionwecanusekey-pressandLCMtosettingRTUparameters.Toachievethepurposeofremotemonitoringvoltage.Keywords:Long-distancemonitorvoltagewireless-networksinglechipmicrocomputer基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计II目录1引言.11.1本课题研究的背景和意义.11.2电压监测系统的发展状况.11.3本课题的研究内容以及论文的安排.21.3.1本论文的主要研究内容.21.3.2本论文的工作安排.22GPRS技术简介及其应用.32.1GPRS技术简介及其特点.32.2GPRS的应用及其发展前景.53远程电压监测系统的功能及其设计.54远程监测系统终端硬件设计方案.74.1终端系统的功能要求.74.2单片机系统电路设计.74.2.1单片机时钟电路与复位电路的设计.84.2.2数据采集电路的设计.104.2.3实时时钟电路的设计.114.2.4外部数据储存电路的设计.134.2.5液晶显示电路设计.144.2.6按键的设计.154.2.7单片机与GPRS模块之间的通信电路设计.164.3硬件的调试.184.3.1晶振及复位电路的调试.184.3.2数据采集电路的调试.184.3.3液晶电路的调试.184.3.4串行通讯电路的调试.184.4硬件抗干扰设计.184.4.1滤波设计.194.4.2隔离和屏蔽的设计.19结束语.20参考文献.21致谢.22基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计11引言1.1本课题研究的背景和意义随着我国经济的快速发展，改善电能质量已经成为国家政策的重要内容。电压是电能的主要指标之一。电压质量对电网稳定及电力设备安全运行具有很大的影响。给用户提供优质的电能是保证用户安全生产、产品质量和设备寿命的前提条件。同时供电电压质量是电力系统电能质量的主要指标之一。而电压监测系统是监测电压保证质量的主要手段。电压监测系统的发展主要表现在抄表方式的发展。早起的抄表方式都是抄表员现场手动抄表，这种抄表方式在终端设备数量相对较少、位置相对集中的情况下效果较好。但在终端设备数量较多、位置比较分散的情况下，这种传统的手动抄表方式存在着许多缺点：例如在工业现场，一些终端设备可能被放置在距离很远或者是工作环境恶劣的地方，这些都很不利于抄表人员去现场手动抄表；如果某个终端设备发生故障，工作人员将很难发现；传统的终端设备手动抄写消耗大量的人力物力，效率降低。手动抄表不仅劳动强度大、效率低，还存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题。所抄的数据要经过人工输入计算机才能进入管理系统，从而降低了现代化管理系统的先进性。正是由于人工手动抄表存在着以上的不足，人们开始寻找新的能替代劳动密集型的人工抄表方法，自动抄表系统也就应运而生了。远程电压监测系统采用通信、计算机等技术，首先利用电压监测终端设备自动采集电压信号和处理采集到的数据；然后通过无线网络将结果上传至后台管理系统，由计算机对数据进行统计、显示、存储、打印。远程电压监测系统的出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多问题，并且提高了工作效率和数据的准确性。随着近年来计算机技术、网络技术和微电子技术的飞速发展，越来越多的新技术应用于自动抄表系统，它们能够降低设备成本，提高可靠性、准确性和效率，己展现出十分广阔的应用前景。1.2电压监测系统的发展状况远程电压监测系统是不需要人员到达现场，使用计算机技术、通信技术、网络技术和微电子技术相结合，通过一定的网络设备建立通讯联系，具有高度集成性，软件、硬件为一体，对电压值数据自动正确采集、传输、统计及综合分析的系统。具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与配电网管理系统联网等突出的优点。采用自动抄表系统可以降低抄表人员的劳动强度、降低人为因素造成的抄表误差。根据资料显示，目前国外在自动远程抄表方面技术研究得比较早，在配电网建设基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计2方面的发展相比于国内要先进得多，但对利用GPRS网络进行远程电压监测的研究时间也不长，但近年来己成为一个研究热点。在国内，利用GPRS网络进行远程监测的研究基本处于研制阶段，很少大范围推广应用及产品出售，但是它代表了今后的一种发展方向，己成为一种比较成熟的技术。我国远程自动抄表系统的起步比国外晚，20世纪80年代才开始研究远程自动抄表系统。但是近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多种自动化抄表方式并存的格局，同样对于利用GPRS网络对配电网的电压监测有了一定的研究。由于电网分布呈辐射状的特点，采用传统的通信方式，其造价、维护、时效等方面都不能很全面的满足电力用户的需求。然而随着TT技术的发展和成熟，作为公众通信网的全球移动通信网覆盖了全国城乡，利用公众网开展电力信息数据传输，使电压监测与信息领域的前沿技术相结合，利用GPRS网络可形成一个高效、准确、及时的远程电压监测系统。1.3本课题的研究内容以及论文的安排1.3.1本论文的主要研究内容由于我国的电网波动比较大，稳定性比较差，电压监测系统是监测电压的主要手段是提供稳定电压的首要条件。同时在电点监测系统中，监测点分散不适合搭建有线通信网络，基于这些原因，引出了本研究课题。本课题主要是利用交流采样及改进的算法实时计算出采集到的电压有效值，利用GPRS通信实现电压监测终端与后台管理系统的数据传输，达到实时监测和无线传输的目的，具体要求研究设计用于数据采集、处理、传输的软硬系统。本课题的解决方案:单片机动态调整采样周期实现电压的采集和处理，与GPRS无线网络的结合，使得该系统具有采样精度高、实时性好、可靠性强、费用低、灵活性好的特点。1.3.2本论文的工作安排本课题要进行的主要工作如下:(1)查找和阅读涉及数据采集、单片机及外围电路、GPRS的技术资料和标准。(2)分析硬件原理，设计出以单片机AT89C52为核心的电压监测终端系统硬件电路。(3)选取合适的GPRS模块作为通信连接模块。并制定统一的通信协议。主要是设定数据格式、波特率等。(4)对设计的电压监测系统进行调试:包括终端部分硬件和软件的调试以及后台管理的整体调试。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计3本项目的研究是对多门学科的综合应用，涉及的相关内容包括数据采集计算、单片机为核心的硬件和软件设计、接口技术、GPRS通信技术、后台管理系统的设计及相关程序编写等。该系统的设计要点是采用AT89C52单片机来实现电压数据的采集和处理，既可以通过LCD显示所采集的电压数据信息，同时也可以通过GPRS网络将采集到的电压数据信息发送给后台管理系统，后台管理系统保存、统计、分析、打印接收到的电压数据。通过查阅近期国内外的有关技术资料，对现有的监测系统的性能、适用范围、工作条件等进行了对比分析。确定了本系统集先进的GPRS通信技术、数据采集技术、数据库技术于一体，设计基于GPRS的远程电压监测系统。2GPRS技术简介及其应用2.1GPRS技术简介及其特点GPRS(GeneralPackedRadioService)是通用分组无线业务的英文简称，介于移动通信第二代和第三代技术之间，是在现有GSM(全球移动通讯)系统上发展出来的一种新的数据承载和传输业务，它的基本功能是在移动终端和Internet网络的路由器之间传播分组GPRS是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP或X.25服务，成为该类行业未来发展所不可缺少的部分。GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的调频规则以及同样的TDMA帧结构，这种新的分组数据通道与当前的电路交换的语音业务信道极其相似，但与GSM电路交换相比，GPRS非常重要的优点是引入了分组交换能力，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据传输，GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线通道，同一无线通道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率达160Kbps。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本，其特点突出表现为:(1)快捷登陆:GPRS通信设备开机，就可以始终附着在GPRS网络上，附着时间一般3秒钟左右使用GPRS数据业务时，需要一个激活过程，一般1秒钟左右就能完全接入互联网。通信网络的建立过程非常迅速。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计4(2)快速传输：GPRS由于采用了经济高效的数据分组交换技术，数据封装在每个分组上网发送，发送后不需要次容量时就立即释放，提供了及时连接和高速接入可使无线网络的传输速度达到56-114Kbps的数据传输。(3)实时数据传输：当GPRS模块通过RS232口接收到监测数据时，立即通过GPRS网络将数据传送到后台管理系统，或者后台管理系统发送的串口数据，实现对监测仪表的远程控制。(4)永远在线：可以通过Internet或手机等移动通信设备随时掌握低压线路的运行状态信息，GPRS模块上电即自动拨号上网，一直在线，断线重拨连接，按照接收和发送的数据包的数量来收取费用，没有数据流量传递时，不收费用。(5)按流量计费:用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据量来收取费用，没有数据流量传输时，即使用户一直挂在网上，也不会收取费用。这种计费方式大大降低了通信费用。GPRS模块SIM300C的介绍：SIM300C是具有三波段的GSMGPRS模块，可以在全球范围内的EGSM900MHz、DCS1800MHz、和PCS1900MHz三种频率下工作，具有提供GPRS多信道类型多达10个的能力，并且能够支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4的四种GPRS编码方案。在内部集成了TCPIP协议栈，并且扩展了TCPIPAT指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得特别简单、方便。SIM300C外形尺寸只有小巧的50mm33mm6.2mm，所以特别适合于对产品尺寸大小有严格要求的工业应用，如机器对机器和移动数据通讯系统等。SIM300C是利用节电技术设计的，在睡眠模式下工作电流仅为2.5mA。同时，模块内部集成了充电电路，所以SIM300C非常适合于电池供电等对功耗要求比较高的应用中。模块与移动应用设备是通过一个60引脚的板间连接器相连，它提供除了RF天线接口的其他所有的模块和用户电路板之间的硬件接口。SIM300C的管脚分配如下图1所示。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计5图1SIM300C原理图封装2.2GPRS的应用及其发展前景以GPRS为基础的无线数据系统有很广泛的应用，GPRS主要是为用户提供突发性的数据业务，GPRS使互联网进入无线领域，一直延伸到手掌上。除了支持传统的互联网应用，GPRS也可使无线终端支持B2BB2C的电子商务和电子支付、股票交易、银行转账等应用。GPRS同样可以应用于公司内部网(Intranet)，基于IP的远程LAN接入，使无线终端成为LAN的延伸。GPRS技术可以应用的领域有:(1)电力系统配电网设备监控和大客户抄表；(2)自来水、煤气管道的监控；(3)分布在工厂、街道和野外的环保监测站；(4)水文监测与防汛、抗旱、防风数据采集；(5)停车场所和交通监测数据的传输；(6)气象站数据采集；(7)金融系统POS联网；(8)出租车调度与管理；(9)物流系统的车辆调度管理；(10)跨地域企业的信息化管理。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计6世界电信业的发展趋势是无线语音业务的发展速度超过普通电话业务，二者之间在不断融合，数据业务的发展速度超过语音业务，二者之间也在不断融合。未来的网络将是一个有线、无线与互联网三合一的数字化全球网络，其覆盖将超过一切地理障碍，使信息无处不在。GPRS技术是目前解决通信信息服务的一种较完善的业务，无线互联产业孕育着无线商机。在未来的十年内，世界移动通信和互联网产业仍将持续快速发展，未来将是一个移动互联的世界，移动互联网产业将随通信与网络技术的发展而高速发展，无线上网将超过有线上网，GPRS是2.5G技术，由于中国拥有世界上最大的GSM网，相信在这期间，GPRS在中国将有一个较快的发展。3远程电压监测系统的功能及其设计远程电压监测系统总体需要实现的功能如下:(1)根据要求设置有效电压值的上下限(有效电压值上限为107%，有效电压值下限为90%)；(2)实时监测现场电压变化，计算采集到的电压值并与系统设置值比较:当电压值合格时定时将电压数据保存到外部数据存储器中并同时发送给后台管理系统若电压值超出所规定的范围时及时将电压数据保存到外部数据存储器中并同时发送给后台管理系统；(3)通过按键和液晶显示设置系统时间参数或查询电压数据信息；(4)建立后台管理系统与终端设备系统的通信结构和网络方案；(5)数据库的设计和对数据的管理；(6)系统具有严格的用户管理及数据库维护管理，保证系统安全运行；(7)后台管理系统对接收到的电压和对应的时间数据分类保存、查询、统计和分析；以便对于稳定性较差的监测点及时、准确地制定整改措施，从而有效的提高电压稳定性的管理水平。远程电压监测系统的设计：远程电压监测系统分为两大部分:后台管理系统和电压监测终端设备。采用这种设计方式可以实现一个后台管理系统同时监测多个电压监测终端设备，当需要添加监测点时，只需在需要监测的现场安装好电压监测终端设备，同时在后台管理系统中通过软件进行相应设置，即可对新加入的监测点进行监测。电压监测终端设备安装于需要监测的现场，是可以完全独立运行的监测设备，主要采集电压数据信息，并通过国家标准判断电压的稳定状况，保存采集到的电压数据。GPRS网络是后台管理系统与电压监测终端设备之间进行数据传输的桥梁，电压监测终端设备通过RS232通讯接口将处理过的电压数据和对应的时间数据信息发送给GPRS模基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计7块(GPRS42远程电压监测系统的总体设计模块采用的是深圳宏电公司的H7112型模块)，GPRS模块通过GPRS网络及时的把数据发送到后台管理系统。总体结构如图2所示。GPRS模块后台管理系统InternetGPRS网络GPRS模块GPRS模块监测终端设备监测终端设备图2电压监测系统框图4远程监测系统终端硬件设计方案4.1终端系统的功能要求后台管理系统往往要同时监测所有监测终端设备采集到的数据，但由于终端设备多而且布局比较分散，这意味着每个监测点都需要终端设备。每个终端设备要有一个统一的通信协议，才能保证系统的正常工作。虽然系统包括众多的终端设备，但是每个终端设备都具有相同的功能，即采集现场电压信号，计算出有效值、比较并将数据进行打包、编码，通过GPRS模块上传至后台管理系统，同时将该组数据保存到外部数据存储器中。GPRS的远程电压监测系统终端设备的组成结构包括单片机的外围电路系统、数据采集模块和GPRS无线通讯模块三大部分组成。终端系统的功能要求：(1)采集电网电压值，进行计算、比较、保存。(2)统计上限时间，记录高于上限电压的起始时间和终止时间，以及这段时间内电压的最大值。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计8(3)统计下限时间，记录低于下限电压的起始时间和终止时间，以及这段时间内电压的最小值。(4)统计停电时间，记录停电的起始时间和终止时间。(5)人机交换可以设置电压和时间参数，或是查询电压数据信息。(6)能与后台管理系统通信，采集到的数据经处理比较，合格时整点自动发送，停电、超限时的电压数据和对应时刻的时间等数据及时上传至后台管理系统。(7)发送数据后，立即将此组数据保存到外部数据存储器中，确保数据安全。(8)程序有自动恢复功能。考虑到环境和温度等的影响，在设计终端设备时，所有的元器件均采用可靠的工业级芯片。其中，GPRS采用工业化模块，温度范围是（-200C，-600C）。本终端装置采用了高密度电路设计技术，提高了抗干扰能力，保证了系统长期运行的可靠性系统中的备用电源有效的防止数据因掉电而丢失同时系统具有自恢复功能采用成熟的交流采集算法，保证数据采集的准确性。4.2单片机系统电路设计单片机系统硬件电路的设计是以单片机为核心的外围电路的设计，包括:实时时钟电路、外部数据储存电路、按键与液晶显示电路、串口通信电路、复位电路等等的设计。同时配合数据采集电路和GPRS无线通信模块完成数据由采集到发送的全过程。其硬件电路框如图3所示。从功能要求来看，采用高性能低成本的控制器以满足设计要求，而AT89C52是理想的选择，其具有以下功能:AT89C52单片机是一种低电压、高性能的8位微处理器，采用了COMS工艺和ATMEL公司的高密度NVRAM(非易失性随机存储器)，并且片内含8k的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元3个16位定时计数器均可用作时基发生器。可编程串行UART通道。由于具有集成度高、面向控制等诸多优点，因此功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计9被测电量PT传感器输入滤波器四选一开关采样保持器AD转换器单片机89C52工作电源频率测量GPRS模块硬时时钟电路数据储存显示电路操作键盘图3电压监测终端系统框图4.2.1单片机时钟电路与复位电路的设计单片机正常工作须有复位电路和时钟信号，复位电路启动单片机工作，而时钟信号则控制单片机的速度和节奏。(1)时钟信号的产生单片机有两种时钟方式可以工作，即内部时钟和外部时钟。本设计由外部时钟源来提供给单片机，将外部时钟源直接输入XTAL1CLKIN引脚，如图4所示。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计10图4单片机时钟电路(2)复位电路复位(Reset)是单片机的CPU以及系统各个部件处于初始状态，并从这个状态开始重新启动运行。单片机支持一个非屏蔽外部信号(Reset)，执行系统复位。上电时，单片机的状态可能不确定，Reset信号控制单片机初始化，并使系统初始化软件执行。该信号必须有至少2个系统时钟周期时间，即当系统时钟选位为12M时，该信号至少须保持低电平200ns。在本终端设备设计，将单片机、液晶屏LCD的Reset信号共用，但考虑单片机高电平是有效复位，而液晶屏LCD低电平时才能有效复位。因此信号到达在单片机复位端之前应将信号取反。同时也考虑到单片机和液晶屏LCD哪个须保持时间长一些。对于液晶屏LCDRest与计算机的复位信号一样，将驱动用的计数器和寄存器清零，并关显示，须保持低电平l00ms有效，复位作用结束后，使用开显示指令将完整地恢复原有的内容。Reset在上电后至少须保持低电平l才可有效复位。MAX5045是复位芯片，上电、掉电均能复位输出，详细资料请查阅芯片说明书，可输出稳定的200ms低电平，完全符合系统要求。使用MAX5045可大大提高系统的可靠性和精确度，还提供手动复位方式和看门狗。复位电路设计如图5所示。U1X5045CS1SO2SI5SCK6RST7WP3VCC8GND4P2.0P2.1P2.2P2.3+5+5S6R110kU5A74F32123U6NOT12R210KC10.1uF+5RST基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计11图5复位电路4.2.2数据采集电路的设计本终端设备中可以采用手动进行复位，终端设备的手动复位按键S6同时控制单片机和液晶屏LCD的复位，用户可通过按键S6方便地对终端设备进行复位操作。在复位电路设计中，MAX5045的RST管脚产生的Reset复位信号提供给单片机和液晶屏LCD大大简化了电路设计，本系统不但可在上电、掉电、手动复位，同时还可通过该芯片进行复位，确保终端设备的正常工作。根据要求本系统虽然只对单项电压信号进行采集，但为了方便电路的进一步扩展，数据采集系统设计为多通道采集电路，数据采集通道由传感器、反混叠滤波器、四选一多路开关4025、采样保持器LF398、模数转换器MAX197、光隔、电压比较器LF399锁相器4046、分频器4040等组成。数据采集原理如图6所示。X0X1X2X3INTVEE121415116V15XY1334052VddoffsetvcclogiclogicchoutputV15V-15VddoffsetvcclogiclogicchoutputV15V-15SCLKCSWRRDSHDNCH7CH6DCNDVddREFRESD1D6D5D4D3D2D1D0AGND0.01uFCCapCC1KRRes2VCCD7光光AINBINVCININHCBCAR1R2PCPPC1PC2VCOUTSFZENSCLKRSTQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12123481KRRes21KRRes21KRRes21KRRes2RRes2CCap1KRRes212UASN74F04D1KRRes21234567910111213141512345679101112131415123456789101112131415222325262728LF398LF398MAX19740464040OUTINT图6数据采集电路被测电网信号经电压传感器PT转化为OV-5V(或-5V+5V)的弱电信号后。首先通过单片机AT89C52测量出被测信号的周期对周期的测量是将转化后的OV-5V的弱电信号经电压比较器LM339转换为方波送给单片机，单片机测量到方波信号的高电平时间，这个时间的2倍就是方波信号的周期，即被测信号的周期T，连续测量n个周期TlTZ.Tn，取其平均值T作为采样周期，通过t=T(N-1)调整t。然后采集转化后的弱电信号。由于采集的对象为电压模拟量，必须将其变为数字量后，才能送给89C52处理，因此AD转换器是模数转换电路中的核心器件。模数转换电路的精度也主要取决于AD基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计12转换器的分辨率。该环节在整个电压测量系统中占有重要地位。本终端设备中采用MAXIM公司的MAX197作为AD转换器件。MAX197是Maxim公司生产的12位快速AD转换器，具有8位并行三态数据接口，AD转换时仅10us8路模拟输入通道，由于MAX197片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，可以在不需要任何外部电路和时钟的情况下完成一切的AD转换功能，应用非常方便。采集电压信号时，本系统采样的时间间隔设为2S，在一个信号周期内等时间间隔At采样N(N=16)个点，采集到的电压数据通过付立叶算法滤除谐波，并求出电压有效值。计算出的有效值与上限和下限值进行比较，若超限，将超限数据与所对应的时间数据一起经MAX232电平转换发送给GPRS模块。然后将该组数据包存到外部数据存储器中。计算出的有效值通过比较合格时，在时钟的分钟位为零时，将此刻计算的有效值和对应的时间数据一起发送给GPRS模块，同样也保存到外部数据存储器中。否则丢弃此组数据。4.2.3实时时钟电路的设计本终端设备需要实时时钟来显示系统运行时间，另一方面需要时钟作为记录超限和停电信息发生和恢复时间的基准，故在系统中设计了一硬件实时时钟电路，用于提供采样、定时及各种操作的时间基准。(1)SD2203A时钟芯片概述SD2203A是一种具有内置晶振、支持I2C总线接口的高精度实时时钟芯片。包括实时时钟旧历和多字节的静态RAM。实时时钟旧历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息并且是以BCD码进行输入输出。对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还包括闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24小时或带AMPM的12小时格式。使用同步串行通信，简化了SD2203A与单片机之间的通信，仅需两根线:(1)串行时钟线SCLK(2)数据线IO，接口简单，占用IO口少，因而使用很方便，SD2203A在非常低的功耗下工作，消耗小于1微瓦的功率便能保存数据和时钟信息。(2)数据传输方式SD2003A通过基于I2C总线的串行接口方式去接收各种命令并读写数据。I2C总线传输方式描述如下:当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号，当SCL线为高电平时，SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。开始和结束信号都是由器件产生。在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。I2C总线数据传输方式如图7所示。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计13图7I2C总线数据传输方式(3)SD2203A数据传输方式当SCL为低电平，且SDA线电平变化时，则数据由CPU传输给SD2203A；当SCL为高电平，且SDA线不变时，则CPU读取SD2203A发送来的数据；当SCL为高电平，且SDA电平由高电平变化到低电平时，SD2203A收到一个开始读写条件；若SDA电平由低电平变化到高电平时，SD2203A收到一个停止读写条件。实时时钟数据传输时序如图8所示。图8实时时钟数据传输时序数据传输以8位序列进行。SD2003A在第九个时钟周期时将SDA置位为低电平，即送出一个确认信号(Acknowledgebit，简称“ACK)，表明数据己经被其收到。图9为实时时钟确认信号。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计14图9实时时钟确认信号4.2.4外部数据储存电路的设计本终端设备中的外部数据存储器用来保存处理之后的电压数据和对应时刻的时间数据，防止系统因掉电造成数据丢失，有效的保证了数据的安全。在本系统中采用普遍应用的I2C总接线的E2PROM。A124C128是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM它是内含163848位存储空间，具有工作电压宽(2.5-5.5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10us)等特点。由于AT24C128存储器与SD2203A时钟支持I2C总接线，因此其具有通用的单片机1O接口，电路如图10所示。AT24C128器件的读写方式与实时时钟SD2203A的读写方式相同，这里主要介绍AT24C128的器件的工作原理。U3SD2203INT11NC2NC3GND4VCC8SDA7SLA6INT05+5U4AT24C128A01A12NC3GND4VCC8WP7SCL6SDA5+5R510KR610KSCK(P3.7)+5SDA(P3.6)图10I2C芯片电路设计AT24C128存储器的容量为16K，器件的地址为1010，片内有两个地址字节用于片内地址寻址，两个地址字节的寻址范围是65536，超过16K，为了寻址范围达到16K，因此首地址字节的最高两位应被屏蔽掉，AOAl可以任意接，因此I2C总线最多可以连接4个AT24C128存储芯片，AOA1引脚同时作为子地址软件寻址位。4.2.5液晶显示电路设计a.LCM12864-12概述液晶显示模块用于显示各级菜单操作，包括显示各种采集到的数据、设置参数等，作为人机对话的窗口，显示器的选择非常重要。本系统选用带中文字库图形的液晶显示模块LCM12864-12，其功能较强，控制简单。LCM12864-12具有串并接口，内含ST7920驱动控制器。液晶显示模块是128x64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示4行、每行8个汉字以及图形，内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计15可与CPU直接接口，该模块提供了4位并行、8位并行、二线串行、三线串行多种接口方式。具有多种功能:光标显示、反白显示、画面移位、垂直画面旋转、睡眠模式等。使用LCM12864-12显示模块时应注意以下几点:(1)若在某一位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。(2)显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同，不过在显示连续字符时，只需要设定一次显示地址，有模块自动对地址加1指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。(3)当字符编码为2字节时，应先写入高字节，然后写入低字节。(4)模块在接收指令前，CPU必须先确定模块内部处于非忙状态否则需要延时较长时间才能执行指令。LCM12864-12与单片机串行接口电路如图11所示。图11液晶显示电路b.LCM12864-12的接口方式和时序LCM12864-12具有串并接口方式，方便了模块与CPU之间的连接，当模块的PSB管脚接低电平时，该模块就进入串行口模式。如图12所示为LCM12864-12串行工作的时序图。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计16图12LCM12864-12串行工作的时序图单片机与液晶模块之间传送1个字节的数据共需24个时钟脉冲。单片机要给出数据传输的起始位，一般会以5个连续的“1”作为数据的起始位，液晶模块接收到连续的5个“1”。则内部传输被重置并且串行传输将被同步。紧接着，“RW”位用于选择数据的传输方向(读或写)，“RS”位用于内部数据寄存器或指令寄存器，最后的第8位固定为+0；在接收到起始位及“RW”，“RS”的第一个字节后，下一个字节的数据或指令将被分为2个字节来串行传输或接收。数据或是指令的高4位被放在第2个字节的高4位，其低四位为“0”；数据或是指令的低4位被放在第3个字节的高4位，同样其低四位为“0”，“0”这样来完成一个字节的数据或指令的传输，注意:当多个数据或指令传送时，必须要等到一个指令完全执行完后再传送下一个指令或数据，否则，会造成数据或指令的丢失。(液晶模块内部没有发送接收缓冲区)。4.2.6按键的设计按键是硬件电路中不可缺少的一部分，是进行人机交换的中间桥梁，通过按键可以查询、修改参数，和液晶显示屏配合使用还可进行菜单选择、画面切换以及其他菜单操作等。终端系统中的按键不能太多，在本硬件系统中设计了6个独立式按键，但每个按键都有复用功能，完全可以满足要求。按键的功能说明如下:S1键:在刚开机时按S1键即确认进入系统主菜单界面，在主菜单界面中，确认当前选项后，按S1键可以进入下一级菜单。在第二层菜单中，S1键的功能为返回，退出当前菜单，返回主菜单。S2S3键:在主菜单中以行反白选择下一级菜单项，在下一级菜单界面(第二层菜单界面)中实现单字符移位。S4S5键:参数界面中实现系统参数加减一(主要指时间参数)，电压值查询界面中进行翻页。S6键:单片机和液晶的复位，系统重启动。按键的扫描方式有两种:查询方式和中断方式。考虑到采样处理速度比较慢，若采用查询方式可能键按下时液晶显示屏依然没有变化，从而造成按键失效。因此在本终端设备中采用中断方式，中断方式中增加基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计17了中断源生成电路，用单片机提供外部中断INTl作为输入端口。硬件电路如图13所示。图13按键接口设计4.2.7单片机与GPRS模块之间的通信电路设计本系统中单片机与GPRS通信模块H7112之间采用RS232方式的串行通信。RS232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通讯总线，它是由美国电子工业协会归(ectronicIndustriesAssociation)制定的用于串行通行的标准通信接口，利用它可以很方便地把各种计算机、外围设备、测量仪器等有机的连接起来，进行串行通信。由于单片机本身有异步串行通信接口，因此该系列单片机使用RS-232-C串行总线极为方便。RS-232C总线标准芯片及通信功能实现考虑到此次设计中单片机与GPRS通信模块之间通信为近距离通信，采用了RS-232C接口。二者在连接时应有必要的电平转换，在本系统中，电平转换采用MAX232芯片。MAX232芯片有两路发送和发送接口，本设计采用其中的一路作为收发接口，单片机与GPRS模块之间的接口电路如图15所示。系统中的GPRS模块采用宏电的H7112DDN，具有RS232422485接口，不需要用户再次设计外围电路和编写相关程序。自带软件可直接对其参数进行设置。基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计18RS232电平转换电路如图14所示：图14RS232电平转换电路原理图该电路主要完成TTL电平和RS232电平转换。电平转换主芯片为MAX232。RXD0和TXD0为TTL电平，与149的串口0相连。RXIN和TXOUT为RS232电平，与提供RS232接口的多功能电能表或PC通信。U7MAX232C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T2out7R2in8VCC16GND15T1out14R1in13R1out12T1in11T2in10R2out09U13DB9594837261C150.1C160.1C170.1C180.1VD5C190.1R87.5KR90.86U116N13613456U106N13613456V5R70.58V5TXDU16SN74LPC10071122R100.58RXD图15串口通信电路基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计194.3硬件的调试4.3.1晶振及复位电路的调试终端系统的晶振电路和复位电路相对比较简单，按图4和图5连接之后就可以正常工作。单片机的工作电源为5V。本系统中的晶振为12MHz，用示波器观测，单片机的谐振端口输出应为12MHZALE端口输出为2MHZ。说明单片机可正常工作。复位电路的RST端在按键未按时输出为高电平(+5V)，按键按下后输出变为低电平，松开按键恢复为高电平。晶振电路和复位电路是整个终端电路正常工作的基础，应首先保证他们的正常运行。4.3.2数据采集电路的调试本系统频率跟踪电路由专用锁相信片4046和分频芯片4040组成，以便单片机对电网信号周期的测量，本系统的分频比为14096。在电网信号为50HZ时，该电路的锁相频率为504096=204.8KHZ。相当于一个信号周期内有4096个脉冲。因此电网频率发生变化，每个周期内仍有4096个脉冲。单片机的T1为计数器，T2为定时器，当T1计数值为4096时，T2所测得为电压的周期。4.3.3液晶电路的调试本系统中所采用的液晶显示器(LCM12864-12ST7920控制器)，厂家提供资料中对液晶的20个管脚有详细的说明，按照资料，在选择串口传输时，VO(管脚3)DBO-DB7(管脚7-14)NC(管脚16和18)为空。但调试的过程中，液晶显示器始终不能显示数据。当VO口接滑动变阻器后与电源连接后就可正常显示，调整滑动变阻器的阻值大小，液晶显示器的对比度也有明显的变化。4.3.4串行通讯电路的调试本系统中单片机与GPRS通信模块H7112之间采用RS232方式的串行通信。由于单片机输出的为TTL电平，而GPRS模块H7112配置的是RS232的标准串行接口，两者之间的电气特征不一致，因此为了保证单片机与H7112之间的正常通信，必须进行电平转换。电平转换采用MAX232芯片，可把输入为+5V电压转换为RS232输出电平。在调试过程中，选用MAX232的一路作为收发接口，当单片机输出为+5V(即MAX232输入为+5V)时，MAX232输出为-lOV。表示单片机与GPRS模块之间正常通信。4.4硬件抗干扰设计由于系统应用的环境恶劣、干抚比较严重，要长期稳定、可靠的运行，就必须采基于GPRS的远程电压监测系统终端硬件设计20取有效的抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力。在终端系统的设计过程中，始终将抗干扰性能作为首要考虑的问题之一，采取了一系列抗干扰措施，有效的保障了系统的运行。4.4.1滤波设计由于本终端设备的电路为数模混合电路，数字电路从一个状态转换成另一个状态时，会产生很大的尖峰电流，从而形成瞬变的噪声电压。严重妨碍了系统的正常工作。同样模拟信号因受电网的影响也存在瞬变噪声，所以，在本装置中，我们对数字量和模拟量都进行了滤波处理。数字部分是在各器件的电源线和地线间接去藕电容模拟部分加入低通滤波环节以阻止高频信号进入采样系统，在信号输入端加设RC滤波器，通过设置RC参数，允许某一频带的信号通过，降低对干扰源频带的敏感性。4.4.2隔离和屏蔽的设计在数据采集系统中，需要两组直流电源来为系统供电。而直流电源是交流电经变压、整流、滤波、稳压后得到。直流电源的输入是直接接在电网上，由于我国电网的频率和电压波动比较大，因此电网上的各种干扰便会通过直流电源引入到数据采集系统之中，对数据采集内部造成影响。为了消除和抑制电网传递给数据采集系统的干扰，本终端设备中，采用电源低通滤波器来滤除高次谐波，并在电源输出端添加瞬态电压抑止器，同样在模拟信号调理的输入端也并接了瞬态电压抑止器，进行保护。PCB电路板的设计是对数据采集系统中器件、信号线、电源线等的高度集合体的设计。PCB电路板设计对系统抗干扰能力有很大的影响，因此设计PCB电路板必须注意以下几点:(1)PCB电路板的合理布线:布线时应尽量减少回路面积；地线和电源线要尽可能的宽，这样除了减少压降外，更重要的是降低藕合噪声。(2)去祸电容的配置:PCB电路板上装有多个集成电路，当器件耗电很多时，底线上就会有电位差。在各器件的电源线和地线间接去祸电容，缩短电流的流通路径，降低电