毕业设计（论文）-家庭自动抄表系统的设计.doc

家庭自动抄表系统的设计 目 录摘要1关键词1Abstract1Keywords11自动抄表系统概述21.1自动抄表系统的研究背景及意义21.2国内外远程自动抄表系统的发展现状32电能远程自动抄表系统整体设计32.1系统方案的选择32.1.1自动抄表系统设计与GPRS系统原理32.2系统整体方案的设计与功能62.3小结73电能远程自动抄表系统的硬件设计83.1电能表的概述83.1.1电能表的选择与硬件设计83.2 RS485总线93.3终端主控制器与外围电路的设计113.3.1 AT89C51芯片基本结构和特点113.3.2 微控制器外围电路的设计133.4终端通信模块硬件设计143.4.1通信模块的比较选择与SIM100简介143.4.2 GPRS模块SIM100与外围电路设计153.5小结174电能远程自动抄表系统的软件设计184.1主程序设计184.2子程序设计204.2.1电能表的软件设计204.2.2 RS485串行通信子程序214.3小结24总结与展望25参考文献26致谢2727家庭自动抄表系统的设计摘要：公共事业收费自动化和小区物业管理智能化等领域的技术开发和应用越来越受到人们的重视，本文研究旨在提供一种利用低压电力供电网络，低成本高可靠地实现公共事业收费自动化和小区物业管理智能化的技术应用。在本文介绍了一种基于AT89C51单片机的复费率单相电能表的主电路及通信接口电路，给出了其具体电路，采用RS485作为专用电量测量芯片以保证测量脉冲数的准确性，硬件日历时钟及参数存储采用总线器件以减少电路连线。综合设计使电能表的工作可靠性得到大大提高。同时对系统的软件设计和可靠性设计也作了介绍。关键词：AT89C51; GPRS; RS485Design of Family Mutomatic Meter Reading SystemAbstract: Technique of transmitting data via power line (PL), a new technique developed in recent years ,is used to automatize the free collecting system in public service and the management of uptown service. This article discussed the advantage , disadvantage and the current state of the power line carrier communication. The advantage, method and current state of using spread spectrum technique in power line communication are discussed. The main control and communicating interface circuits of the multi-rate watt-hour meter based on AT89C51 single chip is discussed in detail in this paper. The principle of the multi-rate watt-hour meter is also introduced. The measuring of watt-hour has higher accuracy by the special RS485. Addresses and data of the clock/calendar and data storage circuits are transferred serially via the two-line bidirectional I2C bus which simplifies circuit and enhances the reliability. Software and reliability design of this system are also mentioned.Keywords: AT89C51; GPRS; RS4851 自动抄表系统概述远程自动抄表系统：一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且通过一定的通信方式，自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统1。作为自动化系统中的重要组成部分，自动抄表技术从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给水、电、气管理的自动化带来了方便。在电力系统中，对广大的电力客户实现自动抄表，就是将智能化电表通过通信网络与控制中心的计算机联络，实现对电量的自动、集中、定时抄录，并进行统计和分析。电力客户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能，是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。低压客户自动抄表系统主要是面向大量的低压客户，量多面广，整个系统的设备数量多，投资巨大。1.1 自动抄表系统的研究背景及意义在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。随着我国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。传统的人工抄表模式的弊病越来越突出，主要表现在：查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大；错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象。以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用远程自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。采用远程自动抄表系统有如下优势：采用远程自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。采用远程自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。远程自动抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收等都有积极的意义。采用远程自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单错误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，远程自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。1.2 国内外远程自动抄表系统的发展现状目前许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中在煤气表、电量表和水流量表的自动抄表。抄表技术的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程迈出了坚实的一步，达到了可以大规模推广的实用性阶段。我国内所采用的抄表方式大致可以分为三种：一是传统的人工抄表方式；二是预付费方式；三是远程抄表方式。当前在我国国内大量使用的是预付费方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。2本文以远程自动抄表系统的设计为研究内容，对国内外抄表系统的现状进行详细了解后，结合自己所学知识，以AT89C51为控制芯片，搭建了一个远程抄表系统，实现电能数据的远程采集，传送等功能；对硬件电路、软件流程的设计做了详细的阐述。2 电能远程自动抄表系统整体设计远程自动抄表系统是近年来发展较快的一种管理信息系统，它分为硬件平台和系统软件两部分。作为电力配电自动化系统的一个功能模块，远程自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平。本课题的远程自动抄表系统硬件平台采用当今比较新的GPRS技术实现数据传输，对用户电表数据实现远程自动采集和实时监控的功能。2.1 系统方案的选择 一个完整的自动抄表系统最终实现的目的是要将电能表的数据通过通信网络传递到远方计算机设备为用户和电能表管理方提供服务根据通信网络的不同选择自动抄表系统可以有各种组合方式。2.1.1 自动抄表系统设计与GPRS系统原理 抄表系统的两个基本特点：系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大，系统是一个覆盖面很广的通信网络。目前存在的抄表方式各有其适用场合：红外抄表适合于短距离人工手持抄表，小功率无线电波、RS-485总线的通信距离较近，适用于居民小区和楼宇的集中抄表，适合底层数据采集。电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS通信网的通信距离相对较远，可以作为上层的数据传输方式3。本文设计的自动抄表系统整体由四部分组成：监控中心、集中器、采集器和用户电表；分为两层结构，包括集中器与采集器的底层通信和监控中心与集中器的上层通信。系统组成框图如图2-1所示。自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与采集器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。底层数据采集采用RS-485总线型通信方式。上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。鉴于GSM/GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用GSM/GPRS网络作为上层通信方式。图2-1 远程自动抄表系统组成框图监控中心服务器与集中器构成上层通信系统。底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、采集器和集中器。采集器的定义非常广泛，它既可以是标准的采集模块，也可以是带有RS-485接口的智能型仪表；采集器通过RS-485串行总线把采集到的数据传送给集中器。集中器的主要功能就是数据的采集、汇总和转发。本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。集中器利用RS-485总线把比较接近的采集器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GSM/GPRS网络把数据传送给上位供电部门管理中心。在本文中集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分。数据传输形式的选择： GSM/GPRS网络被选为上层通信方案的通信基础。基于GSM/GPRS网络的数据传输通常有四种方式，第一种是基于短消息的数据传输，第二种是基于Data方式(一种以电路交换为基础的传输方式)的数据传输，第三种是通过语音方式进行数据传输，最后就是通过IP方式的数据传输。下面对四种基于GSM/GPRS网络的无线数据传输方式的各自特点作简单介绍。基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用AT指令对通信模块控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。目标机接收到短消息后，利用AT指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成了一次数据通信。短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。基于Data方式的数据传输是利用GSM的Data传输方式，通过AT指令来进行数据拨号，等待数据连接建立后，只需将ASCII码数据送入通信模块即可。通信模块会按照设定好的通信协议将数据传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同的协议接收ASCII码信息。基于Data的数据传输方式数据传输安全、实时性好、数据传输量大，但成本较高，适合于可靠、少次、海量数据传输。通过语音方式进行数据传输，主要是利用话音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数据解调出来。该方案主要的优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好(电路交换方式)，但由于GSM系统的语音编码方式的局限，对数据的压缩还原会造成数据的失真。该方案基本不被采用，但可以作为备选方案用于无线安防系统中。基于IP的数据传输方式是GPRS系统独有的，因为GPRS是在GSM网络基础之上新增两个节点( SGSN和GGSN )而形成的移动分组数据网络。由于GPRS数据传输的基础是TCP/IP协议，因此基于IP的数据传输方式核心的内容是TCP/IP协议的转换。基于IP的数据传输方式的优点是数据传输的成本比较低，实时性较好，但缺点是GPRS终端开发成本高，使用复杂度较高，因为涉及复杂的组网方案。鉴于以上四种数据传输方式，本系统将采用第一种基于短消息的数据传输方式，把GPRS作为上层通信信道进行无线数据传输。同时GPRS又具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据。数据采集终端的通信模块也将相应的选择GPRS模块。组网方式的选择：GPRS是目前较好的无线传输方式，利用单片机实现GPRS的远程通信接口的设计，需要解决的一个关键问题是GPRS终端如何自动附着到GPRS网络上，对于这个问题，实际上也就是选择GPRS远程通信系统的组网方式。利用GPRS通信方式组网有三种方式：专线接入方式，从移动公司到用户的远程监控中心的服务器端接一条DDN专线，通过数据专线将数据由GPRS网关服务器GGSN传送到监控中心，移动公司在GGSN上为用户配一个专门的APN节点，从而在GPRS终端和监控中心之间构成一条无线虚拟专网(VPN)通道；GPRS接入方式，用户的远程监控中心向移动公司申请APN服务，获得GPRS内部网固定IP，所有的GPRS终端在拨号上网后将获得的动态IP向监控中心的监控软件进行注册，以便监控中心至终端的下行通信；Internet接入方式，用户的远程监控中心采用ADSL等与Internet建立连接，申请一个公网IP地址，通过Internet将数据由GPRS网关服务器传送到监控中心，也可采用以下方式：远程监控中心在连接Internet时向域名服务器注册动态IP地址，而GPRS终端拨号上网向域名服务器索取监控中心的动态IP地址4。比较三种组网方式，第一种方式适合于实时通信或数据量特别大的场所，安全性较高，但成本也高。第二种方式的数据传输全部在GPRS网内进行，安全性高，远程的GPRS接口终端通过GPRS方式，将数据传送到监控中心，但是该方案要求由移动公司提供网内IP，而该类IP很难申请到。第三种方式要求远程监控中心用有一台连接Internet的服务器和公网IP地址，用户通过Internet，利用监控中心的数据服务器和前端软件，运行相应的程序，可以查询到对应远程接口终端的数据。这种方式资费低，前期投资小，实施方便，适于仪器的远程通信系统选用。本系统正是采用第三种组网方案，通过GPRS接入Internet实现数据的传输。GPRS系统原理 MS与GSM基站通信，但与电路交换数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到SGSN，而不是通过移动交换中心(MSC)连接到语音网络上。SGSN与GGSN进行通信GGSN对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。来自Internet标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到MS。SGSN通过帧中继与BTS相连，是GSM网络与MS之间的接口。SGSN的主要作用是记录MS的当前位置信息，并在MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收)。GGSN通过基于EP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，将GSM网络中的GPRS分组数据包进行转换，并传送到远端的外部分组交换网5。GGSN是连接GSM网络和外部分组交换网( Internet和Intranet )的网关。其原理图结构如图2-2所示。图2-2 GPRS系统原理图2.2 系统整体方案的设计与功能系统主要是由电度表、带GPRS模块的采集终端、带系统软件的主站组成。监控中心服务器 GPRS通讯模块是以浮动IP地址的方式连接到Internet的,其IP地址每次连接时都不一样。监控中心的服务器本身必须绑定了一个固定的IP地址,并且以此IP地址接入Internet,便于GPRS模块与服务器连接。这样监控中心服务器就可以从绑定的IP地址上接收每个GPRS通讯模块发送来的数据。接收到电能表数据后,监控中心软件对电力数据进行校验、计算、存储、分析、管理等,并对异常情况进行报警,同时对用户使用情况实现实时监控。电能表数据采集终端 GPRS模块是嵌入到数据采集终端中的,与采集终端MCU的串行口连接,进行RS232通讯。采集终端通过RS485采集智能电能表的数据，对数据进行简单的分类存储,然后按照与监控服务器的通讯协议,把数据进行封装处理, 利用短消息的方式发送到监控服务器6。智能电能表 智能电能表的功能是计量用电量的大小,监控用户的用电情况，并把这些数据用RS485的方式传送给数据采集终端。可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作7。系统数据传输的工作原理如下：终端通过RS232/485接口接收用户电表的数据，然后将数据打包成IP协议包，通过GPRS模块内置的SIM卡搜索GPRS网络后接入，处理后以GPRS分组的形式发送到GSM基站，分组数据经SGSN封装后，发送到GPRS IP骨干网，然后将分组数据包经GGSN进行协议转换后，发送到外部Internet网络，再通过GPRS服务器，将数据发送到数据监控中心。其数据传输流程图如图2-3所示。图2-3 自动抄表系统数据传输流程图功能：由于系统中采用GPRS作为传输方式，并采用智能电能表，因此该系统具有定时抄表功能、实时抄表功能、预付费控制功能、，电能表监测功能、系统管理功能。基于GPRS的无线网络的抄表系统结构简单，控制容易，不需要重新组网，可方便的推广到不同地域使用。使用GPRS的电能远程抄表系统具有以下特点：实时性强、可对电表设备进行远程控制、建设成本少低、集抄范围广、系统的传输容量大、数据传送速率高，通信费用低。2.3小结本章通过对比自动抄表系统的实现方案，构建了一种底层通信基于RS-485总线，上层通信基于移动通信系统的复合式自动抄表系统。分析了基于GSM/GPRS的四种数据传输方式，基于短消息的数据传输方式适用于本系统。分析了GPRS通信的三种组网方式，Internet接入方式资费低，前期投资小，实施方便，适于远程通信系统选用。简单介绍了GPRS的原理及远程抄表系统的优点。从而在系统构建数据传输和组网方式上完成了复合式自动抄表系统的构建。3 电能远程自动抄表系统的硬件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。对于该系统来说，最关键的部分是集中器即数据采集终端的实现，它连接上位监控中心服务器与下端抄表采集器。3.1电能表的概述电能表是记录电能累积值的专用仪表，是所有电气测量仪表中使用量最多的仪表。电能表的种类型号很多，但它们的基本结构大同小异。由驱动元件、转动元件、制动元件、积算机构(记度器)、调整装置及辅助部分组成。3.1.1 电能表的选择与硬件设计 目前我国的电能表按其用途可分为以下几类：单相电能表：单相电能表广泛应用于计量居民、机关、商店等的照明、家电等用电量，这是应用最多的一种电能表。三相有功电能表：三相有功电能表应用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的有功电量，这是最重要的一种电能表。三相无功电能表：三相无功电能表应用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的无功电量，安装后可用来反应无功电量，间促使用户提高功率因素。最大需量表：最大需量表应用于计量工厂企业使用有功电量，同时还能指示出在指定时间间隔内平均最大功率的电能表。复费率电能表：复费率电能表又叫分时计费电能表，它是将昼夜里指定几个时段进行累计每个时段的用电量。根据系统的设计需求，本设计选用属于复费率电能表一类的电子式电能表，它能够很好的实现自动抄表系统所需要的各种功能。电子式电能表的框图如下图3-1所示。高精度电量模式时钟日历电路按键输入电路复位和看门狗电路开关电源后背电池MCU主控制器单元工作异常报警电路红外手工抄表通信RS485集中抄表通信校表模块LCD和LED显示EEPROM存储阵列图3-1 电子式电能表硬件结构图 这是一款智能型高科技电能计量产品，该表可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS-485总线对该电表进行查表、设表、抄表等操作。多功能表总体结构，电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器，它负责按键输入扫描、工作状态检测、计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量计量模块、红外和RS-485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等；其他辅助模块主要有：时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。 多功能表总体结构框图如图3-1所示。高性能主控制器单元，主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品PD78F0338。该款单片机为120脚QFP封装，单片集成有60kB Flash、一个异步通信串行口、404段LCD驱动器、高达10MHz的总线时钟和10路10位精度的ADC，并可通过简单的接口进行在系统编程，极大地方便在线调试和软件升级。并且支持高级语言，较好地满足了多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。串口复用通信单元，本电能表设有红外本地抄表和RS-485集中抄表两种串行抄表方式，因为PD78F0338仅有一个串口，故通信电路设计时采用串口复用技术。由9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关，由MCU的一个I/O口来控制红外和RS-485通信方式切换8。如图3-2所示。图3-2 通信串行口复用电路高精度电量计量模块，计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904、电流互感器和其他外围电路元件组成。SA9904是Sames公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片，可以计量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等，可以单独计量每一相的用电信息，符合IEC521/1036标准，可达到1级交流电能表的精度要求，各数据寄存器具有24位精度，可通过三线SPI接口与CPU交换数据。从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。3.2 RS485总线RS485的接口是TLA/EIA-485所描述的接口。RS-485总线抄表系统结构如图3-3所示。RS-485总线抄表一般使用双绞线作为网络总线，对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放电冲击的收发器，直接使用RS-485驱动芯片即可构成通信网络。RS-485总线抄表方式技术简单、成熟，易于实现，且总线传输速率高，可靠性好。图3-3 485总线结构典型的串行通讯标准是RS232和RS485。它们定义了电压,阻抗等.但不对软件协议给予定义，区别于RS232, RS485的特性包括：RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS -232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺， RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络 ，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9，与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9。 RS-485串行接口标准：平衡传输 RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2V6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。RS-485电气规定 RS-485总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS-485最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mbps。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps9。 3.3 终端主控制器与外围电路的设计用单片机作为智能系统的核心部件，是目前作为智能仪表设计的一般方法，在工业测控现场，占主导地位的还是8位机和16位机，对本课题涉及的带有GPRS模块功能的数据采集终端的设计，运用单片机的主要目的是构成一个既能与GPRS模块进行交换数据，又能与电能表交换数据的计算机系统，它所处理的信息量和复杂程度用8位机己经足够了，对单片机主要的要求是带有串行通信功能即可满足要求。3.3.1 AT89C51芯片基本结构和特点 本设计中选用的单片机芯片AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机。AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，主要性能参数如下。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM， 32个I/O线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位10。其芯片引脚如图3-4所示。图3-4 AT89C51芯片引脚图时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-5。外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pFl0pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF10F。也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图3-6所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTALl端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。 图3-5自激振荡电路 图3-6 外部时钟电路51单片机内部的基本功能模块如图3-7所示。图3-7 51单片机的内部基本功能模块3.3.2 微控制器外围电路的设计 通信接口电路由两部分组成，一个通过MAX485和有RS-485总线标准的采集器相连接，负责采集采集器的数据，发出相应的命令，使采集器上传相应的数据。另外一个通过MAX232和留有RS232标准接口的GPRS模块相连接，控制GPRS模块，把数据通过GPRS模块传送到Internet网络。RS-485接口部分示意图如3-8所示。图3-8 RS-485接口电路图本接口部分通过RS-485总线实现控制器（终端）和采集器的连接，每一个主控制器通过RS-485总线可以最多挂接多达128个采集器，可以实现一片控制器对多个点数据量的测量与传输。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当(120欧)。网络接口均采用MAXIM公司的半双工485总线收发器MAX485。RE为接收控制端，DE为发送控制端。用AT89C51的一个串行口与两个控制端相连，平时置P1.0为低，使控制器串口处于侦听状态，当要发送数据时使P1.0为高。GPRS控制接口电路为RS-232标准接口，如图3-9所示。图3-9 RS-232接口电路通过标准RS-232接口可以把相应的设置命令，以及需要传递的标准数据发送给GPRS模块，从而使GPRS模块完成相应的动作。网络接口采用了Maxim公司的MAX232总线接口芯片，该芯片可以把一侧的TTL电平转换为另一侧的RS-232电平，也可以把RS-232电平信号转换为TTL电平的信号，从而实现GPRS模块和单片控制器的通信。3.4 终端通信模块硬件设计终端通信模块的硬件包括SIM100的外围电路设计和GPRS模块。3.4.1 通信模块的比较选择与SIM100简介 通信控制单元是数据采集、传输子系统的核心部分，它通过AT指令实现对短信收发模块的控制，把电能数据以短消息的形式送至管理端，并通过接收到的控制字符采取相应的控制动作。目前，用于工业系统的GPRS数据传输模块比较多，主要有西门子公司的MC系列、摩托罗拉的G18和G20、Wavecom公司的产品以及SIMCOM公司的SIM系列等。下面对这些产品进行一下对比，如表3-1。表3-1 各通信模块的优缺点比较优点缺点MC35i体积小，使用广泛不集成TCP/IP协议G20采用三频，适用性高，有多种配置可选体积略大、价格高Q2406使用广泛，价格适中不集成TCP/IP协议SIM100集成TCP/IP协议，价格便宜，功能完善使用不是很广泛，但由于是国内生产，所以有较好的技术支持鉴于普通的GPRS模块在使用时有很大的局限性，另外考虑到价格方面的原因，我们选择了SIMCOM公司的SIM100模块作为本设计的GPRS模块。IM100芯片具有以下特点：单面高集成度精巧结构设计( 53mm33mm3.0mm )；GPRS Class10多时隙功能，ClassB操作模式；支持GSM900D/CS1800双频；电路交换数据传输(最高14.400kbps)，电路交换传真(最高9600kbps)；短消息业务，电路交换语音( EFR/FR/HR )；GSM07.07，GSM07.05和增强型AT命令集；电源电压范围：3.3V到4.6V直流，待机电流：4mA；外部SIM卡，外部天线；60针外部系统连接器；工作温度：-35+75。SIM100管脚封装如图3-10所示。图3-10 SIM100引脚图SIM100模块共有60个引脚，这60个引脚分为5类，即电源、数据输入和输出、音频接口、控制接口。第1-17脚为电源部分，其中1-8脚均为电源电压输入端，9-14脚接地，16脚VANA为模拟电压输出，17脚为数字电压输出。19-25脚为SIM卡引脚，27-46脚中奇数脚为键盘输入引脚，偶数脚为接RS-232输入输出引脚，53-60脚为音频接口，即麦克风和受话器输入脚，20脚为SPI时钟。34脚为模块启动开关，36脚为模块复位信号11。3.4.2 GPRS模块SIM100与外围电路设计 电源电路：SIM100工作时共有三组电源，一是SIM100模块使用电源PWR，其范围3.3V-4.6V，电源应该具有至少2A的峰值电流输出能力；二是用于保证模块与外部数字接口的电平匹配的电压VDD_EXT，其范围2.7V-3.5V，该电源具有50mA的输出能力；三是用于给音频电路提供电源VANA，其电压为2.5V，且该电源具有50mA的输出能力。显然对于我们只传输数字信号的系统，用于模拟信号系统的VANA电压是不再需要的。本设计根据相关资料提供的参考电路设计了如图3-11所示的电源变换电路。图3-11电源参考电路图工作状态电路的设计 SIM100的30脚提供网络状态指示灯输出信号。网络状态指示灯电路设计如图3-12所示。图3-12 网络指示灯电路图根据SIM100的文档说明，可以从网络指示灯上的亮熄信息来判断SIM100的工作情况。状态指示灯的亮熄情况与工作状态关系见表3-2。表3-2状态指示灯亮熄与工作状态关系表LED运行状态工作状态OFF模块未启动64ms ON/ 1s OFF模块已经启动，但未完成网络位置登记64ms ON/ 3s OFF完成网络位置登记64msON/ 300ms OFF正在进行GPRS数据传输64ms ON/ 1500s OFF移动场景(PDP context)已经激活，未进行数据传输卡座电路的设计 SIM卡是GPRS模块工作不可缺少的一个部分，它是连接GSM网络和GPRS模块电路的一个桥梁。由于SIM100模块支持外部SIM卡，可以直接与3.0V SIM卡或者1.8V SIM卡连接。SIM100模块能自动监测和适应SIM卡类型。设计的卡座部分的电路如图3-13所示。图3-13 卡座设计电路图图中R9-R11是限流电阻，其值较小，主要起保护作用，在SIM卡座各引脚的位置放置瞬变电压抑制二极管(TVS管)是为了防止静电损坏。复位电路 在应用设计中只要将/RESET 脚连接到一个接地的4.7uF 电容即可实现电路的复位作用。在实际应用中，RESET 和ON/OFF 可由MCU 控制，MCU 通过对ON/OFF 和RESET 的控制可以实现模块的关机，具体程序为：MCU 先发命令( AT+CFUN=0，1)，模块开始注销网络登记，然后使ON/OFF 信号为反向有效(0FF 有效)，再使RESET 有效(低电平维持100ms 以上)，这样就可以关掉模块。模块关机后的电流为50uA。 关机的时序如图3-14所示。图3-14 模块关机时序图3.5 小结本章系统构建了自动抄表数据采集终端的硬件平台，通过性能分析选择了适合本系统的电子式电能表，并介绍了电子式电能表的组成及工作原理；分析了目前市场上的无线GPRS通信模块，选择了一款性价比较高的SIM100模块，微控制器采用8位的单片机芯片AT89C51，并对单片机和通信模块做了简要介绍，包括AT89C51的外围接口电路设计、与GPRS模块SIM100的串口接口电路和GPRS模块的外围电路设计硬件设计；在硬件设备上基本实现了远程自动抄表系统的功能。4 电能远程自动抄表系统的软件设计4.1主程序设计软件部分主要由监测点数据采集和远程数据通信两个模块组成。监测点数据采集模块实现集中器通过RS-485 总线抄收各监测点数据的功能。远程数据通信模块实现集中器通过GPRS 方式与监控中心通信的功能。AT89C51的主程序大部分是调用相应的子程序来实现电能数据的采集和通信功能，它是整个电表的设计主线。上电复位后进入主程序，除了初始化程序和模块启动程序外，其他部分是一个无限的循环过程，电表的所有功能都在这个循环里面执行，除非系统掉电或者程序的干扰而跑飞，执行的过程是不会跳出这个循环的。远程自动抄表系统的整个程序流程如图 4-1所示。图4-1 主程序流程图从主程序流程图里面，可以清楚的见到，整个系统的畅通运行，对每个子程序的要求是很高的，不仅仅在性能上要能够达到要求，而且在子程序的嵌入上也要十分的注意。系统软件特点：GPRS自动抄表系统的另一核心部分是系统软件，它遵循电力部国标2004通讯规约，并有扩展性。抄表软件系统数据库为SQL数据库，运行于WIN98/2000/XP、NT的操作系统，易于使用。系统的功能与特点有：安全可靠， SQL数据库允许多用户同时使用同一数据库而不会破坏完整性，可以保证数据的安全。系统对用户实现分级授权管理功能，防火墙功能及完善的数据备份功能。完善的系统日志：系统日志记录了进入系统，离开系统，收费，设置硬件，改变运行参数操作等及操作者，操作时间，凡是改变数据库的操作都被记录下来。抄表速度快：抄表快、数据准确，抄表时PC机只读采集器的数据，数据传输采用115200波特率，传输速度快，并对每个数据块都有效验码，保证了传输的准确性。广播对时功能：该功能使得系统中的所有电能表的时间基准与PC机保持一致，对时成功后，由电池供电的电能表内部时钟，不再需要PC机的干预。因此，只要保证在对时时刻，PC机的时间是正确的，以后在运行的过程中，改变PC机的时钟并不会影响电能表的时间。自动抄表功能：按照设置的抄表开始时间和抄表间隔，到预定的抄表时刻，系统便会依次拨号去抄采集器或电表内的数据。对于抄不上数据，系统会自动补抄或人工发命令补抄。电量冻结功能：可以方便地定义总表，安装和删除总表，给总表分配分表。通过安装适当的总表，结合抄冻结数据功能，就可得某一特定的时刻的总表读数，各分表的读数，就可以计算出某部分电路的电能损耗，为确定电费提供依据。电费管理功能：收电费前，统一抄录一次电费数据。当确保数据库内的数据反映最近的电表读数后，利用程序中的功能自动计算出当月用电量和电费。设备管理功能，如告警：开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过载告警、倾斜或移动报警等；控制：对欠费用户进行拉闸等。并提供停电数据保护功能，在停电48-72小时内仍可抄表和监控。4.2子程序设计4.2.1 电能表的软件设计 多功能表主程序流程主要包括初始化、数据校验、负荷曲线修补和事务处理等，其流程如图4-2所示。MCU初始化参数未初始化？PAN中数据校验和不正确？确？系统上电复位吗？日常事务处理理初始化参数YYYNNNRAN数据重置上电恢复负荷曲线修补并行事件处理图4-2 主程序流程图日常事务处理流程集中体现了多功能表的大部分主要功能，包括费率处理、计量数据采集及处理、自动抄表、电能脉冲输出、校表模块和掉电检测及处理模块等，其流程图如图4-3所示。费率结构及当前费率判断计量数据采集处理自动抄表电能脉冲输出模块按键扫描和LED显示处理系统检测模块校表判断及处理掉电检测及处理图4-3 日常事务处理流程图4.2.2 RS485串行通信子程序 采集监测点数据的接口符合的RS-485总线接口标准，集中器只需按照定义好的协议通过串口接收数据。集中器与各监测点之间采用主从通信方式，集中器做主机，监测点作从机。监测点响应主机的数据通讯请求上传数据。在系统中给每个监测点分配一个唯一的地址号，此地址号唯一区别各监测点。集中器抄收监测点数据时，主动呼叫监测点，发送控制指令读取数据，指令中包含有监测点的地址码，只有当监测点接到的地址码与本机地址码相符时，监测点采集器才响应指令，发送数据，集中器接收数据。集中器与各个监测点的通信帧结构如表4-1所示。表4-1 集中器与个监测点通信帧结构STARTADDRESSFUNCTIONDATALRCEND1Byte2 Byte1 Byte3 Byte1 Byte2 Byte说明：START为起始标志，占1个字节，用来表示通讯头；ADDRESS占2个字节，表示各监测点的地址；FUNCTION为命令号，包括11H和12H，其中11H表示采集监测点数据，12H表示集中器向监测点发送指令；DATA为数据段，根据FUNCTION的不同而变化，11H时为采集到的监测点数据，12H时表示集中器下发的指令；LRC为校验码，采用CRC校验；END为结束码，表示命令的格式。集中器通过RS485总线与监测点串行通信流程如图4-4所示。图4-4 RS485串行通信子程序由于RS-485 总线是异步半双工的通信总线，在任意时刻，与总线连接的监测点只能有一个处于发送状态，若有多于一个监测点同时发送数据，就会发生总线冲突，使整个系统通信瘫痪。同时，半双工的通信方式在数据的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统瘫痪，无法正常工作，因此集中器发送给各监测点控制信号在时序上要完全隔开。 工作原理串行通信中，发送时CPU向SBUF写入数据就启动了发送过程，在发送控制器的控制下按设定波特率的速率由低位到高位一位一位发送，当一帧数据发送完毕，置位发送中断标志T1(SCON.l)，该位可作为查询标志，如果设置为允许中断，将引起中断，CPU再发送下一帧数据。接收时，需预先置位REN(SCON.4)即允许接收，接收方按设定的波特率将对方发来的