毕业设计论文-无线智能主电表.doc

编号： 毕业设计说明书 题 目： 无线智能主电表 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 题目类型：题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016 年 5 月 26 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 I 页 摘 要 21 世纪以来，随着中国经济的不断崛起、科技的不断发展，人们开始重视生活 水平的质量。其中，影响人们生活的一个因素就是电，电是生活中最不可缺少的一 部分，所以人们需要一个好的电能表来管理电能。但是普通电表的工作方式比较落 后，满足不了人们对电能管理的需要了。2009 年 7 月，国家电网对智能电网进行了 相关的规划，智能电网得到了很好的发展，这种情况下人们开始对智能电表进行研 发。本次主要是设计一套无线智能电表的系统。智能电表与传统的普通电表存在着 很大差异，它不仅给工作人员带来便利的操作，减少了工作量，使电能管理起来简 洁、更自动化，还有防窃电、远程付费等特点。 无线智能电表由无线智能主电表与无线智能从电表组成，本次主要是对无线智 能主电表进行研究设计。单片机芯片采用的是 STC12C5A60S2 芯片，计量电量方面 采用电能计量芯片 ATT7053BU，主表与从表之间用 GSM 模块进行无线通信，上位 机通过无线智能主电表向无线智能从电表发送指令，查询用户的用电量，完成对电 能的监控与管理；而无线智能主电表也有检测用电量的功能。 本次设计经多次实验，实现了无线主从电表的通信、远程网络集中管理和监控 功能，无线智能电表代替普通电表将指日可待。 关键词：关键词：智能电网；无线智能电表；无线智能主电表；单片机；无线通信 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页 Abstract Since twenty-first Century, with the continuous development of Chinas economy, the continuous development of science and technology, people began to pay attention to the quality of life. Among them, one of the factors affecting peoples lives is electricity, electricity is the most indispensable part of life, so people need a good electric energy meter to manage power. But the work of ordinary electric meter is relatively backward, can not meet the needs of the power management. The State Grid Corporation of China of timely presents the strategic of developing unified and robust smart grids, smart grid has made a good development. Based on the situation, people began to develop smart meters. The design describes a wireless intelligent electric meter system. There is a big difference between smart meters and traditional meters, compared to the traditional common electric meter, the smart meter has the advantage of convenient operation, less workload, anti- theft, remote payment etc. Wireless intelligent main meter and wireless intelligent slave meter are composed of the wireless intelligent electric meter, here is mainly to study the design of wireless smart meter. the chip microprocessor model is STC12C5A60S2, metering power consumption using electric energy measurement chip ATT7053BU, the main table and the salve table with the GSM module for wireless communication. The host computer sends commands from the electricity meter to the wireless intelligent power meter through the wireless intelligent master meter, inquires the users electricity consumption, and completes the monitoring and management of the electric energy; and the wireless intelligent main electric meter also has the function of detecting the electricity consumption. This design through many times of the experiment, the realization of the wireless master-slave meter communication, remote network centralized management and monitoring, wireless intelligent meter replace ordinary electric meter will be just around the corner. Keywords: intelligent grid; wireless intelligent electric meter; wireless intelligent main electric meter SCM; wireless communication 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录 目 录 摘 要.I ABSTRACT .II 1 绪论.1 1.1 课题背景，目的和意义 .1 1.2 国内外的发展情况 .1 1.3 智能电表的发展趋势 .2 1.4 本章小结 .3 2 无线智能主电表系统总体设计方案.5 2.1 电能质量的基本参数 .5 2.1.1 电压偏差.5 2.1.2 频率偏差.5 2.2 通信模块设计方案的选择 .6 2.2.1 基于蓝牙模块的解决方案.6 2.2.2 基于 Wi-Fi 模块的解决方案.6 2.2.3 基于红外线的解决方案.6 2.2.4 基于 GSM 模块的解决方案.7 2.3 无线智能主电表总方案设计 .7 2.4 本章小结 .8 3 无线智能主电表硬件电路设计.9 3.1 无线通信模块 .9 3.1.1GSM 的简介.9 3.1.2 通信模块 TC35I.9 3.2 单片机模块电路设计 .10 3.2.1STC12C5A60S2 的简介.10 3.2.2STC12C5A60S2 的电源电路.11 3.2.3STC12C5A60S2 的复位电路.12 3.2.4STC12C5A60S2 的时钟电路.13 3.3 电能计量芯片模块电路设计 .14 3.3.1 电能计量芯片 ATT7053BU 的简介.14 3.3.2 电能计量芯片 ATT7053BU 的系统复位和 A/D 转换.16 3.3.3 芯片有效值测量.17 3.3.4 电能计量芯片 ATT7053BU 的电路设计.17 3.4 显示模块 .18 3.5 电压、电流采样电路设计 .20 3.6 存储与通信串口 .22 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录 3.7 本章小结 .22 4 无线智能主电表软件设计.23 4.1 主程序设计 .23 4.2 本章小结 .24 5 系统调试.25 5.1 调试步骤 .25 5.2 调试困难 .25 5.3 本章小结 .26 6 结论.27 致 谢.28 参考文献.29 附录一 无线智能电表系统原理图.30 附录二 无线智能电表系统 PCB 图.32 附录三 单片机主程序.34 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 40 页 1 绪论 1.1 课题背景，目的和意义 我国人口众多，消费量大，电力行业近年来一直是国内领先的行业，除了商业用 电与工业用电量特别大这一特点之外，普通生活中的居民用户及学校宿舍的用电量也 非常大，电能也已经成为我国的头号能源。就拿普通生活中的家庭用电来说，由于国 内经济的崛起，生活也因此受益而提高了很多。物质生活的丰富多彩，精神生活的日 益注重，让人对生活质量的要求也变得日渐增长，当然，这就少不了对电能质量方面 要有所要求。电表自诞生至今也有一百多年了，但是传统而且普通的电能传输、管理 都相当落后，不仅电压不太稳定，传统电能表的管理方式无非就是：以家庭为一个单 元，每户都有一个电能表，居民先用电，然后每个月都会有工作人员来抄表，再根据 用电的多少来缴纳费用，跟不上生活的需求。 电能管理部门会每个月对各家各户进行一次抄表，根据抄取的读数来收取相应的 费用。对于这种电能的管理模式，不仅给用户带来不必要的不便和麻烦，有时还会影 响居民的生活作息，而且给管理的工作人员带来繁重的工作量，在低效率的情况下， 得安排更多的人员去工作，所以会耗了很多人力资源。有力证据证明，电力部门的抄 表人员相当多，而且人为的抄表方式弊端，时间方面也是极大的浪费。为了符合社会 生活的需要，对用户用电进行负责，做到安全性、可靠性与简洁性并行，减少工作人 员的繁杂工作，对传统意义上的电能表的更新势在必行。 无线智能电表设计的课题研究非常的有实用价值和市场前景。第一，无线智能电 表能够更加地方便、更精确地计量各用户消费的电量，无线电表的数字显示界面也更 加清晰、直观，这不仅可以提高工作人员的工作效率，而且还可以防止错误的情况出 现；第二，无线电表的智能化可以帮助相关的管理单位实现网络远程管理和监控，方 便居民上网查询用电量的详细记录，适时缴纳电费，这既节省了管理单位的人力、物 力资源，也方便居民充值电费减少了出行时间、缴费的工作流程。第三，无线智能电 表通过无线传输数据，提高了安全性，防止用户被偷电的可能。 1.2 国内外的发展情况 电能表诞生于 19 世纪 80 年代，随着电力系统与电力相关的产业的发展、电能管 理系统设计的日益完善，电能表随着技术的日新月异而不断地更新换代，其发展历程 有四个阶段，按时间顺序排列，阶段一是感应式电能表；电子式电能表是第二阶段； 阶段三则是机电式电能表；到现阶段就是智能电能表了。1889 年，世界上第一块感应 式电能表出世，是在匈牙利岗兹公司制作而成的。20 世纪 60 年代以前，因其优越的结 构，带来的简便性，电能表的使用以感应式电能表为主；感应式电能表的制作原理也 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 40 页 相对简单，它是根据金属小圆盘（处于交变电场中）的感应电流和相应的电磁场产生 一个力的原理而做出来的。从那时代起，感应式电能表存在缺点：准确率低，功能单 一，已属相当落后了。人们开始着手研究新的电能表并试着采用模拟电子电路的方案， 20 世纪 60 年代末，日本实现了全电子化电能计量装置。到了 20 世纪 80 年代，电子元 器件进一步有了创新，为模拟电子式电能表的制造建立了一个很好的基础。20 世纪末， 根据多功能的扩展需要，出现了机电式电能表。而在最近一些年，由于气候变暖，资 源逐渐减少，应保护环境的要求，电能表首当其冲，随后就诞生了智能电表，它是智 能化的电子式电能表，标志着电能表又一时代的更新。国外对智能电表相当重视， 2001 年，意大利电力公司建立了智能化计量网络并且安装了 3000 万台智能电表；2007 年下半年，美国罗拉多州的波尔德的每户居民都安装了智能电表，这是美国第一个全 部用户安装智能表的城市；美洲、欧洲、澳洲等地的一些能源公司对智能电表的安装 也做出了相应的规划。 智能电表是高新技术产品，国内相对于欧美等西方发达国家的研究水平还是有一 定差距的。国内研究比较重视硬件电路的设计与系统功能。智能电表作为经济的一部 分，2009 年，国家电网对智能电网（电网的智能化，也称“电网 2.0” ）做出了明确的 规划。试验阶段的时间初步定为 2009 到 2011 年，主要着重于智能电网整体规划的完 成，开展“三性” （关键、基础、公用）技术研究，进行技术和应用试点；全面建设阶 段一二到一五年，这主要是为了加快城乡配电网以及特高压电网的建设，形成相应的 互动服务和智能电网运行控制体系；引领提升阶段的时间推迟到了以后；未来几年， 覆盖率将达到 100%，全面完成智能电网。自 2009 年 8 月起，国家电网公司间歇地开 启了一些试点工程，这不仅取得可人的效果，而且还为“十二五”建立了较好的基础， 对全面建设坚强智能电网起了点睛的作用。根据有关规划，国家电网公司电网智能化 下一个的投资比上一个期间“十一五”期间的 250 亿元的年均投资约翻一番，年均投 资为 572 多亿元，投资总额多达 2861 多亿元，涉及了电能的六个环节，它们就是从发 电到结束的一系列过程。智能化的投资会逐渐增加，电网规划的开展，为的就是这个 目的。而智能电网覆盖率的增加，给二次设备带来的投资占比将有很大的提升，估计 从 5%以下增长到 12%-15%。国家对智能电网的重视程度已经很明显，对多年的招投 标采购也有了很好的回应，仅 2012 年一年，招标量就超额完成，超出预想很多。而以 这种速度增长的趋势，对智能电网的全面建设无疑是一个很大的推进，不仅可以缩短 规划的全部期程，这也是国家所期望的结果。 1.3 智能电表的发展趋势 据统计，全球约有十几亿台电能表，如用智能电表将其全部代替，智能电表将伴 随着智能电网的发展浪潮进入了一个新时期和转折点，实际数据证明，智能电表的出 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 40 页 货量正逐年递增。在欧洲地区，智能电表有不错的市场，并且欧盟对智能电表制定了 很多项目，构成了节能政策的核心部分。根据预计，在欧洲，电表的数量将超过 2 亿 只，其中智能电表在西欧地区占了电表的 90%左右。现在世界各国对智能电表都有了 相应的规划，而且他们都提倡节能减排，在这种驱动下， 现在起到 2020 年智能电表 在欧洲的安装量将超过 2 亿只。从规模这方面来看，到 2020 年之前欧洲对智能电表的 投资将不少于 160 亿美元，而仅仅高峰期就能达到 23 亿美元。在中国的近邻东南亚地 区，智能电表高速发展的阶段在 2011 至 2020 年，而且出货量年复合增长率迎来新高 点达到了 98.1%。根据 2013 年在亚洲展览会上统计的电表项目信息，比较出名的一个 泰国的电力公司(PEA)计划投入 130 多亿美元在以后的十几年之内在公司的管理范围内 安装 1500 多万只智能电表，建设覆盖面积庞大的智能电网系统，并且打算应用比较先 进的 AMI 系统于普通用户；印尼根据国内市场的情况准备安装超过 100 万只预付费电 表，如果计划实施顺利，印尼将是世界预付费电表最多的国家，印尼国家电力公司也 准备为居民更换旧的电表；马来西亚最大的电力公司已为 5 万左右的大客户配备了 GSM 解调器和智能电表，并对智能电表做出了相应计划，准备对其实施 AMI 系统和 相关部署。在拉丁美洲，美国一直占有智能电表的先进技术，据其预测，优越的特性， 智能电表将很畅销，可能超过两百多美元，仅巴西可能就占近了三分之二。未来几年， 截至 2020 年，南美的智能电表可能超过 10 亿只。在非洲，虽然电表的技术比不上美 国，电力公司还需要解决其它问题，但是，还是有 80%非洲其它国家以南非 STS 为标 准的键盘式预付费表作为电能计量工具，并且整个非洲每年安装键盘式预付费表的数 量就有 1000 多万台，创新性地解决了收费难的问题。在中东，主要的几个国家伊朗、 以色列等采用的智能计量标准体系就是欧洲国家的体系。 现在，智能电网的建设已在世界各地全面开启，中国相对于世界上的一些发达国 家来说起步比较晚，但对智能电网的建设还是相当重视的，前进的步伐也不甘落后。 随着国家颁布的新能源政策以及智能电网建设源源不断的投资，中国智能电网市场前 景更加广阔，从目前我国智能电能表的发展状况来看，在未来的很长时间内，智能电 表的发展将大致呈现以下几个特点：电能表市场需求增加、实现智能电表的生产及检 定自动化、 智能电能表功能不断完善、电能表设计模块化、智能表通信技术的不断完 善。 1.4 本章小结 本文的主要内容是根据时代进步的需求，在国家推行智能电网的情况下，设计一 种能进行远程无线通信的智能电表，符合智能电网的发展要求。设计思路是把整个智 能电表模块化，充分利用专业课本的知识，以单片机、电能计量芯片、无线通信为主 要模块，分别进行全面的分析，逐一确定各个模块的框架，再整合成一个整体。确保 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 40 页 无线智能电表在计费等基本功能的同时，还具有网络集中管理和监控的功能，并实现 真正的无线通信。 本文的主要工作： 第一章 绪论。叙述了电能表的发展背景、研究无线智能电表的目的及意义，描述 了智能电表当前的发展情况和发展趋势，最后对论文进行了内容安排。 第二章 无线智能主电表系统总体设计方案。对无线智能主电表系统的硬件、软件 方案做出了全面的设计，对四种无线通信模块进行了对比，并选出来最优方案。 第三章 无线智能主电表硬件电路设计。对无线智能主电表硬件制作进行了全面的 描述，对各个小模块硬件电路以及其中元件的功能进行了详细的说明。 第四章 无线智能主电表软件设计。对软件的设计的概括，描述了无线智能电表的 工作流程情况。 第五章 系统调试。叙述了调试步骤和所遇到的困难。 第六章 总结。对论文以及作品进行了总结。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 40 页 2 无线智能主电表系统总体设计方案 2.1 电能质量的基本参数 电能质量的重要性在现代社会中越来越突出，作为时代的主流电能表，首要的基 本功能就是测量电能和监测电能质量。电能质量是非常重要的，对设备有很大的影响， 简单说指的就是电力系统中电能的质量，有电压、电流、供电、用电质量这几种，而 衡量其指标的主要有三个，电压、波形与频率。若出现以上几种偏差而使用电设备不 能正常工作可定义为电能质量问题。 2.1.1 电压偏差 所谓的电压偏差是指电路某一点的实际电压与额定电压的差值比上额定电压所得 的百分数。在电力系统中，无功功率看似无用，其实非常重要，它影响着电压，所以 电压偏差的大小也取决于无功功率。用电设备中有很多器件对电压很敏感，当电压偏 差超过规定范围时，会对设备造成很大的伤害，影响正常的运行，甚至毁坏，电压偏 差计算公式如下 2-1。 (2-1) = 100% 公式中，是实际测量的参数，是额定电压，就是计算得来的电压偏差了； 国内对供电电压的电压偏移也采用了标准规定。35kV 及以上供电电压正、负偏移的绝 对值之和不超过额定电压的 104，也就是说，在 35kV 以内，电压的偏差 不得大 于 5，也不得小于-5；10kV 及以下电压级为73；220V 单相供电电压允许偏 移为额定电压的+7和-104。 2.1.2 频率偏差 频率是衡量电能质量的几个标准之一，频率的变化对很多用电设备有着非常大的 影响，比如某些电动机的转速；而频率的变化主要受有功功率的影响。实际测量的频 率与额定频率的差比上额定频率就是所谓的频率偏移了，公式如下 2-2： (2-2) = 公式中，f 就是实际测量的频率，就规定的额定频率，频率偏差就是。我国 电力系统的额定频率为 50Hz，频率偏差范围为0.2Hz0.5Hz，用百分数表示为 0.414。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 40 页 2.2 通信模块设计方案的选择 无线智能电表，顾名思义，就是能进行无线通信的智能化电表，对于通信的要求 也不能含糊，首先必须做到相应几点：首先信号传输距离足够大，信号强度也不能弱； 接下来就是稳定性能要好，所在环境对信号的影响小，这才能显示抗扰能力强；最后 就是可实现一对多通信、辐射少对人体无危害、防被人破坏、经济性价比高。 2.2.1 基于蓝牙模块的解决方案 蓝牙，是一种无线技术，它能实现固定设备或者移动设备和楼宇个人域网之间的 数据传输、交换，传输距离一般在 10 米之内，传输速度较慢，环境对其影响不是很大， 主要是移动设备间的数据传输要严格控制距离。蓝牙的主设备最多可与一个微微网中 的七个设备通讯,这就有了很大的局限性，而且一般情况下，生产出来的实际产品与理 论上的产品还是不太一样的，也就是说有些产品根本达不到预期的效果，所以一般工 作的时候都是一对一的情况。设备之间的主、从角色不是固定的，可通过协议转换角 色，从设备也可是主设备。蓝牙设备的功耗比较低，因耗电量低，辐射也比较小，对 人、动物几乎没有什么危害，人为破坏概率较低。对于通信模块来说，它整体的体积 算是比较小，而且价格公道，不存在多余、复杂的结构。 2.2.2 基于 Wi-Fi 模块的解决方案 Wi-Fi，非常熟悉，近几年常常能听到这词，但是换个名称就是 WLAN,是一种允许 电子设备连接到一个无线局域网的技术，连接到无线局域网是可以设置密码来保护自 身网络的，破解难易看密码设置的强弱；无线网络上网可以简单的理解为没有网线照 样上网，也就是无限上网，近些年来产的智能类产品大部分都支持无线上网，原理就 是把有线信号通过相应器件转换成无线信号，它优越的性能得到了很多人的青睐，并 且已经是无线网络在使用最广的一种。Wi-Fi 信号的覆盖范围比较大，在大楼内使用无 压力，约为 100 米，但是略偏远的地方就不行了；传输数据的速度也比较高，可以达 到 11Mbps，但是传输技术的无线通信信号质量不是很好，有待改进，传输数据的安全 性能比蓝牙低，一些黑客能够巧妙地利用专用的黑客工具，攻击正在连接无线网络的 器件，一个不小心，很有可能还会进入黑客设好的陷阱中；Wi-Fi 可以一对多，实现多 台设备相连的功能；经济方面，成本偏高，需要单独网卡才能工作。 2.2.3 基于红外线的解决方案 红外线通信是一种利用红外线信号传输数据的通信方式，实质就是对二进制数字 信号进行调制与解调。它可以传输最基本的信息，比如文字。红外线进行数据传输的 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 40 页 时候，对数据的保密程度还是很强的，而且其传输量也大最重要的是它还能很好地抵 抗电磁的干扰。红外线也具有一些蓝牙的特点，就结构而言，两者都比较简单。但是 气候的变化对红外线还是有一定影响的，主要是大气对其的吸收和散射；传输距离最 短，甚至不到一米，传输角度也有一定限制(最小圆锥状15)。 2.2.4 基于 GSM 模块的解决方案 GSM 就是我们熟知的全球移动通信系统，它受到很多人的喜爱，全球大部分国家 也对此非常重视，总的来说，它是当今世界上使用最广泛的移动电话。GSM 覆盖面积 极大，在地球传输距离理论上无上限，而且就传输方面几乎不存在死角。能够稳定地 传输数据，信息灵敏，有较强的抗干扰能力，可实现一对多的功能，比起蓝牙的一对 一显得强大得多。一般情况下，GSM 的安全性还是很好的，用户与基站之间的通讯可 以被加密；工作进行的时候对人体没有什么危害，使用方法简单，性价比高。 以上四种方案，各有优缺点，通过对比，GSM 模块能有最长的通信距离，能实现 远程通信的功能，蓝牙(10 米)、红外线（1 米）均不可；信号最稳定，弥补了 Wi-Fi 信号的不足；传输几乎无死角，比红外线（最小圆锥状+-15）有更好的覆盖面积； 信号灵敏，比蓝牙传输数据的效率高得多。经过综合分析对比，选择基于 GSM 模块的 方案。这个方案只要插上电话卡就能使用，从而实现智能电表的主表与从表的无线通 信及主表与上位机的远程无线通信功能。 2.3 无线智能主电表总方案设计 本无线智能主电表设计采用电表专用 ATT7053BU 电能计量芯片以及单片机作为核 心主控制器，整体方案设计如下图 2-3 所示： 电压 采样 电流 采样 单 片 机 STC12C5A6 0S2 电能计量芯 片 ATT7053BU LCD 12864 通信模块 GSM 上位机 从表 图 2-3 整体系统框图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 40 页 通过了解国家电能表的背景、发展以及国家智能电网的发展，可将总系统设计分 成几个模块。无线智能主电表的硬件系统可分成无线通信模块、电能测量模块以及单 片机的中心数据处理模块。这是经过严谨的综合分析选择的结果，模块与模块之间的 相互联系构成了总系统。无线智能电表的多功能性和其智能化特性将令其占据电能表 市场的主要部分，它将结束工作人员繁重的抄表任务，解决漏抄、抄错等问题； 它将 满足用户简便的充值，解决枯燥的固定时间、固定地点；它还能防止窃电问题。 本系统的显示屏采用 LCD12864 晶体显示屏，可以实现四行八列的汉字、数字的 显示，亮度足、清晰度高，对比其相应的显示屏 LCD1602，它看起来不仅高端，上档 次，而且其显著优越的特性能满足本次设计的要求，与单片机相连时，其显示能力显 得就相当重要了；单片机采用 STC12C5A60S2 芯片，性能好，价格低廉元件充足，在 与其它元器件连接时，其优越的高速的特性让它比其它 51 系列的芯片快很多；电能计 量芯片采用 ATT7053BU，德国公司（西门子）的产品，其内置有多功能的寄存器，能 调整电能计量的时钟降低功耗。质量优越，性价比高。能确保电压、电流、功率等参 数的测量；电压采样、电流采样电路使用了相应的互感器。 2.4 本章小结 本章分析了系统中各种通信模块的优缺点，进行了无线智能主电表通信方案的选 择；介绍了无线智能主电表的系统核心结构以及电能计量芯片、单片机构成的硬件框 图、软件框图，及其大致的工作原理。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 40 页 3 无线智能主电表硬件电路设计 3.1 无线通信模块 3.1.1GSM 的简介 GSM 模块，是组成手机的主要部分，一个手机没有了屏幕、电池、键盘就是一个 单独的 GSM 模块。现实中，若没有深入的了解，都不知道每天都在使用 GSM。GSM 模块由基带处理芯片、GSM 射频芯片、功放器件、存储器等所构成。1991 年，芬兰首 次推出了 GSM 系统，它开始在欧洲亮相，网路也运行起来，移动通信开始步入第二代。 GSM 功能模块具有以下几大技术特点： （1）具有高频谱效率：采用高效的语音编码技术、调制器等； （2）容量比模拟系统大几倍； （3）具有通用的接口标准； （4）在插入 SIM 卡的基础上，具有跨国漫游的能力； （5）安全性能高，用户的权利及传输的信息得到保护； 早期，GSM 模块主要应用于手机，因为 GSM 模块是手机中最重要的一部分，加 上电池、键盘、显示屏就可构成一部手机，其中本次设计使用的 GSM 的一种就是 TC35I，目的就是利用其良好的特性，实现主从表的无线通信。 3.1.2 通信模块 TC35I 本次设计采用 TC35I 为主表和从表间的通信模快。该模块产权归属德国，是西门 子的产品，技术含量高，功耗低，体积小、重量轻，不过最主要的还是它能超远距离 传输数据，这是本次使用此模块的重要原因之一；它有 40 个引脚，这些引脚以功能区 分可得 5 类。电源类，包括电源正（15） 、电源地（610） 、充电（1112） 、电压 输出（13）等；数据输入、输出类（1623） ；还有控制类（3032） 、语音（3538） 、 SIM 等。SIM 卡在 TC35I 中是以外接式存在的，引脚是第 2429 脚；控制类引脚 32 SYNC 有两种工作模式，一是指示模块的工作状态，第二是指示发射时的功率变化趋 势。 TC35I 工作时，有几个需要注意的地方，必须插上 SIM 卡，没 SIM 卡就没有发短 信的能力，连接天线，注意电源正负极性及范围，而且供电电压不能过低，否则可能 会自动停止工作。单片机与 TC35I 模块连接时，通过控制其中的两个 IO 口来控制它 的工作、关机还有复位等基本功能。工作时，主表和从表各插有一张 SIM 卡，利用移 动信号强、稳定、安全可靠等优点，通过发短信的形式，相互传递数据信息，接收后， 主表再传给上位机。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 40 页 3.2 单片机模块电路设计 单片机是整个电表的核心部分，它是接受信号和发送指令的中央机构，作用至关 重要。本次设计采用的单片机芯片是STC12C5A60S2，它能接收并处理经电能计量芯片 转化的电信号，再提供给上位机和通过显示屏显示出来；上位机发送指令到无线智能 主电表，电表接收指令，首先就是经过单片机的处理、转化，最后才把相关的数据传 出去。 3.2.1STC12C5A60S2 的简介 STC12C5A60S2是51芯片中的一种，算是这系列芯片中性能比较好的，由国内的宏 晶公司所制造。正常工作电压是3.5到5伏，它功耗较低，发热情况就相对好很多，运 行速度快，是其它一些芯片的好几倍，抗干扰能力较强，自带的FLASH ROM存储器高 达60k，而且对于8051的指令代码可以完全兼容；还可加密程序，保护知识产权。下图 3-2-1是芯片的引脚图： 图3-2-1STC12C5A60S2的引脚图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 40 页 图3-2-2单片机最小系统电路图 以上3-2-1与3-2-2两个图中，可以明显看出，40引脚和20引脚接的是5V电源电路， 电源电路就是为了给单片机提供5V工作电压而存在的；RST是复位输入，外接复位电 路，复位就是为了解决程序出现问题而不能工作的情况，这是芯片的必备功能之一。 复位条件是RST引脚要持续保持一个机器周期的高电平；XTAL1、XTAL2是内部反向 震荡放大器的输入、输出，XTAL1还是内部时钟工作电路的输入，它们外接时钟电路。 3.2.2STC12C5A60S2 的电源电路 对于单片机芯片来说，它能否正常工作，首先第一条件就是是否通电、电源为系 统提供的电是否运行稳定安全可靠。一般，单片机芯片的工作电压范围都不大，而且 是直流电源，所以我们不能直接把单片机芯片接入到220V的电路中，而是需要把电压 降低，设计另一个电源电路。这个电路不仅仅给芯片提供电源，其它设备的电源也是 由其供给的。5V电源电路如下图3-2-2所示： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 40 页 图3-2-2电源电路 该电路从左到右开始，插针 P6 左边接的是变压器的二次侧，插针 P6 右边接的是 由四个二极管组成的桥式整流电路，经过桥式整流后，电流由交流变成直流，但是电 源电压波动很大；紧接着中间接入的是两个并联的电容 C19（带极性，值为 100uF） 、 C20（无极性电容，值为 1uF） ，在电路中，它们主要有两个作用，起滤波和储能（保 持） ；然后电路接入的是 7805 芯片，电压经芯片 in 引脚接入后，从右侧的 out 引脚输 出，降成 5V 的电压；这 5V 电压再经过两个并联的电容 C