基于单片机的电能表红外抄表器设计.doc

届毕业设计开题报告题 目 基于单片机的电能表红外抄表器设计 专 业 姓 名 班 级 指导教师 起止日期 年 月 日目 录一、课题的来源和现状31、课题的来源32、课题的现状 3二、设计要求：4三、工作内容4四、设计方案 5五、技术路线6六、预期目标10七、时间安排11八、参考文献11一、课题的来源和现状：1、课题的来源：以前抄表大多挨家挨户用肉眼去记录数据，然后由专门人员将电表数据输入电脑，计算出本月的用量，最后打印清单。这样既麻烦又容易出错。例如,长期以来,水电供应部门对用户电表、水表、煤气计量都采用传统的手工抄表。该方法费时、费力,缺乏准确性和及时性,不利于供应部门进行更深层次的分析和管理决策,在行业信息化过程之中,户表数据的自动化抄送具有非常重大的意义。因此，设计一种以单片机为核心的掌上红外抄表器来用于电表数据的无线接收，这样抄表方便快捷，省去了人工抄表的麻烦，如果采用手持抄表机进行抄表与原来的手工模式相比，在抄表效率上得到了质的提升。本文所设计的系统具有系统简单、数据可靠完整、操作方便、维护费用低、抄表省时省力、可避免误抄等特点。手持终端与电度表间的通信采用红外通信方式。红外通信它的诞生使供电部门实现抄表自动化成为可能，它的推广使用，不但可以使供电部门节省大量人力，取得可靠的经济效益，而且还促使了新的用电管理体系的建立，免除了广大人民自行分摊电量，排队交费之苦，对进一步推进本地房地产业的发展也具有相当重要的意义。2、课题的现状 ：红外线是一种人的肉眼看不见的光线。最近二三十年来，初露头脚的红外技术，在各个领域里获得了广泛的应用，开始应用到生产上，并形成了一门崭新的技术红外技术。目前的抄表方式是抄表人员每次抄表前将抄表户的详细数据从电力营销管理信息系统下载到抄表机中，然后携带抄表机到现场，利用抄表机简便的查找方式查到该抄表户资料，将现场表码数据输入到抄表机中，超标结束后，将抄表机连接到微机上，抄表机内存储的抄表数据就全部自动的录入到电力营销管理信息系统中。由于抄表人员在现场通过人工按键盘的模式将用户的表数输入到抄表机中，经过这几年的实际应用，我们发现有以下几方面的问题：1.有些表计底数是由液晶显示器显示，这种显示器较之传统的显示方式有些脆弱，现场光线不足的情况下，看不清表数，容易输入错误；2.有些电表安装环境不好，或过高，抄表人员须登高抄表，安全性不强；或太脏太暗，看不清表数，准确性不高；3.到位率不能保证，存在估抄现象；4.由于用户的表数是手工键盘方式输入，难以杜绝“人情电”。鉴于上述情况，在抄表机中添加新的技术手段以避免上述情况的发生，加强抄表的管理工作，增强、改善电力部门与用户的关系，以降低用户的投诉率。租用电话线抄表是利用现成的电话网络，只需在数据的发出和接收端分别加装调制解调器（MODEM）。该方法的数据传输率较高且可靠性好，一次性投资小。但不足是线路接通时间较长，当集中器数较多，集中器到控制中心的通信效率明显降低。另外，若租用电话线路多，其租用费也很可观，因此不适合大容量系统。低压电力载波是利用低压电力线作为抄表的传输通道。电力载波直接利用配电线网络，免去了租用线路或占用频段等问题，降低了抄表成本。但电力线传输所存在明显的缺点就是噪声大和安全性低的问题。电力系统的基础设施并不具备提供高品质数据传输服务的功能，而且，使用电力线来进行通信经常会发生一些不可预知的错误。家庭电器产生的电磁波也会对通信产生干扰。光纤通信抄表具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点。但其安装结构受限制且成本高，也不适合在电力抄表系统中使用。由此，无线抄表技术的应用就迫在眉睫了。无线抄表技术就是在技术与管理两方面急待进步、改革的迫切需求下逐渐发展起来的。无线抄表系统，是指将无线传输作为电力抄表通信方式的抄表系统。目前，系统中的无线传输主要有红外传输和无线射频传输两种。红外抄表系统采用红外（IrDA）技术通信，通过红外无线模块实现电表数据的传输，其优点是价格低廉，功耗低。尽管现在有了同样是近距离无线通讯的蓝牙技术，但红外数据通讯由于其自身低廉的成本和广泛兼容性的优点，势必在将来很长时间内在短距离无线数据通讯领域扮演重要的角色。因此本设计主要采用红外线技术进行抄表。二、设计要求： 实现一个“手持式红外抄表系统”，包括“多功能电表”（实现简单电能计费功能）和“手持抄表终端”两个部分的设计。抄表终端通过红外通信与电表通讯，实现抄表功能。并完成毕业论文。三、工作内容： 传统的电表结算方式需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据,结算出费用后,再到各家索取,这种传统的工作方式不仅误差大、统计工作量大,而且人为的错误给物业管理和用户带来极大不便，也大大的降低了抄表人员的工作效率。本课题所实现的基于单片机的单相电表及红外抄表器系统包括多功能电表和手持抄表终端两个部分，前者用于对用电数据（电量、电费、最大功率）的计算、保存等其他处理，后者通过红外线通信与前者通信，将所处理好的用电数据保存于手持终端内，再与PC机进行简单的串口通信，通过人机界面进一步处理数据。四、设计方案： 数据通讯一般采用的是串行通信方式。串行通信可采用有线与无线两种方式，根据单片机串行通信原理、脉冲编码调制（PCM）技术和红外无线通信技术，开发设计了单片机编解码红外无线通信接口。用该接口构成的新型无线抄表系统，利用红外线这种非电信号作为传输介质，来传送数据信息，可以在那些不适合或不方便架设电缆线及电磁干扰较强的工作环境，来实现单相电度表的抄表系统，完成电度表用电量的抄录、设置表底数、电度表校准等工作。 红外抄表的组成： 1.具有红外线发射装置的电子式表计； 2.红外线抄表机（接收存储器）； 3.应用软件； 在抄表机数据通信系统中，单片机之间的数据通信采用一对多的主从模式，利用近红外波通信。其原理示意图如图1。调制发射抄表单片机 接收滤波放大解调 主机电度表单片机解调滤波放大接收调制发射从机图1 抄表单片机与电度表单片机的串行通信抄表单片机：发送从机（即电度表单片机）地址、控制命令及调度。电度表单片机（即从机）：则负责收集现场信息，进行一定的数据处理，根据主机的要求返回数据，并执行主机发出的命令。从机和主机采用串行通信模式，主机与从机通信时，主机先呼叫某从机地址，唤醒被叫从机后，主、从两机之间进行数据交换，而未被呼叫的从机则继续处于等待状态。主机发送的信息可以传到多个从机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收。 五、技术路线：一、红外抄表系统硬件电路设计1手持抄表机电路设计 掌上红外抄表器是抄表系统中的核心部分。它的主要任务是采集电子式电度表的数据，更新数据库中的内容，与上一个月的内容相比较。该系统完成的主要功能有：（1）能够设置单元和对应的户数，且所抄数据能够长期保存。（2）系统采用直流供电，以免在不用系统时掉电电池耗电太多。抄表机由单片机、电源电路、串行通信接口、显示电路、键盘设置电路、存储器等组成。系统的硬件框图如图2所示：电源单片机存储器键盘串行通信接口显示器图2 硬件设计框图2.分时付费率电度表电路设计分时付费率电度表即电子电能表是应用模数转换技术计量电能并直接以数字显示的仪表。其工作原理为先进行交流电压与交流电流相乘，并求的表征信号周期内平均功率，随后对其做累计运算，得到一定时间内的电能，实现上述原理的多种方法，可归结划分为模拟相乘法与采样计算法两类。最后按要求计量能量的时段将周期的P求和即得到电能值。电子式电能表的准确度，线性度，频率特性和温度特性等均远优于感应式电能表。电子式电能表分为电子式单相电能表、电子式三相有功电能表、电子式分时计费电能表、电子式多功能电能表等。本设计中采用电子式分时计费电能表。本电度表是根据各地的用电情况将一天分成8个时段，可以根据季节的变化调整时段的划分，分别按三种价格进行分时计费。采用液晶数字显示，可以显示时间、日期、当前时段、本月峰平谷、总的峰平谷、8个时段和抄表日等数据。通过按钮进行显示选择，通过红外线接口完成抄表，还可以调整时段划分。单相电子式复费率电度表采用PHILIPS增强型8051单片机作为中央控制器，采用LCMIOBK 10位8段液晶显示器显示数据，信号采样电路采用双向电能计量电度表专用SM9903，配有专门的时钟电路，图3为单相复费率电度表原理图。电源传感器采样积分电路单片机存储器按键时钟电路显示器电源图3 硬件设计电路电子式复费率电度表的各种功能均由软件实现，并按模块化进行设计，每个模块分别完成一种或几种功能。软件模块主要有：主程序模块、读写存储器和时钟芯片程序模块、红外接口中断子程序模块、显示程序模块、延时采样计时模块、掉电中断子程序模块。3.红外线发射电路设计红外发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波，将红外发射器发出的红外光转换成相应的电信号，再送前置放大器放大。红外发送电路的信号一般采用两级调制。红外发射管是通用的，这里选用发射TK69931。在红外数据传输的信号调制方式上，采用脉冲调制的二进制不归零码。这种调制方式比较简单，编码解码都比较方便，有利于电路简化。4.红外线接收电路设计红外接收电路由光电转换器、前置放大电路、解调电路和译码器等部分构成。光电转换器的作用是将红外光敏器件接收到的红外光指令信号转换成相应的电信号。然后通过放大器放大后，才能送到信号处理电路进行处理。经红外前置放大器放大后的红外线信号，要由解调电路解调后才能送到译码器电路译码，将调制载波信号还原为调制信号，然后送译码器进行译码。红外接收电路一般多为集成为一体化的接收模块设计中采用一种高效能的红外接收德律风根TFMS5380。德律风根所开发的微型接收器TFMS5380是近期市场上最高效能的红外接收器。二、红外抄表系统软件设计1.手持抄表机软件设计在红外通信过程中，手持抄表器作为主机，是通信的发起者，其发送和接收都是主动的，其流程图如图4、图5所示：初始化设置定时器T1的模式预置T1的初值关闭T1中断启动定时器T1设置串口波特率及工作方式开串口中断返回图4 初始化子程序开始初始化子程序发送地址帧从机应答否？NY发送抄表命令从机应答否？命令从机复位N主机接收数据块Y接受完否？N返回Y图5 抄表机通信程序流程图 红外抄表器的软件程序主要包括主程序以及系统初始化、红外发送、红外接收、LCD显示设置、键盘输入设置等子程序。 2.分时付费率电度表软件设计 电度表端作为从机，其软件程序包括主程序和中断服务程序，流程图如图6、7所示：地址符合否？ NY从机接收抄表命令开始 N接收完成？串口初始化从机发送数据开串口中断Y发送完成？等待中断NYSM2=1恢复现场返回图5 主程序流程图 图6 中断程序流程图主程序主要负责完成系统初始化，开串口中断，等待中断等指令。中断程序负责判断抄表机发送的命令码，电度表接收到命令码经过判断，如果为抄表机的命令码，则会向抄表器发送用户用电量的数据。这时抄表器就会开始接收电度表发来的数据，如果接收过程没有任何问题，红外抄表器便会显示抄表成功，通过小键盘可以查看用户的用电量或是进行其他的各种操作。六、预期目标： 本设计介绍的应用于电度表抄表系统中单片机红外串行通信接口，具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、通信可靠性高的特点。利用手持抄表器可以方便地完成对电度表的抄录和校准等工作，大大提高了抄表工作的效率，而且抄表准确度高并杜绝了估抄和误抄的问题。本设计提出的通讯协议能够在多台单片机间安全地传送数据，实现了通信双方非接触式的数据传送，也可用于其他遥控、遥测的单片机应用场合。红外线抄表系统能够弥补集抄系统投资大、维护难的缺点：能够提供传统计量系统所缺乏的功能，既为供电企业带来管理上的便利，又能取得效益。我们相信，随着科技进步和管理技术的革新，红外无线抄表系统一定会有美好的发展前景。七、时间安排：12周 查资料，熟悉软件设计环境。35周 进行硬件电路设计。612周 结合所设计的硬件，进行课题的软件设计，期间再对硬件电路进行调整完善。1315周 撰写论文。八、参考文献：1.樊昌信等.通信原理M.北京：国防工业出版社，20032.胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社，19963.颜永军等.Protel99电路设计与应用M.北京：国防工业出版社，20014.杜中良.红外通信在电力自动抄表系统中的应用M.北京：航空航天出版社，20055.黄采伦.智能仪表的红外通信技术M.北京：国防工业出版社，20006.彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，