远程智能电表抄表系统设计(毕业设计).pdf

1 学院本科毕业设计 论文 摘要 I 摘要 随着我国社会经济的发展 居民用电量剧增 传统的人工抄表收取电费的方 式 已不能满足现代化管理的要求 实现多用户能耗仪表的自动抄表已经成为可 能 特别是建设部提出来的小康型住宅小区的规划要求 并逐步实行能耗仪表出 户的统一管理 实现微机自动检测 计量和收费 本文针对目前居民小区的电能 计量中实际存在的各种问题 设计了一种实用的远程自动抄表系统 该系统具有 成本低廉 计量准确 工作稳定可靠和系统安装维护方便等特点 本文对整个抄表系统进行了较为全面的设计 着重对系统底层的能耗数据的 采集和集中 数据通信网络和通信方式等做了较为详细的设计 在硬件上对 CPU 数据存储及其监控电路 数据传输 通信标准 时钟电路 串口扩展 电能采集 和显示电路都做了详细的论述 并且广泛应用的 RS 485 电气接口的串行通讯技 术作为通讯方式 在软件上对数据进行采集 通信 显示子程序 校验子程序等 做了详细的说明 同时 本文还对系统中的干扰问题进行了深入细致的分析 并 在硬件和软件上担出了有效的抗干扰技术 该远程抄表系统实现了多用户的电能信息的远程自动抄录 能够实现住宅能 耗计量的高质量和高效率管理 关键词 远程抄表 数据通信 AT89C51 RS 485 1 学院本科毕业设计 论文 Abstract II Abstract With social and economic development electric power is used increasingly Traditional charge of electric fare by manual labor can t satisfy the demand for modern man management Automatic meter reading system AMRS has a possibility to be put into reality Especially for the well to do uptown the Construct Department of China has demanded to realize automatic meter reading measuring and charging with computer This article aims at the existing problems Thus I designed an automatic meter reading system of calorie The strong point of this system is lows cost precise measuring stable working and easy to install and maintain The article gives an all round design of this system It expatiates on detail designs of data capturing and collecting data communication network and mode In this thesis about the hardware a particular explanation of the choice of CPU inspect circuit data memory etc were given And it uses asynchronous serial communication technology based on RS 485 electric interface as communication means The software we give the program of impulse collection communication display and so on At the same time the noise questions existing in the analyzed and the effective anti noise methods on hardware and o software are presented This Long distancemeterreadingsystemrealizesthemulti userpower information remote automatic transcribing can realize residential energy consumption of high quality and high efficiency metrology management Keyword Remote meter reading Data communication AT89C51 RS 485 1 学院本科毕业设计 论文 目录 III 目录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题的提出和意义 2 1 2 国内外发展现状 2 1 3 课题可行性论证结论 2 1 4 本文所要完成的主要工作 3 1 5 本章小结 3 第 2 章 抄表系统总体结构设计 4 2 1 系统组成 4 2 2 通信标准的选择 4 2 3 系统总体方案确定 5 2 4 本章小结 6 第 3 章 抄表系统硬件设计 7 3 1 抄表系统的整体结构 7 3 2 抄表系统的各硬件模块的设计 7 3 2 1CPU 的选型 7 3 2 2 外围存储及其监控电路模块 10 3 2 3 数据传输模块 13 3 2 4 时钟模块 15 3 2 5 串口扩展 17 3 2 6 电能的采集和计数模块 19 3 2 7 显示电路 20 3 3 本章小结 21 第 4 章 抄表系统软件设计 22 4 1 软件设计的基本原则 22 4 2 系统软件设计 23 1 学院本科毕业设计 论文 目录 IV 4 2 1 上位微机发送命令到达的路径 23 4 2 2 远程抄表主程序的设计 24 4 2 3 各子程序的设计 25 4 3 软件初始化 31 4 3 1 电路初始化 31 4 3 2 串行通信设计 32 4 3 3 时钟软件程序操作 34 4 4 通信协议 35 4 4 1 字节格式 36 4 4 2 帧格式 38 4 4 3 传输 39 4 5 本章小结 39 第 5 章 系统的抗干扰设计 40 5 1 硬件抗干扰设计 40 5 1 1 稳压电源的考虑 40 5 1 2 串行 EEPROM 的选择 41 5 1 2 采用光电隔离技术 41 5 2 软件抗干扰设计 41 5 2 1 单片机程序出错时能自动纳入正轨 41 5 2 2 采取措施保证数据写入的可靠性 41 5 2 3 定时设置 I O 口状态 42 5 2 4 延时抖动技术 42 5 2 5 采用 看门狗 电路 42 5 3 本章小结 43 结束语 44 参考文献 45 致谢 46 1 学院本科毕业设计 论文 绪论 1 第 1 章 绪论 本文的研究课题是电表自动抄表系统 本章主要说明课题设计的背景和实际 意义 介绍了在抄表领域国内外的技术发展历史 现状和未来趋势 提出所要进 行的设计内容和任务 同时对全文的章节架构进行阐述 1 1 课题的提出和意义 随着人民生活水平的提高和住宅商品化的发展 居民住宅的质量和档次越来 越高 住房对住宅环境 物业管理水平的要求也日益提高 这样使得传统的抄表 收费方式存在的弊病越来越突出 抄表收费难也成为各部门管理上的问题 其原 因主要有以下几点 1 入户抄表难度加大 由于居民生活水平的提高 家庭财产价值及用户逐渐 开始重视私隐权等方面的原因 用户不希望被别人打扰 同时入户抄表只能在早 晚居民休息的时间里进行 抄表人员实际可利用的时间变短 因而使得电费 水 费 暖气费 煤气费的漏抄 欠收 漏收严重 实际收费往往远低于统计值 费 用流失严重 2 各管理部门负担较重 抄表率低 周期长 资金回收速度慢 严重影响了 这些部门的经济效益 3 管理费用开支过高 随着城市的发展 用户会越来越多 相伴着手动抄表 的管理人员和操作人员也要相应的增多 这势必会严重制约着相关企事业单位的 发展 4 抄表工作和劳动强度加大 抄表操作人员的工作条件差 效率低 劳动强 度大 而现行的抄表收费大多是人工抄表 人工收费 手工结算 这难以适应企 业管理信息化的形式要求 正是由于上述种种原因 建设部提出了建设小康型住宅小区的规划要求 明 确提出了要对新建和必扩建的住宅小区进行统一规划 逐步实行水 电 气三表 出户的统一管理 实现微机自动检测 计量和收费 随着居民住宅小区的物业管 理水平的不断提高 目前在不少住宅小区 各能耗的计量问题也已经由以前的各 部门管理逐步改为由生活小区物业管理部门统一管理 现代物业管理要求不断向 规范化 自动化和科学化的进程迈进 多表联网远传系统将越来越受到用户和市 场的认可 市场全景十分广阔 因此 多用户电表联网远程抄表系统的研究生就 显得十分迫切 1 学院本科毕业设计 论文 绪论 2 1 2 国内外发展状况 近年来 智能抄表技术在国内外应运而生 国内外许多国家正在大力发展开 发电能智能抄表系统的研制工作 在国外 如美国等发达国家已把智能抄表系统 广泛应用于配电管理之中了 以色列尤尼克 Unique 技术公司开发了 collector 集中抄表系统 利用现有的电网和电表 以电力线作为信息传递媒介 建立数据 采集通信系统 通过线载波技术将信息远距离传送 而由英国自动化仪表公司本 部策划 组织杭州沃制电力有限公司研制的 IC 系列电表 可按用户需要靖上通 迅接口 利用 RS 485 接口 零电压脉冲继电器输出或 4 20MA 线性进行远程监 测 德 D Tech 公司则此专门开发了 SMI 专用模块 用于电子式电能表的数据采 集 以 400 脉冲 度或 800 脉冲 度向外输出数据 1 在国内 虽然我国对智能抄表技术的研究起步较晚 但是发展速度很快 目 前 国内生产智能抄表的厂家超过 150 家 通过电力工业部电力设备及仪表检测 中心检测的厂家接近 100 家 受理的专利超过 165 项 据不完全统计 安装的智 能抄表用户超过 250 万户抄表技术多样公 总线 载波 红外 工频 超窄带 UNB 抄表方式多样化 单表 多表 系统功能逐步完善 除抄表外 还具有线损统计 用电考核 远程控制 自动收费并与银行联网等 1 3 课题可行性论证结论 本课题针对目前居民小区能耗计量实际现状 以及能耗计量的数据远传和网 等问题而设计的电表联网远程抄表系统 该系统主要运用廉价的单片机作为 CPU 分站 对小区用户的电量等能耗信息进行采集 系统采用分布式结构 与上位微 机一起构成典型的分布工测控系统 系统充分考虑到现场总线通信标准对传输距离和波特率的限制 兼顾了系统 的带载能力 同时也为提高远传系统的可靠性 在各种远传基表与上位微机之间 系统采用了两级采集器的结构形式 其中 二级采集器由于采集远传基表的能耗 信息而被称之为采集器 一级采集器因主要负责集中数据采集器中的数据 并上 传至上位微机中而被称之为数据集中器 上位微机与集中器 采集器之间可通过 现场总线进行数据传输 采集器通过屏蔽双绞线采集电表发出的能耗信息 并进 行换算和存储 采集器对电量的采集可直接通过 DF 型多用户电能表上的接口接 受用户的电量信息 如此 构成了两级分布工测控系统 系统便于管理 管理人员可以通过上位微机的操作界面实现对用户电表能耗 的远程抄取 还可以对参数进行设定和修改 也可以通过专用的红外抄表器进行 现场操作 弥补自动抄表不便时的不足 此外系统还具有以下特点 硬件简单 经济实用 且功能强大 1 学院本科毕业设计 论文 绪论 3 可移植性较强 稍做改造即可变成多用户多表联网远传系统 系统成本相对其他应用系统不高 能够被市场和用户接受 市场前景广大 系统的安装和维护方便 工作稳定性较好 系统选用符合国家计量标准的远传基表 系统计量的准确性和可靠性符合 或略高于国家相关技术规范和标准化 系统的环境适应能力较强 通用性较好 便于实现技术的推广和应用等 1 4 本文所完成的主要工作 针对目前电表联网远程抄表系统发展的现状和存在的问题 结合本课题的设 计任务和技术要求 2 本文主要解决以下几个方面的问题 1 完成远程抄表系统的硬件设计 达到如下功能或性能 1 能耗抄取 数据采集器正确采集电量信息 存储在采集器中 自动定时地 对 DF 电表进行抄表 将抄得的数据存储在集中器中 能通过红外抄表器抄取集 中器中的能耗数据 集中器自动定时地对采集器进行抄表 将抄表的数据存储在 集中器中 上位机可以远程获取用户的各类能耗信息 2 参数设置 上位机可对集中器 采集器的参数进行设定 可对用户的电量 进行设置 并可以根据电表信息对采集器进行设定 2 完成各部件和上位微机的软件设计 1 对采集器和集中器中各硬件进行程设计 包括系统主流程及各子程序的编 写 各个硬件的驱动及初始化 2 上位机的软件设计 采用客户机 服务器的客户服务形式对上位机进行软 件编程 1 5 本章总结 本章提出了本文的设计课题 介绍了与课题相关的技术发展现状 明确了总 线制抄表系统的设计思想 并且提出了设计所要解决的主要问题和相应的初步设 想 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 4 第 2 章 抄表系统总体结构设计 2 1 系统组成 自动抄表系统是一个完整的通讯检测控制体系 最上层是计算机管理层 这 层由各种工作站 库服务器等计算机设备组成 其中配备管理软件 实现如读取 数据 统计用电情况等功能 每个台区里要有一个中间的转发层 这里称之为 集中器 集中器每个台 区至少配备一台 负责向上与管理层和向下与采集层的通信联结 主要起通讯和 暂存数据的作用 向下的通讯使用总线技术 向上的通讯除了使用总线技术外 还有一些如红外 无线等辅助性的通信手段 最底层是电表层 由各种电度表组成 主要完成能耗计量 实际的系统中 处于对成本的考虑和实际使用情况 系统结构还有一些其他 的变化 目前的城市民居楼宇中 有很多为了便于人工抄表和安装维修 电度表采取 了集中安装的方法 把一个单元的十几户的用户表安装于同一个大表箱中 所以 针对这种情况 产生了若不种衍生方案 这些方案都是只在最下层作了扩展 3 4 5 2 2 通信标准的选择 本系统的一个重要的问题就是通信问题 要根据系统的通信距离来选择合适 的通信标准 如果通信距离要求太高的话 可以采用电话线公网或者无线 GPS 等方式来进行通信 在通信方式中 大多数采用串行通信方式 这里先对常见的串行总线标准作 一个比较 常用的总线标准有 RS 232 RS 422 和 RS 485 等等 6 RS 232 是异步 串行通信中应用最广泛的一种标准总线 其单向数据传输最大速率为了 20Kbps 最大传送距离为 15m 显然这种总线标准是无法满足本系统的技术要求的 且其 数据传输速率较慢 易产生干扰 RS 422 传输距离较远 最短为 12m 数据传输 最大速率为 10Mbps 当速率为 1Mbps 时 传输距离可达 120m 当速率为 100Kbps 时 传输距离可达 1200m RS 422 抗干扰能力强 传输速率快 且为全双工的 我们知道 RS 232 和 RS 422 有一个显著特点 即 RS 232 接口与 RS 422 接 口通常吸用于点对点通信系统中 若系统中需要相互通信的节点数超过两个时 他们都无法直接满足要求 因此 EIA 制定了新的接口标准 RS 485 它能支持一点对多点的通信 RS 485 电气标准与 RS 422 完全一样 只是 RS 485 工作于半双工方式 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 5 RS 485 标准总线是一种平衡传输方式的串行口接口标准 它允许在电路中 有多个发送器 且允许一个发送器驱动多个负载设备 负载设备可以是被动发送 器 接收器或收发器的组合单元 RS 485 的共线电路结构是一对平衡传输的两 端都配置终端电阻 其发送器 接收器 组合收发器可以挂在平衡传输线上任何 位置 在数据传输中实现多个驱动器与接收器通用同一传输线的多点应用 RS 485 通信接口的信号传输是用两根线之间的电压差来表示逻辑 1 或 0 的 因为发送端仅需两根传送线 而接收端也只需要两根传送线 这样 RS 485 接收端与发送端公需两根线就能完成信号传输 RS 485 标准总线的特点是 抗 干扰能力强 传输速率高 传输距离远 在采用双绞线 不用 Modem 的情况下 在 100Kbps 的传输速率时可传送 1200m 若速率为 960Kbps 时 可以传送 1500m 甚至更远 由于 RS 485 具有上述优点 能够支持一点对多点的通信 便于组网通信距 离也能满足本系统的设计要求 且电表联网远程抄表系统对实时性要求不高 能 耗的抄取也是不经常发生的 一般情况下仅需要每月抄一次 所以本系统选择了 半双工的 RS 485 的通信标准 2 3 系统总体方案确定 在我们确定了通信标准之后 就可以对整个系统进行设计了 既要充分考虑 RS 485 通信标准中对传输距离和波特率的限制 又要兼顾到系统的带载能力 来确保系统运行的可靠性 在基表与上层管理微机之间 采用了采集器 集中器 两级结构形式 系统的总体分布结构如下图 2 1 所示 图 2 1 系统总体结构图 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 6 上位微机与集中器之间可通过 RS 485 总线进行数据传输 采集器通过屏蔽双 绞线采集用户各种远传能耗基表的信息 并进行换算和存储 采集器对电量的采 集可以直接通过 DF 型电能表上的 RS 485 接口接受用户的电量信息 也可以通过 采集器上的红外接口 利用专用红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读取等 整个系统采用如此结构主要有以下几方面考虑 首先 成熟的技术保证了系统的顺利实现 一方面 随着目前远传基表市场 的日趋成熟和科学技术的不断完善进步 国内市场已出现许多能够生产符合国家 计量标准的远传基表专业厂家 另一方面 传输网络目前一般采用 RS 485 或 LonWorks 技术来构建传输网络平台 其技术本身也是完全成熟的 只要能正确 的组网 进行相应的软件开发并制定出完善的通信协议就能确保系统网络传输的 稳定可靠 其次 系统采用了 RS 485 通信标准 由于 RS 485 接口可以在一个通道上进 行半双工通信 所以 只需两根经便可实现双向通信 极大的方便了构成一点对 多点或多点之间的相互通信 因此可以用组建 RS 485 网的方式将系统中的采集 器 集中器和上位微机等构成有机统一的两级分布式网络系统 一方面 这便于 系统的综合布线和扩充 也便于迅速发现和排除故障 同时 两级分布式网络系 统也更有利于用户能耗数据的可靠存储 大大提高系统的带载能力 另一方面 两级分布式测控系统还便于系统的灵活运用和组合 更能满足小区建设规模大中 小的变化要求 且两级分布式测控系统扩大了系统的应用能力同时也增加了管理 者的管理能力 对系统推广和应用而言更趋于合理 7 此外 上位微机的应用可以更有效地对用户各种能耗数据进行存储 处理和 分析 可以实现历史数据的查询 数据通讯 账单票据打印 报表生成以及便于 系统维护等等功能 还可以方便地对数据采集器 集中器进行参数设置 运行状 况监控等 保证系统正常运行 2 4 本章小结 本章阐述了电表远传抄表系统的功能目标和设计原则 提出远传抄表系统的 总体结构图 并分别阐述了远传基表 采集器 集中器在系统中的位置 功能以 及设计构想 在分析各种通信方式后明确了使用 RS 485 通信协议进行数据传输 的设计方向 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 7 第 3 章 抄表系统的模块功能设计 3 1 抄表系统的整体结构 在了解国内外现有的产品特点的基础上 为了使抄表器的功能更加完善 设 计的抄表器具有计数 数据存储和数据处理 电量及其状态的显示 与控制中心 通讯等基本功能 整体结构如图 3 1 所示 C P U 串 口 扩 展 模 块 数 据 传 输 模 块 监 控 模 块 时 钟 模 块 电 能 采 集 模 块 L E D显 示 模 块 图 3 1 抄表系统的整体结构框图 系统的整体工作流程如下 1 脉冲采集计数模块根据脉冲计算出电表的数据 存储于内部的 RAM 中 2 AT89C51 根据时钟模块的时间设定 定时向脉冲计数模块发送数据传输命 令 收集其电表中的数据 并根据设定好的程序 存储于外部的 RAM 中 等待上 位机的查询 并把没有反应过来的终端的号码记录下来 上传给上位机 3 上位机操作中 有定时抄送和随时抄送两种模式 定时抄送 即上位机根 据系统设定的时间 查询各脉冲采集计数模块中的数据 随时抄送 指在某种特 殊情况下 需要单独的对某一用户进行复查等 在两种模式下 对没有反应的终 端做备份 并警告等 3 2 抄表系统的各功能模块设计 这是整个抄表部分的核心部分 由图 3 1 可知 主要由 CPU MCU 时钟模 块 电能采集和计数模块 显示模块 串口扩展模块 数据传输模块 监控模块 等组成 每一个部分的正确选择与设计 及电路的连接对该系统的硬件电路而言 是十分重要的 3 2 1 CPU 的选型 1 CPU 是整个系统的核心部件 它直接影响系统的性能 本系统中选用的是 AT89C51 单片机 8 现对其功能引脚 电路特征作一个详细的介绍 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 8 与 MCS 51 系列的单片机相容 片内集成 4Kr FLASH 存储器 可反复编程 擦除 1000 次 全静态设计 时钟频率范围为 0 24MHz 32 条可编程的 I O 口线 128 8 字节的内部的 RAM 芯片有 2 个十六位计数器 计时器 共有 5 个中断源 2 个中断优先级 可编程串口通道 具有 4 种工作模式的全双工串行口 低功耗的待机工作模式和掉电工作模式 片内振荡器和时钟电路 AT89C51 是一种性价比高 功能先进的 8 位微处理器 在许多的嵌入式系统 中得到了广泛的应用 尤其是内部 4K 字节的 EPROM 为使用者提供了很大的方便 当应用程序较小时 不用为 CPU 添加外扩的 ROM 空闲工作模式和掉电保护模式 可以保证 CPU 工作在低功耗的状态下 内部的 RAM 的数据不会丢失 1 AT89C51 芯片主要引脚介绍 9 10 图 3 2 AT89C51 外形引脚 1 VCC AT89C51 电源正极输入 接 V 电压 2 GND 电源接地端 3 XTAL1 接外部晶振的一个引脚 在单片机内部 它是一个反相放大镜输入 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 9 端 这个放大器构成了片内振荡器 它采用外部振荡时 该引脚应接地 4 XTALI2 接外部晶振的一个引脚 在片内接至振荡器的反向放大器输出端 和内部时钟发生器输入端 当采用外部振荡器时 则此引脚接外部振荡信号的输 入 5 RST AT89C51 的复位信号输入引脚 高电位工作 当要对芯片复位时 只 要将此引脚电位提升到高电位 并持续两个机器周期以上的时间 AT89C51 便能 完成系统复位的各项工作 使得内部特殊功能寄存器的内部均被设为已知状态 6 ALE PROG ALE 是英文 ADDRESS LATCH ENABLE 的缩写 表示地址锁存允 许信号 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地址字 节 在 FLASH 编程器件 此引脚用于输入编程脉冲 在低电平时 ALE 端以不变 的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 16 因此它可用作对外部 输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将 跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只 有在执行 MOVX MOVC 指令时才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果处理器 在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 7 EA Vpp 该引脚为低电平时 则读取外部的程序代码 存于外部 EPROM 来执行程序 在 8051 中 EA 引脚必须接低电平 因为其内部无程序存储空间 如果是使用 AT89C51 的其他内部有程序空间的单片机时 此引脚接成高电平使程 序运行时访问内部程序存储器 当程序指针 PC 值超过片内程序存储地址时 将 自动转向内部程序存储器继续运行 此外 在程序代码烧录至 89C51 内部 EPROM 89C51 内部 FLASH 时 可以利用此引脚来输入提供编程电压 AT89C51 为 12V 8 PSEN 此为 Program Store Enable 的缩写 访问外部程序存储器选通 信号 低电平有效 在访问外部程序存储器读取指令码时 每个机器周期产生二 次 PSEN 信号 在执行片内程序存储器指令时 不产生 PSEN 信号 在访问外部数 据时 亦不产生 PSEN 信号 9 P0 P1 P2 P3 口 P0 口 P0 0 P0 7 是一个 8 位漏极开路双向 I O 端口 当访问外部数据时 它是地址总线 低 8 位 和数据总线复用 外部不扩展而单片机应用时 则作为 一般的双向 I O 口用 P0 口每一个引脚可以带 8 个 TTL 门电流 P1 口 P1 0 P1 7 是具有内部提升电路的双向 I O 端口 准双向并行 I O 口 其输出可以带 4 个 TTL 门电流 仅供用户作为输入输出用的端口 P2 口 P2 0 P2 7 是具有内部提升电路的双向 I O 端口 准双向并行 I O 口 当访问外部程序控制器时 它是高 8 位地址 外部不扩展而单片机应用时 则作 为一般的双向 I O 口用 每一个引脚可以推动 8 个 TTL 门电流 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 10 P3 口 P3 0 P3 7 是具有内部提升电路的双向 I O 端口 准双向并行 I O 口 它还提供特殊功能 包括串行通信 外部终端控制 计时计数控制及外部随机存 储器内容的读取或定入控制等功能 其特殊功能引脚分配如下 P3 0 RXD 串行通信输入 P3 1 TXD 串行通信输出 P3 2 INTO 外部中断 0 输入 低电平有效 P3 3 INTO 外部中断 1 输入 低电平有效 P3 4 T0 计数器 0 外部事件计数输入端 P3 5 T1 计数器 1 外部事件计数输入端 P3 6 WR 外部随机存储器的写选通 低电平有效 P3 7 RD 外部随机存储器的读选通 低电平有效 3 2 2 外围存储及其监控电路模块 X5045 是一种性能较高的可编程看门狗芯片 属于片外看门狗芯片 不但有 看门狗电路 而且还有存储器 掉电后数据不丢失 可以直接进行复位 它集中 了三种功能 看门狗定时器 电压监控 和 EPROM 组合在单个封装内 X5045 具 有简单的三线总线工作的串行外设接口 SPI 和软件协议 11 其电路结构图如图 3 3 所示 八引脚封装 图 3 3 X5045 芯片引脚 该芯片内控串行 EEPROM 是具有 Xicor 公司的块锁保护 CMOS 串行 EEPROM 它被组成 8 位结构 它由一个四线结构的 SPI 总线方式进行操作 其擦写周期至 少有 100 万次 并且写好的数据能保存 100 年 1 特性 可选时间的看门狗定时器 Vcc 的降压检测和复位检测 五种标准的开始复位电压 使用特定的编程顺序即可对低压电压检测和复位开始电压进行编程 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 11 复位电压可以低至 Vcc 1V 省电特性 在看门狗打开时 电流小于 50uA 在看门狗关闭时 电流小于 10uA 在读操作时候 电流小于 2mA 具有数据的块保护功能 可以保护 1 4 1 2 全部的 EEPROM 当然也可以设置 不保护状态 用指令允许写操作写保护引脚 时钟可达 3 3ms 短的编程时间 16 字节的页写模式 写时器件内部自动完成 典型的器件写 周期 5ms 喂 狗 信 号 检 测 数据保护逻辑 状 态 寄 存 器 看 门 狗 定 时 器 复 位 看 门 狗 及 其 定 时 器 复 位 时 基 上 电 复 位 和 降压复位生成 上 电 复 位 逻 辑 控 制 命 令 解 码 控 制 逻 辑 数 据 寄 存 器 3K bits 2K bits 1K bits V trip R ESET V C C S I S O S C K C S WDI W P 图 3 4 X5045 内部电路结构图 2 功能及其引脚描述 本器件将四种功能融为一体 上电复位控制 看门狗定时器 降压管理以及 具有模块功能的串行 EEPROM 有助于简化系统的设计 减少印制板的占用面积 提高可靠性 1 CS WDI 芯片选择输入 当 CS 是高电平时 芯片未选中 并将 SO 置为高 阻态 器件处于标准的功耗模式 除非一个向非易失单元写的周期开始 在 CS 是高电平时 将 CS 拉低使器件处于选择状态 器件将处于工作功耗状态 在上 电后任何操作之前 CS 必须有一个高变低的过程 看门狗输入 在看门狗定时 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 12 器超时并产生复位之前 一个加载 WDI 引脚上的由高到低的电平的变换将复位看 门狗定时器 2 SO 串行输出 SO 是一个推 拉串行数据输出引脚 在读数据时 数据在 SCK 脉冲的下降沿由这个引脚送出 3 WP 写保护 当 WP 引脚是低电平时 向 X5045 中的写操作被禁止 但是其 它的功能正常 当引脚是高电平时 所有操作正常 包括写操作 如果在 CS 是 低的时候 WP 变为低电平 则会中断向 X5045 中写的操作 但是 如果此时内 部易失性周期已经初始化了 WP 变为低电平不起作用 4 SI 串行输入 SI 是串行数据输入端 指令码 地址 数据都通过这个引 脚进行输入 在 SCK 脉冲的上升沿时进行数据的输入 并且高位 WSB 在前 5 SCK 串行时钟 串行时钟的上升沿时通过 SI 引脚进行数据的输入 下降 沿通过 SO 引脚进行数据输出 6 RESET 复位输出 RESET 是一个开漏型输出引脚 只要 Vcc 下降到最小允 许 Vcc 值 这个引脚就会输出高电平 一直到 Vcc 上升超过最小允许值之后 200ms 同时它也受到看门狗定时器控制 只要看门狗处于激活状态 并且 WDI 引脚上电平保持为高或者为低超过了定时时间 就会产生复位信号 CS 引脚上 的一个下降沿将会复位看门狗定时器 由于这是一个开漏型的输出引脚 所以在 使用时候必须接上拉电阻 3 X5045 的电路连接如图 3 5 中的看门狗对系统提供保护功能 当系统发生故障 而超过设置时间时 电路中的看门狗将通过 RESET 信号向 CPU 作出反应 它提供 了三个时间值供选择 它的具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影 响 当电源电压降到允许范围内时 系统将自动复位 X5045 存储器与 CPU 可能 通过串行通信方式接口 共有 5K 字位 来存储抄表数据 图 3 5 X5045 的电路连接 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 13 如何保证 WDT 正常运行也是一个关键问题 要针对 WDT 失效的原因 采取多种措 施 防止失效 从而进步提高系统的可靠性 1 尽量减少干扰源的存在 并且降低不可去除干扰的影响 如电源电压的 波动 尖峰 浪涌等 他们都是强度比较大的干扰源 要加强过滤与去除 2 对本机任务进行分流 合理的配置 CPU 的操作任务 能在上位机运行的 功能 一般应放在上位机运行 因为上位机的运行环境良好 便于控制 从而减 少本机出错的概率 3 对地址指针 过程控制程序中判断转换的条件状态等关键数据进行实时 备份 当由于数据被改而使 WDT 失效时 可以从过备份 RAM 中恢复这些关键数据 从而也使得系统恢复 对没有用到的 EPROM 和 RAM 区 一律写在 FFH 或者 OOH 当 CPU 由于干扰 跑飞 到这些不用区域中时 不会产生误操作 采取以上措施 可以较好的提高 WDT 的稳定性 有利于系统的正常运行 3 2 3 数据传输模块 通常情况下 集中器都是安装在小区某楼总出口处 对于城乡用户来说 集 中器一般都会选择较为集中的地方 这个相对来说就是比较复杂 13 因为这样它 的传输距离更大 往往达到千米以上 为此 我们选择了 RS 485 的数据通信标 准 标准通信接口电路的主要性能参数见表 3 1 表 3 1 标准通信接口电路的主要性能参数 RS 232RS 423ARS 422ARS 485 操作方式单端单端差分差分 最大线缆距离15m600m1200m1200m 最大数 据速率 bps 12m 300K10M10M 120m 10k1M1M 1200 m 3K100K100K 可连接台数 1 台驱动器 1 台接收器 1 台驱动器 10 台驱动器 1 台驱动器 10 台接收器 1 台驱动器 32 台接收器 1 RS 485 标准接口 RS 485 为半双工 在某一时刻 一个发送另一个接收 用于多站互连时 可以节省信号线 便于数据的传输 RS 485 是一种多发送器的电路标准 它扩 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 14 展了 RS 422 的性能 允许双导线上 1 个发送器驱动 32 个负载设备 同时 RS 485 允许公用电话线网络通信电路结构在平衡连接两端有终端电阻 在平衡电缆上挂 发送器 接收器或者收发器 所以这里 我们考虑采用 RS 485 串行标准来完成 采集模块到上位机的数据传输问题 RS 485 是一种电气标准 与 TTL 标准完全 不同 单片机与 RS 485 之间必须进行转换 可以采用分立元件或集成电路专用 芯片完成 本设计采用 MAX485 芯片 2 MAX485 芯片 MAX485 芯片是 MAXIM 公司生产的差分平衡性收发器芯片 集成片包含一个 驱动器和一个收发器 适用于 RS 485 通信标准 结构引脚见图 3 6 性能及特点 单 5V 电源供电 低功耗 工作电流 120 50uA 静态电流只有 300uA 驱动器有过载保护功能 通信传输线上可挂 32 个收发器 共模输入电压范围 7V 12V 8 引脚封装 适用于半双工通信 图 3 6 MAX485 引脚 引脚描述 RO 接收器输出端 若 A 端高于 B 端 200mv 以上 R0 为高 否则 R0 为低 RE 接收器输出使能端 若 DE 为高 驱动输出 A 和 B 有效 器件作线驱动器用 发送 若 DE 为低 它们呈高阻态 这时 RE 为低 器件作线接收器使用 接 收 DI 驱动器输入 DI 为低将迫使输出为低 若 DI 为高将迫使输出为高 B 反相接收器输入与反相驱动器输出 A 同相接收器输入与同相驱动器输出 GND 接地 Vcc 电源正极 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 15 3 2 4 时钟模块 时间信息对于自动抄表系统而言是不可或缺的 但将其放于何处则是一个值 得争议的问题 其中的两个障碍是无法回避的 一个是成本 一个是维护 所以 在电表安装时钟和在集中器上安装时钟 我们选择了后者 将时钟放在集中器上既可以满足系统对时间信息的基本要求 也不会给系统 增加过多的负担 当需要进行底度冻结时 集中器会发出广播命令 连发数次后 再依次向各电表发送命令 这样 所有电表收到命令的时间最长也可以控制在几 分钟之内 可以满足电力部门的要求 当平时运行抄送命令时 集中器会每抄送 一块电表就加上当时的时间信息 将时钟放于集中器上还有利于上位机对时钟进 行精确定时 1 芯片选择 本系统电路中的时钟芯片选用的是 DALLAS 公司的 DS1302 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能 低功耗 带 RAM 的实时时钟 芯片 它可以对年 月 周 日 时 分 秒进行计时 且具有闰年补偿功能 时钟还可以通过 AM PM 来决定采用什么时制 DS1302 与单片机之间能简单的采 用同步串行的方式进行通信 仅仅需要三个口线 RST I O SCLK 串行时钟 2 DS1302 芯片功能介绍 实时时钟具有计算 2100 年之前的年 月 周 日 时 分 秒的能力 同时 还有闰年的调整能力 31 8 位暂存数据储存 RAM 串行 I O 方式使得管脚数量最少 宽范围工作电压 2 0V 5 5V 工作电流 2 0V 时 小于 300uA 读写时钟或 RAM 数据时 有两种传输方式 单字节传送或者多字节传送 8 脚 DIP 封装或可先 8 脚 SOIC 封装 简单的 3 线接口 与 TTL 兼容 Vcc 5V 可选择的工作温度范围较广 40 85 摄氏度 3 DS1302 引脚及其电路连接 DS1302 引脚及其电路连接图分别见图 3 8 及图 3 9 X1 X2 接标准的 32 768KHZ 的晶振引脚 GND 接地端 SCLK 串行时钟 RST 复位引脚 I O 数据输入输出引脚 Vcc1 Vcc2 电源供电管引脚 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 16 图 3 7 DS1302 引脚图 图 3 8 DS1302 电路连接图 3 2 5 串口的扩展 在采集模块和网络接入设备之间有一个中间设备 让它具有承上启下的功 能 一是接受采集模块的数据 另外把从采集模块中的数据接收后发送上传到网 络接入设备 从而让网络接入设备自动完成数据的上网发送 采集模块的数据接 收和发送都是通过串口来实现的 而 AT89C51 只有一个串口 为了不至于使接收 和发送冲突 必须进行数据的走向选择 也叫做串口扩展 SP2338 串口扩展芯 片能将普通的 51 系列单片机的一个串口扩展为三个独立的全双工串口 并且三 个串口的波特率达到了 9600bps SP2338 采用通用的 1 个起始位 8 个数据位 1 个停止位 同时 该芯片在与单片机相连时接口也非常简单 SP2338 共有四个 串口 一个母串口 三个子串口 他们都是全双工的串行通信口 允许同时接收 和发送数据 母串口与需要扩展的 51 单片机的串口相连 子串口与其他串口设 备相连 这样就实现 只有一个串口的单片机可与三个串口设备相连 SP2338 有 两根发送地址线 两根接收地址线 用以选择发送串口和接收串口 其电路图连 接如图 3 9 所示 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 17 图 3 9 串口扩展图 分别控制了两个输入输出引脚 形成了两个完整的回路 一个完整数据向 MAX485 和网络接入设备的数据传送 另外一个连接 MAX485 网络和 MCU 内核 完 成采集模块数据的上传和 PC 机命令的下传 1 当单片机要向串行设备发送数据时 其工作过程是 1 先向 SP2338 的串口地址线 ADRI0 ADRI1 送地址信号 ADRI0 ADRI1 00 子 串口 0 ADRI0 ADRI1 01 子串口 1 ADRI0 ADRI1 10 子串口 2 再向与自己 相连的线串口的通信线上送数据 2 SP2338 的母串口收到单片机串口送来的数据后就根据 ADRI0 和 ADRI1 的状 态 把数据送往相应的子串口 3 该子串口再把数据送往相连的串口设备 2 当串口设备向单片机发送数据时 其工作过程是 1 SP2338 的某个子串口从串口设备接收到数据时 送给母串口 2 SP2338 的母串口把该数据再送给单片机串口 同时在 ADRO0 和 ADRO1 线上 送出子串口的地址 3 单片机根据 SP2338 接收地址线 ADRO0 ADRO1 上的信号判定由哪个设备发 出的 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 18 3 2 6 电能的采集和计数模块 1 功率计量部分实现对电流和电压信号的采样 产生功率脉冲功能 其核心 是 AD7755 芯片 该芯片是专门用于功率测试和电能测量的专用集成电路 是目 前电子式电度表的核心芯片之一 功率计量部分包括 AD7755 分流器 分压电 流 基本电压源 保护电路图 光耦合器输出电路 L PF 5 6 1 121 51 6 7 8 9 2 112 1 21 41 32 02 22 42 31 01 71 8 电源监控电路 V IP V IN V2P V2N A D C A D C H PF 数 字 频 率 转 换 器 相 位 校 正 2 5V基 准 网 P G A X1 X2 X8 X1 6 110101 110101 信号处理电路 R E FI N OU TC LKINS C FS0S1R EVPC FF1F2 RESET D GN D D VD D A C D C A D7755 A VD D A VD D G0G1 图 3 10 AD7755 的内部框图 2 AD7755 的内部结构如图 3 11 所示 在该芯片上集成了增益可选的放大器 PGA 增益固定的放大器 16 位二阶模数转换器 ADC 相伴校正电路 可 选的高通滤波 HPF 数字乘法器 低通滤波 LPF 数字频率转换器 D F 电压监视器及 2 5V 的内部电压基准源 通过分流器 分压电路分别对电流和电 压信号进行采样 电流通道和电压通道的信号经放大器放大后 通过 AD7755 内 部 A D 转换器为两路数字信号 然后经乘法 低通滤波 数字频率变换等电路的 处理 AD7755 输出与瞬时功率成正比的脉冲 并将此脉冲送至微处理器 MCU 3 AD7755 是 CF 引脚可以提供脉冲常数为 1600IMP KWH 脉冲数 千瓦时 将此输出脉冲用 LED 和光电耦合器隔离输出 然后送入 MCU 的终端输出引脚 由 MCU 控制计量功率脉冲 AD7755 产生的输出频率与两个电压信号乘积的平均值成 正比 AD7755 通过计算通道 1 和通道 2 两个输出电压的乘积 然后对乘积进行 低通滤波 获取有功功率信息 再将这个有功功率进一步的转换为频率 以低电 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体结构设计 19 平有效的方式从 F1 和 F2 输出 这个频率是对有功功率信号经过相当长的时间累 积产生的 因此这个输出频率与平均有功功率成正比 有功功率放大器平均过程 中隐含在数字 频率转换中完成的 加在 AD7755 上的输出电压值为 U1 和 U2 F1 和 F2 输出的脉冲频率 F 和输出电压信号的有效值 U1 和 U2 有一定的数量关 系 F 8 06 U1 U2 G F Uref 式中 F 为引脚 F1 和 F2 输出的频率 HZ U1 为差动输入电压的有效值 V U2 为差动输出电压的有产值 V G 为 1 2 8 16 取决于 PGA 的增益 由 G0 和 G1 的逻辑输入决定 Uref 为基准电压 2 5V 0 8 V F1 4由主时钟 CLKIN 分频获得 分频系数由 S0 和 S1 决定 电路连接图如图 3 11 所示 图 3 11 AD7755 电路连接图 1 学院本科毕业设计 论文 抄表系统总体