小区智能电表系统的研究与设计

0小区智能电表系统的研究与设计【摘要】：近年来，社会与经济的发展越来越快，居民用水量的需求也相应增大，电表的数量随之增加，同时小区住户的居住环境质量和档次越来越高，住户对住宅环境，物业管理水平的要求也日益提高。传统的抄表方式存在许多弊端，如入户麻烦、管理费用过高、存在安全隐患等，不再适应现代物业管理的需求。如何既满足新形势下人民群众日益增长的用水需求，又可将供水成本限制在供水企业能够承受的合理范围之内，是目前摆在各基层供水部门的一个崭新课题。该设计的控制核心是STC系列单片机STC89C52，用它来实现自动抄表系统的功能。该设计主要由五大部分构成，分别是：单片机控制系统、数据采集模块、A/D转换电路、数据显示电路及2.4G电路。控制系统是由STC89C52单片机组成的；数据采集部分是采用传感器ADE7755；数据显示部分由LCD1602来实现，用它来完成数据的显示。【关键词】：单片机；数据采集；数据显示；1Abstract:Inrecentyears,thesocialandeconomicdevelopmentmoreandmorequickly,residentialwaterdemandincreasethenumberofmeters,thelivingenvironmentqualityarealsosmallhouseholdsmorehigh,tenantstraditionalway,suchashometrouble,managementcostsaretoohigh,theexistenceofsecurityrisks,nolongermeettheneedsofmodernpropertymanagement.Howtomeetthenewsituation,thepeoplesgrowingdemandforwater,andthereasonablerangerofwatersupplycostconstraintscanbearinthewatersupplyenterprises,isanewtasktothelocalwaterdepartments.ThecontrolcoreofthissystemisSTCMCUSTC89C52.Useittoachievethefunctionofautomaticmeterreadingsystem.thisdesignmainlyiscomposedoffiveparts,respectivelyis:controlsystem,dateacquisitionmodule,A/Dconversioncircuit,datadisplaycircuitand2.4Gcircuitforsinglechipmicrocomputer.ThecontrolsystemiscomposedofSTC89C52singlechipmicrocomputer;datedisplay,itisusedtocompletethedatedisplay.Keywords:singlechipmicrocomputer;dateacquisition;datedisplay2目录第1章前言.3第1.1节抄表系统的研究背景.3第1.2节远程抄表系统的发展现状.3第1.3节远程抄表系统的发展趋势.4第2章系统方案设计.5第2.1节ADE7755数据采集模块选型和论证.5第2.2节单片机的选型.6第2.3节2.4G无线收发模块的论证.7第2.4节时钟芯片的选型和论证.7第2.5节数据显示部分选型和论证.8第3章系统硬件设计.9第3.1节ADE7755数据采集模块的设计.9第3.2节基于STC89C52的主控电路的设计.11第3.3节nRF2401的无线通信模块的设计.13第3.4节时钟模块的设计.14第3.5节液晶显示电路的设计.17第4章系统软件设计.20第4.1节下位机开发软件介绍.20第4.2节主程序设计.21第5章系统调试.23第5.1节系统硬件调试.23第5.2节系统的软件调试.23第5.3节设计调试结果以及分析.24第5.4节设计的基本意义.26结论.27参考文献.28致谢.29附录.30附录1系统设计原理图.30附录2:系统PCB设计图.31附录3实物图.32附录4：部分源程序.333第1章前言第1.1节抄表系统的研究背景当前，我国水、电、气的计量收费管理，主流采用的还是人工抄表方式。住宅区中每个住户家中的水表、电表、煤气表等计量表计，其安装位置各异，有些表（如电表）集中安装，有些表（如电表）却分散在住户家中，这样就给管理部门的抄表工作带来困难。逐户抄表要耗费很多人力和时间，且入户抄表很难一次完成。随着国内智能化系统的日益发展和完善，目前在大多数的高档住宅小区中都开始安装远程抄表系统。远程抄表的自动抄表系统是指利用传感技术、自动控制技术和计算机网络技术自动读取和处理城市居民用户的水、电、气表计数据，并将该信息加以综合处理的系统，抄表技术准确而便捷，不但能提高管理部门的工作效率，而且还适应现代用户。自动抄表技术最早于八十年代诞生于美国，1982年英国的THORNEMI系统利用公用电话网实现了自动抄表，1985年日该九州电力公司试用电力输配电线载波、地线载波及光缆通信应用于远方读表和检测表计误差的系统等。这些系统曾先后投入试运行。但由于投资较大，均仅用于用电大户、联网结算或部分住宅区的集中电能表数据的读取，1988年美国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员装备了手持式微机，用户消耗的电能数据被一次性经键盘存入微机，完成统计与处理。1990年以后，AMR得到较快的发展，2000年度，美国有2840万自动抄表设备单元应用。后来自动抄表系统在世界各地得到迅猛发展。由于国外对集中抄表技术的研究起步较早，且比较深入，从标准的制定到抄表专用芯片的生产都比较成熟，多种集中抄表技术得到了相对广泛的、成功的应用，在发达国家基该上都实现了远程集中抄表。我国自动抄表起步于上世纪九十年代中期，主要方式为低压电力载波自动抄表系统和智能卡预付费系统。只处在起步试用阶段，在使用不长的时间内，就发现存在很多的问题。近几年，随着电子技术特别是通信技术的飞速发展，人们开始用新的理念，新的方法来解决自动抄表问题。在国家相关政策的推动下，民用电表智能化已是大势所趋。随着管理水平的不断提高、行业技术标准的不断成熟规范，国家加强对抄表设备监管力度和市场引导，将抄表系统及相关配套产品纳入重点计量器具范围，建立市场准入制度也将是必然。相信在不久的将来远程抄表系统将会得到不断完善并走向成熟。第1.2节远程抄表系统的发展现状就国内外现阶段的研究状况而言，主要是从采集和传输两个方面为重点进行的。目4前，自动抄表方式主要有：485总线、无线、红外、普通电力载波、扩频电力载波、零相超窄带（TURTLE）及超窄带极低频（UNB）等。在国内，远程自动抄表系统的研究正处于理论转化为实际应用的关键时期，同时也在积极开展讨论制定我国的远程自动抄表系统国家标准的工作。远程抄表系统的发展已有十多年的历史，许多住宅区已经实现一户一表，但实际效果却差强人意，许多已安装自动抄表系统的楼盘由于抄表计量不准确最后不得不返回到人工抄表的老路上来，虽然产生这种现象的因素是多方面的，但仔细分析，根据目前表具的生产原理出现这种情况是必然的，所以在远程自动抄表系统方面，国内还有很长的路要走。第1.3节远程抄表系统的发展趋势通过霍尔传感器实现远传的系统，其可靠性取决于脉冲发信表发信脉冲信号传输以及系统计量的可靠性。事实证明，这些环节的可靠性是无法保证的，使用中常会存在许多弊端。抄表系统要达到可靠准确运行的要求，计量的准确性和可靠性是必须要解决的问题，而要真正解决准确性及可靠性问题，就必须改变以脉冲信号累计为计量方式的抄表方式。近年来市场上推出了无源总线制的智能型直读表抄表系统，这种直读式抄表系统将代表了今后抄表系统的一个方向。智能型直读表是在传统的表具内加装直接读表的模块，其可行性和适用性都是原有脉冲表及分线型抄表系统不可比拟的，主要有以下功能特点：（1）无源总线制直读表直接感应表具的窗口值，即直接“读取”窗口值，不需要脉冲转换累计换算，没有累计误差。解决了目前以累计脉冲方式工作的系统易受干扰而导致读数和系统累计计量值不一致的问题。（2）系统在抄表时不需设置表底数表常数等参数，无需存储数据，真正实现了“读表”计量。（3）直读表具内的电子模块与表具内的计读器等装置没有机械接触，不影响计量精度。直接传送数字信号而非脉冲信号，抗干扰性好。不仅不受机械振动影响，同时也不受电磁干扰的影响，所以在复杂的使用环境下能稳定准确可靠地实现计量。（4）表具内没有电源，直读装置在抄表瞬间加电工作。表具的电子部分平时不工作，读表瞬间由采集器或手持终端通过布线供电。由于内部不设电源避免了传统方式由于供电不稳定或故障引起的计量误差及大量的维护工作。使得整机故障率和功耗大大降低，使用寿命更长。5第2章系统方案设计第2.1节ADE7755数据采集模块选型和论证数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。该设计的数据采集部分由传感器来构成，通过传感器将非电量信号转换成电信号，这就是传感器的主要功能，也是数据采集的主要工作原理7。ADE7755是一种高准确度电能测量电路集成电路，主要用于单相电表系统，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求。它只在ADC和基准电路中使用了模拟电路，其他的信号处理都由数字电路完成，这使得在恶劣的环境下仍然可以保持极高的准确度和长时间的稳定性，通过引脚F1、F2以低频形式输出有功功率的平均值，可以直接驱动机电式计数器，或者与微控制器接口，从引脚CF以高频形式输出有功功率的瞬时值，用于电能计量表的校准。如图2-1实物图，2-2管脚图，2-1极限参数图表所示1。图2-1实物图表2-1极限参数参数符号最小值最大值单位工作电压VDD-VSS-0.37.0V管脚电流IPIN-150+150mA储藏温度TSTG-65+150工作温度TO-40+856图2-2管脚图AC/DC，高通滤波器HPF选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道1（电流通道）内的HPF被选通，该滤波器所涉及的相位响应在45Hz至1kHz范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中，应使HPF选通。REFIN/OUT，基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压的正常值为2.5V8%，典型温度系数为30ppm/。外部基准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源，该引脚都应使用10F钽电容和100nF陶瓷电容对AGND进行去耦。SCF，校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率。S1，S0，这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数，这为电度表的设计提供了很大灵活性。G1，G0，这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1的增益，可用来选择增益是1，2，8，和16。CLKIN，外部时钟可从该引脚接入，也可把一个石英晶体接在CLKIN和CLKOUT之间，提供时钟源，规定时钟频率为3.579545MHz。作为石英晶体负载的33pF陶瓷电容应和振荡器门电路连接。CLKOUT，如上所述，可把一个石英晶体接在CLKIN和CLKOUT之间，提供一个时钟源。当CLKIN上接有外时钟时CLKOUT引脚能驱动一个CMOS负载。NC，悬空。CF，频率较验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小，常用于仪表校验。F2，F1，低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。这两个逻辑输出可以直接驱动机电式计数器或两相步进电机10。第2.2节单片机的选型单片机的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择地合适,单片机应用系统的工作就会可靠；如果选择地不合适，就会造成经济浪费，影响单片机应用系统的正7常运行，甚至根本就达不到预先设计的功能。对于一个已经设计好的单片机应用系统来说，它的技术要求和系统功能都应当十分明确。对单片机选型，主要从单片机应用系统的技术性、实用性和开发性三方面来考虑：（1）技术性：从设计的功能要求和单片机的性能着手，选择最容易实现系统技术指标及容量合适的单片机，并且尽可能实现高性能、低成本；（2）实用性：要从单片机的供货渠道、信誉程序等角度出发，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统能够长期、可靠运行；（3）研制周期：在短时间内要完成如此繁重的任务，必须要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。该设计考虑到STC89C52具有运转高速、低功耗、容量大、下载方便和价格便宜的特点，因此，该系统选用STC89C52单片机2。第2.3节2.4G无线收发模块的论证nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz2.5GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便11。DS18B20的特性、管脚排列及内部逻辑结构如图2-3所示图2-3nRF2401无线收发模块引脚图nRF2401具有的功能就是发送和接受数据，能够进行实时的传送和接受有关数据，nRF2401的工作需要用单片机实现接口协议的通信，可以开发无线的电子产品：如智能电表，无线遥控器、无线麦克、无线耳机等应用。第2.4节时钟芯片的选型和论证8方案一：直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现时间计数。采用此种方案虽然可以减少时钟芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。方案二：采用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与单片机进行通信，并可采用突发一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31*8的用于临时存放数据的RAM存储器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓流充电的能力。主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768KHZ晶振作为标准时钟。因此本设计中采用方案二中的DS1302作为时钟模块。第2.5节数据显示部分选型和论证数据显示是将系统内部或外部存储器中的数据以可见或可读形式输出。该论文的系统的数据显示部分起初有两个方案，从各个方面比较这两个方案，最后选定一个方案。作为该设计的数据显示模块，两个方案如下：方案一：全部采用数码管显示，数码管能显示时钟、温度等一些简单信息。此方案显示直观，而且编程简单，但若要显示其他信息则需要大量的数码管，而且不能显示中文。由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。方案二：采用可以设置显示数字、中文等的LCD，它具有低功耗可视面大画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。LCD显示器的工作原理：液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场磁场光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件，就可以把上述外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。考虑到使用数码管比较麻烦，而且不方便，相比之下，LCD液晶显示比较适合该设计。因此，该设计选择了LCD1602。下一章节硬件电路进行详细介绍。9第3章系统硬件设计根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个部分：数据采集模块ADE7755转换模块单片机控制模块2.4G通信模块及LCD显示模块。第3.1节ADE7755数据采集模块的设计3.1.1.ADE7755的特点ADE7755应用了过采样ADC和DSP相结合的技术，对温度的敏感度很低，即使在很高的环境温度下也能维持较高的测试精度。ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使其在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。如图3-1所示图3-1ADE7755功能框图3.1.2.ADE7755工作原理与设计ADE7755内部拥有两个16位的二阶-模数转换器，这两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，过采样速率达900KHz。AD7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口(可以与传感器直接连接)，也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道PGA进一步简化了传感器接口。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出米的，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接干相乘得到的。为了得到有功功率分量(即直流分量)，只要刘瞬时功率信号进行低通滤波就行了。所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性8。ADE7755的外围电路中，通过输出频率设置电路实现对CF口输出频率的设置，即电表常数的设置。本电表的电表常数设定为3200imp/kwh，即计录一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口输出3200个脉冲。如图3-2所示10图3-2信号处理框图AD7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加(例如通过计度器累加)，就能获得电能计量信息。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的。如图3-3所示图3-3ADE7755模块实物图ADE7755模块将功耗转化为脉冲信号，为什么我们不直接用功率来做呢？因为功率是强电，直接测量当然会有危险或者系统不稳定，计量电路中间加个ADE7755作为转换脉冲信号，单片机就是可以检测到的。负载电流经过电流传感器再通过滤波电路后转换成合适的电压信号送入到电能计量芯片ADE7755的电流通道，即V1P和V1N端；而220V相电压则通过电压传感器降压后，再通过滤波电路送入电能计量芯片ADE7755的电压通道，即V2P和V2N端。二者经过ADE7755转换成有功功率以高频脉冲形式从CF端输出然后接入到单片机AT89C51的外部中断信号输入端，即单片机控制电路从ADE7755的CF端采集脉冲经过处理后得到的数据送到LCD显示电路进行显示电能表都有电流规格，是国家电网给厂商一个统一标准3。11（20-80)A单项电能表：脉冲常数800，也就是800个脉冲一度电。（10-40)A单项电能表：脉冲常数1600，也就是1600个脉冲一度电。（5-20)A单项电能表：脉冲常数3200，也就是3200个脉冲一度电。（2.5-10)A单项电能表：脉冲常数6400，也就是6400个脉冲一度电。ADE7755有档位设置，买回来的时候电路厂商给设定好这个标准，我的电能表的脉冲常数是3200，也就是3200个脉冲一度电。第3.2节基于STC89C52的主控电路的设计3.2.1.STC89C52芯片简要介绍STC89C52是一个低功耗、低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写至少1000次的Flash只读程序存储器（ROM），和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，而且运转高速，低功耗，下载方便，价格便宜12。因此，该系统选用STC89C52单片机。STC89C52功能表3-1所示表3-1STC89C52功能STC89C52功能兼容MCS-51指令系统8k可反复擦写（1000次）ISPFlashROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-24MHz全双工UART串行中断口线256x8bit内部RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针兼容MCS-51指令系统8k可反复擦写（1000次）ISPFlashROM3.2.2.部分引脚功能说明介绍RST：在振荡器运行时，有24个振荡周期（两个机器周期）以上的高电平出现在此管脚时，将使单片机复位。只要这个管脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后I/O口P0P3均置1，管脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序9；XTAL1XTAL2：XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可12以在1MHz至24MHz内选择，电容取30PF左右4。如图3-4所示图3-489C52电路原理图3.2.3.STC89C52系统晶振电路的设计石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。晶振电路在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分，其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容就会组成并联谐振电路5。晶振外形图如图3-5（a）所示，原理图如图3-5（b）所示图3-5（a）晶振外形图图3-5（b）原理图3.2.4.STC89C52系统复位电路的设计13复位顾名思义就是恢复到最初原始位，也就是把寄存器各种设计重新初始化。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位6。如图3-6(a)和3-6(b)所示图3-6（a）手动按钮复位图图3-6（b）上电复位电路图另外本设计还用24c02芯片提供掉电保存的EEPROM（带电可擦写可编程只读存储器）为系统提供掉电保护功能。如图3-7图3-7AT24C02芯片第3.3节nRF2401的无线通信模块的设计3.3.1.nRF2401射频模块的设计nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在2.4GHz自由频段,能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通信,最高传输速率超过1Mbit/s，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。所以nRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。3.3.2.芯片结构nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此14使用起来非常方便。QFN24引脚封装，外形尺寸只有55mm。如图3-8所示图3-8nRF2401功能结构3.3.3.主要特点1.采用全球开放的2.4G比频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要；2.速率(1Mbps)高于蓝牙，且具有高数据吞吐量；3.外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；4.发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置；5.每个芯片均可以通过软件设置最多40bit地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示)，同时编程也很方便；6.采用ShockBurstlM模式时，能适用极低的功率操作和不严格的MCU执行；7.带有集成增强型8051内核、9路10bitADC、UART异步串口、SPI串口和PWM输出；8.内置看门狗；3.3.4.工作模式nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。收发模式：nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定。这里只介绍ShockBurstTM收发模式。ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。15第3.4节时钟模块的设计本万年历系统的主要一部分功能在于时钟模块，这里选用串行日历时钟芯片DS1302。与采用并行总线与单片机进行数据通信的时钟芯片相比，DS1302与单片机的连线大为减少，极大的节省了单片机的系统资源，单片机通过读取DS1302上面的数据可以得到实时时间。3.4.1.DS1302概述DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302的内部结构图如图3-9所示。图3-9DS1302内部结构图X1和X2是振荡源，外接32.76kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。图3-10为DS1302的引脚示意图。图3-10DS1302引脚示意图163.4.2.DS1302内部RTC和RAM地址分配DS1302的RTC与RAM寄存器的地址分配如图3-12所示。RTC寄存器地址位于00H到07h处。RAM寄存器地址位于08h3Fh。在多字节存取中，当地址指针到达3Fh，即RAM空间的最后一个单元，则下一个操作地址将翻卷到00h，即时钟空间的开头。控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1；如果它为逻辑0，则不能把数据写入到DS1302中。位6如果为0，则表示存取日历时钟数据；为1表示存取RAM数据。为了提高对32个地址的寻址能力（地址/命令位15逻辑1），可以把时钟/日历或RAM寄存器规定为多字节（burst）方式。但是，当以多字节方式写RAM时，为了传送数据不必写所有31字节。不管是否写了全部31字节，所写的每一字节都将传送至RAM。数据读写程序如图3-11所示。图3-11数据读写程序3.4.3.DS1302时钟和日历通过写入正确的寄存器字节能够设置或者初始化时钟和日历。时钟和日历寄存器中的内容均采用BCD码格式，时钟寄存器00h的位7是时钟停止位，当该位被设置为1时，晶振失效，当该位被清零时，晶振使能。DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式，其中奇数为读操作，偶数为写操作。3.4.4.DS1302时钟电路设计实时时钟芯片DS1302采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，也可以关闭充电功能，芯片采用32.768Hz晶振。单片机通过时序可以读出时钟芯片内部的相关时间信息。如图3-12所示17图3-12DS1302时钟电路本设计使用该芯片用来对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，可以在LCD0602上显示某年某月某日，几时几分几秒用户的用电量。第3.5节液晶显示电路的设计液晶显示器以其低功耗，小体积，显示内容丰富，超薄轻巧等优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越多的应用。在这里我们选用的是使用比较普遍的LCD1602。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16*01即16个字符（16行1列），它价格低廉，功能强大，完全能满足该设计的要求。如图3-13所示图3-13LCD1602实物图LCD1602的RAM地址映射及标准字库表。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。硬件电路设计中，LCD0602显示电路原理图如图3-14所示18图3-14LCD1602显示电路图本设计当中一共用到两块LCD0602液晶显示，一块用于实时显示用户的用电量，另一块用于月末抄表时，显示用户的总用电量，而且在后期用户用电的过程中，该表的数据会自动刷新。3.5.1.液晶显示部分与STC89C52的接口设计如图3-5所示。用STC89C52的P0口作为数据线，用P1.2、P1.1、P1.0分别作为LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为57点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。向LCD的显示缓冲区中送字符，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示。如图3-15P.024/MOSI6CKRET9XALVNU单+YHZpFWDBlcdu图3-15LCD1602与STC89C52的接口3.5.2.LCD1602液晶显示的供电系统的设计19图3-16USB供电系统如上图3-16所示，根据LCD1602的资料中说，其正常工作电压为4.5-5.5V，如果用4节普通7号干电池，电压就超过了，如果用3节干电池，由于电池使用中电压会下降，电池过早报废造成浪费。USB供电比较稳定，一般电压都是5V，所以采用USB供电。3.5.3.键盘模块设计本按键模块使用的是多位独立按键，按键一端接IO口，一端接地，由于单片机的IO口都有内部上拉，因此当按键没有按下的时候，IO检测到的时候高电平，当按键按下的时候，相当于IO短接地，因此这时候单片机检测到的电平为低电平，通过检测不同时刻的IO口状态就可以判断按下的是那个按键。4个按键分别代表以下功能，第一为功能按键，可以切换不同参数设置界面，第二个为切换按键，可以切换时、分、秒等参数进行设置，第三，第四均为增加或减少按键。其中按键还具有重置时间等功能。键盘模块电路图如图3-17所示图3-17键盘模块电路图20第4章系统软件设计程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点：（1）分析系统控制要求，确定算法：对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。（2）根据算法画流程图：画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。（3）编写程序：根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句（或指令）的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上下文顺序与执行流程保持一致性。根据系统的控制任务，该系统的软件设计主要由主程序初始化程序数据采集子程序显示子程序等组成。第4.1节下位机开发软件介绍4.1.1.keil软件简介Keil是目前最流行的51单片机开发软件，对于使用C语言进行单片机开发的用户，Keil已经成为必备的开发工具。该设计就是在KeiluVision2的开发平台上运用C语言进行的系统软件的开发工作。系统软件设计完成后即可通过仿真器在线进行调试12。KeiluVision2提供了一个集成开发环境，是一个基于32位Windows环境的应用程序。它包括C编译器宏汇编连接器库管理和一个功能强大的仿真调试。应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存建立工程并添加源文件设置工程编译/汇编、连接，产生目标文件程序调试。Keil使用“工程”(Project)的概念，对工程(而不能对单一的源程序)进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单File-New，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序；然后选择菜单Project-NewProject，工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页(Files)会出现“Target1”，将其前面“+”号展开，接着选择SourceGroup1。成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug-Start/StopDebugSession进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。如果21发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改，不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。第4.2节主程序设计主程序的软件流程图其实是跟着该设计的设计思路来画的，该设计题目是远程抄表系统，它是由单片机STC89C52来控制，并由数据采集模块，ade7755转换模块及2.4G模块来构成。从而实现流量数据实时显示的功能。如图4-1所示开始LCD1601初始化开中断输出转换结果转换是否结束？启动A/D转换数据显示结束NY图4-1主程序软件流程图4.2.1.LCD1602显示子程序LCD1602显示程序主要是完成压力数据的实时显示。传感器输出的电信号输出给A/D转换电路进行A/D转换，并将转换后的数据传输给单片机，经单片机控制LCD实现22数据的显示。如图4-2所示开始LCD初始化接受到数据显示数据结束图4-2LCD显示程序流程图.4G通讯模块设计2.4G主程序主要是完成数据的传输工作，把经传感器采集，ADE7755转换后的数据通过2.4G传输给另一个单片机显示。如图4-3所示图4-32.4G显示程序流程图23第5章系统调试第5.1节系统硬件调试根据已经画好的电路图，先将各种需要的器件焊制在买好的开发板上，然后开始进行系统功能的调试工作，调试过程分为四大部分：传感器的输出电压的调试，ADE7755转换后电压的调试，LCD数据准确显示的调试，2.4G通讯调试。传感器的输出电压的调试这一部分主要是使用万用表测量一下从传感器输出的电压大小，再需要调试的就是LCD1602的显示问题了，开始因为引脚的问题使LCD不能正常显示，后来经过调试才能让他正常显示。第5.2节系统的软件调试对于该设计用到的STC89C52单片机，所用到的开发工具是KeilC51。KeilC51是KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C软件开发系统，符合ANSI标准，生成的程序代码运行速度极高。Uvision2是KeilC51的Windows集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。打开Keil程序首先应该做的是新建一个工程，选择使用的芯片STC89C52，新建工程完成后便可以新建文件，将已经编写好的程序复制到上面保存，添加该文件到工作组后便可以进行编译了(因为需要把程序下载到单片机上面去，所以在文档属性上应该设置成生成HEX文件)。如果存在错误会在最下面一栏有错误提示，根据错误提示对错误对应行进行修改、保存和调试，直到无错误，生成HEX文件，这样调试程序便完成了。首先点击下载按钮会出现提示，此时打开单片机最小系统电源，便会进行下载，几秒钟后便会下载完成(如图5-1)所示，便可以进行硬件调试了。下载成功就表示编写的程序已经下载到单片机中。如图5-1所示24图5-1下载成功界面第5.3节设计调试结果以及分析图5-2系统实物图两块LCD0602液晶显示，一块用于实时显示用户的用电量，另一块用于月末抄表时，显示用户的总用电量，而且在后期用户用电的过程中，该表的数据会自动刷新。如上图5-2所示25图5-3累计独立显示用户用电量/月此功能便实现了小区单元无线抄表的功能。如上图5-3所示图5-4用电量显示当每个月结束，下个月刚开始的时候，系统计数会自动清零。如上图5-4所示26图5-5显示面板结果此时显示面板会显示用户上个月的总用电量，如果继续发送数据，则显示会继续刷新，此功能实现了累计独立显示用户用电量/月的功能。如上图5-5所示第5.4节设计的基本意义随着无线通信技术的发展，2401产品在数据传输领域的应用日益广泛。将2401技术引入到电力系统应用中，是一个非常新的思路本系统通过硬件的调试和软件的测试，最终实现了我们所要达到的系统功能要求：测量站能够采集电压、采集温度，并将采集数据通过无线传输至主控站；主控站能够实时接收并在LCD显示从控站发送的数据。此外，在本系统中还设计串口和电源。经实验证明，本系统工作稳定能够达到设计要求。27结论在软件设计中，系统还存在一个问题，系统掉电后会自动复位，也就是说它没有记忆的功能，通过资料的查询证明在现有硬件的基础上是可以拥有此功能的，因此，接下来我会为系统进一步增加此功能的。该终端不仅满足电力系统应用的需求，而且还可以用在其它的远程无线监控系统中，具有广阔的应用前景，能带来一定的经济和社会效益。随着国内智能化系统的日益发展和完善，目前在大多数的高档住宅小区中都开始安装远程抄表系统。第28页参考文献1.张洪润，刘秀英，张亚凡.单片机应用设计（200例上册）M.北京，北京航空航天出版社，20052.赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例M.北京：人民邮电出版社，20033.常喜茂，孔英会，付小宁.C51基础与应用实例M.北京：电子工业出版社，20014.白延敏，51单片机典型系统开发实例精讲M.北京：电子工业出版社，20095.赵建领.，51系列单片机开发宝典M.北京：电子工业出版社，2007，1341566.李群芳，肖看.单片机原理接口及应用M.北京：清华大学出版社，20077.吴群，ADE7755构成的电能表典型电路外围参数计算-2012年第9期8.郭天祥，智能电表在煤矿安全监控系统中的应用-电视技术-2012年第17期(3)9.康华光，电子技术基础M.高等教育出版社，199