小区智能电表的设计与研究

-小区智能电表的设计与研究【摘要】：随着当今社会智能化的普及，人们越来越重视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。本文研究旨在基于AT89C51单片机的智能电表的设计。该智能电表是以微处理器或微控制器芯片为核心，能够存储大量信息并测量这些信息，对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。它具有自动测量功能，快速高效的数据处理能力，自动调零功能，无线发送和无线接收功能，具有操作面板和显示器。【关键词】：单片机；智能；AT89C51；-i-Abstract:Withthepopularizationoftodayssocialintelligence,technologydevelopmentandapplicationofmoreandmoreattentiontopublicutilitycharges,automationandresidentialpropertymanagementintelligentetc.ThisresearchaimstodesignintelligentmeterbasedonAT89C51singlechipmicrocomputer.Thesmartmeterisamicroprocessorormicrocontrollerchipasthecore,canstorelargeamountsofinformationandmeasurementoftheseinformation,themeasurementresultsforreal-timeanalysis,instrumentandmakeallkindsofjudgment.Ithasthefunctionsofautomaticmeasurement,dataprocessingabilityoffastandefficient,automaticzeroadjustmentfunction,andawirelessreceivingwirelesstransmitter,hastheoperationpanelanddisplay.Keywords:single-chip；intelligence；AT89C51-ii-目录前言.2第1章概述.3第1.1节智能电表的定义.3第1.2节智能电表的组成.3第1.3节智能电表的特点.4第2章系统分析.5第2.1节硬件模块分析.5第2.2节抗干扰性分析.8第3章系统设计.9第3.1节硬件总体设计.9第3.2节控制芯片AT89C51.9第3.3节电路的设计.11第3.4节软件的设计.13第4章系统测试.15第4.1节智能电表的测试.15结论.16参考文献.16致谢.17附录.18附录1：实物照片说明.18附录2：部分源程序.18第0页前言长期以来，我国的国情是导致居民用电方式太落后的原因，都是居民先用电，到月底抄表工人挨家挨户地抄表，告知居民具体的用电量，然后居民再去电力公司付费。在这种管理模式下不仅给管理人员带来了诸多不便，同时也严重影响了居民的正常生活，而且存在着一些弊端，电力维修困难，如偷电漏电，给社会造成了不必要的资源浪费和经济损失。政府为了让百姓适应新的社会需求，为用户提供安全，便捷，方便的用电环境，传统的用电管理模式需要进行改造升级，以适应社会的发展需要。电能已然成为了国家最重要的能源，产生电能的方式也有多种，如火力发电，核电站，水力发电等。我国对电能的生产可以说是投入了巨大的成本，同时意识到光从这方面入手是不够的，还要从节约电能方面入手，一方面提高人们的节约用电的观念，另一方面在输电设备和用电设备上做文章，然而传统意义上的电力网已经不能满足现在的社会了。在这种严峻的情况下，政府开始效仿国外研发智能电网，进一步对传统的电网进行替换。同时对传统的电表也做了更替，取而代之的是全新的智能电表。开展智能电表的研究是国家的需要，同时也是我国第十二个五年计划的最重要目标，智能电表的建设实施，这将有利于改善生态环境和生活环境，促进节能减排。增强每个人的社会节电意识，是国家节能工作的需要。第1页第1章概述第1.1节智能电表的定义从广义上来说凡是带有微处理器或微控制器，并且内部写有控制程序的都是智能仪器所特有的标志。从结构组成上来分析，智能电表和普通的电表是有很大区别的。智能电表是以微控制器或者微处理器(如单片机，CPU)为核心能够大容量数据存储的计量设备，从功能上分析智能电表可以进行实时跟踪、分析、综合处理的仪器。从它拥有的这些强大功能来看，它现在已经不是传统意义上计算电能的普通仪器了，那是因为为了适应新型能源和智能电网的使用，智能电表不仅具有普通的计量功能，同时它还拥有远程控制功能、人机交互功能、不同时段不同收费功能、以及出于安全考虑的报警功能和防窃电功能，这些功能都是智能电表所特有的功能，是普通电表不具备的。随着智能电网的完善，用户最终将选择智能电表作为电能的计量仪器是不可抵挡的潮流趋势，因为它代表着未来新型智能电网的标志。第1.2节智能电表的组成普通电能表是通过感应电能的方式来测量实际电能的使用情况，智能电表则通过乘法器完成电功率的计算。智能电表本身就带有微处理器或微控制器，不需要外部的微处理器或微控制器来控制它的工作，从这点上可以看出智能电表本身就是一个微型的计算机系统。智能电表可以笼统地划分为硬件模块和软件模块两个部分。硬件包括输入输出通道、单片机或微处理器、电源电路、通信接口和人机交互通道。输入输出通道是测量数据和输出结果的必要条件，模拟信号从输入通道进入，经过一系列转换最终变为数字信号从输出通道出来。输入输出通道通常由4个部分组成，分别是信号接收器，信号采样器，A/D和D/A转换器。微处理器和外围供电电路是用来存放程序和数据的，并且能够进行一系列的计算和处理，它一般由输入输出接口电路、数据存储器和程序存储器组成。通信接口电路的主要作用是连接智能电表和计算机，从计算机那获得指令和参数，从而完成对智能电表的控制，完成数据的传输。就现阶段而言，RS-232C，GPIB是主流的两种用于智能电表的总线。人机交互通道是人与仪器相互了解的一个重要通道，同时能够实现人机交互是体现智能化的重要表现，人机交互的主要由键盘、显示屏、打印机和数码拨盘组成。在软件模块最重要是由接口控制程序和事件监听程序两部分组成的。其中接口控制程序是针对于通信接口而言的，它的实现目的是保障数据接收，数据分析，数据处理能够顺利地进行，同时保证工作参数传达和相关功能执行的快速性和正确性。根据智能电第2页表的当前的工作状态以及处理数据返回的结果，从而实现计算机对智能电表的远程操作控制。事件监听程序主要是通过仪表盘显示和键盘实现事件监听功能。设置操作模式，操作参数和函数，I/O接口电路对数据进行采样收集的方式，并且对存储器所记录下的状态和数据进行复杂的处理。最后通过数字、图形、字符、符号等形式来显示测量数据的结果和状态信息。第1.3节智能电表的特点智能电表是采用高电子集成电路来实现设计的，在带有良好通信接口和硬件时钟的前提下，具有高可靠性，高安全等级等特点，完全符合中国未来发展节能环保的要求。并且可以与计算机网络进行联网，用计算机进行远程控制，既方便又节约了资源。与传统电表相比，智能电表的优势如下：（1）功耗低：智能电表是通过高集成电子元器件设计的，因此一般每个智能电表的功耗只有0.6w左右，智能电表如果拥有多用户显示功能，则其平均到每户的功耗则更小了。而感应式电表的功耗是智能电表的3倍左右。由此可见智能电表在电能消耗上是占有明显优势的。（2）精度高：因为智能电表内部含有微处理器，所以对输入物理量的测量是非常迅速的，正因为拥有这样一个特点，它可以对数据进行多次测量获取平均值从而达到降低误差的效果。（3）可维护性高：当智能电表出现简单故障时，它可以通过自身的检测功能查出故障的原因并修复该故障。倘若自身解决不了，可以反馈给远程计算机进行人为的修复。当智能电表内部原器件损坏时可以安装相应的原器件，简单，方便。（4）功能多：自动校准功能，不仅在使用前可以进行自动校准，即使在使用中也可以进行自动校准。自动判断能力，智能电表可以在发生故障的情况下可以自测出来。同时还具有远传控制功能、防窃电、多费率计算、恶性负载识别和预付费等功能。在远程计算机上改变内部程序的参数可以实现多种多样的控制功能。第3页第2章系统分析第2.1节硬件模块分析设计一只小区智能电表除了核心部件微控制器外，还应当对它进行功能上的必要的扩展，如增加程序存储器ROM、数据存储器RAM，用于信号传输的总线，输入输出通道。下图是智能电表完整的组成结构。微控制器ROMRAM键盘LCDUSB2.0供电输出通道输入通道无线传输图2.1智能电能表硬件原理图对于几乎所有的智能电表来说本身就是具有微处理器或微控制器的一台计算机系统，几乎每台智能电表都含有图2.1中所列的模块。ROM、EPROM、EEPROM是用来持久化智能电表的监控程序的。它的工作方式是这样的，首先由传感器将被检测的信号转换成电量，经过A/D转换器转换成为数字信号，可以被微处理器识别。这些数字信号和键盘上输入的参数都暂时存放在RAM中。微控制器或微处理器微控制器或微处理器即CPU，它本身性能的好坏直接影响了智能电表的工作效率，它好比是人类的心脏，是一切事物活动的中心，因此对于智能电表来说它是尤其重要的组成部分。它的主要功能是对数据进行算数运算和逻辑运算。普通电表只有安装了微控制器或微处理器才能算是智能的，由此可见要设计出好的智能电表得有一个好的微控制器或微处理器。输入通道整个输入通道是由6个按键组成的，定义为K1，K2，K3，K4，K5，K6。其中K1，K3，K5分别控制的是用户1，用户2，用户3的用电量，K2，K4，K6是分别对用第4页户1，用户2，用户3的用电量清零的按键，每按下K1，K3，K5中的一个按键，则相应的用户电量就增加1，然而每按下K2，K4，K6中的一个按键，则相应的用户电量就被清零。通过这种方式把数据传输给单片机。输出通道通过51单片机与LCD1602显示器相连，用显示器接收来自51芯片的数据并显示出来。无线传输在整个智能电表上安装了一个无线信号发送器，在接收板上安装一个无线信号接收器，通过这种方式接收板上的LCD1602显示器就能实时显示发射板上数据的变化，从而实现无线传输的功能。通信接口智能电表上都安装有通信接口，其主要用是于程序控制，人机交互，数据传输，同时方便形成自测系统。就现阶段而言，市场上大部分智能电表适合的通信接口基本上都是GPIB、RS-232C。为了方便本次智能电表的设计，该智能电表采用的是USB2.0供电方式，拥有高达120240Mbps的传输速率，USB方法做到了即插即用（热插拔）的外设扩展法，USB提供了4种传输模式，以适应不同的传输目的，具有极强的通用性。软件流程分析智能电表的绝大部分功能是由软件来实现的，所以软件在整个智能电表系统中显得尤为重要。在编程之前首先要对功能全面分析，并画出智能电表系统的主要工作流程图，再将流程图转换成代码。第5页程序初始化自行检测是否正常？显示提示信息扫描按键键按下？条件控制查询命令状态查询查询功能1功能2功能N上电复位否否图2.智能电能软件流程图经过分析后发现，得出图2.2所示智能电能表的软件流程结构。智能电表的软件流程可以分为部分，程序准备部分，键扫描部分，系统控制执行部分。同时，为了与软件结构相配合，还必须将程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)实现规划。软件的具体工作原理是：当智能电表接通电源后进入准备工作部分，首先要上电复位，防止程序运行时跑偏，然后将所有的数据进行初始化，检测是否能够正常工作，如果不能正常工作则程序将重新初始化。反之提示用户进行操作，同时程序一直在扫描是否有新的按键按下，若没有按键按下则屏幕一直处于显示提示信息的状态，如果有按键按下则调用相应的程序并启动对应的功能。第6页第2.2节抗干扰性分析因为智能电表是长期挂网运行的，智能电表的运行环境不同所受到的干扰程度是不同的。当干扰强度超出本身所能承受的范围时，智能表的性能将受到严重影响，同时它的安全性也将出现问题。所以提高智能电表的抗干扰能力就显得尤为重要了。提高智能电表的抗干扰能力有两种方式即通过硬件和软件。硬件抗干扰的方法主要有滤波技术（无源滤波和有源滤波），屏蔽干扰，隔离，接地等。然而当采用硬件抗干扰时只能抑制某个频率段的干扰，不能有效地消除干扰，仍会有一些干扰会影响智能电表的正常使用，所以采用软件抗干扰是比较常见有效的方法，常见的软件方法有软件看门狗或数字滤波技术（软件滤波）。软件设计看门狗技术的是由T0中断服务程序，T1中断服务程序，主程序中断三者之间相互监视构成的，T0中断服务程序监视T1中断服务程序，T1中断服务程序对主程序进行监视，主程序对T0中断服务程序进行监视。第7页第3章系统设计第3.1节硬件总体设计该智能电表具有如下功能：(1)通过单片机扩展的数据存储器可以存储居民用电量，并能通过液晶显示器显示各自的数值；(2)远程抄表功能；多用户显示功能；(3)该智能电表包括计量系统，微控制器、显示芯片、按键开关、看门狗电路。微控制器稳压器AMS1117S供电线路显示器USB22.0无线传输按键USB22.0上拉电阻图3.1电能表硬件整体框图第3.2节控制芯片AT89C51图3.2AT89C51芯片AT89C51是一种低电压，高性能的8位CMOS处理器，有4k字节存储器，价格比较低。第8页AT89C51主要性能：电压低，性能高4字节存储器1000次擦写周期全静态操作：0HZ24HZ三级加密程序存储器内部RAM为256字节32个可编程I/O接口线3个16位定时/计数器8个中断电源低功耗空闲和掉电模式主要引脚说明：Vcc：供电电压。GND：接地。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。可以作为输出口使用，当作为输入口使用时，P0口既被作为数据的输入端，又可以当作地址信号的低8位使用，此时P0口具有内部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口也可以作为AT89C52的一些特殊功能口，如下所示：P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INTO(外部中断0)P33/INT1(外部中断1)P34T0(计时器0外部输入)P35T1(计时器1外部输入)P36/WR写信号P37/RD读信号RST:复位输入。PSEN:外部程序存储器的选通信号。EA/VP：信号使能端，低电平有效。X1：X1既是来自反向振荡放大器的输入同时也是时钟工作电路的输入。第9页X2：来自反向振荡器的输出。第3.3节电路的设计总的电路设计P1.02345678RST/XDINWALGEVCU-+BMuFKkOQ3.3智能电表电路结构图外围电路和供电电路的设计3.4USB供电电路结构图在电路图3.4中可知，USB是有四条输入线的，其中中间的那两条线为数据通信线，在此次研究中是用不到的。开关S1按下，USB线开始为51单片机供电，但由于51单片机适合在3.3V的电压下工作，所以必须在整个USB供电电路中加入一个稳压器AMS1117S使得单片机能够在3.3V的电压下工作。稳压器AMS1117S第10页GND1OUT2I34AMS70C6V+.3.5USB供电电路的稳压器结构图AMS1117的功能描述AMS1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的,漏失电压定义为：VDROP=VBE+VSAT。AMS1117有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是：1.8V，3.3V和5.0V。片内过热切断电路提供了过载和过热保护，以防环境温度造成过高的结温，其中过流保护和过热保护模块，能够在应用电路的环境温度大于120以上或负载电流大于900mA时，保证芯片和系统的安全。液晶显示芯片LCD1602与AT89C51的连接LCD1602主要特性：可工作在3.3V或5V的电压下内含复位电路提供各种控制命令数据存储器DDRAM大内部有字符发生器CGROMLCD1602功能引脚说明VSS：为电源地VCC：接5V电源正极V0：对比度调整端RS：为寄存器选择RW：为读写信号线EN：为使能端D0D7：8位双向数据端BLA：背光正极BLK：背光负极第11页GND1VC2L3R/S4W5E60789BAKUkP3.6显示器LCD1602的引脚结构图如图3.6所示，通过调节滑动变阻器R3可改变屏幕的亮暗程度以此达到视觉的最佳效果，脚7-脚14作为数据的输入端，接收来自单片机C52的数据。但由于P0口没有内部上拉电阻，是一个8位漏极双向接口，所以P0口不能驱动LCD显示屏，此时将它连接到外接电源上提供上拉电阻以此来驱动LCD。24L01无线收发模块MIOQ+.3.7无线收发器24L01无线收发模块有两个，一个安装在发射板，另一个安装在接收板。当用户的用电量发生变化时通过发射端将数据发送出去，同时接收端接收来显示用户的用电量，从而实时反映用户的用电信息。第3.4节软件的设计定义用户电量显示voidDisplay(void)/显示用户用电量ucharNum;Num=Num1;Disbuff10=Num/100+0;/百位Disbuff11=Num%100/10+0;/十位Disbuff12=Num%10+0;/个位Num=Num2;Disbuff20=Num/100+0;/百位Disbuff21=Num%100/10+0;/十位Disbuff22=Num%10+0;/个位第12页Num=Num3;Disbuff30=Num/100+0;/百位Disbuff31=Num%100/10+0;/十位Disbuff32=Num%10+0;/个位LCD_disp_string(0,0,1#-3#);LCD_disp_string(0,8,Disbuff1);LCD_disp_string(1,0,Disbuff2);LCD_disp_string(1,8,Disbuff3);voidKey_Scan(void)/按键扫描函数if(K1=0)/1号用户用电量加DelayMs(2);if(K1=0)while(!K1);/等待按键松开if(Num1255)Num1+;TxBuf1=Num1;/将1号的数据送到发送缓冲区TxBuf4=1;/1号电量变化发送标志nRF24L01_TxPacket(TxBuf);DelayMs(140);TxBuf1=0;TxBuf4=0;该程序适合定义用户1，用户2，用户3电量的变化第13页第4章系统测试第4.1节智能电表的测试测试发射板4.1智能电表发射板LCD能够正常显示三家用户的用电量，并且通过三个复位键能够清楚数据，所以发射板能够正常工作。测试接收板4.2智能电表接收板（上）经过测试，发射板上数据的变化能够立即在接收板上显示出来，由此可见接收板是正常的。综上发射板和接收板均能正常工作。第14页结论经过自身不懈努力，并在指导老师的帮助下，我终于完成了对小区智能电表的研究与设计这一课题。该智能电表能够模拟智能电表的工作原理，通过按键控制电量的增加，复位键是对应的电量清零，能够通过两块24L01芯片完成短距离的无线抄表功能，该设计基本上符合制作的要求，但缺点是只能够通过按键方式模拟智能电表的工作，不能反映智能电表真实的工作情形。参考文献1.孙涵芳，许爱钦.单片机原理及应用M.北京航空航天出版社，2008.2.朱永清.单片机原理及应用技术M.清华大学出版社，2007.3.李学军.如何用MCS-51单片机扩展串行口进行通讯J.宁夏机械.2003.4.林弘宇,田世明.智能电网条件下的智能小区关键技术J.电网技术.2011.5.李季，刘树启.住宅小区智能化系统设计J.中国科技信息.2007.第15页致谢从开始选题到最终完成共经历了四个多月，在这四个月中指导老师始终给予我亲切关怀和悉心指导，同时您不仅在学业上给我讲解，同时在生活上给我巨大的鼓励，这种心情无以言表，在此向您致以诚挚的谢意和崇高的敬意。第16页附录：中英文文献翻译名称一种基于单片机的新型三相多费率电能表的设计第17页附录1：实物照片说明该智能电表由发射板和接收板组成，左边的为发射板，右边的为接收板，在发射板上有一个电源开关，三个电量增加按键，三个电量清零按键分别控制3家小区用户的用电量。而在接收板上有一个电源开关按键，当按下时通过无线接收器接收来自发射板的信号，从而达到无线收发的功能。附录2：部分源程序voidDisplay(void)/显示用户用电量ucharNum;Num=Num1;Disbuff10=Num/100+0;/百位Disbuff11=Num%100/10+0;/十位Disbuff12=Num%10+0;/个位Num=Num2;Disbuff20=Num/100+0;/百位Disbuff21=Num%100/10+0;/十位Disbuff22=Num%10+0;/个位Num=Num3;Disbuff30=Num/100+0;/百位Disbuff31=Num%100/10+0;/十位Disbuff32=Num%10+0;/个位LCD_disp_string(0,0,1#-3#);LCD_disp_string(0,8,Disbuff1);LCD_disp_string(1,0,Disbuff2);LCD_disp_string(1,8,Disbuff3);第18页voidKey_Scan(void)/按键扫描函数if(K1=0)/1号用户用电量加Del