基于GPRS电网监控系统的研究与开发毕业论文.doc

毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 中中文文摘摘要要 随着自动控制技术的迅速发展 通过网络对设备和系统进行远程监控和维护 正趋于普遍化 本课题设计和开发的基于 GPRS 的电网监控系统 能通过监测电网 的运行状态 对电网进行维护和管理 并及时有效地响应设备故障 本文对当前电网监控系统发展的现状和背景进行了分析 说明了对电网进行 远程监控是发展的必然趋势 提出了一种利用 GPRS 网络作为通信通道的远程数据 监控系统 它具有高速 可靠 运营费用低 维护费用少等优点 本电网监控系统的硬件电路选用 AT89C51 作为主控制器 具体介绍了通信模块 MC35T 串行接口模块 MAX232 A D 转换器 地址锁存器等的功能及电路设计 实 现电压 电流等模拟量数据的采集和显示 基于 GPRS 模块完成各监控机间的数据 交换 关键词关键词 电网监控 GPRS 下位机 硬件电路 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 2 页 共 29 页 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 外外文文摘摘要要 Title Research and development Electrical Network Monitoring System Based on GPRS Lower Position Machine Hardware System Abstract Along with the rapid development of automatic control technology it is tending to the generalization that uses the network to carry on the long distance monitoring and the maintenance of the equipment and the system The design and the development of this topic based on the GPRS electrical network monitoring system can through monitor the running status of the electrical network to carry on the maintenance and the management to the electrical network promptly and effectively respond the equipments failure This article has carried on the analysis regarding the present situation and the background of the current electrical network monitoring system has explained that the long distance monitoring to the electrical network is an inevitable trend of the development Proposed a long range data monitoring system which uses the GPRS network as the correspondence channel it possess these merits high speed reliable low operation expense few maintenance cost and so on The hardware electric circuit of this electrical network monitoring system selects AT89C51 to the main controller Specifically introduces the function and the circuit design of these modules the connection module MC35T the serial interface module MAX232 the A D switch the address latch and so on achieves the gathering and the demonstration of analog variable such as voltage current completes the data exchange of each monitoring machine based on the GPRS module Keywords electrical network monitoring GPRS lower position machine hardware electric circuit 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 3 页 共 29 页 目目 录录 1 绪言 1 1 1 电网监控系统的研究背景 1 1 2 国内外电网监控系统研究现状 2 1 3 研究电网监控系统的目的 3 1 4 本文研究的内容 3 1 5 本章小结 3 2 元器件介绍和外围电路设计 4 2 1 设计总框图 4 2 2 主要元器件介绍 5 2 3 设计总电路图及功能介绍 8 3 GPRS 通讯协议介绍与实现 13 3 1 GPRS 业务的优势 13 3 2 系统网络协议工作原理 14 3 3 GPRS 网络配置 16 4 显示模块功能实现 17 4 1 HD7279A 显示器 18 4 2 显示控制器芯片 SED1335 18 4 3 SED1335 的功能实现 19 5 总体设计协调 20 总结 23 致谢 24 参考文献 25 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 4 页 共 29 页 1 1 绪言绪言 1 11 1 电网监控系统提出的背景电网监控系统提出的背景 目前我国电力系统的管理自动化水平不高 效率低 大部分靠人力来建设 运营 管理和维护 随着电力系统的快速发展 为了保证供电和用电的安全以及良好的经济 效益 对电能 电网 供电质量的计量 监测和控制越来越受到供电用电部门的高度 重视 传统的监控方式效益 准确度以及自动化程度比较低 不能满足电力系统自动 化发展的要求 1 我国在 20 世纪 90 年代初期 部分电力自动化企业根据电网监控的要求 开始研 制监控功能的自动化装置 20 世纪 90 年代后期 全国的电力自动化网络实现电路故 障检测并结合通信技术进行故障隔离和非故障区恢复供电 进入 21 世纪以后 电力 自动化由集中式处理方式向分布式处理方式发展 故障诊断 隔离与恢复成为一种新 的技术方向 电力系统的通信方式在很长一段时间是以串行通信方式进行的 9 2001 年东方电子推出了基于光纤以太网通信的配电终端装置 使配电自动化系统的通信速 度大幅度提高 光纤通信稳定可靠 但是施工成本投入大 扩展性差 设备维护不方 便 随着信息化 智能化 网络化的发展 近年来 电力远程监测行业得到了迅速的 发展 对电力的监测与 GPRS 无线通讯技术 嵌入式技术相结合的探索和研究越来越 受到电力部门和用电企业的关注 1 随着信息技术的迅速发展 电力线路正逐渐考虑采用无线监控系统来实现对电力 线路的数据采集和运行状态监控 相比人工方式 无线监控系统具有很多优点 节省 了大量的人力物力 可以随时抽测电力线路的各项运行参数 实时发现环境变化 实 现对电力线路的实时控制等 真正地体现了智能化管理 9 电网远程监控技术随着 GPRS 网络的不断发展而得到广泛应用 利用 GPRS 网络 可以方便地将信息传送到世界上的任何一个地方 远程监控系统已广泛应用于邮电 电力 通讯 银行等系统 对于许多监控现场 由于需要监控的区域广 监控的对 象种类繁多 因而需要花费大量的人力 物力和财力进行设备的维护 而且还存在 着某些容易发生突发性事件的领域 如容易发生火灾和洪灾的场所 由于这些事件 发生的概率相对较小 且具有随机性和不确定性 因此现场实施人员值守是不现实 的 同时 在许多条件恶劣 人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现 场数据 如果进行大量的布线工作则是不经济 不合理的 随着移动数据通讯业务 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 5 页 共 29 页 的发展 GPRS 网络通信以其更加低廉的价格和永远在线的性能有着不可估量的发展 前景 正是基于以上考虑 本文提出并设计了一种基于 GPRS 网络通信的 使用低成 本 51 单片机的远程监控系统 该系统硬件设计的核心为 AT89C51 单片机和 MC35T 数 据通信模块 这种终端采集系统可以大量地布控于用户现场 不需要布线 可以随 意移动 1 21 2 国内外远程监控研究现状国内外远程监控研究现状 现代电力监控管理系统的发展进程大致分为以下三个阶段 4 第一代监控系统 是为不同的且相互独立的设备和电路分别配备各自的监控装置 然而随着设备的分 布越来越复杂 单一的各自独立的监控装置造成现场的维护管理效率低下 往往由 于同一原因产生事件而引起响应 但又无从分析现象的内在关系 难以尽快地排除 故障和恢复业务 第二代监控系统是将各类设备和电路的监控管理物理地综合为一个集中监控管 理系统 利用一套显示装置对全网进行集中监控 由于目前大多数监测系统只是在 局域网上 各个系统的逻辑功能仍旧是相互分离的 难以具备较强的故障管理和系 统维护功能 第三代监控系统是基于无线网络的远程监控 它将工业现场的一切监控和管理 的功能综合于一个公共的智能平台上 全方位地检测整个网络的运行状态 能够提 供具有高级自动化水平的故障定位功能 支持维护控制行动的决策 预测网络异常 情况对业务性能的冲击并做出相应的应急对策 具有充分支持新技术 新业务 新 标准的扩展和升级能力 目前 我国基于电力网络的远程监控 维护 管理的总体 水平还比较低 基本处于第三代远程监控系统的初级阶段 1 31 3 研究电网监控系统的目的研究电网监控系统的目的 随着电力系统的快速发展 为了保证供电和用电的安全以及良好的经济效益 对电能 电网 供电质量的计量 监测和控制越来越受到供电 用电部门的高度重 视 传统的监控方式效率 准确度以及自动化程度都比较低下 不能满足电力系统 自动化发展的要求 以往工业现场的监控系统每台设备都伴以测试仪器及仪表 不 仅传统的仪器 仪表系统布线复杂 而且需要大量的人力 物力来记录 维护 维 修 当设备出现预料不到的故障时不能及时地反应给现场管理人员 致使损失进一 步扩大 随着计算机网络以及智能仪表技术的发展 使得远距离进行监测和控制成 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 6 页 共 29 页 为可能 远程监控技术是故障监测与诊断技术和计算机通信技术相结合的高级诊断 技术 提供故障诊断服务的远程客户端和服务器端通过计算机通信网络连接起来 当现场设备出现故障时 系统可以通过计算机通信网络将现场设备状态信息传输到 远程诊断专家中心 由专家对设备故障进行诊断 当需要增加现场控制设备的数量 时 无需增设新的电缆 可就近连接在原有的电缆上 这既节省了投资 也减少了 设计 安装的工作量 由于监控系统的结构简单 设备的连线减少 现场仪表的内 部功能加强 减少了信号的往返传输 因此提高了系统的工作可靠性 2 远程监控系统是监控领域新兴的研究方向 本文从时代需求和实际应用两方面 考虑 以现代电力网络系统为研究对象 进行远程监控的研究与开发 增强电网系 统运行的可靠性 实现电网系统的集中监控 减少监控人员的数量 提高经济效益 1 41 4 课题研究的内容课题研究的内容 本课题主要是针对目前电网监测设备本身的缺点采用基于神经网络算法的电力 负荷预测 电力系统故障诊断以及模糊控制技术对电网进行无功补偿 实现电压 电流等模拟量数据的调理 采集和测量值的显示 基于 GPRS 模块完成各监控机之 间的数据交换 在系统出现故障时能及时声光报警 1 51 5 本章小结本章小结 本节主要阐述了远程监控系统发展的历程 意义和国内外远程监控系统发展现 状 介绍了电源远程监控系统提出的背景 意义以及本文的主要内容 2 2 元器件介绍和外围电路设计元器件介绍和外围电路设计 2 12 1 设计总框图设计总框图 系统主要由通信模块 GPRS模块 外部存储器 传感器 A D转换模块 信 号调理模块 显示模块和MCU 微处理器 组成 10 如图2 1所示 数据的采集处理 主要由AT89C51 ADC0809 X25045和74LS373四个芯片来实现 AT89C51负责电压 电流等数据的采集 显示与数据远程传输 并根据上位机的指令做出相应的动作 为了保证数据不会因为掉电而丢失 系统采用X25045外部存储器对数据进行存储 通信模块主要包含MAX232和MC35T两部分 其中MC35T的功能是将数据或命令通过与 其连接的天线发射出去 或接收远端监控中心发送的数据 再将接收到的数据或命 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 7 页 共 29 页 令通过MAX232送入单片机进行处理 MAX232起电平转换和串口通信的功能 模数转 换器的功能是将采集到的模拟信号转换成数字量 作为单片机处理信息源 电路设 计时采用了ADC0809芯片作为模数转换芯片 先将模拟信号送入ADC0809转换成数字 量 再送入AT89C51芯片进行计算和处理 图 2 1 系统总框图 2 22 2 设计主要元器件介绍设计主要元器件介绍 2 2 1 AT89C51 芯片介绍 AT89C51 是一种带 4K 字节电擦除可编程存储器的高性能 8 位微处理器 该单片 机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 采用高密度非易失存储器制造技术制 造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 并且将多功能 8 位 CPU 和闪烁 存储器组合在单个芯片中是一种高效微控制器 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系 统提供了一种灵活性高且价廉的方案 14 电流传感器 CE IJ31 电压传感器 CE VJ31 滤波 电路 A D 转换 器 ADC0809 地址存储器 74LS373 A T 8 9 C 5 1 晶振电路 液晶显示控制器 SED1335 GPRS 模块 MC35T 外部存储器 X25045 串行 接口 模块 max 232 采样保持 电路 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 8 页 共 29 页 图 2 2 AT89C51 a 主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 次写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 位可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 b 管脚说明 HMOS 制造工艺的 MCS 51 单片机都采用 40 引脚的直插式封装 DIP 方式 制造 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 9 页 共 29 页 工艺为 CHMOS 的 80C51 80C31 芯片除了采用 DIP 封装方式外 还采用方型封装工艺 其中方型封装的 CHMOS 芯片有 44 只引脚 但其中 4 只引脚 标有 NC 的引脚 1 12 23 34 是不使用的 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片内 振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无 任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 16 RST VPD 9 脚 当振荡器运行时 在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单 片机复位 推荐在此引脚与 VSS 引脚之间连接一个约 8 2k 的下拉电阻 与 VCC 引脚 之间连接一个约 10 F 的电容 以保证可靠地复位 VCC 掉电期间 此引脚可接上 备用电源 以保证内部 RAM 的数据不丢失 当 VCC 主电源下掉到低于规定的电平 而 VPD 在其规定的电压范围 5 0 5V 内 VPD 就向内部 RAM 提供备用电源 ALE PROG 30 脚 当访问外部存贮器时 ALE 允许地址锁存 的输出用于锁 存地址的低位字节 即使不访问外部存储器 ALE 端仍以不变的频率周期性地出现正 脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此 它可用作对外输出的时钟 或用于定 时目的 然而要注意的是 每当访问外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 ALE 端可以驱动 吸收或输出电流 8 个 LS 型的 TTL 输入电路 对于 EPROM 单片机 如 8751 在 EPROM 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 PROG PSEN 29 脚 此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号 在从外部程序存 储器取指令 或常数 期间 每个机器周期两次 PSEN 有效 但在此期间 每当访问 外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 PSEN 同样可以驱动 吸收或 输出 8 个 LS 型的 TTL 输入 2 2 2 ADC0809 模数转换芯片简单介绍 目前 市场上 A D 转换器芯片种类繁多 为了适应各种需要 不同的厂家生产 了很多不同类型 不同性能和档次的 A D 转换芯片 ADC0809 图 2 3 是美国国家 半导体公司 National Semiconduct Corporation 产品 是逐次逼近型芯片 片 内带有锁存功能的 8 路模拟开关 可对 8 路 0 5V 的输入模拟电压信号分时进行转 换 片内具有多路开关的地址译码和锁存电路 比较器 256R 电阻 T 型网络 树状 电子开关 逐次逼近寄存器 SAR 控制与时序电路等 输出具有 TTL 三态锁存缓冲器 可直接连到单片机数据总线 ADC0809 的分辨率为 8 位 单一 5V 供电 功耗为 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 10 页 共 29 页 15mW 不必进行零点和满刻度调整 外部时钟频率范围为 10KHz 1280KHz ADC0809 与 AT89C51 的硬件接口有三种方式 查询方式 中断方式 等待延时方式 在设计 中采用了中断方式 虽然 ADC0809 走过了自己的辉煌时期 已经不是目前功能最好 的模数转换器件 但是它的廉价和品质在许多领域被广泛使用 13 图 2 3 ADC0809 a ADC0809 主要特性 8 路 8 位 A D 转换器 即分辨率 8 位 具有转换起停控制端 转换时间为 100 s 单个 5V 电源供电 模拟输入电压范围 0 5V 不需零点和满刻度校准 工作温度范围为 40 85 摄氏度 低功耗 约 15MW b 内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 它由 8 路模拟开关 地址锁存 与译码器 比较器 8 位开关树型 A D 转换器 逐次逼近寄存器 三态输出锁存器等 其它一些电路组成 因此 ADC0809 可处理 8 路模拟量输入 且有三态输出能力 既 可与各种微处理器相连 也可单独工作 输入输出与 TTL 兼容 2 2 3 MAX232 简介 图 2 4 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 11 页 共 29 页 图 2 4 MAX232 MAX232 产品是由德州仪器公司 TI 推出的一款兼容 RS232 标准的芯片 该器 件包含 2 驱动器 2 接收器和一个电压发生器电路提供 TIA EIA 232 F 电平 该器 件符合 TIA EIA 232 F 标准 每一个接收器将 TIA EIA 232 F 电平转换成 5V TTL CMOS 电平 每一个发送器将 TTL CMOS 电平转换成 TIA EIA 232 F 电平 13 2 2 4 74LS373 介绍 74LS373 图 2 5 是三态同相八位锁存器 主要用于存储地址信息 数据信息 图 2 5 74LS373 74LS373 锁存功能表 使能端 输入允许 输入 D输出 Q HLLL HLHH LLXQ0 XHXZ 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 12 页 共 29 页 2 32 3 设计总电路图及功能介绍设计总电路图及功能介绍 2 3 1 核心单元电路 单芯片微处理器是属于嵌入系统 Embedded System 此系统的是把 CPU 加上 一些少量的记忆体和输出输入组件 I O 都嵌入在一个芯片内 再使用特定的组译 和编译软体编辑程序 利用烧录器把程序储存到单芯片 如此加上一些简单的周边 电路 即可变成一个控制系统 所以单芯片又称为微程控器 microcontroller 综 合考虑系统扩展方便性 系统工作可靠性 性价比等因素 系统主机芯片采用 AT89C51 如图 2 6 在与外部连接的地方使用了 CE VJ31 CE IJ31 电压 电流传感器 采集外部信 号并将信号转为 5V 400mA 的标准监控信号 由于需要检测的电路为三相电路所以 需要 6 个信号采集和保持通道 采集到的信号经滤波 采样保持后送入 A D 转换模 块 模数转换模块的功能是将采集到的模拟信号转换成数字量 作为单片机处理信 息源 电路设计时采用了 ADC0809 芯片作为模数转换芯片 先将模拟信号送入 ADC0809 转换成数字量 再送入 AT89C51 芯片进行计算和处理 GPRS 数据终端的硬件结构采用模块化设计 主要包含 GPRS 无线模块 SIM 卡和 串口模块 MAX232 三部分 GPRS 无线模块采用 SIEMENS 公司的 MC35T 模块 其功能是 将数据或命令通过与其连接天线发射出去 或接收远端监控中心发送的数据 再将 接收到的数据或命令进行相应的协议处理后 通过 MAX232 送入单片机进行处理 MAX232 起电平转换和串口通信的功能 由于传输数据的承载方式是 GPRS 网络 故 SIM 卡是不可缺少的 功能是存储数据和在安全条件下完成客户身份鉴权和客户信息 加密算法的全过程 显示模块主要包括 HD7279A 液晶显示器和 SED1335 控制芯片 主要是考虑到当 现场有管理人员巡视时 可以方便实时地了解现场情况 系统使用了一种管理键盘 和 LCD 显示器的专用智能控制芯片 SED1335 SED1335 与处理器之间采用串行接口 其接口电路和外围电路简单 占用口线少 只需 4 条 具有较高的性价比 在整体监测的基础上加入了声光报警电路 并实现了主芯片的自动复位功能 是系统的适应能力更强 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 13 页 共 29 页 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 14 Jun 2007Sheet of File D pcb 1111GPRS ddbDrawn By JZ 6m C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 R1OUT 12 R1IN 13 T1IN 11 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U8 MAX232 C4 0 1 C11 0 1 C22 0 1 VCC R2110k R3310k R1 1k C1 0 1uf C2 22uf S VCC U0 NOT A 25 B 24 C 23 REF 12 REF 16 IN0 26 IN1 27 IN2 28 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 CLK 10 D0 8 D1 14 D2 15 D3 17 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 EOC 6 START 7 ALE 9 OE 11 U6 ADC0809 OC 1 C 11 1D 3 2D 4 3D 7 4D 8 5D 13 6D 14 7D 17 8D 18 1Q 2 2Q 5 3Q 6 4Q 9 5Q 12 6Q 15 7Q 16 8Q 19 U4 74LS373 VCC 8 RESET 7 SCK 6 SC 5 CS 1 SO 2 WP 3 VSS 4 J0 x25045 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J9 MC35T VCC C30 0 1 C5 0 1uf C6 0 1ufu1 NOR AR6 OPAMP AR5 OPAMP AR4 OPAMP R201 POT2 D2 DIODE D1 DIODE U3 NOR U2 NOR R200 RES R20310K R202 10K R20410K R205 5K R208 33 8K R206 10K R209 33 8K R210183K 12V 12V VCC 12 12 C2020 047UF C201 0 047UF C203 0 1UF R211 107K R212 24K R213 POT2 3 7 6 1 5 4 28 AR7 POT2 VCC AGND 12V vin 2 rg 1 rg 8 vin 3 v 4 v 7 v0 6 ref 5 AR3 POT2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 J3 SED1335 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 T1 15 T0 14 INT1 13 INT0 12 RESET 9 X2 18 X1 19 EA VP 31 RXD 10 TXD 11 ALE P 30 PSEN 29 WR 16 RD 17 P2 7 28 P2 6 27 P2 5 26 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 P1 1 2 P1 7 8 P1 6 7 P1 5 6 P1 4 5 P1 3 4 P1 2 3 P1 0 1 VCC 40 USS 20 RP1 89C51 AGND 1 2 U10 AR6 OPAMP AR5 OPAMP AR4 OPAMP R201 POT2 D2 DIODE D1 DIODE R200 RES R20310K R202 10K R20410K R205 5K R208 33 8K R206 10K R209 33 8K R210183K 12V 12V VCC 12 12 C2020 047UF C201 0 047UF C203 0 1UF R211 107K R212 24K R213 POT2 3 7 6 1 5 4 28 AR7 POT2 VCC AGND 12V vin 2 rg 1 rg 8 vin 3 v 4 v 7 v0 6 ref 5 AR3 POT2 AGND 1 2 U11 AR6 OPAMP AR5 OPAMP AR4 OPAMP R201 POT2 D2 DIODE D1 DIODE R200 RES R20310K R202 10K R20410K R205 5K R208 33 8K R206 10K R209 33 8K R210183K 12V 12V VCC 12 12 C2020 047UF C201 0 047UF C203 0 1UF R211 107K R212 24K R213 POT2 3 7 6 1 5 4 28 AR7 POT2 VCC AGND 12V vin 2 rg 1 rg 8 vin 3 v 4 v 7 v0 6 ref 5 AR3 POT2 AGND 1 2 U12 AR6 OPAMP AR5 OPAMP AR4 OPAMP R201 POT2 D2 DIODE D1 DIODE R200 RES R20310K R202 10K R20410K R205 5K R208 33 8K R206 10K R209 33 8K R210183K 12V 12V VCC 12 12 C2020 047UF C201 0 047UF C203 0 1UF R211 107K R212 24K R213 POT2 3 7 6 1 5 4 28 AR7 POT2 VCC AGND 12V vin 2 rg 1 rg 8 vin 3 v 4 v 7 v0 6 ref 5 AR3 POT2 AGND 1 2 U13 AR6 OPAMP AR5 OPAMP AR4 OPAMP R201 POT2 D2 DIODE D1 DIODE R200 RES R20310K R202 10K R20410K R205 5K R208 33 8K R206 10K R209 33 8K R210183K 12V 12V VCC 12 12 C2020 047UF C201 0 047UF C203 0 1UF R211 107K R212 24K R213 POT2 3 7 6 1 5 4 28 AR7 POT2 VCC AGND 12V vin 2 rg 1 rg 8 vin 3 v 4 v 7 v0 6 ref 5 AR3 POT2 AGND 1 2 U14 AR6 OPAMP AR5 OPAMP AR4 OPAMP R201 POT2 D2 DIODE D1 DIODE R200 RES R20310K R202 10K R20410K R205 5K R208 33 8K R206 10K R209 33 8K R210183K 12V 12V VCC 12 12 C2020 047UF C201 0 047UF C203 0 1UF R211 107K R212 24K R213 POT2 3 7 6 1 5 4 28 AR7 POT2 VCC AGND 12V vin 2 rg 1 rg 8 vin 3 v 4 v 7 v0 6 ref 5 AR3 POT2 AGND 1 2 U15 R220100KR221100KR222100K 图 2 6 系统原理图 对电网瞬时值采集的设计中 采用了实时性好 相位失真小的交流采样方法 交流采样是将二次测得的电压 电流经传感器转换变成可测量的交流小信号 然后 再送入数据处理模块 交流采样运算模型如下 电压有效值公式 式 2 2 0 1 T Uu t dt T 1 采样调整后 以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化 的电压函数值 则 式 2 2 1 1 N mm m UuT T 2 式中 T 为相邻两次采样的时间间隔 Um 为第一个时间间隔的电压采样瞬时 值 N 为一个周期的采样点数 若相邻两采样的时间间隔相等 即 Tm 为常数 T 考虑到 N T T 1 则 式 2 2 1 1 1 N m m Uu N 3 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 14 页 共 29 页 上式就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值 U 的公式 同理可知 电流有效值计算公式如下 式 2 2 1 1 1 N m m Ii N 4 计算某相有功功率的公式 式 2 0 1 T Piudt T 5 采样调整后 式 2 1 1 1 N mm m Pi u N 6 式中 Im Um 为同一时刻的电流 电压采样值 功率因数可由下式求得 P UI 通过对三相交流电压和电流采样检测 实现对电源网络中三相电压 电cos 流 有功功率 无功功率 功率因数等瞬时数据 连续数据的采集与记录 实现对 某一时间段或某一时间点的各项数据分析 准确的确认机器设备的工作状态 2 3 2 芯片外围电路设计 a LED 管发光电路 该设计要在电压 电流发现异常或有偷电 断电等异常情况时实现声光报警作 用 下图中当电流信号流经 R0 到三极管后 LED 管和蜂鸣器就会实现声光报警功能 由于 AT89C51 系列的单片机驱动能力不足以直接驱动 LED 指示灯 故采用晶体管驱 动电路 由于单片机在上电复位时所有的端口输出均为高电平 所以采用 PNP 型晶 体管 以防止系统上电时指示灯闪烁 LED 的控制过程是 当单片机的控制信号端置 为高电平时 PNP 晶体管截止 LED 灯熄灭 当控制信号置为低电平时 晶体管导通 LED 指示灯发光 16 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 15 页 共 29 页 图 2 7 指示灯报警电路 b 蜂鸣器报警电路 蜂鸣器驱动电路用来报警或播放音乐如图所示 当单片机控制信号置为高电平时 PNP 晶体管 Q1 截止 蜂鸣器不发声 当控制信号置为低电平时 Q1 导通 蜂鸣器发 声 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 16 页 共 29 页 图 2 8 蜂鸣器报警电路 c 自动复位功能实现 为了提高智能化单片机的测控系统的可靠性 在设计中加入了自动复位电路 如图 2 9 使用了 CD4060 芯片 CD4060 为 14 位二进制串行计数 分频 振荡器 选 R1 130K C1 100PF 时 振荡频率经内部 14 级二分频后从 Q14 端可输出 2HZ 的 频率信号 R2 为偏置电阻 正常情况下 AT89C51 每隔一段时间 T1 就会将 CD4060 复 位一次 一旦由于某种原因导致 CPU 失控 CD4060 不能及时被复位 经过时间 T2 T2 T1 就从 Q14 端输出高电平 立即将 AT89C51 复位 使 CPU 恢复正常运行状 态 然后 CD4060 又被复位 Q14 变为低电平 R3 与 C2 组成微分电路 可将 P3 5 口输 出的复位电平变成复位脉冲 图 2 9 自动复位电路 2 3 3 硬件调试 单片机应用系统设计与硬件调试是分不开的 通常是先排除明显的硬件故障后 再和软件结合起来进行调试 常见的硬件故障有逻辑错误 元器件失效 可靠性差 和电源故障等 在进行硬件调试时先进行静态调试 用万用表等工具在样板加电前 根据原理图和装配图仔细检查线路 核对元器件的型号 规格和安装是否正确 然 后加电检查各点电位是否正常 接下来再借助仿真器进行联机调试 分别测试扩展 的 RAM I O 口 I O 设备 程序存储器以及晶振和复位电路 改正其中的错误 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 17 页 共 29 页 3 3 GPRSGPRS 通讯协议介绍与实现通讯协议介绍与实现 3 13 1 GPRSGPRS 业务的优势业务的优势 3 1 1 GPRS 网络通信概述 GPRS 是通用分组无线业务 General Packet Radio Service 的英文简称 是在 现有的 GSM 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务 GPRS 与现有的 GSM 语音系 统最根本的区别是 GSM 是一种电路交换系统 而 GPRS 是一种分组交换系统 因此 GPRS 特别适用于间断的 突发性的或频繁的 少量的数据传输 也适用于偶尔的大 数据量传输 这一特点正适合大多数移动互联的应用 2 3 1 2 GPRS 的特点与优势 GSM 与 GPRS 两种业务特点的对比 表 3 1 所示 与 GSM 电路交换数据传送方 式相比较 GPRS 具有如下优点 GPRS 采用分组交换技术 高效传输高速或低速数据 优化了对网络资源和无线资源的利用 定义了新的 GPRS 无线信道 且分配方式十分 灵活 每个 TDMA 帧可分配 1 到 8 个无线接口时隙 时隙能为活动用户所共享 且上 行链路和下行链路的分配是独立的 在上行链路上网络需要对 MS 移动台 进行争抢 判决 多个 MS 可共享一个时隙的无线资源 在下行信道上采用排队的机制 多个 MS 可共享多时隙的下行资源比 表 3 1 GSM 与 GPRS 比较表 对比内容 GSMGPRS 无线通道专用 最多 4 个时隙共享 最多 8 个时隙 链路建立时间建立时间长永远在线 传输时延短 适用与实时性强的业务适度的传输时延 传输速率小于 9 6KBPS最大 172 1KBPS 网络升级费用初期较少 要升级软件费用较大 节省基站投资 提供业务代价价格贵 占用系统资源多价格便宜 占用资源少 电路型数据业务与分组型数据业务对比支持中 高速率数据传输 可提供最大 为 171 2kbids 的数据传输速率 每用户 GPRS 网络接入速度快 提供了与现有数 据网的无缝连接 GPRS 支持基于标准数据通信协议的应用 可以和 IP 网 X 25 网 互联互通 支持特定的点到点和点到多点服务 以实现一些特殊应用 GPRS 的设计 使得它既能支持间歇的爆发式数据传输 又能支持偶尔的大量数据的传输 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 18 页 共 29 页 3 23 2 系统网络协议工作原理系统网络协议工作原理 串行通信有同步 Synchronous 和异步 Asynchronous 两种模式 同步在通 信两端使用同步信号作为通信依据 而异步使用起始位 Start Bit 及停止位 Stop Bit 作为通信的判断 本设计中采用异步串行通讯 从起始位到停止位为 1 帧 起始位设置为一个长的高电平 当检测到高电平时开始发送数据 一帧传送完 成后进行奇偶校验 如不正确则传输作废 如正确则等待下一起始位的到来 表 3 2 数据传输格式 起 始 位 12345678 0 1 奇偶 校验 停 止 位 空 闲 位 本设计涉及到异步串行通信 RS232 的 9 针串口 9 只引脚定义如下 表 3 3 9 针 RS232 串口引脚定义 引 脚 简 写意义 引脚 1 CD 载波检测 Carrier Detect 引脚 2 RXD 接收字符 Receive 引脚 3 TXD 发送字符 Transmit 引脚 4 DTR 数据端备妥 Data Terminal Ready 引脚 5 GND 接地端 Ground 引脚 6 DSR 数据备妥 Data Set Ready 引脚 7 RTS 要求发送 Request To Send 引脚 8 CTS 清除以发送 Clear To Send 引脚 9 RI 响铃检测 Ring Indicator 其中设计只涉及到 3 个引脚 引脚 2 引脚 3 引脚 5 其它引脚供网络应用 3 2 1 RS232 协议中的通信参数设置 硬件连接完成后 在进行GPRS上网操作之前 首先要对GPRS模块进行一定的设 置 系统采用了西门子的MC35T作为GPRS模块 该模块设计小巧 功耗很低 可以为 很多通信应用提供经济高效的解决方案 适用的范围包括便携电脑的低功耗通信设 备 遥测 遥感 远程信息处理和通信等工业领域 对于电力远程监控系统来说 采用这种模块是比较适合的 15 MC35T的特性 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 19 页 共 29 页 支持EGS900和GSM1800双频 支持语音 数据 短消息和传真服务 低功耗处于睡眠状态时仅3 0MA电流 支持三种语音编码的传送速率 标准协议的认证 采用GSM Phase2 2 标准 通过GPRS模块支持的AT命令集对其进行初始化设置 初始化设置成功后即可进 行拨号连接 GPRS模块的初始化及拨号过程如下 AT IPR 9600 把波特率设置为9600b s AT CGCLASS B 设置移动终端的类别为B类 即具有GPRS上网和GSM语音功能 AT CGDCONT 1 IP CMNET 设置GPRS接入网关 如果Modem返回 310D 则表示初始化成功 发送 ATDT 99 1 若Modem返回 310D 则表示成功接通GPRS网络 3 33 3 GPRSGPRS 的网络配置的网络配置 3 3 1 串行接口协议 通信接口 波特率 9600 4800 2400 1200 可设置 校验 无 奇校验 偶校验 8位数据 1位起始位 1位停止位 3 3 2 安装配置程序进行各种设置 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 20 页 共 29 页 端口选择表示 GPRS 终端连接计算机的端口及 GPRS 的串口参数 波特率及校验位选择表示让 GPRS 终端将配置成的状态 双击左侧圆点及配置好 TCP UDP 选择 表示选择网络传输协议 双击左侧圆点及配置好 数据报头选择 表示上行数据的报头 如果选择四字节 ID 号 上行的报头为两 字节的报头 十一位手机号表示上行数据的报头为十一位手机号 手机号码为 ASCII 码 双击左侧圆点及配置好 心跳设置 表示下行数据时的网络连接 配好以后双击即可 TCP 配置 300 秒 UDP 配置 60 秒 根据各地的网络而定 配置手机号 上行数据时的手机号码 双击文本框及配置好 GPRS 接入点 表示 GPRS 终端的 APN 接入方式 公网为 CMNET 其他根据移动 的网络而定 查询配置 表示终端的所有参数 配置好终端号 服务器 IP 地址 本地端口号 远程端口号后点击确定 如果弹 出对话配置完成 表示配置好 否则表示配置不成功 4 4 显示模块功能实现显示模块功能实现 显示模块主要由 HD7279A 液晶器 SED1335 控制器 显示 RAM 背光逆变器等组 成 它与同类液晶显示模块相比 具有显示信息量大 亮度高 微功耗 体积小 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 21 页 共 29 页 质量轻 等优点 因此在移动通讯 仪器仪表 电子设备 家用电器等各方面有着 十分广泛的用途 图4 1 显示模块内部框图 4 14 1 HD7279AHD7279A显示器显示器 HD7279A液晶显示器为320 240点阵 能容纳16 16点阵的汉字共20行 15列 且具有较高分辨率 该器件的外型尺寸为139 120mm 厚度为25mm 屏幕可视区 为103 79mm 显示方式为全透反显 显示颜色为蓝底白字 支持文本 图形和图文 三种显示方式 功能强大 操作灵活 屏幕右侧有14 芯接口与SED1335 控制器相连 4 24 2 显示控制器芯片显示控制器芯片SED1335SED1335 SED1335芯片是日本SEIKO EPSON公司生产的液晶显示控制器 它是一个工作电 压为2 7 5 5V的控制器 它在同类液晶显示控制器中是功能最强的一个 其主要特 点有 具有功能较强的I O缓冲器 指令功能丰富 四位数据并行发送 最大驱动能力为640 256 点阵 P0 0 P0 7 P2 7 RD WD DB0 DB7 CS RD WD VCC GND 5V GNDV0 AT89C51SED1335 AT89C51 MCU 驱动电路 显示 RAM DC DC 变换 背光逆变器 SED1335 显示控 制器 HD7279A 显示器 88888 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 22 页 共 29 页 图4 2 AT89C51与SED1335连接框图 SED1335的接