智能电表的设计

四川理工学院上课时间制定计策大学计算机学院专业物联网项目20121课课程无线传感器网络标题现代地球智能仪表课程设计老师符文学生徐玉环刘易粮胡伟杰唱歌智化设计时间：2014年7月5日至2017年7月11日序言近年来，在低碳经济、绿色节能和可持续发展理念的推动下，如何进一步提高电网效率，积极应对环境问题，提高供电可靠性和电能质量，改善电力用户服务，适应更开放的能源和电力市场环境的要求，对未来电网发展提出了更高的要求。智能电网的概念出现，成为全球电力行业共同研究和讨论的热点，支持中国乃至全球智能电网将成为通信技术、信息处理技术和控制技术。智能电表是智能电网建设的核心基础，其作用是加速智能仪表产业链集成，促进产业化，支持网格信息、自动化和交互。基于上述分析，本论文旨在设计基于AT89C51单片机的智能电表。以微处理器或微控制器芯片为中心设计的AT89C51是存储大量测量信息并具有实时分析、合成和测量能力的工具。一般来说，它具有自动测量功能、强大的数据处理功能、自动归零单位转换功能、简单的错误提示、操作面板和显示，以及简单的警报功能。本文主要包括以下三个方面：(1)智能电表设计背景、优点及发展现状本文首先分析了智能仪表的设计背景，讨论了智能仪表的优点及其相关应用。(2)智能电表的硬件和软件实现分析了智能电表应具备的功能，并提出了该仪器的总体设计方案。详细介绍了该电路的核心芯片选择、数据收集电路设计、通信电路和I/o系统的实现，核心芯片。提供. AT89C51的详细参数。微控制器c语言程序可用于实现密钥扫描和处理、数据收集和后续算法、红外或RS485通信方式自动抄表程序、CPU卡读写操作程序和分段液晶屏驱动程序。(3)设计的结论分析、缺点和未来展望阐述了设计的测试结果，分析了结论，提出了设计的缺陷，提出了今后的修改和改进要点，展望了智能仪表的未来。目录序言I目录III1智能仪表简介11.1智能仪表概念11.2智能仪表典型结构11.3智能仪表主要特征22智能电表设计方法32.1智能电表硬件设计方法22.1.1微处理器或微控制器42.1.2传感器52.1.3信号调理52.1.4 A/D转换器52.1.5 D/A转换器62.1.6智能仪表通信接口62.2智能电表软件设计方法63智能电表硬件设计73.1电能表概述73.2电能表的总体设计73.3电能表控制芯片93.4能量计量专用芯片103.4.1 CS5460A的性能103.4.2 CS5460A针脚说明103.4.3 CS5460A外围电路和电源电路设计103.4.4单片机AT89C51和CS5460A接口103.4.5电源模块103.4.6电压和电流采样模块103.5液晶屏芯片和AT89C51接口113.5.1 SMS0601的接口信号说明113.5.2 SMS0601和AT89C51接口113.7 SPI接口EEPROM和AT89C51接口123.7.1 X5045针脚分布133.7.2 X5045功能说明133.8时钟模块143.9 wifi模块.144智能电表的软件设计.16摘要18参考文献.18一、智能仪表概述1.1智能仪表概念智能电能表是一种由测量单位、数据处理装置等组成的新型电能表，具有电能测量、信息存储和处理、实时监控、自动控制、信息交互等功能。与传统的普通电能表不同，智能电能表是全电子电能表，具有硬件时钟和完整的通信接口智能电表是以微处理器或微控制器芯片(例如微控制器芯片)为中心存储大量测量信息，并实时分析、合成测量结果和具有多种判断能力的设备。智能电能表一般具有自动测量功能、强大的数据处理功能、自动归零单位转换功能、简单的错误提示、操作面板和显示、简单的报警功能。这次设计的计价器利用计算机技术、通信技术等降低能耗，集中采集、处理，节约成本和人力，提高生产力，满足现代用户的要求1.2智能电表的研究现状及发展前景中国是电能表生产大国，目前感应电能表、电子电能表、智能电能表等主要产品已经达到或接近发达国家的技术标准，生产和研发能力也已经能够适应国际市场的不同需求，价格优势明显，在国际市场上具有较强的竞争力。随着我国智能电网建设过程的继续推进，随之而来的居民逐步梯价改革模式的提出，对电能表等相关电能表工具的要求也越来越高。我国的智能电网技术在国外先进水平和技术上的差距较小，是低碳经济的重要组成部分，具有稳定的高增长前景。我国的智能电能表在功能性和规格、梯子价格、负荷控制等功能方面比国外优越，更符合我国智能电网建设的要求。中国政府计划在未来5年在全国安装2.4亿台智能仪表。也就是说，在2012年到2015年之间的3年里，中国每年新安装的智能电表将达到8000万台。中国将成为世界上最大的智能电表消费者市场。2智能电表的设计方法2.1智能电表硬件设计方法智能电能表包括扩展微处理器或微控制器外围设备(例如程序内存ROM、数据内存RAM、键盘、显示器、报警设备和通信端口)的微处理器或微控制器。作为完整的智能电能表，还应包括输入通道和输出通道。图2.1显示了智能电能表的硬件结构配置图。2.1智能仪表硬件原理图微控制器AT89S52RS-485通信模块时钟模块看门狗重置模块测量模块存储模块显示模块计量回路选通模块备用电源和主电源开关电路模块智能电能表实际上是一种微机系统，它是一种具有微处理器或微控制器并具有标准总线接口的新仪器。功能性智能电能表由不同的部件组成。智能仪表监控依赖于程序内存EPROM、ROM、EEPROM等，测试的参数通过传感器将非电量转换为电能，然后通过信号处理和模块化，转换为微处理器直接识别的数字信号。收集的数据或从键盘输入的数据以及经过一定算法的数据存储在片上数据内存RAM中。一般来说，智能电能表的控制部分分为两种情况：微处理器接收键盘输入命令时，不通过数字-模拟转换器直接通过接口输出控制信息和数据信息，从而控制部分执行机构。智能仪表硬件设计的每个功能包括：2.1.1微处理器或微控制器微处理器和微控制器在智能电能表中都是智能电能表的心脏，其结构和特性对智能电能表的性能影响很大。微处理器也是一般用途的设备，在给定足够的外部支持电路和处理时间的情况下，几乎可以完成所有任务，数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。根据智能电能表的控制能力和测量功能，选择合适的单片机作为智能电能表的核心，提高智能电能表的整体性能。2.1.2传感器传感器将从外部输入的测量信号转换为电信号的组件或设备。作为信息获取的工具和手段，在控制型智能电能表的测量中占有非常重要的地位。传感器可以转换信息存在的能量形式，通常将其他能量形式转换为电信号进行进一步处理，传感器的输出总是电信号。主要是电信号，放大、反馈、过滤、积分、微分、存储和远距离传输更容易。2.1.3信号调理信号调理设备通过电子电路实现模拟信号处理，通常包括放大、过滤、整形、检测、信号转换等功能。信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理，使输出信号与A/D转换等操作相匹配，以符合信号处理的后续部分。信号调理可以改善信号质量，补偿传感器的非线性，提高信噪比，提高信号的环境抗干扰能力等。2.1.4 A/D转换器微处理器能够处理的信号必须是数字信号，因此在智能电能表的输入通道中添加了将模拟信号转换为数字信号的芯片A/D转换器。并非所有输入通道都需要A/D转换器。只有模拟输入通道，微处理器的信号输入非频率数字代码时，才会使用A/D转换器。使用A/D转换器时，首先要根据输入通道的整体故障选择A/D转换器的准确度和分辨率。根据信号对象的变化率和转换精度要求，为了保证智能电能表的实时要求，需要确定A/D转换速度，对于高速信号，需要考虑采样/保持电路。选择A/D时，还必须考虑智能电能表所在环境选择A/D转换器的环境参数。由于每个A/D转换器的输出状态不同，因此必须根据计算机的界面特性选择输出状态。2.1.5 D/A转换器微处理器输出的数字控制信号通过D/A转换将离散时间输出的控制信号转换为离散模拟信号，为智能控制创造了必要条件。在D/A转换接口设计中，主要需要考虑的问题包括D/A转换芯片选择、数字正码输入和模仿的极性输出、基准电压电流源、模拟功率输出的调整和分配等。选择D/A芯片时，主要考虑芯片的性能、结构和应用特性。性能满足D/A转换的技术要求：必须满足结构和应用特性中方便的接口、简单的外围电路、低廉的价格等要求。2.1.6智能仪表通信接口智能电能表一般具有可实现程序控制、易于配置自动测试系统的通信接口。当前国际使用的智能电能表的标准接口是GPIB、RS232等，此设计使用RS232接口。1.RS-232C标准通信接口RS-232C总线标准接口是当前最常用的串行通信总线接口，逻辑级别镜像与TTL、MOS逻辑级别完全不同。逻辑0级别在5到15V之间规定，逻辑1级别在-5V到-15v之间。因此，RS-232C驱动器和TTL电路连接必须经过级别转换。转换芯片具有MC 1488，75188 (TTL到RS-232C的级别转换)。Mc 1489，75189 (RS-232C到TTL的级别转换)。MAXIM的MAXZOZ、MAX232等。在当今信息时代，用于其他信息设备的通信技术也可以用于嵌入式智能电能表。主要是这些通信技术：2.2智能仪表抗干扰方法计算机测控系统中的抗干扰技术在智能电能表的抗干扰技术中也同样适用，主要分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。硬件抗干扰技术主要包括滤波技术(手动滤波和有源滤波器)、解耦技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。进入智能电能表的干扰往往频谱大，随机性强，并且使用硬件抗干扰方法，仅在特定频率段抑制干扰，仍然存在侵入系统的干扰。因此，除了硬件抗干扰方法外，还提出了软件抗干扰措施。为了使程序在CPU上正常运行，经常使用：软件过滤(数字过滤技术)，这是通过从模拟输入信号中删除错误信号来获取true值的以下抗干扰措施。除了使用硬件看门狗电路使单片机从死机状态恢复正常运行外，还可以使用软件看门狗电路或硬-软耦合的看门狗技术。软件看门狗技术的基本思想是：在主程序中监视T0中断服务程序。T1中断服务程序监视主程序。T0中断监视器T1中断。三、智能电表硬件设计3.1电能表概述电能表是测量一段时间内通过的电的累计值的计量表。电子电能表也称为静态电能表，是“电流和电压在固体(电子)设备上作用，与瓦特时间成比例输出的仪表”。这里主要介绍根据智能小区家庭用户电能计量系统的要求设计的智能多功能多速率电能表。复合率电能表是在电力利用率最大的时候，以平时、山谷时间时段设置为基准计算用户总电量和峰值时间、平时、旧时间电量的电能表，允许电力供应局在高峰时间、平时、旧时间时段实施不同的计费标准。鼓励用户在山谷期间使用电力的经济手段。这也符合电力收费系统提出的定期收费要求。电子复律电能表一般使用单片机计算电力脉冲的时间，同时具有有效的参数设置。3.2电能表的总体设计此多功能多