远程智能抄表系统

1、远程智能抄表系统设计摘 要目前，随着科学技术的迅猛发展，远程智能抄表已逐渐取代人工抄表在人们生活中的地位。逐渐地，无线远程智能电表将普及全国，一个数字化传送的智能抄表时代即将到来。所以，开发性能稳定的水、电、气以及纯水的智能化计量抄录装置是我们的当务之急。本课题正是在这样的背景之下开始研制的。本文是针对智能化小区的抄表系统所作的研制。经过对国内外相关技术和案例的分析、研究之后，结合小区的实际情况，设计了一套基于单片机控制技术的自动抄表系统。该设计综合运用了单片机技术以及RS485通信技术，实现了仪表数据采集、存储、处理、传输等工作。论文对自动抄表系统作了全面的研究与讨论，介绍了自动抄表系统的总

2、体设计方案，并对系统中采集器终端的设计进行了深入的研究。论文中详细介绍了采集器终端供电模块、微控制器(单片机)模块、数据存储模块、通信模块、显示模块、时钟模块的硬件设计。对各模块的硬件设计，介绍所选芯片的特点及使用方法并给出该模块的电路连接图。系统软件也基本遵循模块化的设计方法，以对应硬件电路的各模块。在软件设计章节讨论了系统中的通信协议的设计和实现，各个软件模块的功能、设计难点和解决方法等。“关键词”：远程智能抄表，单片机，RS485，经济The design on the remote automation meter reading systemAbstractWith the rapi

3、d development of science and technology,the remote intelligent meter reading has gradually replaced the manual meter reading position in people's lives. Increasingly, wireless remote intelligent energy meters will be popularized to all the country, the era of a digital transmission of Intelligen

4、t Meter Reading is coming. Therefore, to develop the device which can meter water, electricity, gas or pure water stablely and intelligently is our top priority. This project started just in this context.The automatic meter reading system for intelligent residential quarters is designed in this pape

5、r. Through analysis and study of the correlative technique and cases，combined with the practical conditions of the residential quarters，the automatic meter-reading system based on microcomputer control technique is designed.The design considers sensor technology,microcomputer technology，RS-485 commu

6、nication technology and infraed communication technology as major supports.The paper has a detailed introduction to the hardware of the power circuit,microcontroller circuit,communication circuit,data storage circuit and display circuit of the collection device terminal. For the hardware design of e

7、very module and the paper shows the circuit diagram.As a modularization of system's softwre ,the programs are modulariation,too.In softwre chapter,the functions of each program modules are introduced detailed.“Key Words”: Remote smart meter reading, SCM, RS485, Economic目 录第一章 引言11.1课题的目的和意义11.2

8、国内外的发展状况11.2.1 国外发展现状11.2.2 国内发展现状21.3 本文主要工作4第二章 远程智能抄表系统的总体方案设计52.1远程智能抄表系统概述52.2 远程智能抄表系统总体方案设计72.3 远程智能抄表系统功能设计目标10第三章 采集器和集中器的硬件设计113.1 采集器的硬件设计123.1.1 单片机的电路设计123.1.2 RS485电路的设计163.1.3 脉冲数据采集电路的设计183.1.4采集器存储电路的设计203.1.5 看门狗电路的设计223.1.6 采集器电源电路的设计233.1.7时钟电路的设计233.1.8显示电路的设计243.1.9 预付费卡的设计253.

9、2 集中器的硬件设计253.2.1单片机电路的设计263.2.2通信电路的设计273.2.3主电源电路的设计283.2.4地址的确定28第四章 采集器和集中器的软件设计294.1集中器的软件设计294.1.1上位微机PC发送命令的路径294.1.2集中器主程序的设计304.1.3集中器接收命令子程序的设计314.1.4集中器处理PC命令子程序的软件设计324.1.5 集中器向采集器发命令子程序的设计344.1.6集中器向PC机应答子程序的设计354.2采集器的软件设计354.2.1 采集器处理命令子程序的设计354.2.2采集器采集脉冲子程序的设计364.3 存储器的资源分配374.3.1 采

10、集器的存储资源分配374.3.2集中器的存储资源分配384.4通信协议38第五章 总结与展望40参考文献41致谢43第一章 引言1.1课题的目的和意义智能抄表系统简称 AMRS(Automatic Meter Reading System),是一种不需要工作人员到达现场就可以进行抄录用户能耗的智能化能耗管理系统。近年来，无线远程智能抄表技术在国内外迅速发展。为了增强用户的耗电量、耗水量、耗气量的管理，提高对于居民能耗管理的效益，使其适应市场经济需要，管理部门实行电度表、水表、气表、纯水表的自动抄表和用电、用水、用气的监控管理是非常必要的。因此，远程智能抄表系统将是未来发展的主要方向,这对于提高

11、居民能耗管理部门的管理水平和经济效益无疑具有着十分重要的意义。居民住宅区中的智能抄表系统是能耗管理自动化的一个重要手段和组成部分,它的最终目的是：自动、集中、定时地抄录各用户的用电量、用水量、用气量，按耗能的峰、平、谷时间来自动的调整复费率去核算每个用户的能耗费用，最终通过一个上位机来自动完成向各用户电费结算、打印收据并通过银行转账结算。为能耗管理部门提供了及其有效的能耗管理办法。该系统的实现是迈向能耗管理自动化的第一步,并有助于提高能耗管理的现代化水平1。1.2 国内外的发展状况1.2.1 国外发展现状在美国、加拿大、日本和西欧等许多发达国家和地区用自动抄表系统代替传统的人工抄表早已实现并广

12、泛应用了，尤其是对用户煤气表的自动抄录系统，己经有几十年的发展历史了。自动抄表系统的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术等的快速发展，它们使得无线远程智能抄表技术在智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的品质要求下逐渐成型，如今无线远程智能抄表系统已达到可以大规模应用于广大用户的实用性阶段。在国外,电力线载波通信技术的发展已经相当成熟了，近些年正在向着利用电力线载波通信来实现家庭能耗管理自动化的方向上发展，国外学者已经研究并提出了统一的电能表通信协议DLMS/COSEM(DeviceLanguage Message Specification/Companion Spe

13、cification for Energy Metering)，并被国际电工委员会采纳作为 IEC62056 国际标准。这一通信技术的进步大力促进了电力线载波抄表的发展并使得它的发展有了统一的方向而更加规范和易于操作。国外无线通信以及网络技术的迅速发展使基于无线网络技术的应用逐渐成为当前无线通信的主流。无线网络技术其自身的特点、合理的组网方式以及可靠的传输机制，使其成为远程数据采集系统中解决监控点地域广、设备布局分散等问题的主流技术。目前国外无线远程抄表系统主要基于微处理器，通过 GPRS、CDMA 等无线通信网络，向管理系统传送采集的数据。在欧洲，在国家政策的刺激下，公用事业企业间的竞争逐渐

14、加剧。远程智能抄表技术成为企业提高服务水平、争取用户并提供及时的耗用信息、降低销售成本的重要手段，于是英、法、德、意等国的企业纷纷制订了发展远程智能抄表技术的计划。其中能生产自动抄表设备的仪表制造公司有英国的DresserIndustries，法国的MAGNOL，德国的Schlumberger，意大利的Metrum24。1.2.2 国内发展现状90年代以前，在我国大部分地区，传统的抄表方式主要有两种：一是人工抄表，另一种是掌上机抄表。随着国民经济的发展，城市高层建筑不断增多，工商用户及三资企业迅速增加，农村农网逐渐普及，乡镇企业逐渐增多，农民家用电器迅速普及，还有“一户一表”政策的实施以及多种

15、电价制度的执行，都使得抄表工作发生了巨大的变化并且变得越来越复杂。常规抄表方式的质量和效率问题也逐渐暴露出来：（1）、人工抄表受人的行为因素影响查抄数据准确性人是人工抄表的实施主体，但人的行为容易受到情绪等因素的影响，还容易受到天气等环境因素的影响。人的行为不确定性直接影响到抄表数据的准确性。（2）、 楼宇表井安装情况复杂影响抄读表数目前住宅楼宇建设，基本都是各种计量器具与入户管道都集中在同一表井中，热计量表安装在表井之内，由于楼宇房型不同，热表安装位置不同，表井大小不同，在无照明的情况下，抄表人员读取表数非常困难，影响了查抄数据的准确性。（3）、人工查表增加后续人工成本现代居民小区

16、以高层建筑居多，要雇用大量的人力进行抄表工作，据测算每人每天可完成100块热表的抄表工作，以20万户为例：要雇用2000人才能完成一次抄表工作。所以对于这种临时性较强，但又必须要求查抄数据准确，供热管理单位在人力组织上是非常困难的。（4）、 人工抄表很难做到统一时点抄表热计量的数据是从供热开始的统一时间开始，对于初装热计量表用户,初次确定表数应从热计量表计数开始，人工抄表从第一户开始到最后一户，热计量表数已经产生了差异，所以人工抄表很难统一时点查抄数据，容易造成纠纷。（5）、 人工抄表不利于对热表的监控用户的热表通常是在供热前统计，供热结束统计，以表数为准，结算用热费，在整

17、个供热期间若发生热表故障，用热户用热发生变化，供热单位根本无法掌握。以上所有出现的现实问题，仅靠增加抄表人员、延长抄表时间、增加抄表次数，不仅无济于问题的解决，而且会造成整个供电部门成本上升、效益下降、管理混乱等等多方面问题，不利于能耗管理系统的稳定发展。进入90年代以后，国内许多研究机构和企业纷纷投入对自动抄表技术的研究，并有多种自动抄表系统陆续问世，这标志着我国自动抄表技术应用的起步。目前国内存在三种抄表方式：人工抄表、预付费方式、远程集中抄表方式。人工抄表由于前述的诸多缺陷已成为落后的抄表方式，只在少数边远地区使用。预付费方式也由于 IC 卡的一些致命技术隐患及带来的管理问题而应用受到限

18、制。远程集中抄表（分线制、总线制、无线、电力载波、卫星通讯等）由于其通信技术的先进性和系统灵活等优点而得到重大发展。就电表采集方式来说，分线制即采集器定时顺序采集来自多路分线连接的表计信号并进行数据处理，存储，各采集器之间采用总线制连接，最后连接至计算机，其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器位置。目前国内市场上各抄表开发系统的公司多用此型。分线制集中抄表模式单纯从技术上讲较成熟，也节约成本（多户表共享一个采集器），但从实际情况看存在如下缺点：分线的任何环节出现疏漏都将使采集器采集不到数据、需专业人员调试系统而维扩费用也相应增加、采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集器上的所有户表数据丢失

19、。实际使用中效果反映不理想。总线制智能抄表方式开发由来已久，它是在表内设单片机，即在表计上装配采集器，表计的数据采集、处理、存储、等基础工作全由采集器完成。其优点是出现故障不影响其他表的抄取，缺点是成本增加、管理中心压力大（需管理每只表）。目前江苏、安徽省地区等实际使用效果比较满意。抄表系统目前已经广泛应用于物业公司、自来水公司、煤气公司、供电公司、企业内部宿舍的计量收费管理。尤其是如今住房需求的不断增长，还有旧的居民小区需要改造，这些都为智能建筑市场提供了良好机遇，无线抄表系统作为小区智能建筑的标准配置也将获得广阔的应用市场和发展空间56。1.3 本文主要工作本文以当前远程智能抄表系统的研究

20、为基础，主要围绕集中期和采集器的硬件与软件的设计展开论述。第二章从宏观角度介绍了智能抄表系统的总体设计，并简要说明了本设计的某些重要特点。第三章分块介绍了采集器和集中器的硬件设计，其中对采集器主要介绍起外围电路，集中器与采集器有许多相似之处，所以只对集中器与采集器不同之处进行介绍。第四章分块介绍了采集器和集中器的软件设计，并给出程序框图。第二章 远程智能抄表系统的总体方案设计本文所介绍的系统是基于传统的“电表远程智能抄表”的基础上，新增加了对于居民用户的用气、用水、用纯水三个能耗量的检测、抄录与传送装置。还运用了电力线载波通讯方式。本系统主要针对智能化居民区设计，由两部分构成：主控端和采集器（

21、客户智能用量表）端。客户端与主控 PC 机通过通信模块来完成智能抄表任务。本设计实际包含两个部分的设计：通信部分的设计与客户端智能表的设计。2.1远程智能抄表系统概述1、自动抄表系统的组成典型的能耗计量智能抄表系统主要的组成部分包括：前端采集子系统、通信子系统、中心处理子系统。即由采集器顺序定时采集来自多路分线所连接的电表信号并进行数据处理、存储等，各采集器之间采用的连接方式是总线连接，最后连接至计算机。其典型特点是各用户分表通过每一分户线连接至采集器。系统一般分为四个层次的结构，分别为：前端采集子系统、服务器(区域管理器) 子系统、通信子系统、管理中心子系统，有些产品还会附带一个掌抄器。系统

22、的结构如图 1-1 所示。（1）前端采集子系统采集各个基表所输出的数据，一般一个采集器可以采集多个基表。远程的数据采集系统可以由电子式电能表或加装了光电转换器的机电脉冲式电能表来构成系统的最前端，它们以电脉冲的形式把用户的耗能量传递给上一级数据采集装置。目前应用广泛的远程智能抄表系统大多数都采用两级式数据汇集结构，即由安装于用户生活小区单元的采集器收集十几到几十个基表的读数，而负责定期从采集器读取数据的装置是安装在配电变压器下的集中器。（2）服务器(区域管理器) 子系统它的功能是用多机通信的方式采集数据采集器中的各个基表的数据，然后进行处理、存储等操作，并通过某通信总线与总控制室的系统管理中心

23、的计算机相连接，一个服务器可以连接多达几十个数据采集器。（3）通信子系统通信子系统的主要功能是把数据传送到控制中心的总线通道去。为了符合成本要求并适应不同的环境条件，通信子系统的构成有多种方案。按照通信介质不同来区分，通信子系统主要包括光纤传输、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输等四种方案。管理中心通信子系统服务器服务器采集器采集器采集器采集器基表基表基表基表基表基表基表基表图1-1 远程智能抄表系统结构图Fig 1-1 Structure diagram of the remote automation meter reading system（4）管理中心子系统管理中心子系统主要由系

24、统管理软件和多媒体计算机组成，安装在物业管理中心，是整个能耗计量智能抄表系统的最上层，所有用户的能耗信息通过总线通道汇集到此处，管理人员利用软件对数据进行汇总、分析并作出相应决策。在硬件允许的情况下，还可以直接向下级的集中器以及电能表发出控制指令，从而对用户的能耗操作实施如停、送等远程操作的控制。由于各个基表要处理的数据量比较大，因此要求管理中心的硬件必须要有运算和存储的能力。软件方面则要求操作系统一定要稳定可靠，软件需要具有处理大量数据的能力。典型的抄表软件具有如下功能：A.远程设定抄表集中器。B.采集器内的参数。C.抄收整个系统中所有电能表的数据。D.电量日报、月报，进行电费结算。E.使系

25、统可进行查询管理。F对异常用户给予告警提示。物业管理中心的系统管理软件需要有如下功能：A.查询管理网络中任意一个用户的基表的示数以及各月的耗能量，并且可以查询应缴纳的费用。B.查询居民区的某一栋楼每个月各个基表的示数及应缴纳的总费用。C.修改每一户的各基表的底数和修改每户户主的姓名。E.查询上个月的费率，输入本月期望的费率。F.能够打印报表，按月、季打印出居民区内每单元、每用户的能耗用量及其费用。G.打印各用户应缴费用的通知单及其月用量。2、自动抄表系统的主要功能及特点自动抄表系统之所以成功，要归功于现代科技将计算机技术、通讯技术以及传感器技术等高精尖技术完美地结合起来，构成了一个先进的计算机

26、监控管理系统。它具有其它抄表系统所不具备的独特优势：（1）自动化：数据能够在通信网络上进行通讯，可实现远程自动抄表。（2）易于控制：表内数据可通过系统指令来实现定时抄表并能够很轻松的实现各时段能耗量抄送。（3）实时性：可精确的获得系统内部所有电能表在某一时段的能耗用量；（4）高效性：提高现代化能耗管理水平并实现抄表、核算、收费全部自动化，减轻了各个能耗管理部门人工抄表负担，为其减员增效提供了高技术手段。（5）数据处理功能全面：可实现能耗量日报表、月报表的查询及打印、基表管理功能，还可处理完整的用户信息。2.2 远程智能抄表系统总体方案设计本设计的系统总体方案图如图2-1所示：图2-1 系统总体

27、方案图Figure 2-1 The overall schematic diagram of AMRS从图中可以看到系统总体分为三层。最低一层是数据采集单元，它是由基表以及采集器所构成的；中间一层是抄表单元，它是由集中器、通讯网络以及数据采集单元所构成；最高一层为整个远程智能抄表系统，它是由所有的抄表单元、主站（可扩展Modem或Interne联接）所构成的。系统采用的是模块化设计，使系统的链接更加的灵活多变。 这个系统的工作原理是：系统的基表通过其内部的传感器以脉冲信号的方式把耗能量传输给采集器，采集器接收到多路脉冲信号后进行计数和处理，并将结果储存。采集器与集中器之间所采用的通讯方式是RS

28、485方式，采集器平时处于接受命令状态，当接收到集中器的操作命令时，则按照指令内容进行操作，并将有关数据送至集中器。 集中器可以定时或实时地对下属多的采集器的数据进行抄录并存储。当主站计算机想要调用数据的时候，集中器就会将储存的数据打包上传给主站，或直接对采集器进行各种操作。当基表安装的位置比较分散时，系统还可以创造性地使用中继器对其下属采集器进行中转。下面介绍本系统的实际选择：本系统针对现在居民用户所使用的电表、气表、水表和纯水表等基本计量工具所存在的诸多缺陷提出一定的解决方案。还能够将能耗数据通过网络传送到指定单位，实现抄录、传送、缴费等的自动化。系统主要应用AT89S51单片机作为CPU

29、分站，对用户的电、水、气以及纯水的用量进行脉冲采样，其中电的能耗量可直接从多用户电子式电能表上进行抄收。系统大约可承受32个以上集中器，每个集中器又可以连接32个采集器，每个采集器可以带3块基表以及一块多用户电子式电能表。本系统通过分布式结构，并与上位机构成了典型的分布式测控系统。通过上述对采集器和集中器的个数的分析，可以很轻松的算出系统总的容量：每个采集器可以采集一个用户的水、电、气以及纯水的用量，而每个集中器可容纳32个采集器之多，那么每一个集中器上就收录了32个用户的能耗信息，有知道每个子网上可连接32个集中器，由此可算得每个子网上汇聚的用户能好信息量可达1024户，这还没有算上中继器，

30、如果加入了中继器，理论上我们可远程抄收的用户能耗量可达无限多户。以目前城市居民小区的发展状况来看，这个系统已具有足够的能力去管理各种各样的居民小区了。该系统可以通过控制中心计算机发出指令，直接对下层的各用户基表进行控制，实施抄收、设定、传送数据等功能。可以在完全没有抄表人员干涉的情况下高效完成对用户各基表数据的抄收任务，还能实现由工作人员采用便携机进行抄取和设定等操作。系统更人性化的加入了后备电池装置，可以在市内停电48小时以内连续正常工作710。由于系统是设计任务是对采集器和集中器的硬件与软件进行设计，采集器的设计重点为硬件而集中器的设计重点是通信。本设计的主要设计框图如图1-2所示。图1-

31、2 主要设计框图Figure 1-2 The main design diagram of this design采集器单片机通信接口电路数据采集电路看门狗电路电源电路存储电路时钟电路显示电路TM卡电路集中器单片机通信接口电路看门狗电路电源电路显示电路时钟电路存储电路信道2.3 远程智能抄表系统功能设计目标 下面是用户提出的系统设计目标: （1）对水、纯水、气、电的基表计量信号进行远程传输并能实现计费功能（2）系统要对其中的传输线路的短路及断路具有一定提示功能。 （3）欠费可停止用户用电，方便物业管理。 （4）抗磁干扰功能。水、气、纯水等基层计量装置被放置在磁铁附近时，不应影响其工作。 （5）

32、抄表时间预定为凌晨，并且可以支持自动抄表和手动抄表两种模式。 （6）能用便携机到现场进行抄表和参数设置等操作，并保证系统便于手动安装和调试。 （7）能够针对特定的用户进行抄表。 （8）对于每户的费用报表可以分别打印也可安固定单位集中打印。 （9）可按照用户的地址、编号、电话、姓名等详细信息进行分类设置和查看小区各个住户的用度数据。 （10）系统应具有后备电池装置，保证市内停电后还可正常工作48小时。 （11）系统或某设备意外断电时，数据不会丢失。 （12）有记录历史数据的能力，便于系统的查询和管理。第三章 采集器和集中器的硬件设计采集器的硬件设计主要包括：用户的各种基表（如远传电能表、远传水表

33、、远传热能表和远传燃气表）的选择，采集器的硬件电路的设计，集中器的硬件电路的设计，显示电路的设计，采集器的后备电源的设计以及通讯电路的设计等等，本文将一一介绍。3.1 采集器的硬件设计 采集器要完成的功能很简单，就是每隔一段时间通过485总线采集电表数据，把最新数据存到E2PROM芯片里，若接收到集中器的命令则把E2PROM数据通过无线模块上传给集中器。采集电表的时间间隔大概一个小时。另外采集器还有路由中继、控制电表通断等功能，不过硬件结构上主要由RS485接口、E2PROM存储器、无线模块几部分组成。采用8位单片机完全可以实现这些功能，我们选用AT89S51。采集器框图结构如下图3-4：AT

34、89S51电源看门狗电路时钟电路通信接口电路显示电路E2PROM图3-4 采集器结构图Figure3-4 Collector structure diagram3.1.1 单片机的电路设计图3-5 AT89S51的引脚图Figure3-5b The pin diagram of AT89S51AT89S51的管脚图如上图3-5所示。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kBytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及

35、80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系

36、统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 （1）主要特性： 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 全静态工作：0Hz-33MHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6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（2）管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8

37、TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于SPI编程）P1.6MISO（用于SPI编程）P1.7SCK（用于S

38、PI编程）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“

39、1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回

40、到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，1然后再实行读引脚操作，否则就可能读入出错，为什么看上面的图，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动

41、作，所以这类I/O口被称为准双向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。接下来让我们再看另一个问题，从图中可以看出这四个端口还有一个差别，除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：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位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，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1/6。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

42、。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指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编

43、程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出1415。本设计的引脚分配如图3-6。图3-6 单片机控制电路Figure3-6 control circuit of singlechip3.1.2 RS485电路的设计1、RS485接口电路的特点：（1） RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 （2） RS-485的数据最高传输速率为10

44、Mbps 。 （3） RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 图3-7 RS485接口电路图Figure3-7 RS485 interface circuit diagram（4） RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器， 即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 2、RS485接口电路图：图3-7 RS485接口电路图Figure3-7 The inter

45、face circuit of RS485根据有关规定，标准的RS-485接口，其输入阻抗应大约为大于或等于2k,相应的标准驱动节点数为32个，为了适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗被设计成了1/2负载、1/4负载或1/8负载，相应的节点数可增加到64、 128或256个。采集器中我们所采用的485的驱动芯片是SN65HVD3082，它的输入阻抗为1/8负载，可以驱动多达256个节点。然而在实际应用中是不可能连接这么多电表的，考虑到采集器存储容量的限制及实际情况，最大电表数设置为64个，其实在安装时只有前文提到的四只表而已。 485芯片可以工作在5V电压下，输入高电平要在2V5V之间，

46、低电平则要在OV0.8V之间。因此单片机AT89S51的串口可以直接和485芯片相应引脚相连。经过实验证明这种方式可以正常进行数据传输。设计中TXD, CON485引脚通过上拉电阻连接到VCC(5V)，以提高电路的可靠性，上拉电阻要根据波特率来选择。在性能要求比较严格的场合，通常要在MCU和485芯片之间加隔离电路，常用的隔离电路一般是高速光祸隔离。 在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端各应接一只120的匹配电阻（R9)，以减少线路上传输信号的反射。 由于RS-485芯片的特性，终端电阻为120时接收器

47、的检测灵敏度为±200mV即差分输入端VA-VB +200mV，输出逻辑1, VA-VB -200mV，输出逻辑0；当A、B端电位差的绝对值小于200mV时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出为逻辑0，CPU会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A端电位高十B两端电位，这样RXD的电平在RS485总线不发送数据期间呈现唯一的高电平，单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在RS485电路的A、 B输出端加接上拉电阻R10和下拉电阻R11就可以很好地解决这个问题。 输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境

48、十分复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以RS485总线的传输端一定要加有一定的保护措施。在电路设计中采用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件Tl，也可以用稳压管相对串联组成吸收回路。T2和T3是瞬态电压抑制二极管，其作用是防雷击保护输出电路16。3.1.3 脉冲数据采集电路的设计 一个用户用一个采集器对4个基表的脉冲信号进行采集，要用一个数据输入缓冲器来隔离这4个信号，常用数据输入缓冲器有单向和双向两种，而本系统中只有单向取脉冲信号和断线检测信号，因此选用单向数据缓冲器足矣。常用的单向输入缓冲器有74HC240、74HC241和74HC244等，在本系统考虑到价格问题选用74HC244作为数据输

49、入缓冲器而对应于每路外部信号可能引入的瞬时电压冲击，电路中使用TVS管进行过电压瞬态保护。如图3-8：图3-8 脉冲采集电路原理图Figure 3-8 The circuit of capturing impulse下面是芯片74HC244的具体功能及用法：图3-9 74HC244的管脚图Figure3-9 The pin diagram of 74HC2441、74HC244芯片的功能如果输入的数据需要保持比较长的时间，简单的输入接口扩展通常使用的典型芯片为74HC244，由该芯片可构成三态数据缓冲器。74HC244芯片的引脚排列如图3-9所示。74HC244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，

50、使用时可分别以1G和2G作为它们的选通工作信号。当1G和2G都为低电平时，输出端Y和输入端A状态相同；当1G和2G都为高电平时，输出呈高阻态。2、极限值电源电压7V输入电压5.5V输出高阻态时高电平电压5.5V工作环境温度54XXX- 5512574XXX- 070存储温度- -651503、功能表InputOutputGAYLLHLHXLHZ3.1.4采集器存储电路的设计系统随时可能掉电，所以一定要有数据保护方案。在此文中，我们可以考虑应用静态RAM存储器外加一组后备电池或用Xicor公司的E2PROM等方案。由于本设计对存储速度的要求并不高，而串行的E2PROM更具有价格、功耗和体积等方面

51、的优势。所以我们选用E2PROM来充当采集器的数据保护装置。我们在这里还需要对采集器需要的存储容量进行计算，考虑到实际应用的需求，以小区住宅常见楼层住户为例：1个用户的水、电、气、纯水的四个能耗量，一个量占4个字节，则每一户需要的存储容量为4×4 =16个字节；每户的各耗能率，24小时的用电费率，每小时两个字节则24×2=48个字节，用气、用水、用纯水的量，各需要两个字节，共计6个字节；在这里我们对各用量应缴纳的金额实行独立计费，水、电、气、纯水各4字节，共16字节；又知参数区还占有48字节，户号占1个字节，另外加上状态字等，总共需要大约200个字节，这里为了方便对存储区进

52、行操作，存储器的容量应大于该值，为了保证断电后用户各种基表能耗数据不丢失，本设计采用的是串行的E2PROM来存储用户能耗数据和各种基表参数以及户号信息等，这样做不仅使得系统的结构十分简单，而且还减少了该部分的故障率；又由于串行接口比并行接口具有更高的抗干扰能力，所以存储器的误读写概率也大大的降低了，系统的稳定性由此也增强了。在采集器的运行过程中，需要用户各种基表能耗数据进行频繁地改写(如每1小时改写一次用量)，因此要采用储存容量大、擦写次数较高的E2PROM。在这里我们选择Xicor公司的X25165(容量为2K字节可擦除可编程只读存储器)作为采集器的存储器。下面对X25165作简要介绍。X2

53、5165是一个容量为2K字节可擦除可编程只读存储器，这个芯片由2K *8位组成的存储器，具有三线串行接口，单电源供电工作电压最低为2.7V，低功耗CMOS技术，可保证100万次擦/写周期和100年的数据保存期，较宽的有效工作温度范围;有可达32个字节的数据页写能力，页写模式时，典型的写周期时间为5ms,整个存储器可硬件写保护，8脚DIP封装，8脚或14脚SOIC封装 X25165是符合SPI( Serial Peripheral Inerface总线协议的E2PROM,写操作有字节写和页写，页写时最多为3个字节，读操作有当前地址读、随机读和序列读三种方式，其中，序列读可以读任意多个数据。VSS

54、:地CS：片选输入端SI：串行输入端SO：串行输出端SCK：串行时钟输入端WP：写保护输入端RESET：高电平有效复位端VCC：+2.7计5.5电源供电图3-10 X25165的管脚图Figure3-10 The pin diagram of X25165存储器X25045的管脚分布如上图3-10所示。在采集器这个子系统中，只需用一个4字节的存储器X25165,当将X25045用作串行的存储器时，只要将CS、SI、SO、SCK分别与采集器CPU对应的I/O口相连即可。X25165与CPU之间的数据传输符合SPI总线规程，遵守三线制总线和数据传输协议，CPU产生控制总线收发的串行时钟SCK,并且

55、产生数据传送的起始和终止条件。在数据传送过程中，当SCK为高时，数据必须是稳定的。因为采集器要对4块基表的能耗信息进行采集计量，且每个基表能耗数据用四个字节来表示(三个数据位和一个脉冲位构成的结构体)，在写用户能耗信息时，如果采用字节写方式会占用较多的时间，从而影响计量:如果采用页写方式，略去了频繁的起始和终止时序，将会节CPU写用户能耗数据的时间，从而使计量更为准确。所以，在采集器中，本文采用四字节页写方式，又由于其页写地址的“翻卷”问题(数据装载时，第一个数据按字地址或现行地址的低N位定位，随后N位地址指针自动加1,计满后并不向字地址高位进位而恢复为零，形成地址“翻卷”现象)，所以，首户能耗的存储地址应选4的整数比倍，有关X25165的存储空间分配请参阅本文第四章相关章节。根据采集器的存储容量来选择不同擦写次数的E2PROM芯片，如