基于电气自动化技术的低压电力用户集中抄表系统

目录TOC\o"1-3"\u中文摘要 基于电气自动化技术的低压电力用户集中抄表系统摘要：随着我国经济的快速发展，“一户一表”已在全国范围内广泛推广，部分地区已开始采用企业级负荷监控系统，并已收到良好的成效。但是，由于低压客户数量众多，地理位置分散，使得抄表工作量很大。所以，运用新的技术方法，通过本地和远程的自动抄表技术，实现对电能表计的自动抄表，实现对电能表计的实时监测。除此之外，还可以降低手工制作上门服务抄表、数据传送等繁杂且容易出错工作中，进而提升工作效率，完成用电管理的自动化，以电气自动化技术为基础的低电压电力用户集中化抄表系统软件，也就成了电力公司处理抄表难题的一种方式。本论文的研究目的在于为公用企业的收费及住宅小区的物业管理，提供一种低成本、高可靠性的技术应用。介绍了该系统的硬件结构，详细介绍了该系统的各个模块的设计和分析。本文以电力自动化技术为基础，详尽地描述了集中式抄表系统中集中器硬件设计的各个方面。通过深入研究相关文献同时结合最近几年科研成果，这个模式基本上已经具有了根据电气自动化技术的低电压电力工程用户集中抄表作用，可以对用户的智能电能表进行在线的数据收集、数据记录实时监控。关键词：硬件；抄表系统；集中器；远程抄表中文摘要

1集中器硬件电路设计1.1CPU模块电路设计1.1.1NANDFLASH电路原理图NANDFlash存储器是一种新型的闪存存储器，它在存储过程中使用了一种新型的、具有较低成本和高效率的存储方式。NAND闪存以其更大的存储容量和快速的重写能力，非常适合用于大规模的数据存储[1]。另外，由于抄表系统生成的数据量很大，所以需要一个大的存储器来存储海量的数据，所以，经过分析和对比，最终选择了K9F2G08U0M-Y,P芯片，在之前的章节里，我们已经对其引脚和功能进行了深入的阐述[2]。现在我们将继续讨论如何实现一种高性能、低功耗的高速存储方案。NAND构造不但能提供很高的模块密度，还能实现高存储密度，并且其写入和擦除实际操作速度也十分快速。当采用NAND时，FLASH必须特定系统软件接口，但STM32F103ZET6向其提供了标准化的接口，从而有效地解决了这一难题。图1展示了NANDFLASH电路的基本原理图[3]。图1NAND

FLASH电路原理图。ARMJTAG芯片的核心职责是执行芯片的结构检测以及对系统开展模拟和优化。JTAG技术是一种将特定的测试线路TAP封装到芯片中的嵌入式调试技术，并利用JTAG软件对其内部节点进行检测[4]。在JTAG和ARM之间的接口设计中，连接时必须遵循IEEE1149.1的规定，ARM_TCK引脚为TAP提供了独立的基础时钟信号，进而驱动TAP；另外在芯片上还设计了一个用来完成对整个系统状态监测和处理的软件。该规范明确了ARM_TAS信号的用途，即用于控制TAP状态机之间的切换操作；另外在使用过程中还可以根据需求添加一些其它功能。ARM_TDI作为一种数据输入接口存在，它采用TDI接口对各寄存器进行一比特一比特的串行输入；TDO是一种与TDI相反的数据输出接口；可以使用ARM_TEST接口来重置TAP控制器[5]。详见图2。图2JTAG电路原理图1.1.2振荡电路设计STM32F103FZET6采用了即时时钟和系统时钟二种工作模式。这两个时钟都是由外部的晶振来设定的，OSC32_IN和OSC32_OUT都是由32KHZ的晶振组成的，并带有校正功能；在管脚OSC_IN和OSC_OUT的基础上，再加上一个8MHz的晶振，组成了一个系统时钟。图3所示的电容器都具有稳定振荡频率，快速起振的功能，其容量通常为5-30pF。图3实时时钟（左）与系统时钟（右）1.1.3复位电路设计STM32F103ZET6芯片有一个异步的复位脚NRST，该芯片内置的供电模块可以对复位电路进行充电，而上拉电阻也位于芯片内。这个重置电路的核心功能是：在系统接通电源并确保供电稳定后，再对重置信号进行恢复。为了能保证系统的可靠性，为了防止在分-合过程中由于功率开关或是电源插头的颤动而造成的重置受影响，在电源恢复后，需经过一段时间的延迟时间才可以取回重置。STM32F103ZET6是激活的低电平复位。在STM32的说明书中，为避免外界的干扰，推荐使用外部的接地电容器。当重置键被按压时，重置引脚收到重置信号，STM32F103ZET6执行重置命令，因为重置键被按压之后，该电路等同于直接地，所以根据低电平重置有效，可以使STM32F103ZET6的上电重置。详见图4。图4复位电路图1.2LED触摸屏模块电路设计触摸屏在集中器系统内即是输入都是输出，它拥有二种关键功能。它可用于集中器与用户之间进行信息交互，也可以用来控制其它外部设备，如打印机、计算机等。（1）触摸屏简介触摸屏又称“触控屏”或“触控面板”，它是感应式液晶显示装置，能接收触头输入讯号及其它信号，在触摸画面中的图形按钮后，画面中的触觉反馈系统能依照事先编好的程式带动多个连结装置使用，可以用来代替机械式按钮面板、借用液晶显示画面来营造鲜明的影音效果等[7]。触摸屏做为最新电脑输入设备之一，是现阶段更为简易，便捷和自然人机交互方式[8]。该项目设计的集中器必须展现特殊电表的数据、传送到上位机云服务器情况、数据的传输、信号的功率传输及其开关电源的开关。因而，在挑选显示系统时，最好使用大屏幕的细点阵液晶，这是因为细点阵液晶可以提供出色的波形视觉效果。1.2.1触摸屏控制电路设计这一设计要求集中器能够展示某种电表的数据，并能显示与PC服务器的连接状况、数据的传输状况、信号的传输状况以及电源的开关状态等信息。触摸屏做为键盘的一部分，有必要对其进行初始设置。此设计的核心每日任务包含以下五个层面：设置数据中心服务器的IP地址和端口号，向集中器模块和数据传输模块推送设定值，以此来实现GPRS与服务器连接[9]。TSC2200IRHB芯片有能力完成这种设定。在双端工作方式中，由于外界基准工作电压被VREF端子导进，所以需要将约1uF的电容并联到VREF端子与VDD两边，并实现输出功率旁路的效果。详见图5、图6。图5触摸屏控制电路图图6触摸屏接口电路图1.2.2LED液晶接口电路设计U405是一个LCD模组，采用320x240，电源为+5V；LCD的数据传送采用16位并联模式，8条输入输出口线与8条并联的LCD模组。背光源是一种亮度驱动的控制输入，它通过8050三极管进行放大，用作LCD的背光灯[10]。图7LCD液晶接口电路。1.3RS232与RS485模块1.3.1RS232接口的介绍（1）主要特性RS-232作为目前的主要串行通讯接口，吸引了众多的关注。由于RS232接口标准较早的问世，它不可避免地带有某些缺陷，这种缺陷主要表现在下列四个方面:1）因为接口信号的电平值比较高，这可能导致接口电路里的芯片受损。与此同时，因为其与TTL电平不兼容，所以需要应用电平转换电路来跟TTL电路连接。2）其传输速度比较慢，在异步传输模式下，波特率可以达到20Kbps;因此，根据“南方老树51CPLD开发板”的规定，综合程序的波特率只能达到19200。3）插口选用1条信号线与1条数据信号回到线产生共地传输方式，该共地传输方式易发生共模干扰状况，因此抗噪声干扰性较差。4）传输距离非常有限，传输距离的主要标准值是50英寸，实际上只能应用15米。1.3.2RS485接口的介绍（1）主要特性1）RS-485电气特性:逻辑上“1”用两线电压差+(0.2~6）V来表示;逻辑“0”用两线之间电压之差-(0.2~6）V来表示。插口数据信号电平较RS-232-C明显下降，一般不易对接口电路中处理芯片导致损害，并且这种电平和TTL电平是相容的，能够很容易地接入TTL电源电路。2）RS-485最大传输速率可达10Mbps。3）RS-485插口融合了均衡控制器和差分接收器，进而增强了对共模干扰的抵抗力，这就意味着其具有出色的抵御噪音影响的能力。4）利用RS-485来实现最大程度的通信。距离1219m上下，较大传输速率10Mb·S;传输速率和传输距离呈反比关联，仅有传输速率100Kb·S时才能达到较大通讯距离，若规定传输很长距离则需要改装485中继器。RS-485通常支持32个结点，采用专用485接口，可扩展至128或256个结点，最高可达400个。1.4电源电路设计在规划低电压电力用户的集中抄表系统软件—集中器硬件时，根据电气自动化科技的电源设计显得特别是在关键。这一系统不但液晶接口电路必须5V的电源，触摸屏控制电路、RS232&RS485通讯电路及其STM32F103ZET6也都需要3.3V的电源供货。因为本产品是一种便携式设备，必须在不提升硬件成本前提下提高可靠性和稳定性。因此，这个系统需要把5V的电压转化为3.3V的电压。为了保证整个控制系统能够稳定运行，需要对直流母线进行稳压管和电阻补偿以降低其纹波系数。如图4.5所示，一个5V的直流电源在经过AMS1084稳压器进行稳压后，会输出一个3.3V的电压。本设计中采用了一个由三个并联电阻和两个电感组成的电容组作为稳压管来实现对输入直流电压稳定输出。AMS1084的特性包括：输出电流相对较大（800mA）、输出电压的准确性在可接受的范围内、具有电流限制和热保护功能，以及高度的稳定性。由于采用了上述技术措施，该开关电源可用于大功率设备中。C613、C614、C615、C616都是用于电源滤波的电容器。图8电压转换电路。

2PCB板设计在集中器硬件设计中，PCB板设计是最后工作和极其重要的一环，离开这一重要环节，PCB板将无法产生，该设计也难以建成投产，该设计就会失去实际意义，因而PCB板设计在硬件设计环节中是必不可少的一个重要环节。下面就来具体如何设计PCB板做一个详细说明。2.1PCB板设计步骤印刷电路板的设计可按如下七个步完成原理图:1.画电路原理图：用Protel99SE画图产生网表。在所设计电路图很简单的情况下，无需画原理图和计划电路板网表制作，直接进行PCB设计也就是有时能跳过这一步。2.电路板的规划：用户在画印刷电路板前也要有一个板材的初步规划，如板材物理尺寸是多少，采用多层电路板以及各部件的包装和安装地点等。3.设定参数：关键是指组件的布局参数、层数参数、接线参数等。一些参数仅需利用它们默认数值就可以。图9原理图4.首先进行网络表中加载和元件的封装，这一全过程涉及加载早已产生的网络表。这时，元件的封装就会自动放置在印制电路板的电气设备边界以外，但这些元件的封装乃是重叠并且没有排序。5.元件布局：可采用自动布局与手工布局相结合的方法将元件封装置于电路板边框中合适的位置上，合适的位置有两层含义：首先是元件摆放的位置可以让整块电路板显得整洁漂亮，其次是元件摆放位置对布线有利。6.布线，完成各部件间电路连接。它分为自动布线与手工布线2种。如果将网络表加载到PCB设计系统上，这一步可使用自动布线。7.文件保存与输出：将PCB图保存下来，再按需使用打印机和绘图仪等多种图形输出设备对电路板布线图进行输出。图10为最后的集中器PCB板设计图:图10集中器PCB板设计图：2.2本章小结以单片机STM32F103ZET6等为核心，集成了CPU，LCD和触摸屏，RS232&RS485和输出4大板块，组成集抄器设备时，此类设计方案比较简单易操作，选用STM32F103ZET6系列芯片程序编写容易完成，并且在文章中并对管脚作用展开了详细说明。还对各个模块起着决定性作用的各个芯片的性能和作用展开了详细描述。

3硬件调试及分析试验对电路设计的成败至关重要，试验不合理严重导致系统软件整体烧坏，轻者导致运行出现异常。在试验中主要是对电路进行焊接试验，包括芯片焊接方位的正确性、有无短路、虚焊以及元件正负极性的正确性。3.1整板电路测试整体电路板测试以芯片焊接测试为主。在完成全部电路板的焊接后，首先观察全部电路板是不是短路，是焊接或是补焊。其次，把万用表放在测试二极管上面，查看电路是短路还是焊接好。检测系统的反、负极有无短路现象。系统电源为系统工作提供了能量。3.2STM32F103ZET6芯片测试在前面一个全板电源电路检测阶段检测STM32F103ZET6片内有没有短路故障，虚焊和元件焊反状况后，在开展检测后，则应着重开展片内各管脚检测和I/O口作用检测。利用万用表对核心元件STM32F103ZET6进行检测，查看有无邻近管脚短路或者管脚和PCB线虚焊的现象。如有的短路可造成芯片毁坏，有的虚焊可使芯片异常运行。经试验，STM32F103ZET6没有出现短路或虚焊的情况。在上电测试系统中，电源电压为±5V，而STM32F103ZET6中的所有接电管脚工作电压均为3.3V，均处于正常范围内。3.2.1复位管脚、晶振管脚、串口通信管脚测试有关校准管脚：当系统插上电源时，NRST(25管脚）处于高电平状态，但当按住RESET键时，NRST(25管脚）乃是低电平状态，这有利于分辨复位电路是不是处于正常运转状态。晶振管脚：数字示波器对STM32F103ZET6晶振(8、9及23、24）的管脚展开了观查，结果显示正弦波形与晶体工作频率(32.768KHz）相匹配，震幅约为1V，这说明晶振电源的运作是正常。串口通信管脚：KEIL中撰写了一个简单程序，使某一管脚可以导出方波信号然后进行编译程序，下载至STM32F103ZET6中，利用数字示波器能够观测到此管脚里的方波信号说明下载电源电路及串口通信管脚正常运转。3.2.2I/O口功能测试程序设计I/O口为STM32F103ZET6外部元件之间数据传输的通道；I/O口具有总线和I/O两种工作方式。由于该系统外围器件较多，并且大多采用位控方式，所以采用I/O模式。I/O模式具有字节输出，位输出和字节读3种工作模式。（1）字节输出方式的检验STM32F103ZET6配备了七个I/O接口，它们是PA、PB、PC、PD、PE、PF和PG。字节输出方式意味着STM32F103ZET6的一组I/O接口可以生成一个字节。在测试阶段，只要STM32F103ZET6的任一组I/O接口能够按照预定程序生成一个字节，那么这种字节输出模式就被认为是非常正常的。从PA口、PB口、PC口、PD口、PE口、PF口及PG口各自输出字节，例如从PD口输出0x08口，应用万用表测量PD口高低电平和程序设定是一样的，说明PD口输出字节运行正常的。经检验，各端口字节输出模式均正常。(2）在STM32F103ZET6的测试位输出模式中，每一组的I/O接口都是有8个位，而位输出模式则是让每一组里的任一位输出值为0或1。在实验过程中，只需STM32F103ZET6的每组中的8位可以按照预定程序输出0位或1位，那这意味着位输出方式是正常。通过验证，全部端口的输出模式都是正常。(3）检验字节读方式字节读方式指从STM32F103ZET6中一组I/O嘴中读取1个字节，在检测中只要能让STM32F103ZET6中任意一组I/O口按规程读取1个字节即表示该字节读方式是正常。分别从PA，PB，PC，PD，PE，PF，PG口读字节。3.3串口电路测试串口是STM32F103ZET6和PC中间进行通信的一个重要渠道。该系统把通讯波特率定为9600bps、8个数据、1个停止位以及不进行奇偶校验。在STM32F103ZET6的初始化阶段，我们设定了9600bps的波特率、8个数据位、1个位止，并且没有进行奇偶校验。PC通过串口调试助手来完成数据的发送和接收。波特率为9600，并且没有设置校验位、8个数据位以及1个停止位。STM32F103ZET6采用串口方式向PC发送和接收数据，这意味着串口的数据传输是正常的，并且串口的测试也达到了合格标准。STM32F103ZET6采用查询方式来发送数据，从而实现数据的可预测性；收到的信息是不可预知的，所以采用中断方法。先初始化串口并打开串口开展中断。串口接收功能被置于串口中断功能内，使用串口调试助手把“abcdef”发送到STM32F103ZET6上，发送结束后你就可以从串口调试助手上查看abcdef了。表明STM32F103ZET6串口收发数据正常。

4总结与展望本文介绍了一种新型的电能表抄表系统，这将电能计量检定、数据采集、数据处理等服务紧密地结合在一起。建立了城镇家庭用能信息和综合管理系统。本系统可为公共事业单位及物业管理者节省大量人工上门抄表的工作。一种精确、便捷的计费方式，既可节约人工，又可降低各营业单位和用户间的争议。该系统既能有效地提高行政人员的工作效率，又能适应现代化企业对支付方式的新要求。在现有的抄表系统中，集中抄表系统主要应用了自控、通讯、编程及数据库等技术。对推动电力工业的配电自动化和实行分时计费制度的实施，有着十分重要的意义。这一系统的应用，将会极大地降低电力行业的人力资源，对电力企业进行评级，创造优秀业绩，将起到举足轻重的作用。同时，该系统也得到了一定程度的拓展，取得了良好的社会、经济效益。实现燃气、水表的自动化测量，为实现智能化小区的建设打下了良好的基础。然而，我们也要看到，从目前的整体发展状况来看，要达到大范围的普及应用，还需要进一步加强。因此，在保证系统可靠性、数据传输质量等方面，还需要进一步改进。我们相信，随着该技术的持续运用与完善，必将大大降低电网运行效率，提高工作效率，确保抄表的及时性与准确性。该系统是一种有效的防范窃电、加速电费追回的技术方法。这一技术具有广阔的应用前景。

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ACentralizedMeterReadingSystemforLowVoltagePowerUsersBasedonElectricalAutomationTechnologyAbstract:Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomyandpowerindustry,theonehouseholdonemetersystemhasbeenbasicallypopularized,andenterpriselevelpowerloadmonitoringandcontrolsystemshavebeenputintouseinsomeareas,achievinggoodresults.However,duetothelargenumberandwidegeographicaldistributionoflow-voltagepowerusers,themeterreadingworkloadofpowercompaniesisquitelarge.Therefore,newtechnologicalmeansareadopted,utilizinglocalandremoteautomaticmeterreadingtechnologytoachieveautomaticmeterreadingandreal-timemonitoringofelectricitymeters.Atthesametime,itreducesthecomplexanderrorpronelaborofmanualdoor-to-doormeterreadinganddatainput,improvesworkefficiency,andtrulyachievesautomationofelectricitymanagement.Thelow-voltagepowerusercentralizedmeterreadingsy