基于单片机的电力线远程抄表系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于单片机的电力线远程抄表系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

图 25 数据采集终端 单片机对输入信号的 要求。 因为单片机的 P 门只能通 8 路数据，所以 16 路脉冲，要采用分时制，先通 18 路，再通 916 路，故需要经过一个选通电路。 附加电路 ,为确保数据采集终端安全可靠地运行 ［ 10］ ，除上述主要组成部分之外，还有许多附加电路，如看门狗、掉电检测、实时时钟、状态指示电路、蜂鸣器、片外 EPROM 等。 数据保护是数据采集终端的关键问题之一。 采用看门狗电路、系统复位电路和上、掉电检测电路，就是为了保护燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 数据。 实时时钟电路提供时间 (年、月、日、时、分、秒 )。 状态指示电路 ， 用以指示数据采集终端的运行状 态，分三种 : A,正常运行时 ，短路片断开，“底度”指示灯闪烁。 B、常亮 (设置参数时除外 )或常暗，表示数据采集终端工作不正常。 C、设置参数时，短路片接通，“底度”指示灯常亮。 数据采集终端内装有备份电池，停电时为时钟芯片供电，以保持时间正确。 “欠压”指示灯亮时，表示电池电压低，应换新电池。 片外 EPROM 各户的表号、电表常数、底度、功率限额等参数及整数值用电量，都保存于这个 EPROM 中。 停电时，这些数据也能长期保持。 载波电表 载波电能表的工作原理如图 26 所示。 载波电表的组成 ， 以 CPU 为核心，由 RAM、电量转换电路、接口 、直流电源等构成一个单片机系统，如下图 27 所示。 (1) 直流电源 ， 从 220V 交流电压经变压器降压，整流、滤波及稳压后得到 +24V, +5V, +24V 供载波电路用， +5V 供其他电路用电。 (2) 主机 ， 程序存在 CPU 内的 EPROM 中， RAM 用于存放用户的用电数据。 其任务是 : A,每当电表正转转过一圈， CPU 就累计电量 ［ 11］ ，并存入 EPROM. B,接收抄表器发来的参数、表号，存入 EPROM. C,与数据集中器进行载波通信。 本章开始提到了数字电表，它的工作原理这里不做赘述，鉴于目前居民用表的情况，本 论文中采用载波电表，其实现方式也比较简单。 接口介绍 ， (1) 电量转换电路它的作用是电能表每正转一圈，发出一个脉冲，供 CPU 计数。 如图 28 所示 : A, B 为光电头，由它采样脉冲。 遮光片经过槽一次产生一个脉冲， CPU 计数。 而电表反转时 (由潜动、抖动等因素造成 )，计度器也反转使数采集终端读数比表计窗口示值大，造成多计，读数不准。 为了解决因潜 动等造 成的多计。 采用双光电头采样电路来判别是正转还是反转，正转产生的脉 冲 计数，反转产生的脉冲便记下个数 (=300 个 )，待表计正转后将反转的脉冲个数除之后再计数，这样使能保 证读数始终对得准。 但对输电造成的反转 (脉必然 大于 300 个 )仍会计数，出现多计，使要认真的查找原因。 第二章 远程自动抄表系统的构成及功能 11 电力载波发射单元 电力载波接收单元 电能 停电保 护 通 ,断电控制单元 本地调试接口 抗 EMI 保护线路及电源管理 电能正 ,反向计量装置 电力线检测 收发控制 CPU 硬件看门狗电路 载波电路 CPU 有线接口 EPROM 电量转换电路 图 26 载波电能表工作原理框图 图 27 载波电表组成结构图 (2) 有线接口与载波电路 这是载波电表能否实现自动抄表的关键部分，这部分电路与数据集中器相似，不在这里重复。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 A B 图 28 电量转换图 主站 主站在计算机上运行电力载波远程用电管理软件，经电话网或其他网络媒介对集中器进行抄表和各种方案设置，并可通过集中器对载波 电表进行实时操作。 例如，综合数据的抄读、电表实时电量读取，远程拉、合闸控制。 集中器校时，广播校时等操作。 主站的工作框图如图 29 所示。 图 29 主站工作框图 主站系统包括计算机硬件、计算机软件、调制解调器、公用电话网或电台等数据传输通道。 本系统只用 1 台计算机来完成表计数据的查询、建库、以及各种处理功能。 当然，也可考虑配备多台电脑，应用计算机网络连接到电业局各部门完成各种处理功能。 例如： 可以实现自动、集中、定时地抄录各用户的电量，迅速统计低 压实时线损，通过银行向各用户自动完成转账收款、电费结算，为供电部门的用电监察提供服务。 通过主站操作，用电管理人员可以随时获取所需要的各种数据信息，它是本系统最主要的人机界面。 抄表主站系统的配置如下图 210 所示： 居民用电力载波集中抄表系统管理软件 电力局用电管理中心计算机 电话 MODEM 或其他通信媒介适配器 第二章 远程自动抄表系统的构成及功能 13 MODEM 其他系统 数据库 网关 PC 打印机 UPS 通信系统 图 210 抄表主站系统配置图 本章小结 . 本章系统的介绍了远程抄表的工作原理 , 讨论了在远程抄表的过程中各主要工作部分，在这个系统中，核心模块是数据采集端，数据集中器和中心主机。 数据采集端和数据集中器用到的单片机主要是 89C51，其详细的电路原理将在第三章中详细介绍。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 14 第三章 系统硬件设计 15 第 3 章 系统硬件设计 本章进行系统的硬件电路设计，主要对数据采集器和数据集中器进行详细介绍。 单片机主要用到 89C51， 89C2051 等， 在设计的过程中加进一些辅助电路来构成远程抄表的系统。 对主要单片机的介绍 AT89C51 是一 种带 4K 字节闪 烁可编程 可擦除只 读存储器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一种高效微控制器，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。 图 31 AT89C51 和 AT89C2051 （ 1） 主要特性： 燕山大学本科生毕业设计（论文） 16 4K 字节可编程 FLASH 存储器 (寿命： 1000 写 /擦循环 )； 全静态工作：0Hz24KHz； 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 8TTL 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。 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 “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。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：管脚备选功能 RXD（串行输入口） ； TXD（串行输出口） ； /INT0（外部中断 0） ； /INT1（外部中断 1） ； T0（记时器 0 外部输入） ； T1（记时器 1 外部输入） ； /WR（外部数据存储器写选通） ； /RD第三章 系统硬件设计 17 （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。 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。 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（ 0000HFFFFH），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。 数据采集器 采集器的线路示意图如图 32 所示。 此电路有两套供电工 作系统，即正常供电情况下的供电和断电情况下的供电。 在正常情况下，由市电转化后的电源供给单片机 89C51 和单片机89C2051 工作。 在这里，两个单片机都不断检测用户电表电平，当检测到某个用户电表电平发生由高到低的变化时，单片机 89C51 将把记录用户电表度数的相应存储区内的用户电表度数加一，若单片机 89C2051 检测电平发生由高到低的变化，在把存储器 X25045 内的电表度数加一之前 ［ 12］ ，还需要检测一个标志位的电平，当这个标志位的电平为低时，不进行计数。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 18 显示电 路 单片机 89C51 看门狗 发送电路 接收电路 存储器 28C256 16 路选择 电源 用户 电 表 16 路选择 单片机89C2051 存储器x25045 8255 按键 充电电路 图 32 采集器线路示意 图 而正常供电情况下，这个标志位的电平一直为低。 所以正常供电情况下，单片机 89C2051 只能检测脉冲变化，而不能进行计数。 与此同时，单片机还不断检测按键电平情况，当按键电平发生有高到低变化时，单片机把对应用户的存储区内的数据取出并送至数码管显示。 除此之外，单片机还不断检测中断接收电路中的标志位，若标志位变真，表示集中器要求该采集器发送用户数据，之后单片机通过发送电路将用户数据发送到集中器去。 在断电情况下，由后备电源（充电电源）工作，此时单片机 89C51 不能工作，一次用户数据显示和发送工作都不能进行，此时 单片机 89C2051负责完成用户电表脉冲的检测和计数工作。 当由断电情况下的工作 变为 正常供电情况下的工作时，单片机。