电气工程及其自动化专业毕业论文--基于单片机的远程抄表系统的设计

电气工程及其自动化专业毕业论文--基于单片机的远程抄表系统的设计内容摘要：

0”电平， 3— 150 之间的任意电 压表示逻辑“ 1”电平。 RS485接口标准 RS485 接口标准与 RS422 标准一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准，它在RS422A 的基础上进行了扩展。 RS485 标准允许在电路中有多个发送器，允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是驱动发送器，接收器或收发器组合单元。 RS485标准的共线电路结构在一对平衡传输线的两端配置终端电阻，其发送器，接收器或组合收发器可挂接在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共享同一传输线的多点应用。 RS485 标准的特点有 [23][24]： ①由于 RS485 标准采用差动发送 /接收方式，所以共模抑制比高，抗干扰能力强。 ②传输率速高。 它允许的最大传输速率可达 10Mbps。 ③检测精度高。 可检测到低于 200mv 的电压。 ④传输距离远。 采用双绞线，当传输速率为 100kbps 时，可传送到。 若传输速率下降，应可以提高传输距离。 ⑤实现多层对多点的通信。 RS485 可以联网构成分布系统最多可以另行挂接 32 个驱动器和 32 个接收器。 I2C 总线接口 I2C 总线是一种串行的数据总线，挂在总线上的各集成电路模块通过一条串 行数据线（ SDA）和一条串行时钟线（ SCL），按一定的通信协议进行寻址和信息传送。 I2C 总线具有多重主控能力。 这意味着可以有多个具有作为主控器能力的芯片去控制占用总线。 挂接在总线上的集成电路模块可根据其不同的工作状态，分为主控发送器，主控接收器，被控（从）发送器，被控（从）接收器。 总线上数据传送的最高速率为 400kbps，连接到总线上的器件数量以每根线不超过 400PF 总线电容为限。 结合系统工作的实际情况：一个采集器可以采集多户居民的水表和煤气表数据，整个小区目前需要几十个采集器，这些采集器工作性质相同，一方 面循环采集各户水表，煤气表的状态和测量它们的数值，一方面与 12 PC 机联系，按照 PC 机的要求，将存储器当中的相关数据传送给 PC 机，由 PC 机实现参数设置，数据存储等功能 [29~30]。 充分考虑到系统通信距离，通信速率以及抗干扰能力等通讯方式主要的选择原则，本系统选择具有平衡方式传输特性的 RS485 串行接口方式，由 PC 机与多个采集器组成一个主从式网络结构，且为一主多从， PC 机作为主机可与每个采集器通信，告诉采集器 PC 机的要求，而采集器之间不能通信，也不能主动向 PC 机发送信息，什么时候通信以及做什么事情都由 PC 机来控 制， PC 机与采集器之间采用半双工方式通信。 其结构如图 25 所示： 图 25 系统通信结构原理图 第 3章 硬件原理 控制核心 AT89C52 根据以上对单片机功能要求，本课题采用 AT89C52 单片机。 AT89C52 单片机属于AT89C51 的增强型，其主要工作特性是 [24][25]： (1)片内程序存储器内含 8KB 的 Flash 存储器，可擦写寿命为 1000 次 ； (2)片内数据存储器内含 256 字节的 RAM； (3)具有 32 根可编程 I/O 线； (4)具有 3 个可编程定时器； (5)中断系统是具有 8 个中断源， 6 个中断矢量， 2 级优先权的中断结构； (6)串行口是具有 1 个全双工的可编程串行通信接口； (7)具有 1 个数据指针 DPTR； (8)低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式； (9)具有可编程的 3 级程序锁定位； PC 机 RS232 RS232/485转换器 数据采集板 RS485 数据采集板 RS485 13 (10)AT89C52 的工作电压为 5（ 1177。 ） V，其典型值为 5V； (11)AT89C52 最高工作频率为 24MHZ，编程频率为 3~24MHZ，可编程电流 1mA； 与 AT89C51 相比， AT89C52 主要增加了以下功能： (1)程序存储器由 4KB 增加到 8KB； (2)片内 RAM 由 128 字节增加到 256 字节； (3)定时器由 2 个增加到 3 个； (4) 和 口增加了替代功能； (5)中断系统由 6 个中断源增加到 8 个，中断矢量由 5 个增加到 6 个。 AT89C52引脚功能分配 本课题根据系统功能要求及 AT89C52 单片机的工作特性，对引脚功能进行分配如下： (1) 作为脉冲信号输入端口； (2) 、 、 作为扩展存储器 EEPROM 的控制端口； (3) 用来控制主电源与备用电源之间的切换； (4) XTAL XTAL2 用来控制时钟电路； (5) 、 、 用来控制通讯模块工作状态； (6) RST 用来控制复位电路的工作状态。 AT89C52的扩展电路 时钟电路 时钟振荡电路是 CPU 所需要的各种定时控制信号的必备单元。 它为单片机提供时钟脉冲序列，提供 的晶振频率。 复位电路 几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单处机上电时能可靠复位；在下电时能防止程序乱飞，保证 E2PROM 中的数据不被修改；另外，单片机系统在工作时，由于 干扰等各因素的影响，有可能出现死机现象，导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象， 采用简单的复位电路，电路图 31 如下： 14 1KR2+ 5 VC52 2 ufR E S 图 31 复位电路原理图 由电路图可以看出，该接口电路的作用是：提供复位信号 AT89C52的供电电路 AT89C52 的供电电路分为主供电电源和备用供电电源电路两部分。 ① 主供电电源电路如图 32： D11 N 4 0 0 7D31 N 4 0 0 7D21 N 4 0 0 7D51 N 4 0 0 7D41 N 4 0 0 7C42 0 0 0 uC21 0 0 0 uV i n1GND2V ou t3L M 7 8 0 5V D DC10 .0 1C30 .0 1 u1 0 T O 1V52 2 0 v+ 5V 图 32 主供电电源电路图 低压交流电源经桥式电路整流后，转变为直流电源，输出值为变压后值 3 倍，一般15V 左右。 并经 IN4007 二极管后送入稳压器 LM7805 的输入端。 由于 LM7805 的稳压作用，在输出端产生 5V 的稳压直流电，之所以选用 LM7805，是因为它的稳压比比较大，AT89C52 平时正常工作时的电压就由此电路供给。 ② 用电源电路 在正常情况下，采集器是由低压系统供电经过变压，滤波，整流和稳压得到的。 但有时系统电网发生断电时，按规定采集器应该仍旧继续工作，此时必须引进备用电源。 在本设计中，备用电源选择的是 6V， 4Ah 的蓄电池。 当单片机由于某些原因突然掉电时，为了保证单片机正常工作不受影响，电源自动切换到备用电源状态，如图 33 所示，在软件 15 上将 置 1，导致 Q2（ NPN1）饱和导通，相应的 Q3（ PNP）导通， VDD=VBT，由备用电源继续供电。 Q2Q31KR51KR41 0 KR31 N 4 0 0 7V B TV D D P 图 33 备用电源电路 A/D转换电路设计 ADC 是计算机同外界交换信息所必须的接口器件，因为它能将描述自然现象和生产过程的模拟量转换成便于计算机存储和处理数字量。 因此，从某种意义上说，没有 ADC的广泛应用，就没有计算机应用技术的发展。 ADC 的种类很多，性能各不相同，在实际工作中，选择 ADC 需考虑的指标有：分辨率、转换时间、精度、电源、输入电源范围、工作环境、数字输出特性、价格等 [25]。 本课题选用 LM339 作为 ADC，来完成模数转换。 如图 34 所示： 5 1 0R91KR 1 01KR 1 11KR 1 21 .5 KR 1 3 AP 0 .0P 0 .1P 0 .2P 0 .3+ 5 V+ 5 V A A1310119814254671312A采集信号 图 34 模数转换原理图 16 其工作原理是：经 CD4052 选通之后的采集信号被送入由 LM339 组成的信号比较电路来完成模数转换如图 10 所示：在各比较器的负端都接有输入电阻，相应的会产生分压，而采集信号的电压值则由比较器的正端输入，与 4 个输入负端分压值进行比较，若比分压值高，则比较器输出 1；若比分压值低，就输入出 0，这样就把每一个采集到的脉冲信号转换为一个四位二进制数传送到 CPU，再由 CPU 判断采集到的信号是开路信号、短路、盗取信号、正常信号，还是无输入信号当 中的哪一种。 最后由 CPU 决定是否进行计数，记录在哪一个单元中。 这样的巡查每 秒进行一次。 除了以上的体现系统功能的主要电路设计之外，还设计了系统工作状态显示电路如图35 所示 ，利用发光二极管可随时监控系统工作状态。 图 35 系统工作状态显示电路 E2PROM 在单片机实现的仪器仪表、家用电器、工业控制等系统中，对某些状态参 数，不仅要求能够在线修改，而且断电后能保持，以备上电后恢复系统的状态。 本设计为了确保系统断电后数据不丢失，选用 I2C 总线进行 E2PROM 串行扩展，芯片选用 AT24C01A 芯片，它与单片机的接口方法见图 36 所示 ： R7V C C1 0 K* 3R8R6A0A1A2WPS C LS D LA T 2 4 C 0 1 AP 1. 0P 1. 3P 1. 4 图 36 单片机与 AT24C01A 接口原理图 17 通讯接口的硬件设计 PC 机所使用的电平为 TTL 电平，而与正常使用的正、负电平不兼容，因此必须进行电平转换，才能完成数据交换。 PC 机上一般都配有两个 RS232 串行接口，即 1 和 2要实现 PC 机和下位机（单片机）的通讯，需要设计一个性能可靠的 RS232 与 RS485 的转换接口 [31]。 RS232与 TTL电平的转换 RS232 是用正负电平来 表示逻辑状态的，而 TTL 电平是以高低电平“ 1”、“ 0”表示逻辑状态的，二者的电气规范不一致。 PC 机为了能同非 TTL 器件接口，必须进行电平和逻辑关系的变换，在本设计中选择 MAXIM 公司生产的 MAX232 实现这一变换， MAX232芯片内部有一个电源电压变。