基于单片机远程抄表系统设计与研究毕业论文

基于单片机远程抄表系统设计与研究毕业论文内容摘要：

急剧变化，而开关电源会向电力线上释放大量的高频干扰，从而影响正常的通信工作 ； 信号衰减与负载的关系，信号衰减会随着负载在电力线上的连接和断开而表现出不同的特点，由于负载变化的不可知性，所以信号的衰减也是随之变化的。 其次，电力线上的干扰非常大。 电力线上的用电设备等人为的干扰，以及自然现 象中如雷电等非人为的干扰 ； 周期性脉冲干扰和随机产生的突变性干扰，用电设备会在工频交流基波的某个固定的相位释放干扰。 还有大量的用电设备释放出干扰，而这些干扰的瞬动频率、周期、相位、变化很大，即产生连续变化的干扰 ； 高压开关的操作，雷电，较大的负荷变化，以及电力线上的短路故障，通常持续时间较短，强度较大，不可预测性，能量高，频谱宽等。 因此如何抑制干扰，提高通信的可靠性是首要考虑的。 再次，不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷情况都回对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响。 即使是同一段 电力线路，其传输特性也会随着各种电力负荷的投切而改变，所以通信设备的稳定性和适应不同线路的能力也很重要。 输入阻抗是电力线传输特性的一个重要参数，它关系着传输信号的频率，没有任何电力线是一根均匀分布的传输线，由于分布电感和分布电容的影响，很显然输入阻抗将随着频率的变化而变化，不同的时候，电力线上的输入阻抗是不同的，哪怕在同一地点，也会随着负载随机的断开和随机的闭合而不同。 同一电力线，在不同地点的等效阻抗也不完全相同，从戴氏定理可知，不同的等效端口得到的等效输入阻抗是不一样的。 电力线上阻抗的剧烈变化，如果用电力 线即电力载波方法传输信号，那么发送机功率放大器的输出阻抗是不等于接收机功率放大器的输入阻抗，并很难在阻抗上匹配。 当前市场上应用于电力线上的调制解调器一般是基于移频键控 (FSK)调制方式，由于传输速率低 (一般不超过2400bs)，而且抗干扰性能差、传输距离短，所以基本上是己经被淘汰，而被广泛使用的是扩频调制解调器。 扩频系统分发送端和接收端两个部分，接收端可简化为调制和扩频两个模块。 在发送端，信号首先对某个载频进行调制，调制器输出的窄带已调信号再送及扩频器进行二次解调，输出的信号为宽带已调信号。 由于扩频器是利用 — 高速伪随机码 (PN)序列对发射信号调制，因此获得的输出信号的频谱密度大大地降低了。 接收端由解扩和解调器构成，在接收端，利用与发送端相同的伪码序列对收到的扩频信号进行解扩 (扩频的反变化 )处理，还原成窄带己调信号再经过解调器后，原始信号就解调出来。 由于扩频信号带宽与窄带滤波器带宽之比越大，信噪比也就越大，所以扩频通信是以较宽的带宽换取高信噪比，并提高通信的抗干扰能力、增强通信的隐蔽性。 因此这种调制方式将是低压电力线载波通信的发展方向。 基于单片机远程抄表系统设计与研究 4 RS485 网 EIA RS485 是 CCITT 标准化 V .11/ 兼容的平衡式电器特性标准。 该标准采用集成电路，在一对平衡的互联电缆上传送差分信号，在接收端用差分接收器进行信号判决。 这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能较好，信号发送频率最高可达 10MHz。 在使用双绞线，信号速率小于 100kbs 时，传输距离可达 1200m。 RS485 接口在一个通道上可以进行半双工通信，所以只需要两根线便可使双向通信，并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络，一般使用双绞线作为网络总线。 总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异，最多可以接 128 个节点。 对要求较高的系统可以考虑选用带光隔离的、抗雷电及抗静电放电的冲击的收发器，在进行系统设计时应综合考虑这些因素。 本课题研究的背景 ， 目的和意义 长期以来水表，电表，气表的抄收一直采用传统的人工查表方式，它是由抄表员上门逐家逐户的抄录用量数据，并将查验结果记录在纸上，然后再由人工进行用量和收费计算。 但是随着城市的现代化建设，居民住宅小区大量崛起，使得城市的水，电，气方面的建设规模日益扩大，管理工作也变得越来越复杂。 在这种情形下，传统的管理模式已暴露出种种弊端：一方面，由于用量管理内容多，要处理的数据 量大，从用户建立到正常用量后抄表数据的记录，费用收缴等每一个环节都涉及大量的数据。 用传统的人工处理方式对这些数据进行记录，存储，统计，分析查找都十分繁琐和困难。 随着社会经济的发展和生活水平的日益提高，人们对家居环境提出了越来越高的要求，安全、舒适、方便、快捷、人性化、智能化已成为新的追求目标，以往的住宅结构及管理方式越来越不能满足人们的需求。 随着电子计算机、网络信息技术和微电子技术的飞速发展给世界的各个领域带来了无限的发展空间，建筑领域也不例外，智能大厦、智能化住宅小区先后出现，也逐渐实现了小区网上物业管理 、安防联网报替、宽带上网等，但对于耗能表的计量及其查表出户问题的解决还处于较低的水平。 本文是基于单片机为主结构搭建一个远程自抄表系统，以取代目前广泛使用的人工抄表，并消除其带来的种种弊端，达到实时报表，准确无误，节省人力资源的目的。 本设计中 ， 力求搭建出远程抄表系统的整体框架，利用单片机为主体，结合通信技术，控制技术，网络技术和数字电子技术等设计出一套远程抄表系统并最大限度的提高系统的稳定性 ， 抗干扰性 ， 实时性和经济性。 基于单片机远程抄表系统设计与研究 5 本文所做的工作 本文以整个远程抄表系统的设计为研究内容，对国内外现 状进行详细的了解后，结合自己所学知识，以 AT89S51 为内核 ， 搭建一个远程抄表系统。 这套系统不但能够实现 对住户用 电 情况进行实时监控，而且能对他们进行准确的记录和计算，并根据 PC 机的要求适时的传送数据以供查阅。 在设计研制过程中主要解决以下几个问题： （１） 根据实际需求完成 抄表系统 的设计。 包括 抄表系统 硬件设计，电路设计。 抄表系统 主要用来完成对 电量 的采集和计量工作以及与上位机（ PC）之间进行通讯。 在设计过程中为了尽量减少硬件设施，降低功耗，简化电路，选用了功能强大的芯片。 （２） 编写实现系统功能的软件。 利用汇编语言编写软件来 实现数据采集功能并对数据进行分析，处理和保存。 利用 C 语言写采集器与 PC 机的通信程序，实现两者之间数据交换。 （３） 确定通信方式及通信标准。 采用串行异步通讯标准 RS485，采集器测量到的数据以及设备状态可以通过 RS485 总线传至智能小区的物业管理中心的 PC 机，由管理中心统一进行处理，真正实现 “ 无人查表 ”。 （４） 设计系统的抗干扰技术。 干扰问题一直是困扰远程抄表方式的难题。 在远程抄表系统中，影响系统计量准确性的因素是脉冲信号是否有效。 由于干扰信号的干扰作用可能会使脉冲信号在产生和传输的过程中发生错误的计数。 本课题为了避 免上述现象的出现，在硬件和软件上作了大量的工作，确保计量的准确性和可靠性。 基于单片机远程抄表系统设计与研究 6 2 抄表系统的硬件设计 抄表系统的整体结构 在了解国内外现有的产品特点 的基础上，为了使抄表器的功能更加完善，设计的抄表器具有脉冲计数 、 数据存储和数据处理 、 电量及其状态的显示 、 与控制中心通讯等基本功能。 整体结构如图 所示。 图 抄表系统的整体框图 系统的整体工作流程如下：  电能 采集计数模块根据脉冲计算出电表的数据，存储于内部的 RAM 中。  AT89S51 根据时钟模块的时间设定 ， 定时向脉冲计数模块发送数据传输命令，收集其电表中的数据，并根据设置好的约定，存储于外部的 RAM 中，等待上位机的查询 ， 并把没反应过来的上位机的号码记录下来，上传给上位机。  上位机操作中有定时抄和随时抄送两种模式定时抄送 ， 即上位机根据系统设定的时间 ， 查询各脉冲采集计数模块中的数据。 随时抄 ， 指在某种特殊的情况下 ， 需要单独的对某个用户进行复查等。 在两种模式下 ， 对没有反应的 PC 机做备份，并警告。 时钟 监控模块 显示 显示 驱动 直流稳压 断电保护 AT89S51 通讯接口 RS232 RS485 电能采集计数模块 小区主机 时段 通信网络 外围存储 基于单片机远程抄表系统设计与研究 7 抄表系统的各个模块设计 这是整个抄表部分的核心部分，由图表 可知， 主要由 电能采集 模块、 CPU(MCU)、直流稳压、 备用电源 、显示、 监控电路 、时钟、外围储存电路、 通讯模块 、 并行取样与译码 等组成。 每一个部分的正确选择与设计，及其电路的连接对该系统的硬件电路而言是十分重要的。 电能数据采集 电路设计 电能表测试模块主要有两种方案，一种是采用分离元件 PT(电压互感器 )CT(电流互感器 )、 S/H(采样保持器 )、 FIR(滤波器 )和乘法器来实现对电压、电流取样和功率计算。 其原理框图如下： 图 电能表方案一 原理图 由于第一种方案用到的分立元件较多，这里则采用数字乘法器原理的专用大规模集成电能计量芯片，这种芯片功能强大，内部电路完成对电压、电流的采样、滤波、相乘等功能，以脉冲形式输出表征有功功率的量以便于微处理器处理，使用方便，计量精度高，性能可靠，以下为测量原理图： 图 电能表测量 原理 图 信号经模数转换后可以得到表征负载电流和电压的两个数字量，经乘法器进行乘法运算，再经滤波后输出与有功功率成正比的脉冲数。 由微控制器累加计数，完成对电 能的计Vi ADC ADC 乘法器 Ii 电压 PT 采样保持 A/D 电流 CT 滤波 采样保持 A/D 乘法器 功率 输出 基于单片机远程抄表系统设计与研究 8 量。 由于信号处理电路全部采用数字信号处理技术，因此电能计量模块在极其恶劣的环境下仍能保持良好的性能指标和高度的稳定性。 以下是几种电能计量芯片的比较 ： 表 电能计量芯片比较 AD7755 AD7750 AD7751 BL0932 内部结构 先数字化后相乘ADC 2个 16位数字乘法器 先数字化后相乘ADC 3个 16位数字乘法器 先数字化后相乘ADC 1个 16位数字乘法器 先相乘后数字化电流 /频率转换乘法器模拟乘法器 线性误差 % % % % 故障检测 无 无 有 无 电源 单 5V 单 5V 177。 5V 单 5V 引脚数 24 20 24 20 AD7750和 AD7751的内部结构与 AD7755大体相同，均采用了 16位 ADC，首先把模拟输入信号转化为数字信号，其它信号处理 (包括乘法 )都是在数字域内完成的，由于模拟电路环节少，稳定性比较好。 BL0932则由电流比率模拟 乘法器先把模拟输入信号相乘，然后通过电流，频率转换器完成数字化。 AD7751的故障检测功能是指同时检测相线和中线的电流，当它们的电流差值超过 %时， 引脚 FAULT有效，指示故障存在，此时以电流较大的那个信号进行电能计量，这有利于防窃电设计。 但 AD7751必须使用两个电流互感器。 由上的分析可以看出， AD7755可靠性高，线性误差小，电路设计较为简单，因此选用 AD7755作为电量取样的核心芯片 [9]。 电功率的计算原理 负载上的瞬间电功率 P(t)等于负载两端的瞬时电压 v(t)与流过负载的瞬时电流 i(t)的乘积，即 P(t)= v (t) i( t)，当 v(t)、 i( t)随时间周期变化时， P(t)也 是随时间周期变化的。 例如，当 v(t)= 2 Vsin( t), i(t)= 2 Isin( t+ )，那么负载上消耗的瞬时功率为： P( t)= 2VIsin( t )  sin ( t+ ) =VI[cos cos(2 t + ) =VIcos VI cos(2 t + ) P(t )：瞬时功率； V：交流电压有效值； I：电流有效值； :电压、电流相位差； 从上式可以看出，瞬时功率 P(t)包含直流分量 VIcos , 和交流分量 VIcos(2 t +  )两部分。 在绝大多数应用场合关心的是负载上消耗的有功功率，有功功率定义为瞬间功率 P(t)在一个周期内的平均值，在上述例子中 ，负载上的有功功率为： P= 1/T∫[VIcos VIcos(2 t+ )]dt=VIcos ； 因此，有功功率的测量可以从瞬时功率的直流分量获取，这个方法显然适用于直流电压、电流，而对于非正弦电压、电流的功率测量，同样可以得到证明。 在实际应用中，所有的电压、电流波形都有一些谐波分量。 应用傅利叶变换可将 瞬时电压、电流表示为： V(t)=V0 +  hh thV    s in2 0h (1) 基于单片机远。