畢業(yè)設計(論文)-基于單片機的電能表自動抄表系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　基于單片機的電能表自動抄表系統(tǒng)設計 </p><p>　　學 院 </p><p>　　年級專業(yè) 電子信息工程四班 </p><p>　　學生姓名 </p&

2、gt;<p>　　指導教師 </p><p>　　專業(yè)負責人 </p><p>　　答辯日期 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　學院： 系級教學單位：

3、 </p><p>　　說明：如計算機輸入，表題黑體小三號字，內容五號字。本任務書一式二份，教師、學生各執(zhí)一份。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　公共事業(yè)收費自動化和小區(qū)物業(yè)管理智能化等領域的技術開發(fā)和應用越來越受到人們的重視,本文研究旨在提供一種利用低壓電力供電網絡,低成本高可靠地實現(xiàn)公共事業(yè)收費自動化和

4、小區(qū)物業(yè)管理智能化的技術應用.</p><p>　　在本文介紹了一種基于MSP430單片機的復費率單相電能表的主電路及通信接口電路,給出了其具體電路,采用AD7755作為專用電量測量芯片以保證測量脈沖數的準確性,硬件日歷時鐘及參數存儲采用總線器件以減少電路連線。綜合設計使電能表的工作可靠性得到大大提高。同時對系統(tǒng)的軟件設計和可靠性設計也作了介紹。</p><p>　　關鍵詞　單片機, 遠程

5、抄表, AD7755</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Technique of transmitting data via power line (PL), a new technique developed in recent years ,is used to automatize the free collecting

6、system in public service and the management of uptown service. This article discussed the advantage , disadvantage and the current state of the power line carrier communication. The advantage, method and current state of

7、 using spread spectrum technique in power line communication are discussed. The main control and communicating interface circuits of the multi-</p><p>　　Keywords: Single chip; Remote recording; AD7755</p&

8、gt;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p

9、>　　1.1.1自動抄表的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2 研究成果3</p><p>　　第2章 自動抄表系統(tǒng)概述3</p><p>　　2.1 自動抄表系統(tǒng)結構說明3</p><p>　　2.1.1 電能表4</p><p>　　2.1.2網絡通訊4</p><p&g

10、t;　　2.1.2數據交換設備5</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的選擇6</p><p>　　2.2.1 幾種常見的系統(tǒng)組合方式6</p><p>　　2.2.2 常見抄表方式的優(yōu)缺點6</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的工作原理8</p><p>　　3.1 電能表系統(tǒng)結構8</p>&l

11、t;p>　　3.1.1時鐘電路設計9</p><p>　　3.1.2電能計量電路10</p><p>　　3.1.3 液晶顯示電路11</p><p>　　3.1.4 串行接口11</p><p>　　3.2數據集中器的結構原理圖12</p><p>　　3.2.1集中器硬件電路的設計13</p

12、><p>　　3.2.2與IC卡抄表器的接口電路13</p><p>　　3.2.3 電源模塊14</p><p>　　3.3數據采集器的設計14</p><p>　　3.3.1數據采集器的結構原理圖14</p><p>　　3.3.2數據采集器的硬件電路設計14</p><p>　　第四

13、章 系統(tǒng)軟件設計19</p><p>　　4.1 電能表的軟件設計19</p><p>　　4.1.1 軟件設計思想19</p><p>　　4.1.2 軟件程序框圖19</p><p>　　4.1.3 系統(tǒng)抗干擾設計20</p><p>　　4.2 數據其中器的軟件設計20</p>&

14、lt;p>　　4.2.1 主程序設計20</p><p>　　4.2.2 電源管理程序的設計21</p><p>　　4.3 數據采集器的軟件設計23</p><p>　　4.3.1 主程序23</p><p>　　4.3.2通訊中斷子程序25</p><p>　　4.3.3存儲器操作子程序26&

15、lt;/p><p>　　4.3.4延時自程序26</p><p><b>　　結 論26</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　附錄129</b></p><p><b>　　附錄230&l

16、t;/b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　自動抄表技術（Automatic Meter Reading）是將數據自動采集、傳輸和處

17、理應用于電能供用與管理系統(tǒng)中的一項新技術。它從根本上克服了傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端，給電能管理的現(xiàn)代化帶來了新的希望。目前，美國等發(fā)達國家已把自動抄表技術廣泛用于配電管理。我國對自動抄表技術的研究起步較晚，但是發(fā)展速度很快。對供電部門和用戶來說，人工抄表收費一直是一大難題，而人工收取電費到底難在何處呢？第一，難入戶?，F(xiàn)在的用戶大多不希望被人打擾，而且抄表工作只能在早、晚居民休息時間進行，因而使收費的成功率很低，有時一戶需反復多次上門才能

18、收齊電費；第二，人工工資支出高。如1萬戶電力用戶，抄表人員約45～70人，年費用近100萬元。隨著城市的擴張，抄表員人數及薪資同步增加；第三，抄表工作勞動強度大：由于高層樓房的普及，使抄表成為勞動強度較大的工作。自動抄表技術就是在技術與管理兩方面急待進步、改革的迫切需求下逐漸發(fā)展起來的。</p><p>　　1自動抄表的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　傳感器、自動化儀表以及集成電路技術的進步

19、，使得無論是機電脈沖式還是全電子式電度表已能夠較好地滿足現(xiàn)今自動抄表技術的需要。對于機電脈沖式電度表，只需在表內安裝光電轉換模塊和相應的接口，即可實現(xiàn)反映用電量的電信號輸出。這類模塊和接口具備成本低廉、小巧且易于拆裝等特點，因此列目前仍在大量使用的感應系電度表的改裝是可行且易于實現(xiàn)的。對于全電子式電度表，可直接讀取其電脈沖輸出。有的新型全電子式電度表本身安裝有多種接口；適用于模擬、數字等各種通信模式。今后相當一段時間內，自動抄表系統(tǒng)的終

20、端采集裝置將以上述兩種儀表為主。</p><p>　　再則，匯集數據的采集器和集中器等裝置，可通過單片機、存儲器和接口電路等方便地實現(xiàn)，并且已經有了較成熟的產品。因此，數據采集并不構成自動抄表技術中的難點。</p><p>　　事實上，通信子系統(tǒng)是自動抄表技術中的關鍵，也占據了投資的相當大部分。數據通信方式的選取要綜合考慮如地理環(huán)境特點、用戶用電行為、技術水平、管理體制和投資成本等因素。很

21、多情況下，某種方式最終被選用并不表示經濟利益和技術要求的最大滿足，而只是權衡了各方面條件后的折中。這就給研究留下了空間。據參考文獻，前述的幾種通信方式在實際系統(tǒng)中均有應用。國內外對于不同通信方式的側重有所不同。在西方發(fā)達國家，對于自動抄表技術的研究起步較早且比較深入；且它們的電力系統(tǒng)包括配電網絡也相當規(guī)范、完備。所以，低壓電力載波技術得到了相對廣泛的、成功的應用。而在我國，受技術水平所限，則較多使用電話線通信。近來，隨著對擴頻技術研究的

22、深入，低壓電力線載波中干擾大的問題正逐漸得到解決。因此，低壓電力線教波在自動抄表技術中的應用有逐漸推廣的趨勢。</p><p>　　由于電力部力實際應用的需求以及自動抄表技術自身完善的需要，近兩年在該領域形成了以下一些研究熱點和進步趨向</p><p>　　從20世紀90年代早期至中期，這一階段自動抄表系統(tǒng)的數據傳輸方式主要是485總線、電力線載波自制總線。從1997～2001年，采樣方式

23、多改為磁敏傳感，傳輸方式則以485為主流。485方式下的分支問題則使用集中器、HUB解決，此種方式可以較好地正常運轉。關于系統(tǒng)結構，多數廠家用增設集中器來解決用戶增加的問題。電磁兼容成為這一時期系統(tǒng)的設計難點，因為電表存在瞬時功率脈沖和平均功率脈沖的不同步的問題。從2002年至今，主流模式是數碼表。完善集中抄表系統(tǒng)主要有幾大難點：①設計時無統(tǒng)一標準，基本都是各自為政，使產品的普及存在難度；②調試時只靠人為的標識來區(qū)別線路，施工中容易造成

24、混亂；③系統(tǒng)開發(fā)商和廠家脫節(jié)。由于表的供應商和系統(tǒng)的供應商分離，現(xiàn)階段對于表具沒有統(tǒng)一的標準可以遵循，系統(tǒng)的質量和表具的質量都是良莠不齊，經常出現(xiàn)互相扯皮的現(xiàn)象，影響用戶最后的使用；④由于系統(tǒng)環(huán)節(jié)繁多，導致系統(tǒng)出問題的點比較多，又由于采用集中采集的特點一個地方出現(xiàn)問題可能會導致一大片出問題，因此問題很多。在這種情況下，直讀表應運而生。這種表區(qū)別與以往的表的特點是讀出的就是數據，而不再是脈沖，相當于把流量計和積算儀集成到一起</p&

25、gt;<p>　　1.1.1. 研究成果</p><p>　　(1)電子技術的發(fā)展</p><p>　　由于電子技術的迅速發(fā)展，尤其是低功耗、高電磁兼容能力的芯片技術的一日千里的發(fā)展已經使2～3年前有難度的問題變得容易解決，而且是低成本來解決。由于內部采用無干擾的電池供電，只要在硬件方面采取有效的隔離措施，軟件方面采用冗余校驗的方法，計數直讀表的可靠性是完全值得信賴的。目前已

26、有企業(yè)開發(fā)出了能夠嵌入表內的計數抄表模塊專門用于遠程自動抄表。</p><p>　　(2) 主要產品及發(fā)展趨勢</p><p>　　目前自動抄表廠家已經認識到，表具必須具備直接輸出數據的功能，系統(tǒng)采用總線制結構。分線制系統(tǒng)已逐漸被淘汰.當前正在起步的抄表方式: GPRS自動抄表系統(tǒng)中國移動GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業(yè)務平臺上構建電力遠程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)電表

27、數據的無線數據傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優(yōu)點，而且設備安裝方便、維護簡單。GPRS電力遠程抄表系統(tǒng)由位于電力局的配電中心和位于居民小區(qū)的電表數據采集點組成，利用中國移動現(xiàn)有的GPRS/GSM網絡，電表數據通過中國移動的GPRS/GSM網絡進行傳輸。</p><p>　　對于電力部門來說，遠程抄表需要投入大量的人力、物力和財力，給收取電費造成極大的不便，而GPRS自動抄表系統(tǒng)將成為新世

28、紀比較普及的自動抄表系統(tǒng)之一。</p><p>　　第2章 自動抄表系統(tǒng)概述</p><p>　　2.1 自動抄表系統(tǒng)結構說明</p><p>　　自動抄表系統(tǒng)主要由三部分組成電能表,通信網絡,以及與電能表進行數據交換的各種設備.</p><p>　　按照采集數據方式的不同，自動抄表系統(tǒng)可以被大致劃分為本地和遠程兩種。本地抄表系統(tǒng)所使用的電度

29、表一般加裝紅外轉換裝置，把電量轉換為紅外信號，抄表時操作人員到現(xiàn)場使用便攜抄表微機在紅外可視的距離內非接觸地讀取數據。</p><p>　　電子式電度表或加裝了光電轉換器的機電脈沖式電度表構成遠程采集系統(tǒng)的最前端。它們把用戶的用電量以電脈沖的形式傳遞給上了一級數據采集裝置。目前實際應用的遠程自動抄表系統(tǒng)大多采用兩級式數據匯集結構，即由安裝于小區(qū)單元的采集器收集十幾到幾十個電度表的讀數，而安裝在配電變壓器下的集中器

30、則負責定期從采集器讀取數據。</p><p><b>　　2.1.1 電能表</b></p><p>　　自動抄表系統(tǒng)中的電能表是指具有數據記錄存儲以及交換能力的電力儀表根據使用場合不同可以是工業(yè)用表或居民用表其內部數據內容可以不同,(這里我們選用一種基于MSP430單片機的復費率單相電能表.) </p><p><b>　　2.1.

31、2網絡通訊</b></p><p>　　通信網絡是指在電能表和數據交換設備之間進行數據傳輸的通道.它可以根據需要表現(xiàn)為各種形式如本地紅外通信RS-232 ,通信RS-485 通信,電力載波通信,無線通信,電話線數據通信,光纖或寬帶網絡通信等形式.通信網絡一般具有覆蓋面廣傳輸信道公開通用的特點有相應的通信協(xié)議規(guī)范.</p><p>　　有計算機網絡的介入，網絡安全問題就不可避免。

32、相比之下，利用計算機網絡通信較之自動抄表技術中所采用的其他通信方式更容易受到攻擊。計算機網絡本身的缺陷、漏洞構成內因；而對于計算機網絡的攻擊的易于實施性成為外因。通常黑客對某個特定網絡發(fā)動攻擊，所需要的除了一定的技術外，僅僅是一臺廉價計算機和與該網絡的物理連接。另一個值得關注的問題是：一旦自動抄表系統(tǒng)采用了計算機網絡通信（特別是像Internet這樣大型的開放式網絡），它將面臨上述各種危險因素的挑戰(zhàn)。而且，并不是所有的安全措施和技術都能

33、用于提高抄表系統(tǒng)的安全性，因為自動抄表系統(tǒng)有其自身的特點。</p><p>　　自動抄表系統(tǒng)的通信是日分布在較廣范圍內的采集器、集中器與中心處理站間交換數據的過程。其網絡結構一般屬于集線器式（多點通過集線器連接到服務器）。通信中既要保證所抄得數據的安全可靠傳輸，又必須確保中心工作站不會受到采自傳輸網絡的意外攻擊。數據可采用密碼技術進行保護。通常，密鑰只在小型的分布式網絡中應用，或網絡是中央集線器格局的。支持公鑰的

34、密碼機制可運行在大型的分布式網絡系統(tǒng)中。對中心工作站的保護人可綜合運用防火墻、控制訪問權限以及使用安全內核等技術。防人墻和安全內核技術更多地涉及計算機軟件方面的研究，其關鍵是選用適合于自動抄表系統(tǒng)通信網絡結構特點的軟體，以及采用自身安全性可靠、安全漏洞少的操作系統(tǒng)作為運行平臺。對于控制訪問權限，則需要研究制定合理、高效的安全策略保證合法用戶能充分靈活邊行使其權限有效防止非法用戶的訪問及合法用戶的非法操作；同時，確保系統(tǒng)通信的、快速、便捷

35、、通暢。</p><p>　　當然，為自動抄表系統(tǒng)構建專門的計算機通信網絡可以明顯加強安全性，降低系統(tǒng)遭受攻擊的可能，但這要付出高昂的代價，同時會限制本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的通信，減弱計算機網絡在靈活性方面的優(yōu)勢，因此并不是一種積極的方法。鑒于此，目前應該研究的是如何將現(xiàn)有的網絡安全技術很好地融合到自動抄表系統(tǒng)中，以解決網絡開放性要求和系統(tǒng)安全性之間矛盾。</p><p>　　2.1.2數據交換

36、設備</p><p>　　需要與電能表進行數據交換的設備統(tǒng)稱為數據交換設備.在討論數據傳輸時一般將數據交換設備定義為虛擬設備.在實際的自動抄表系統(tǒng)中可以體現(xiàn)為各種具體形式的設備數據交換設備可以分為三類:</p><p>　　直接本地設備,本地設備,和遠方計算機設備.直接本地設備是指在本地近距離直接與單臺電能表進行數據交換的設備.主要體現(xiàn)為各種手持設備通信網絡為紅外通信RS-232 通信或無

37、線通信.本地設備是指在本地一定范圍內可以與一定數量的電能表進行數據交換的設備主要表現(xiàn)為各種數據采集處理設備通信網絡為RS-485 通信,電力載波通信無線通信或寬帶網絡通信. 遠方計算機設備是在一定范圍內可以和不同地區(qū)較大數量的電能表進行數據交換的設備主要是以計算機網絡構成的數據采集處理設備通信網絡為無線通信電話線數據通信光纖或寬帶網絡通信.</p><p>　　而數據交換設備具體的可分為：數據采集器和集中器。其中

38、數據采集器主要負責對電能表的數據信號進行收集及存儲。集中器的作用對各載波電表實現(xiàn)雙向數據傳送，具有內部硬時鐘可與系統(tǒng)進行廣播校時，并實施定時抄表命令，存儲抄表數據，可通過各種網絡媒介與主站完成數據交換。</p><p>　　遠方計算機設備主要由中心處理工作站以及相應的軟件構成，是整個自動抄表系統(tǒng)的最上層，所有用戶的用電信息通過信道都匯集到這里，管理人員再利用軟件對數據進行匯總和分析，以便做出相應的決策。如果硬件允

39、許，還可直接向下級集中器或電度表發(fā)出指令，從而對用戶的用電行為實施控制。由于抄表獲得的數據量很大；因此要求中心工作站的硬件必須有一定的運算和存儲能力；而在軟件上首先要求操作系統(tǒng)應穩(wěn)定可靠；其次，抄表軟件必須具有處理海量數據的能力。典型的抄表軟件具有如下功能：（1）遠程設定抄表集中器和采集器內的參數；（2）抄收整個系統(tǒng)中所有電度表的數據；（3）使中央控制站可遠程地對用戶電度表進行斷電和送電控制；（4）運行數據庫，生成用電量日報、月報表，進

40、行電費結算；（5）使系統(tǒng)可進行查詢管理，對異常用電戶給予告警提示，以配合檢查。</p><p><b>　　2.2 系統(tǒng)的選擇</b></p><p>　　一個完整的自動抄表系統(tǒng)最終實現(xiàn)的目的是要將電能表的數據通過通信網絡傳遞到遠方計算機設備為用戶和電能表管理方提供服務根據通信網絡的不同選擇自動抄表系統(tǒng)可以有各種組合方式.</p><p>　　

41、2.2.1 幾種常見的系統(tǒng)組合方式 </p><p>　　1, 遠方計算機設備和電能表直接構成自動抄表系統(tǒng)這種方式通信網絡為無線通信光纖或寬帶網絡通信.電能表直接做為自動抄表系統(tǒng)中的網絡節(jié)點.這種方式實時性好對通信網絡的要求高成本高.</p><p>　　2, 遠方計算機設備通過本地設備與電能表構成自動抄表系統(tǒng),這種方式可以構成各種不同的自動抄表系統(tǒng).遠方計算機設備和本地設備之間以及本地設

42、備和電能表之間可以根據具體情況選擇不同的通信網絡.本地設備做為自動抄表系統(tǒng)中的網絡節(jié)點.這種方式也具有較好的實時性對通信網絡的選擇較為靈活成本較高.</p><p>　　3, 遠方計算機設備通過直接本地設備與電能表構成自動抄表系統(tǒng)這種方式實時性較差對通信網絡的要求較低,成本低,可靠性好.</p><p>　　在本文中我們采取第2中系統(tǒng)組合方式：計算機設備和本地設備之間采用電力載波通訊。&l

43、t;/p><p>　　2.2.2 常見抄表方式的優(yōu)缺點</p><p>　　通訊網絡傳送到控制中心的信通。為了適應不同的環(huán)境條件以及成本要求，通信網絡的構成有多種方案。按照通信介質的不同通信子系統(tǒng)主要有：光纖傳輸、無線傳輸、電話線傳輸和低壓電力線載波傳輸等四種。</p><p>　　纖通信具有頻帶寬、傳輸速率高、傳輸距離遠以及抗干擾性強等特點，適合上層通信網的要求。但因

44、其安裝結構受限制且成本高，故很少在自動抄表系統(tǒng)中使用。</p><p>　　無線通信適用于用戶分散且范圍廣的情況。綜合考慮成本和可靠性等問題，一般采取裝設小型無線電臺，在200MHZ～400MHZ頻率范圍內的某個頻點上以散射通信方式進行無線通信。其特點是傳輸頻帶較寬，通信容量較大（可與幾千塊電度表通信），通信距離遠（幾十公里，并可通過中繼站延伸）；主要缺點是需申請頻點使用權，且如果頻點選擇不合理，相鄰信道會相互干

45、擾。</p><p>　　租用電話線通信是利用現(xiàn)成的電話網絡，只需在數據的發(fā)出和接收端分別加裝調制解調器（MODEM）。該方法的數據傳輸率較高且可靠性好，一次性投資??；不足是線路接通時間較長（通常需幾秒甚至幾十秒），當集中器數已較多時，集中器到控制中心的通信效率將明顯降低。另外，若租用電話線路多，其租用費也很可觀，因此不適合大容量系統(tǒng)。</p><p>　　低壓電力載波通信是自動抄表技術的

46、研究熱點。它利用低壓電力線作為系統(tǒng)前端的數據傳輸通道。其基本原理是：在發(fā)送數據時，先將數據調制到一高頻載波上，再經功率放大后耦合到電力線上。此高頻信號經電力線路傳輸到接收方，接收機通過耦合電路將高頻信號分離出來，濾去干擾信號后放大，再經解調電路還原成二進制數字信號。電子載波直接利用配電線網絡，免去了租用線路或占用頻段等問題，降低了抄表成本，并且有利于運營管理，發(fā)展前景十分廣闊。但是，目前如何抑制電力線上的干擾，提高通信可靠性仍是亟待解決

47、的問題。</p><p>　　按照線路連接結構的不同，通信系統(tǒng)可分為星型和總線型兩種類型。星型通信系統(tǒng)是以中心處理工作站為中心點，以發(fā)散的形式分別通過通信信道與集中器連接，形成一對多的連接構架。信道通信數據量較大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。一般光纖、無線和電話線通信都采用該連接方式?？偩€型通信系統(tǒng)是為克服星型連接的不足而采用的。它以一條串行總線連接各分散的采集器或電度表，實現(xiàn)各節(jié)點的互連；特點是信道上節(jié)點較多，

48、傳輸速率不高，傳輸距離短，因此一般用于底層（采集器、集中器層）電能數據的采集。低壓電力線載波以及RS～485總線網是常見的總線型結構。</p><p>　　除上述之外，在某些局部區(qū)域或小范圍通信場合，點對點的通信方式也被使用，即特定的兩點間使用專線通信。如紅外抄表微機就是一例。另一個例子是20mA電流環(huán)，它采用以20mA電流為邏輯“1”、零電流為邏輯“0”的制式通信；由于使用了光電耦合技術，可以實現(xiàn)電氣隔離，提高

49、了系統(tǒng)的防雷擊、防靜電擊穿能力，但是因其布線成本高，所以應用十分有限</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　3.1 電能表系統(tǒng)結構</p><p>　　本方案中硬件采用TI公司高性能的16位超低功耗單片機MSP430F413作為主控MCU，它具有8Kflash,16位RISC結構,CPU中的16個寄存器和常數發(fā)生器使MSP430微控制器能達

50、到最高的代碼效率;靈活的時鐘源;數字控制的DCO可使器件從低功耗迅速喚醒,同時結合電量計量專用芯片AD7755,可以使電表硬件部分大為簡化,而且很方便實現(xiàn)智能控制。被計量電能的電流通過分流器采樣得到電壓信號，再通過ADE7755芯片內部的差放電路將電壓信號放大（其中放大倍數可設置為1、2、8和16倍），放大后的信號經過A/D轉換成與其成比例的數字信號，再經過數字相位校正和高通濾波去除信號中的直流分量然后進入數字乘法器的一個輸入端。被計量

51、電能的電壓信號經過電阻分壓器取樣，通過ADE7755芯片內部的差放電路將信號放大，再經過A/D轉換成與其成比例的數字信號，進入數字乘法器的另一個輸入端與電流通道的信號進行乘法運算，完成被計量電能的瞬時功率測量。乘法器輸出瞬時功率通過數字低通濾波器進行積分處理進入"數字/頻率"轉換器，變換成與被計量電能平均功率成比例的頻率脈沖信號（分為高頻脈沖信號和低頻脈沖信號），其中</p><p>　　系統(tǒng)

52、總體結構如圖1所示：</p><p>　　3.1.1時鐘電路設計</p><p>　　智能分時計費電能表中必須要有實時時鐘,分為硬時鐘和軟時鐘兩種。在眾多的實時時鐘芯片中,我們選用了PHILIPS公司的PCF8563。它是一款具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片,具有多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能及中斷輸出功能,可以完成各種復雜的定時服務。尤其是其采用I2C總線通訊方式,不但使外圍電

53、路極其簡潔,而且也增加了芯片的可靠性。</p><p>　　本系統(tǒng)PCF8563與MSP430接口采用圖2所示接口方案。接口采用3根口線,PCF8563的INT腳產生周期為1s的脈沖中斷信號給MSP430單片機的P1.4引腳作為中斷觸發(fā)信號,產生中斷后,通過I2C總線讀取PCF8563的基準時間。按I2C總線規(guī)約,PCF8563的從地址:讀地址SLAR為A3H、寫地址SLAW為A2H,PCF8563I2C通信實現(xiàn)

54、有字節(jié)寫/讀兩種狀態(tài)。由于在MSP430單片機中沒有I2C總線的硬件,所以采用軟件模擬I2C讀寫數據的方法。</p><p>　　3.1.2電能計量電路</p><p>　　電量測量采用美國ADI公司的AD7755作為測量芯片,它是一種量程寬、精度高,內部具有掉電、上電自動復位電路的高準確度電能測量專用集成電路[2]。AD7755為低功耗的CMOS芯片,內部除了ADC和濾波、相乘電路外都采

55、用了數字電路,有效的去除了尖脈沖等干擾信號,使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準確度和長期的穩(wěn)定性。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值,用于與MCU接口,其接線圖如圖3所示。</p><p>　　AD7755的CF輸出端輸出的脈沖頻率正比于平均有功功率,通過它可以求平均功率和一個積分周期內消耗的電能:</p><p>　　平均功率 = 平均頻率= 脈沖個數/積分時間</p&

56、gt;<p>　　電能 = 平均功率×積分時間= 脈沖個數</p><p>　　在正常運行時,積分時間可以定為1到2秒,這取決于顯示部分更新的需要。</p><p>　　3.1.3 液晶顯示電路</p><p>　　在MSP430F413單片機中,液晶驅動作為一個外圍模塊集成于片內,極大的簡化了液晶顯示部分的接口設計,只要選擇合適的液晶顯示器

57、,采用合適的驅動方式即可完成數據的顯示。</p><p>　　液晶顯示板的公共極由COMn信號驅動,段極由SEGn驅動。而液晶的驅動又有多種方法:靜態(tài)驅動、2MUX驅動、3MUX驅動、4MUX驅動等。不同的驅動方案所占用的單片機引腳數是相同的,采用2MUX驅動8位液晶顯示所需的引腳數為2+8*8/2,輸出引腳與液晶顯示器件的連接如下:</p><p>　　PIN號 1 2 3

58、 4 5 6 …… 29 30 31 32</p><p>　　430引腳 S0 S1 S2 S3 S4 S5 …… S28 S29 S30 S31 COM0 COM1</p><p>　　LCD COM0 1f 1h 1d 1e 2f 2h …… 8f 8h 8d 8e COM0</p><p>　

59、　LCD COM1 1a 1b 1c 1g 2a 2b …… 8a 8b 8c 8g COM1</p><p>　　通過設定液晶控制寄存器LCDCTL中的控制位來控制數據的顯示,這里設定為4MUX顯示模式,向液晶顯示緩存LCMDX寫入要顯示的數據,片內驅動控制電路就會輸出相應的驅動信號完成顯示。</p><p>　　3.1.4 串行接口</p>&

60、lt;p>　　數據通信方式主要有并行數據通信與串行數據通信兩種?？紤]到串行數據通信只需要一對數據傳送線進行信息的傳送,所需傳輸線條數極少,傳送成本較低,特別適用于分級、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠距離通信之中,故本設計選擇串行數據通信。RS-232C接口電路是最常用的接口之一,缺點是只能用于短距離的數據通信。RS-485接口在總線上允許連接多達128個收發(fā)器,具有良好的抗噪聲干擾性、長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點。在此我們選用RS-4

61、85接口。</p><p>　　本設計采用Maxim公司生產的MAX487芯片作為RS485通信收發(fā)器[3],MAX487芯片具有RS-485通信協(xié)議,可以帶下位機128個、傳輸距離大于1km、傳輸速率達250kb/s。單片機可以通過RS485總線方式與主控計算機相連,主控計算機可以向智能電表發(fā)出遙控指令,采集到當前的電量數據和歷史數據,構成了主從式的RS485通信應用系統(tǒng)。</p><p&g

62、t;　　MAX487與MSP430的接口電路如圖4所示。圖中DE為發(fā)送器使能端,DE為1時發(fā)送器可以工作。DI為輸入端,A、B為輸出端。當DE為0時,發(fā)送器停止工作,且輸出端為高阻。為輸入使能端,為0時允許接收器工作,A、B為輸入端,RO為輸出端;為1時接收器被禁止,RO為高阻狀態(tài)。MSP430通過P2.1和P2.2來控制收發(fā)器的工作狀態(tài),從而達到與主機通信的目的。</p><p>　　3.2數據集中器的結構原理

63、圖</p><p>　　數據集中器主要由CPU單元、存儲模塊、與數據采集器的通信模塊、與管理中心計算機的通信模塊、欠電壓檢測模塊和電源模塊等組成。其結構原理圖如圖3-5所示</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　將其與圖3-5的數據采集器結構原理圖相比，兩者之間很多功能模塊具有相同之處，如存儲模塊、通信模塊和欠電壓檢

64、測模塊。合理利用兩部分相似之處，對采集器中的部分硬件和軟件進行修改，將其移植到對集中器的軟硬件開發(fā)中，可以節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)的時間，降低研制成本。</p><p>　　3.2.1集中器硬件電路的設計 </p><p>　　數據集中器中的CPU單元同樣采用MICROCHIP的PIC16F73芯片，EZPROM采用FM24C04，用于對所轄16只采集器的數據進行二次記錄，提高數據的安全性。為提高

65、系統(tǒng)的抗干擾能力，增加系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)采用光電隔離電路，兩套總線系統(tǒng)各自采用相互隔離的電源進行供電。數據集中器用交流220V整流穩(wěn)壓后的12V電源供電，輔以免維護鉛酸蓄電池以防斷電。</p><p>　　3.2.2與IC卡抄表器的接口電路</p><p>　　圖中INT與PIC16F73的1NT引腳相連，當有IC卡讀卡機接入時，會調用中斷子程序，去執(zhí)行系統(tǒng)與IC卡讀卡機的數據傳輸及參數

66、設置等任務。CLK, I/O與單片機的RC3 , RC4引腳相連，采用I2C總線標準進行數據傳輸。</p><p>　　3.2.3 電源模塊</p><p>　　系統(tǒng)中的電源模塊是獨立的，它不僅給數據集中器供電，同時也通過RS-485給數據采集器供電。因此，電源模塊的設計很關鍵，為此專門設計了一塊電路板，由市電供電電路和蓄電池供電電路兩部分組成，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾性。</p&g

67、t;<p>　　3.3數據采集器的設計</p><p>　　3.3.1數據采集器的結構原理圖</p><p>　　3.3.2數據采集器的硬件電路設計</p><p>　　數據采集器的硬件電路主要根據上述結構原理圖來設計，其中電源由數據集中器的電源通過RS-485總線供給，短路、斷路檢測模塊在設計時與光電信號輸入模塊集成在一起。</p>&

68、lt;p>　　3.3.2.1 CPU單元</p><p>　　CPU單元選用MICROCHIP的PIC16F73芯片，其主要性能特點如下:</p><p>　　· 高性能的RISC結構CPU:指令集精簡，共有35條指令，易于掌握;除跳轉指令為雙周期指令外，其余都是單周期令;DC20MHz時鐘頻率時，執(zhí)行速度為DC-200ns;多種硬件中斷功能(11個中斷源);8級深度硬件

69、堆棧;直接、間接、相對三種尋址方式。</p><p>　　·特殊特征:低功耗睡眠模式;四種可選振蕩方式;在線串行編程;內置上電復位電路((POR);上電定時器((PWRT)和振蕩啟動定時器(OST);片內RC振蕩的石一門狗定時器可保證可靠運行;程序代碼保護，可防程序代碼非法拷貝。</p><p>　　·CMOS工藝性能:低功耗特性，SV, 4MHz時典型值小于2mA,

70、3V, 32KHz時典型值小于20uA，低功耗睡眠模式下典型值小于1 uA;低功耗、高速COMS FLASH技術;全靜態(tài)設計;寬電壓工作范圍2.OV-5.5V;工業(yè)級溫度范圍。</p><p>　　· 外圍特性:8位5路通道A/D轉換器;TMRO帶8位可編程預分頻器的8位定時器/計數器;TMRl帶預分頻的16位定時器/計數器，當使用外部時鐘時，在睡眠模式下仍可運行;TMR2帶8位周期寄存器，前預分頻器和

71、后分頻器的8位定時器/計數器;2個捕捉/比較/PWM模塊:16位捕捉器的最大分辨率為12.5ns, 16位比較器的最大分辨率為200ns, PWM的最大分辨率為10位;同步串行口SPI/IC:同步、異步通訊接口SCI /USART操作。</p><p>　　由其特點可知，PIC16F73單片機功耗低、精簡指令集、抗干擾性好、可靠性高、有較強的模擬接口、代碼保密性好，并且價格也較低，因此非常適合本系統(tǒng)的數據采集與通

72、信。 如下圖所示：</p><p>　　3.3.2.2 存儲模塊</p><p>　　為了提高數據的可靠性，每次采集的數據都寫入數據采集器的存儲器中，而不是PIC 16F73的寄存器中暫存，這樣可以確保干擾或斷電時數據不會丟失。但這提高了對存儲器的要求，如果只有一兩百萬的寫入次數，那一兩年后就失效了。</p><p>　　通過比較，存儲器采用美國Ramreon公司

73、的鐵電存儲器FM24C04記錄基表的數值和狀態(tài)，主要考慮基于鐵電存儲器(FRAM)的性能和EEPROM存儲器的相比有</p><p><b>　　以下優(yōu)點:</b></p><p>　　(1) FRAM可以跟隨總線速度寫入，與EEPROM的最大不同的是FRAM在寫入后無需任何等待時間，而EEPROM要等待幾毫秒才能寫進下一批數據。</p><p&g

74、t;　　(2)近乎無限次寫入。EEPROM只能進行十萬到一百萬次寫入，而新一代的鐵電存儲器FRAM可以達到一億個億次(10的16次方)的寫入次數，使用壽命特別長。</p><p>　　(3)超低功耗，EEPROM的慢速和高電流寫入令它需要比FRAM高出2500倍的能量去寫入每個字節(jié)，相比而言FRAM的功耗極小。</p><p>　　存儲單元電路圖如下：</p><p&g

75、t;　　3.3.2.3 與數據集中器的通訊電路 </p><p>　　通信電路的設計涉及PIC16F73與RS-485總線的接口設計。由MAX48X/49X組成的差分平衡系統(tǒng)，抗干擾能力強，接收器可以檢測到200mV的信號，傳輸數據可在千米之外得到恢復，特別適合遠距離通信，可以組成標準的通信網絡。在數據采集器以及數據集中器的設計中采用MAX485接口芯片，半雙工傳輸方式，其硬件接口連接圖如圖4.3.2.5所示。電

76、路中的光藕器件選用NEC公司的PS2501芯片，它可以使RS-485電路的通信速率達到19200bps，足以滿足本系統(tǒng)設置的9600bps速率的需求。</p><p><b>　　如下圖所示：</b></p><p>　　3.3.2.4 電源與欠電壓檢測電路</p><p>　　源電路負責數據采集器不間斷的供電，為采集器正常工作提供保障，進而保

77、證電表數據采集的可靠性。 如下圖所示：</p><p>　　數據采集器的電源為9VDC，由數據集中器的電源通過RS485送入。但數據采集器中每個芯片的工作電壓的要求保持在SV，故采用HOLTEK公司的30mA微功耗三端穩(wěn)壓芯片HT7150，在其輸出端加入0.1 of的去耦電容，在其輸入輸出端分別接入了兩個電解電容C 1, C2，主要目的一方面是作為電路的蓄能電容，提供和吸收電路中瞬間的充放電能，另一方面可以旁路掉

78、該芯片電源噪聲。</p><p>　　為了保證數據采集器能夠正常工作，電路設計中還附加了欠電壓檢測部分，采用電源欠壓檢測器HT7050A，由于采用了CMOS工藝，確保芯片具有較低的電源消耗。其輸出端連接到PIC16F73的RB1口上，當該芯片輸入端電壓小于SV時，則輸出端為低電壓，使PIC16F73的RB1口為低，反之RB 1口為高。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設計</p&

79、gt;<p>　　4.1 電能表的軟件設計</p><p>　　4.1.1 軟件設計思想</p><p>　　單相復費率電能表的軟件主要是實現(xiàn)電量數據采集和處理,并通過RS485接口實現(xiàn)與抄表系統(tǒng)的數據交換。</p><p>　　4.1.2 軟件程序框圖</p><p>　　電量處理模塊的功能是由計量芯片提供計量脈沖,CPU對計

80、量脈沖計數,結合當前時段和費率,累計用戶峰、平、谷各時段的實際用電量。</p><p>　　通信模塊的功能是按照通訊規(guī)約實現(xiàn)與抄表器和抄表系統(tǒng)的可靠通信,由抄表系統(tǒng)讀取用戶電量數據和設置時段、費率、地址等電表參數。</p><p>　　顯示模塊的功能是顯示用戶的峰、平、谷、總電量及時間、上月電量等信息。</p><p>　　4.1.3 系統(tǒng)抗干擾設計</p&g

81、t;<p>　　智能復費率電能表主要是基于單片機的系統(tǒng),單片機系統(tǒng)極易受到強電磁場、溫度、濕度等的干擾,在諸多干擾源中,來自電網電壓的波動、尖脈沖干擾、瞬間斷電對單片機的工作是一些很重要的干擾源,它使單片機不能連續(xù)正常工作。電網瞬間斷電或電壓突然下降將使微機系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài),電網電壓恢復正常后,微機系統(tǒng)難以恢復正常,有效的方法就是掉電保護,掉電信號由硬件電路檢測到,加到單片機的外部中斷輸入端。軟件中將掉電中斷規(guī)定為高級中斷

82、,使系統(tǒng)能夠及時對掉電作出反應,在掉電中斷子程序中,首先進行現(xiàn)場保護,把當時的重要狀態(tài)參數、中間結果、某些片內專用寄存器的內容一一從片外RAM中調入單片機內部RAM中;其次是對有關外設做出妥善處理,使外設處于某一個非工作狀態(tài),最后在片內RAM的某些單元做上特定標記。采用上電自動復位電路,使單片機上電后保持兩種確定的狀態(tài),要么復位,要么工作,電源突然出現(xiàn)的短脈沖不會造成異常狀態(tài),確保系統(tǒng)正常工作。</p><p>

83、　　4.2 數據其中器的軟件設計</p><p>　　數據集中器的軟件功能同樣有很多子程序實現(xiàn)，其中的通信中斷子程序、存儲器操作子程序、延時子程序都與數據采集器的子程序相同，在此只對其主程序和電源管理子程序作一介紹。</p><p>　　4.2.1 主程序設計 </p><p>　　主程序負責輪詢16個數據采集器，對采集數據進行處理和存儲，同時響應管理中心和

84、IC卡抄表器的命令，主程序流程圖如下圖：</p><p>　　由于PIC16F73只有一個串口，而系統(tǒng)既要與上位機通信，又要與下位機通信，在設計時采取的措施是:接收或發(fā)送上位機時，下位機屏蔽;接收或發(fā)送下位機時，位機屏蔽。其中通信中斷子程序1用來接收和解析管理中心下傳的命令并執(zhí)行相應操作，如開戶時對采集器初始化表底數，上傳燃氣氣表數據等操作，其操作和數據采集器的通信中斷子程序類似;通信中斷子程序2用來接收IC卡抄

85、表器命令并上傳抄表數據，其操作和數據采集器的存儲器操作子程序類似。</p><p>　　4.2.2 電源管理程序的設計</p><p>　　電源管理程序是對電源模塊進行管理，程序流程圖如下圖：</p><p>　　電源管理程序主要負責檢測蓄電池的電壓，根據電平高低進行恒流、恒壓、浮充充電，充電過程中的各種狀態(tài)由兩個指示燈顯示。YellowLED亮表示恒流充電:Ye

86、llowLED間隔亮表示恒壓充電;GreenLED亮表示浮充充電;GreenLED閃亮表示浮充放置。</p><p>　　4.3 數據采集器的軟件設計</p><p>　　在數據采集器的程序設計中，為了確保系統(tǒng)的可靠性和實時性，提高數據采集器程序的執(zhí)行速度和精度，節(jié)約系統(tǒng)資源，這里采用匯編語言進行程序設計。軟件的功能由各個子程序完成。主要的子程序有數據采集與處理、通信中斷、存儲器操作子程序

87、和延時子程序。</p><p><b>　　4.3.1 主程序</b></p><p>　　主程序首先對單片機進行初始化，還包括堆棧指針設置;端口的通信方式;定時器(WDT)的預分頻系數和初值設置:串行通信的控制寄存器和波特率寄存器的設置等，并且調用數據采集與處理子程序對燃氣表進行流量采集，利用存儲器操作子程序對數據進行存取，通過通信中斷子程序響應數據集中器的命令。其

88、工作流程圖如下圖</p><p>　　每采集一個通道的數據，都要與光電采樣電路標定的電平進行比較、判斷。采樣由路標定結果 如表4.3.3.2所示。</p><p>　　對于信號發(fā)生抖動(其實是一種臨界狀態(tài)，處在高低電平之間)，在處理時直接將其剔除，等到下一采集周期重新進行采樣并判斷。</p><p>　　4.3.2通訊中斷子程序</p><p&g

89、t;　　通信中斷程序負責與集中器的通通信并執(zhí)行數據集中器下達的各項指令，如圖4.3.3.3所示。在接收集中器命令幀時，為了防止長期處于偵聽接收數據狀態(tài)，進而影響對發(fā)訊燃氣表的采集過程，所以對接收過程進行計時，從數據集中器喚醒數據采集器開始250ms內數據未接收到或通訊字節(jié)接收時間間隔超過2. Sms，則終止此次通訊。</p><p>　　當數據接收完畢之后，需對命令幀進行檢驗，保證命令幀的可靠性。通過以下步驟實現(xiàn)

90、:檢驗報頭，檢驗報文長度、累加校驗報文、檢驗報尾。任何一步檢驗報錯均視為干擾信號并中斷檢驗，返回到主程序中。只有以上四個步驟的檢驗都通過，才確認為正確的命令幀。</p><p>　　對通過校驗的不同命令幀，數據采集器處理方法有所不同，但差別不大，均需經歷以下幾步:</p><p>　?、贆z驗命令所指采集器地址與采集器地址是否一致;</p><p>　?、谕ㄟ^IZC總

91、線讀取 FM24C04存儲器，獲取所需表的抄收數據;</p><p>　?、鄹鶕?guī)定的應答幀格式建立應答幀;</p><p>　?、芡ㄟ^RS-485總線向數據集中器發(fā)送應答幀;</p><p><b>　?、莘祷刂鞒绦颉?lt;/b></p><p>　　4.3.3存儲器操作子程序</p><p>　　

92、存儲器操作子程序包括對FM24C04的讀操作和寫操作，采用IC模式。讀操作是在向數據集中器發(fā)送應答幀時進行的，寫操作是在數據采集上來并處理好后進行的，這部分非常重要，因為系統(tǒng)一旦工作后，記錄的數據是絕對不能丟失的。</p><p>　　4.3.4延時自程序</p><p>　　在數據采集器工作時，很多情況下需要延時環(huán)節(jié)。例如PIC16F73的RAO, RAI口的8位模數轉換需要采樣時間&g

93、t;20個振蕩周期，單片機采用4MHz晶振，故每個指令周期為1毫秒，所以采樣時間>20毫秒。在通道A/D轉換期間，對通道的操作都會引起模數轉換中斷，造成無法獲得模數轉換結果。因此，程序設計中的延時子程序相當重要，延時子程序的延時時間必須足夠大，但又不能過大，以免影響整個系統(tǒng)的運行速度。對于長時間延時，一般采用循環(huán)來實現(xiàn).</p><p><b>　　結 論</b></p>

94、<p>　　智能型復費率電能表作為一個智能型器件,十分適用于高層建筑、密集的住宅區(qū)等密集用戶區(qū)的集中管理,配合適當的通訊規(guī)約,可以方便的與管理計算機接口或通過集控器構成遠程自動抄表網絡。本設計方案采用低功耗器件,成本較低,便于集成。經過試驗,本文所設計的復費率電能表的各項技術指標均達到國家多費率電能表的技術標準,具有一定的推廣價值和較好的市場前景。本文介紹的這種基于MSP430單片機的復費率單相電能表的主電路及通信接口電路,

95、 采用AD7755作為專用電量測量芯片以保證測量脈沖數的準確性,硬件日歷時鐘及參數存儲采用總線器件以減少電路連線。綜合設計使電能表的工作可靠性得到大大提高。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　附錄1</b></p><p><b>　　附錄2</b></p