智能电度表设计(一)信息工程毕业论文(2)
2013-06-01 01:23
导读：2）电力载波抄表: 电力载波集中抄表系统是直接利用现有低压输电线路进行数据传输的集中抄表系统, 省去了铺线工程, 优势明显。该系统集微电子技术、
2）电力载波抄表: 电力载波集中抄表系统是直接利用现有低压输电线路进行数据传输的集中抄表系统, 省去了铺线工程, 优势明显。该系统集微电子技术、通讯技术和计算机技术于一体的高新产品, 具有高可靠且安装简单等显著特点, 广泛适用于城市及农村的电表、气表抄收、计费和监控。但由于电力线是给用电设备传送电能的, 而不是用来传送数据的, 所以电力线对数据传输有许多限制: (1) 配电变压器对力载波信号有阻隔作用, 所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送; (2) 不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同; (3) 电力线存在本身固有的脉冲干扰。另外电力线上的高削减、高噪声、高变形, 使电力线成为一个不理想的通信媒介, 但由于现代通信技术的发展, 使电力线载波通信成为可能, 其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。电力线载波通信的关键就是选用一个功能强大的电力线载波专用Modem 芯片。
系统组成:
(1) 远传表。具有脉冲输出的水表、电表、气表、热表等计量表为远传表, 其计量方式与传统表一样, 不同的是在原基表上增加了脉冲输出功能, 每个脉冲代表一定的计量值。采集器通过远传表脉冲输出端口采集脉冲。
(2) 采集器。我公司研制的采集器能同时采集水表、电表、气表、热表等输出的脉冲信息, 并将这些脉冲信息转换成计量认可的物理量, 存储在各采集器的存储器中, 通过管理微机, 可以查询系统中任意一户的耗能信息, 并在管理微机的抄表等命令下将用户信息上传。
(3) 转换器。转换器的主要任务为: 完成与采集器的数据通信工作, 向采集器下达电量数据冻结命令, 定时循环接收采集器的电量数据或根据系统要求接收某个电表或某组电表的数据。根据系统要求完成与主站的通讯, 将用户用电数据等主站需要的信息传送到主站数据库中。下行通道指的是转换器与采集器之间的通信线路, 主要有总线抄表系统、载波抄表系统和红外抄表系统等三种方式。通信信道上行通道指的是转换器与主站之间的通信线路, 可以采用电话、无线、专线等通信介质。
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(4) 系统管理软件功能。系统管理软件以通讯为基础, 以数据库为核心, 提供数据处理、查询、统计、报表、备份等功能; 采用面向对象和模块化相结合的方法, 灵活支持不同客户的要求, 如特殊格式报表, 权限控制等; 持客户原有的管理系统, 可与其它管理软件接口, 提供数据接口和通讯接口, 具有网络通讯功能; 可同时管理多个小区, 对各小区设置通讯参数; 电表管理, 设置电表的原始参数、地址、及其状态; 费率管理, 可任意设置多种费率, 设置能源的单价; 用户管理, 管理和控制每户的用量,管理用户的结算式; 实时抄表功能, 系统可抄取各能源表的实时数据; 费用自动计算, 实现将公共能源损耗平均分摊或按比例分摊到每户并根据查表数据和单价, 自动计算每产应交费用, 以便向用户收费; 打印功能, 打印各用户费用清单; 查询功能, 可随时查询任一户、任一单元全部住户及整个小区内所有住户的耗能信息。
1.2.3 无线抄表
无线抄表是利用空间的无线信道实现数据传送的, 这样的抄表方式毋须置疑是最为简单、方便的抄表模式, 甚至在最近建设部某通讯规约的讨论稿中也初定了三表无线抄表使用的无线电频点, 但无线数据传输存在着在建筑物对无线电信号的反射、吸收等作用下, 信号传输不稳定的问题, 另外表具安装位置、空间抗扰等也对其稳定工作有较大影响, 同时无
线电表产品自身也存在功耗等问题, 因此该模式概念上虽然都很好, 但真正大面积推广应用还有相当的历程。
旧的事物消亡, 新的事物产生, 是辩证唯物主义发展观中事物发展规律必然趋势, 同样智能电表的发展是也是随着科学技术的不断进步而必然前进的, 市场的需求也进一步推动了该产业的进步, 因此, 无论各地的用电管理部门还是智能电表生产厂家, 都迫切需要有一个规范化的标准, 以使目前的电表行业早日步入规范化、标准化的发展道路。
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1.3 本设计电度表的主要特点
本设计电度表是在机械式电度表的基础上加入了微处理单元电子电路，实现了自动抄表，同机械式电度表相比，主要有以下几个特点：
1）电度表的窗口值完全复制
微处理单元能将电度表的窗口值完全复制，即内存单元中的读数值与该表计数器窗口显示值无差。该特点优于任何一种以脉冲式电度表。因为脉冲累计式的产品不可避免地丢漏脉冲而产生误差。
2） 无需设置初值
任何一类脉冲表，开始工作时都不可避免要设置初使值，每当抢修、停电（计算机系统）、核表等都如此，而本产品不需要。因而大大地方便了电度表的安装与使用。
3） 可靠的计量性能
因不改变原基表测量电路及元件，仅对其机械计数器进行光电编码，复制计数器窗口值，这样就保证了原基表的测量精度。
4）方便的召唤读出方式
当上位机下发读表指令时，微处理单元校核指令正确后读表，通过RS-485上发窗口值，这样即取即读，节约了通道资源，同时保证了数据传输的可靠性。
5） 功耗少
因采用了召唤读出方式，且处理单元所用芯片为低功耗CMOS电路，所以未召唤读表时，编码器不加电，耗能极低。
2. 智能电度表的硬件设计
2.1 工作原理
此智能电度表的技术核心部分是对感应式机械电度表的机械计数器直读并远传，它由以光电器件为核心的偏码器和以单片机为核心的处理器两部分组成。
编码器就是对原有的机械计数器进行改造，加装光电编码装置，它由底板和垂直插板构成，计数器的字鼓上开有两个不同型状的透光孔，在立板的电路上焊有对称分布放置的发射及接收微封装光电耦合对管。这样
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当计数器的字鼓置于两个立片之间时，就能根据发射接收对管和字鼓上透光孔相对位置的变化编制出不同的二进制码。
处理器以单片机为核心的电路构成。CPU通过串行接口收到的远端上位机下发的读表命令后，它逐位读取各位计数器字鼓对应的接收管的电压（每个字鼓有五对发射接收对管），据电压的不同按照特定的编码原则，把每个字鼓上的窗口值转换成相应的BCD码。 并通过RS-485送出读数值。
由于选用了具有内置程序存贮器和串行通讯口的89C2051单片机，使得外围电路得到很大的简化，体积也相对地减小，可以在不改动电度表内部结构的基础上把微处理单元安装于电度表内，达到计量不出表。从而提高了计量的准确性和可靠性。另外，还可用程序追踪判定读数正误，更提高了计数器的数值读数的准确度。 当CPU通过RS-485收到上位机发出的读表命令时，把命令中的地址码与从X25045中读出的本表地址码比较，当其一致时开始读表；首先把CPU的P1.7置低电平，选通TLC549，使放大的电流加到电度表计数器中的发射管；通过P1.0、P1.1、P1.2和P1.3分时选通每片CD4051，而通过P1.4、P1.5和P1.6实现CD4051的八选一，这样就可以把30路接收管的电压分时加至TLC549的模入端，CPU从TLC549读入对应的数字量；然后再置P1.7为高电平，停止读表。把采集到的值经过特定的编码方式进行编码、查表，可确定电度表计数器的示值。通过RS-485把本次的读表示值上传给上位机，完成本次的读表操作。
2.2 硬件电路设计
在本设计智能电度表的硬件电路设计部分中，CPU采用了单片机AT89C2051。单片机89C2051是20脚双列直插且具有2K字节的Flash Memory作为程序存储器，128字节的内部RAM，P3口是双功能端口。
4片CD4051组成输入信号选择电路，接收来自30只接收管的电压信号。
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30路信号选通进入A/D转换器TLC549，TLC549是8脚双列直插的八位串行A/D转换器，转换时间是17us，I/O时钟频率可达1.1MHz。
SN75LBC184是具有瞬变电压抑制的RS-485收发器,能防雷电和抗静电作用,具有热关断保护；总线上可挂64个收发器,传送数据速率在100kbit/S时通信距离可达1200m。
X25045是可编程看门狗监控E2PROM，它把可编程看门狗定时器、电压监控和E2PROM组合在单一封装之内；外部I/O采用串行操作，512 X 8位串行E2PROM，本机用于存放本表的地址号；看门狗定时器有1.4S、60mS、200mS可选。电压监控在电源电压低至1V时，复位信号有效。
硬件结构框图如图2.1
图2.1 微处理单元硬件结构
2.2.1 本设计核心芯片89C2051
ATMEL89 系列单片机是ATMEL 公司的8 位Flash 单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有Flash 存储器，因此，有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得尤为适用。
在小型控制系统中，活跃着89C2051 单片机这类简单适用的微处理器。它不仅包括了运算器和控制器，还有小规模的存储器以及输入输出接口。可以独立地完成数据的采集、处理，与仪表或PC 机进行串行通讯或接受仪表发送的数据。
89 系列单片机是以8031 技术为核心构成的器件。所以，它和8051系列单片机是完全兼容的系列产品。这个系列对于以8051为核心的系统来说，是十分容易进行取代和构造的。因此，用89 系列单片机取代8051 的系统设计是轻而易举的事。采用 89C2051 芯片作为中央处理芯片，由于该单片机采用静态时钟方式，所以节省电能，这对于降低产品的功耗十分有用。
对于一般的OTP 产品，一旦错误编程就成了废品。而89C2051 芯片内部采用了Flash 存储器：89C2051 芯片是一个带有2kB Flash 可编程、可擦除只读存储器（EEPROM） 的低压、高性能8 位CMOS 微型计算机。
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因而，在89C2051 芯片的使用过程中，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。可以反复进行系统试验。每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随着用户的需要和产品的更新换代，还可以不断地进行修改，使系统能够不断追随用户的最新要求，与时俱进。在一般情况下，可以重新使用1000 次左右。
它采用了ATMEL 的高密非易失存储技术制造，并且和工业标准MCS-51 指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPL 和Flash 存储器，使89C2051 成为一款强劲的微型计算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活和成本低的解决办法。
1) 89C2051 芯片
89C2051 芯片除提供以下标准功能：2kBFlash存储器；128 字节RAM；它还具有15 条1 / 0 引线；2 个16 位定时器/ 计数器；1 个5 向量2 级中断结构；1 个全双工串行口；1 个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路。此外，89C2051 是用可降到0 频率的静态逻辑操作设计的，并支持两种可选的软件节电工作方式。空闲方式停止CPU 工作，但允许RAM、定时器/ 计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件的工作直到下一个硬件复位。
主要性能参数：
·MCS-51产品指令系统完全兼容
·2K字节可重擦写闪速存储器
·1000次擦写周期
·2.7—6V的工作电压范围
·全静态操作：0HZ—24MHZ
·两极加密程序存储器
·128×8字节内部RAM
·15个可编程I/O口线
·两个16位定时器/计数器
·6个中断源
·可编程串行UART通道
·可直接驱动LED的输出端口
·内置一个模拟比较器
