智能电度表设计(一)信息工程毕业论文(5)
2013-06-01 01:23
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4) RS-485总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系
在设计RS-485总线组成的网络配置（总线长度和带负载个数）时，应该考虑到三个参数：纯阻性负载、信号衰减和噪声容限。纯阻性负载、信号衰减这两个参数，在前面已经讨论过，现在要讨论的是噪声容限（Noise Margin）。RS-485总线接收器的噪声容限至少应该大于200mV。前面的论述者是在假设噪声容限为0的情况下进行的。在实际应用中，为了提高总线的抗干扰能力，总希望系统的噪声容限比EIA RS-485标准中规定的好一些。从下面的公式能看出总线带负载的多少和通讯电缆长度之间的关系：
Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias) (2-3)
其中：Vend为总线末端的信号电压，在标准测定时规定为0.2V；Vdriver为驱动器的输出电压（与负载数有关。负载数在5～35个之间，Vdriver=2.4V；当负载数小于5，Vdriver=2.5V；当负载数大于35，Vdriver≤2.3V）；Vloss为信号在总线中的传输过程中的损耗（与通讯电缆的规格和长度有关），由表2-7提供的标准电缆的衰减系数，根据公式衰减系数b=20lg(Vout/Vin)可以计算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通讯波特率为9.6kbps，电缆长度1km，如果特率增加，Vloss会相应增大)；Vnoise为噪声容限，在标准测定时规定为0.1V；Vbias是由偏置电阻提供的偏置电压（典型值为0.4V）。
式（2-3）中乘以0.8是为了使通信电缆不进入满载状态。从式（2-3）可以看出，Vdriver的大小和总线上带负载数的多少成反比，Vloss的大小和总线长度成反比，其他几个参数只和用的驱动器类型有关。因此，在选定了驱动器的RS-495总线上，在通信波特率一定的情况下，带负载数的多少，与信号能传输的最大距离是直接相关的。具体关系是：在总线允许的范围内，带负载数越多，信号能传输的距离就越小；带负载数据少，信号能传输的距离就发越远。
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5) 分布电容对 RS-485 总线传输性能的影响
电缆的分布电容主是由双绞线的两条平行导线产生。另外，导线和地之间也存在分布电容，虽然很小，但在分析时也不能忽视。分布电容对总
线传输性能的影响，主要是因为总线上传输的是基波信号，信号的表达方式只有“1”和“0”。在特殊的字节中，例如0x01，信号“0”使得分布电容有足够的充电时间，而信号“1”到来时，由于分布电容中的电荷来不及放电，(Vin+)—(Vin-)-还大于200mV，结果使接爱误认为是“0”，而最终导致CRC校验错误，整个数据帧传输错误。
由于总线上分布影响，导致数据传输错误，从而使整个网络性能降低。解决这个有两个办法：
（1）降低数据传输的波特率。
（2）使用分布电容小的电缆，提高传输线的质量。
RS-485通讯标准的特点是抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远。在采用双绞线，不用MODEM的情况下，在100kbps的传输速率时，可传送1200m，若速率9600bps，则传送距离可达1500m。它允许的最大传输速率为1 OMbps传输距离为15m时)。RS485通讯标准允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器对，目前已在许多方面得到应用，尤其是在多点通信系统中，是一个很有发展前途的串行通信接口标准。
2.3 本设计电度表的误差分析
自九十年代起,智能电度表逐渐进入市场。目前已在电能计量仪表中占有一定的份量,国内外的生产厂家数目日益增多。由于电度表是计费的依据,关系到供电单位和用电者的权益,所以双方对于计量误差都很重视。
电度表的误差和任何测量工具一样是在所难免的。在工程设计方面,自然是必须力求其降至最低,但极需配合市场的接受能力划出一个界限,不能漫无限制地改进。在选用智能电度表时,应注意性能和价格的关系,必要时可以参考前面的表格。对太廉价的产品,应进一步查询考证其测量准确度的可靠程度。
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目前智能电度表依其对电量的检测方式,可分为全电子式和机电一体式两类。因此对电度表而言,无论是全电子式、机械式或机电一体式都是在可能的价格范围内对电压u(t) 及电流i (t) 作最精密的测量,然后以最精密的时间积分而得到最准确的电量。
全电子式电度表最大的弱点在于当电子线路受到损害之后,所有的资料将完全损失,很容易造成争议。所以有厂家采用步进电机和CPU 控制的脉冲发生机构相连,以机械方式辅助记录。但这种做法一方面增加成本,另一方面由于步进电机经常发生遗漏脉冲的现象,常常使得机械记录和电子记忆有明显的差异。这种误差由于其是动态发生的,所以无从估计。
机电一体式电度表的测量误差来源有两方面,一是机械表芯对电量测量的误差,另一是电子部份检测机械表芯时的误差。
2.3.1 机械表芯测量误差
机械表芯是将被测电量转换成铝盘的旋转圈数,然后以机械计数器显
示。这种测量方式已使用了数十年之久,所有误差都有 规范可循,成为一种完全成熟的技术。最重要的是这种计量方法已得到售电和用电双方广泛的支持与接受,采用这种单元作为计费基础完全能被市场认可。由于计数器不会因为电路的冲击而变动,所以当发生异常现象而使电表损毁时，机械表芯仍能维持损毁前的最后记录,可供参考。
2.3.2 电子检测误差
在机电一体式结构中,电子电路必须从机械表芯旋转元件(铝盘) 读取转动量作为计量资料。常用的读取方式可分为电磁式和光电式两大类。
(1) 电磁式读头误差
电磁式读头是基于霍尔效应的原理,在表芯转轴上加装一永磁转子,和在表芯支架上安置一电磁检测芯片而成。每当转子通过检测芯片附近时,将使检测芯片产生一感应脉冲。计算此脉冲量可测得转动量。由于磁场本身并无明显的界限,所以脉冲产生的门槛就没有清晰的界限。在快速旋转时,这种现象造成的影响不大。但由于铝盘的旋转速度会随着负载的不同而有很大的差异,可能快至每秒1 圈以上,也可能慢到每5 分钟1圈或更低,所以当此模糊界限通过霍尔集成块时,不论是由于机械振动或电路振荡,都可能造成多重脉冲而引起误差。加滤波电路的办法又因转速覆盖的范围太广,使得适当的时间常数非常难以决定。此外,由于额外的磁元件引入到表芯之中,或多或少会干扰电磁测量部件而使测量误差进一步增加。
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(2) 光电式读头误差
光电式读头有遮断式和反射式两种,它们都是由一个红外线发光二极管及一个光敏三极管组成。如果用遮断式,就必须在表芯内增加一个与铝盘同步同轴转动的扇形盘,来间断性地遮断红外线的通过,在光敏三极管上造成脉冲。反射式则以铝盘做反射面,只要将适当的扇形区域涂黑阻止反射,即可产生所需的脉冲。不管是遮断式还是反射式,其扇形区的界限都不可能非常的光洁,再加上铝盘转动速度的范围极广,因此与电磁式一样,在超低速时如何避免误读是一个极具挑战性的技术难题。
3. 软件设计
3.1 软件设计的思想和方法
工业用智能电度表，主要用于电力部门的发电厂、变配电站进行电能的收费、计划、统计电量等。其次用于工业大用户，进行电能量的计量，收费和工业自动化等方面。因此电能的采集一般由集中器或RTU下表发命令完成。电度表本身收到的命令有两类：即设置表号（表地址）命令和读表命令。
软件主要完成的功能有主程序、串口中断子程序两部分。其中主程序完成I/O电平、X25045的设置；看门狗定时常数设为1.4S，并且在主程序中循环复位定时常数。
串口中断子程序完成设置表号、读表和上传计数值。上位机向电度表发送的命令格式为：“EB 90 EB 90 表地址码 命令码 校验码”，“EB 90 EB 90”为同步字节，命令码为“00” 并且表地址编码的最高位为“1”时，表示设置表号，而“01”表示读表。电度表向上位机发送格式为：“EB 90 EB 90 表地址码 表计数值（六位BCD码）校验码”。
3.2 软件流程图
图3-1 主程序流程图
图3-2 串口中断子程序框图
4. 结论
本主要研究了智能电度表的硬件设计，在硬件的研制过程中考虑到了可靠性及实用性。但是由于研究时间和条件上的限制，本设计还有许多需要改进的地方。比如，在软件的设计中，只是笼统的给出了软件流程图，没有具体的程序，由于时间上的限制，没有全部完成非常遗憾。希望可以在以后的时间加以完善。智能电度表在我国具有巨大的发展潜力，虽然起步较晚，但势头非常迅猛。在鉴于我国幅员辽阔，各地、乃至同一城市不同区域的电网结构、电网布局以及负荷情况都不相同的实际情况下，本着降低成本、提高可靠性的原则，因地制宜地开发出各种适宜的智能电度表。这样，一个城市或电业局可以真正实现电能自动监测、调度管理系统，使我国的电能自动化管理水平向前迈进一大步。
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在一些城市住宅建设发展较快的城市，已经有多个智能化小区安装了智能电度表。对于电力行业管理者来说，对各类不同用户的不同用电负荷可以进行准确地记录，是智能电度表最吸引他们的地方。业内人士预言，随着各种智能电度表产品的问世，“人工抄表”退出历史舞台，智能抄表系统“一统天下”的日子不远了。
① 社会效益分析
(1) 智能电度表为“一户一表”工程的实施提供了有力支持。
(2) 智能电度表能够使抄表人员从抄抄写写中解放出来，投身到“优质服务”中去。
(3) 智能电度表能够避免抄、核、收环节中人为造成的人情电、关系电和抄表差错等一系列因素，减轻了居民负担。
② 管理效益分析
(l) 智能电度表能够提高抄表质量，避免估抄、漏抄和错抄。
(2) 缩短抄表周期，避免因工作量大而导致的“双月抄表”现象。
(3) 智能电度表可实现“同步抄表”。即总表和分表同时抄录，有利于线损计算。
(4) 智能电度表可实现对用户异常用电的实时监控，遏止窃电现象。
③ 经济效益分析
(l) 节省人力的效益：智能电度表可节省几十名至几百名工作人员，假如
每个抄表员每月抄表1000户，每人年薪1.5万元。智能电度表可直接经
济效益达几十至几百万元。
(2) 降损效益：智能电度表系统能够挽回线损损失。它带来的利益不仅仅
只局限于直接经济效益。实际上，其所带来的隐含的、间接的经济效益则
远高于直接带来的经济效益。
智能电度表的新技术展望主要是电能表和智能抄表技术的新技术展望。各种智能电度表都有其特点，有其相适应的应用环境和存在条件，我们在现有技术的基础上，结合各种系统的优势和长处，使其扬长避短发挥出更大的优势。
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（1）、网络化电度表
电能计量信息网络是一个由电能计量与智能抄表系统集成的新概念，其中电度表本身应带有上网接口并具备通讯能力。设计好网络的硬件编码、技术指标与功能、通信规约、软件平台与数据格式统一，要做到原有各系统接口统一与兼容。实现实时抄表、实时计量与分析实时管理。
（2）、多用户智能化电子式电度表
这种模式是多个用电户共取一个公共电压，而每个用电户的电源进线处只需装一个CT即可，这些采集到的电流、电压信号就地由微处理器处理。所有用电户的用电信息都交由设在异地的一台微机来处理、记录和存储，见不到传统意义上电度表的踪影了。
1）基于移动无线网络(GSM)的抄表系统
GSM智能抄表是一种基于智能小区完善的硬件环境发展起来的自动抄表技术。这种完善的硬件环境主要是指完善的居民住宅小区智能化管理系统，主要包括住户信息管理、安防(防盗防入侵系统；电视监控；门禁系统)和通讯(闭路电视；电话程控交换机；无线基站)等功能模块。其智能抄表的基本思路是：所有用户的数据通过蜂窝移动无线网GSM以短信息(SMS)的模式上传到GSM网的SMS中心；SMS中心将接收到的数据通过专线传递给用电管理部门等的数据处理服务器。由于现在GSM网的覆盖面已几乎遍及全国，故构建这种智能抄表系统时，完全可以利用现成的GSM无线网而不需再新建基站，而且，这样的智能抄表系统一旦开发成功，可直接向有需求的地方推广，不需因地域的不同而进行改造。
2）INTERNET抄表
现代居民住宅小区智能化管理系统的一个最新发展动态是“一切都上网”，宽带网线路建设及网络花费一天天降低，使这一切变得越来越现实，有线电视、IP电话、远程医疗、网上购物等全方位服务，可视电话以及电表，水表和防盗/防灾探测报警器等都联到网上，由居民区的物业管理部门完成对本小区所有居民用户的生活和消费的网络化管理。在这样的网络化管理模式下，智能抄表只是该系统所具有众多功能中的一种，随着这种管理系统的不断完善和健全，智能抄表在其中所占的成本消耗将会不断下降。
3）蓝牙技术
蓝牙技术(1998年出现，是一种采用2.4GHz IMS[Industrial，scientific and Medical]频谱的短程无线技术，主要用来打破现时一般以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。蓝牙技术的迅速扩展给我们以新的启发：能否将蓝牙技术用于自动抄表? 有人说，蓝牙技术离能真正实用还需一、两年的时间；还有人认为，蓝牙技术不会往自动抄表方向“伸腿”，因为相对于现在的蓝牙芯片来讲，有些已有抄表技术的成本比较低；但有人想到，对那些利用现有自动抄表技术很难抄到的所谓“死角”处的电度表，利用蓝牙技术可能再好不过了。蓝牙技术到底能否在智能抄表方面获得应用无需争论，但作为从事微机化测量技术与仪器仪表研发的工程技术人员，应该在每一项新的计算机、网络、通讯和微电子技术诞生之后就立即着手考虑，它能否给自己所从事的科研带来革新性的发展和变化。
致 谢
经过几个月的努力，我终于完成了智能电度表的硬件设计，可以说是如释重负，倍感轻松，在此对老师们的指导和教育表示由衷地感谢。
在此，首先我要向我的指导老师张伟，致以衷心的感谢。他工作认真负责，一丝不苟，及时的询问我们做课程设计的进度。对同学的帮助不是简单告诉，而是让我们用自己掌握的知识进行探索，最后，在一起经过激烈的讨论，得出结果，使我们能够形成自己的学习方法。并且督促我们养成良好的学习习惯和严谨的科学作风。最重要的是，张老师反复强调对待困难不要轻易放弃，要坚持不懈。这不仅使我顺利的完成课题，更培养了自己乐观向上的科研精神，这种精神也会无形的鞭策我在以后的工作学习中做事认真，精益求精。
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另外，我还要感谢在这四年中所有教过我的老师们，正是他们的辛勤工作，使我在这四年之内学到了丰富的知识，培养我自学自立的学习风格，在不断的学习中完善自我，充实自我。在此我再次表达我对所有教导过我的老师们的诚挚谢意！
最后，要感谢我身边的同学们，在遇到许多自己不懂的问题时，他们给我不小的帮助，是他们不断的支持我做完最后的工作。在这里对他们表示真心的感谢！
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