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2、担,与毕业论文指导老师无关。4 .本人所呈交的毕业论文,是在指导老师的指导下独立进行 研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成 果、数据、观点等,均已明确注明出处。论文中已经注明引用的 内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在论文中已明确的方式标明。学位论文作者(签名):关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料(包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手 稿等),知识产权归属华北电力大学。本人完全了解大学有关保 存,使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部
3、门或机 构送交论文的纸质版或电子版,允许论文被查阅或借阅。本人授 权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索,可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发 表相关成果,一定征得指导教师同意,且第一署名单位为大学。 本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时,第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、 保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本; 学校有权 保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数 字化或其它手段保存或汇编本学位论文; 学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分
4、的阅览服务; 学校有权按有关 规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入学校有关数据库和收录到中国学位论文全文数据 库进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当 复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名:日期:指导教师签名:日期:毕业设计(论文)基于单片机的内力线远程抄表系统设计摘要摘要随着国民经济和电力事业的迅速发展,一户一表制已基本普及,企业 级的电力负荷监测、控制系统已在一些地区投入使用,取得了较好的效果 但低压电力用户由于数量多,地域分布广,电力公司的抄表工作量相当大。 因此采用新的技
5、术手段,利用本地和远程自动抄表技术,完成自动抄表并 达到实时监控电能表计的目的,同时减少人工上门抄表、数据输入等繁杂 又容易出错的劳动,提高工作效率,真正做到用电管理自动化,远程集中 抄表系统就成为电力公司解决抄表问题的一种选择。本文旨在提供一种利用低压电力供电网络、低成本、高可靠地实现公 共事业收费自动化和小区物业管理智能化的技术应用。本文讨论了数据采 集器和数据集中器的软硬件设计,并对低压电力线网络的特性等进行了分 析。在分析扩频通信的基本原理的基础上,较详细地介绍了电力载波远程 抄表系统的具体实现方案,包括硬件模块和管理软件。关键词 低压电力线网络 集中抄表 集中器 远程抄表I燕山大学本
6、科生毕业设计(论文)AbstractWith the development of economy, the consumption of electrical power has greatly increased. Because of the great amount and widespread of the power consumers, the workload of meter reading becomes burdensome. Remote Concentrated Meter Reading System is a good solution for this prob
7、lem. AMRS can help us reduce the workload of meter reading improve work efficiency and realize the management automatization.Technique of transmitting data via power line(PL), a new technique developed in recent years is used to automotive the free collecting system in public service and the managem
8、ent of uptown service o This article discussed the advantage,disadvantageand the current state of the power line carrier communication. The advantage method and current state of using spread spectrum technique in power line communication are discussed. Then the characteristic of low voltage power ne
9、twork was also compendious analyzed In this paper, after introducing the principle of SSC, design of hardware and software of the system are been discussed. The system has been put into use, the result has proved its high stability and reliability.Keywords low voltage power network; Collect meter re
10、ading system; Collector; Remote meter reading#摘 要IAbstract II第1章绪论11.1 课题背景11.1.1 远程抄表系统的研究背景 11.1.2 智能远程抄表系统21.1.3 远程抄表采用低压电力线载波通信网 21.2 国内外技术研究现状及发展趋势 31.3 论文的主要内容4第2章 远程自动抄表系统的构成及功能 52.1 远程抄表系统的构成52.2 系统工作原理62.2.1 集中器62.2.2 数据采集终端82.2.3 载波电表102.2.4 上站122.3 本章小结.13第3章 系统硬件设计 153.1 对主要单片机的介绍153.2 数
11、据采集器 173.3 数据集中器193.4 本章小结19第4章系统的软件设计214.1 数据采集器的软件设计 214.1.1 主程庠21iii燕山大学本科生毕业设计(论文)4.1.2 数据采集与处理子程序214.2 数据集中器的软件设计 254.2.1 主程序设计264.2.2 电源管理程序的设计274.3 本章小结.27结论29参考文献31附录133附录239附录343附录457致谢59#第一章绪论第1章绪论1.1 课题背景1.1.1 远程抄表系统的研究背景从十九世纪七十年代贝尔发明电话到今天信息高速公路的建设,一百 多年来,通信技术己经发生了翻天覆地的变化,特别是近年来,随着微电 子技术和
12、计算机技术的高速发展,通信技术更是日新月异。迅速发展的通 信技术已经成为人们生活不可缺少的一部分 :1:0随着城乡电网改造工程的深入和电力市场改革的深化,要求用电管理、配电管理实现智能化、自动化和科学化,配电网的自动抄表系统是用电营 业管理自动化的一个重要手段和组成部分。通过自动抄表可以实现自动、 集中、定时地抄录各用户的电量,迅速统计低压实时线损,通过银行向各 用户自动完成转账收款、电费结算,为供电部门的用电监察提供服务。当 配网电力市场开放时,提供更多的户信息和市场信息。因此自动抄表系统 是迈向配电自动化的第一步。远程集中抄表技术是利用现代通信技术和计 算机技术,结合电能表技术,实现电力企
13、业减人增效、提高经济效益的技 术措施和手段。集中抄表的媒介可以有低压电力线、双绞线、同轴电缆等。目前,大 部分建筑物内的防火、防盗、空调等系统都是基于双绞线、同轴电缆或光 缆等物理媒介进行通信的。这些通信线路,虽然通信容量较大,但造价高、 维护难,尤其对老建筑物的改造更加不易。相反只要有建筑就会有电力线, 利用电力线进行通信可以大大地减少投资和对线路的维护成本,电力线自 动抄表系统的成本低,免去了重新架设线路的麻烦,而且可最大限度地发 挥电力系统的优势。电力部门利用电力线传输数据可达到“四遥”水平, 即遥测,遥信、遥控、遥调,这样可节约大量的人力、物力和财力。因此,电力线远程抄表是最符合电力系
14、统特点的自动抄表方案,本论 文将详细论述关键部分的工作原理.1.1.2 智能远程抄表系统智能远程抄表系统基本解决了人工抄表和一般自动抄表系统的难题, 不但能够实现水、电、气表的远程查抄、计量和收费等功能,还具有通断 控制功能(控制中心需取得通断控制的合法权限),同时在系统中增加了各种 防护措施,包括防断线、防强磁干扰、防开启等,能够自动检测断线、强 磁干扰、非法检修等状态,并由管理中心计算机显示。此外智能采集器预留多个数字采集端口,可采集住户的若干报警信息并通过软件处理报警 信息,为其他系统的集成进入(如安全防护系统)留有接口。智能远程抄表系统的优越性在于:只要有用水、电、气的地方,就需要 计
15、费结算,通过集中计费系统,可以在不必进入住户住宅的情况下实现完 整、合理的分摊与结算,并降低抄取数据的费用 ;由于从读数设备到帐单打 印全部采用严密的电子数据传输,避免了人为读数错误,增强用户对计费 计算的信任度,避免了烦琐的走访式抄表,减少了对用户的干扰。1.1.3 远程抄表采用低压电力线载波通信网自动抄表系统中的通信系统,有很多方式,本论文采用低压电力载波通 信方式.低压电力线载波通信网,利用低压电力线作为AMR系统的底层数据通 道运行成本低,无疑是很方便的。具通信的基本原理如图 1-1所示。图1-1低压电力线载波通信基本原理220v AC在发送数据时,发送器先将数据调制到一高频载波上,再
16、经过功率放大后通过藕合电路藕合到电力线上。 信号频带一般为50KHz-300KHz ,峰值 电压不超过10V,因此不会对电力线路造成不良影响。 此高频信号经线路传 输到接收方,接收机通过藕合电路将高频信号分离出来,滤去干扰信号后 放大,再经解调电路还原成二进制数字信号。低压电力线载波通信网的系统结构同RS-485系统结构,采用总线结构。 在同一变压器台区下,一个集中器采集若干个采集器或电能表的数据,构 成一个总线型网。1.2 国内外技术研究现状及发展趋势电力公司为了商业收费而进行的抄表工作可以追溯到100多年前。早期的力一法是抄表员走家用户,读取用户表计的数据,并记录在抄表记录本 上由此生成用
17、户缴费所需的帐单。当抄表系统采用通信、网络和计算机技 术后,使得抄表系统可实现手持终端抄表,车载无线电抄表以及全自动抄 表(AMR,Automatic Meter Reading)。到日前为止,常见的抄表方式有如下几 种:人工抄表:由抄表员人工读取用户表计的数据并记录在抄表记录本上。 早期,是人工计算用户的用电量、用水量或用气量并生成帐单。后来,随 着电脑的广泛应用,采用电脑来加速帐单的生成和防止人为的错误。这种 基本的方式100多年来一直在使用。手持终端(手持电脑)人工抄表:这种方法可以将表计的数据人工读出并 录入手持终端,生成帐单。有些手持终端还够“聪明”可以向抄表员批示 抄表路线,指示与
18、表计有关的特殊信息(如某个院子有恶狗),提示抄表员可 能出现错误(如用电量超出正常范围、电表反转)等功能。手持终端(手持电脑)自动抄表:当各表计具有红外通信、无线电通信、 RS-232C, RS-485、电力线载波通信等接口时,手持终端可以通过通信接口 自动读取表计的数据。这种方式在表计难以接近 (如表计被锁在室内、表计 附近有恶狗)时特别有用。车载无线电抄表:通过小功率无线电收发器进行表计和手持电脑或车载 电脑的通信,抄读表计的数据,降低了抄表过程的工作量。自动抄表(Automatic Meter Reading)全自动抄表是指抄表主站 (Master Station)通过通信通道(如电话网
19、、无线电通信、电力线载波 (PLC)通信、有 线电视电缆通信、光纤电缆通信、专用线路通信等 )自动地读取每一只表计 的数据,通过遥测、传输和计算机系统汇总到营业部门,代替人工抄表及 一连串后续工作。用于电力系统的自动抄表系统按其用途分类,主要有用 于抄读低压电力用户表计的抄表系统和用于抄读变电站(发电厂)关口及大用户表计的抄表系统。目前低压用户集中抄表系统主要完成电能量数据的3第二章 远程自动抄表系统的构成及功能自动采集和处理,为电能量计费和用电管理系统提供准确的数据。1.3 论文的主要内容论文比较系统的讨论了基于单片机的电力线远程抄表系统的原理,主 要进行了硬件方便的设计,主要讨论的内容有以
20、下三点:(1)研究了远程抄表的工作过程,采用低压电力线传输。(2)分析了电力线远程抄表系统的构成、原理以及功能。(3)详细阐述了数据采集器和数据集中器的软硬件设计。7第2章 远程自动抄表系统的构成及功能本章系统介绍远程自动抄表的实现过程,电表采用的是载波电表,利 用低压电力线传输,集中器与系统主机的连接是通过PSTN (公共电话网络),这样能有效减少重新架设传输线路,有效的利用即有网络实现通信, 节省了人力,物力,财力。2.1远程抄表系统的构成台变图2-1低压电力线载波自动抄表系统框序系统构成框图如图2-1所示。采用用户载波表加载波采集终端,即可进 行电力线载波通信功能的操作,完成电能计量、电
21、压和功率测量等;集中器挂接在同一台配变器下的电力线上,根据设置的要求定时或随时通过电力 线抄收台变下所有载波表的测量数据并保存;主站计算机可通过电话网或其 他通信媒介对集中器发布设置、广播命令或抄表命令,对集中器进行综合 数据的抄收,对集中器下的任一台载波电表进行召抄或通断电控制,从而 实现远程抄表和监控功能,极大减少电力部门的劳动力,提高社会效益和 经济效益;为电力管理上等级和现代化管理水平的提高打下坚实的基础。2.2系统工作原理2.2.1 集中器抗EMI保护和电源管理模块大容量数据存储区系统硬件时钟数据集中器在抄表系统中起着很重要的作用,工作原理如图2-2所示*本地通信接口线 路图2-2集
22、中器工作原理框图集中器根据已设置好的不同的抄表方案对各载波电表实现双向数据传 送,具有内部硬时钟可与系统进行广播校时,并实施定时抄表命令,存储 抄表数据,可通过各种网络媒介与主站完成数据交换。集中器的作用是将 配变台区载波电能表连成本地网络,能自动抄录数据采集终端及载波单表 的数据,集中并存储。通过抄表器或电话线将数据传输给电力局的计算机 中心。从图2-2可看出,数据集中器是由 CPU, RAM、直流电源 、指示电 路及接口组成,是一个能通过载波接口及 RS232接口与外界通信的单片机 系统。下面简要介绍各组成部分:(1)直流电源:利用220V交流电降压后,经整流、滤波、稳压后分别得 到 +2
23、4V, +5V.(2)指示电路:指出数据集中器工作是否正常、欠压。(3)主机:由CPU, RAM以及附加电路组成运行程序,完成各项功能。(4)接口电路:具有RS232接口、载波通信接口、 RS485接口两个接口 电路。其中RS232接口和RS485接口是通过电缆进行抄表器通信、计算机 通信。载波通信接口是利用电力线与载波单表、采集终端进行载波通信。工作原理,CPU与RAM的工作原理与一般的计算机系统类似,这里 主要介绍接口的工作原理。(1) RS232 接口 由9脚D型插座与外部设备联系,D型插座所有脚上的信号电平都是 EIA 电平:“0"(+3V+15V), “1"(-3
24、V 15V)。这种电平,经过几十米导 线传输衰减后,仍能区分“ 1”或“0",而TTL/CMOS电平经导线传输衰 减后很难区分“ 1”或“0”。所以,凡是数据集中器输出到D型插座的信号 (RTS,TD,DTR)需将TTL/CMOS电平转换成EIA电平,凡从D型插座输入 给数据集中器的信号(DCD,RD,RI , CTS)需将EIA电平转换成TTL/CMOS 电平。电平转换是RS232接口的第一个功能。RS232接口的第二个功能是 传递通信的应答信号,以便步调一致,顺利地通信。(2) MODEM 功能EIA电平在30m距离内传输,衰减后仍能辨认,所以数据集中器与抄 表器之间通信,只需通
25、过 D型插座将它们相连就行了。由于直接相连,应 答信号可以免去,只需发送数据、接收数据、地线三根线相连就可以了。 超过30m距离就不用专用线了、一般借用电话线 。但电话线只能传输模 拟信号,通带很窄(30-3kHz ),而数据集中器与计算机中传递的都是数字信 号“1”与“0”其跳变部分含有很高的频率成分。如在电话线上直接传输 数字信号,将产生很大的失真,无法区分“1”与“0”造成数据传输出错。为了能用电话线传输数字信号,在发送端必须先将数字信号“1”与“0”转换成2kHz与1kHz的音频信号(属于模拟信号,在电话线的通带范围之 内),再调制到电话系统的载波上,沿电话线传输出去,在接收端再进行反
26、 变换,将模拟信号还原成数字信号“ 1”与“0”数据集中器将数据传送计 算机。这个任务是MODEM来完成。发送端的MODEM是将数字信号变换 成模拟信号、接收端的MODEM是将模拟信号变换成数字信号。(3)载波通信接口本接口的核心是电力线载波通信集成电路。在发送状态时,它把数字 信号调制成调频信号而发送到电力线上。在接收状态时,它能从电力线上接收微弱的调频信号,经限幅放大后,解调成数字信号,滤去高频谐波第二章 远程自动抄表系统的构成及功能噪声等,再整形成数字信号。A、发送电路当TX IRX输入端为“1”时,集成电路处于发送状态,具框图如图2-3 所示。图2-3载波通信发送电路数字信号经调制器去
27、控制电流控制振荡器,将“1”和“0”分别变成65kHz与67.9kHz的三角波,经正弦波发生器整形成正弦波,经自动电平控 制(ALC)到功放输出。电流控制振荡器的中心频率 fo=65kHz,由Co粗调, Ro细调。ALC实现输出幅度自动调节,当负载阻抗很高时,ALC将减少驱动,当负载阻抗低时,ALC提供大的驱动,本芯片发送电流可达60mAP-Pe 输出电压幅度由负载阻抗和输出电流决定。如输出电流不够(在传输距离远, 负载阻抗低时)可外接功率放大器。B、接收电路。当TX IRX端输入“0”时,集成电路处于接收状态。框图如图 2-4所 示。2.2.2 数据采集终端.数据采集终端是一个测量电表用电量
28、的单片机系统,如下图2-5所示。其中主机是核心,程序存在主机 CPU中。由于单元式公寓一个单元大 多为10-14户,所以数据采集终端设计为16户。表计输出的采样脉冲,经 过输入电路实现信号电平转换,再经施密特电路整形变换成方波,以满足图2-4载波通信接收电集电器开路电路9-16 户选 通 电 路选 通 电 路图2-5数据采集终端单片机对输入信号的要求。因为单片机的 P门只能通8路数据,所以16路 脉冲,要采用分时制,先通1-8路,再通9-16路,故需要经过一个选通电 路。附加电路,为确保数据采集终端安全可靠地运行:10:,除上述主要组成部 分之外,还有许多附加电路,如看门狗、掉电检测、实时时钟
29、、状态指示 电路、蜂鸣器、片外 EPROM等。数据保护是数据采集终端的关键问题之采用看门狗电路、系统复位电路和上、掉电检测电路,就是为了保护数据。实时时钟电路提供时间(年、月、日、时、分、秒)。状态指示电路,用以指示数据采集终端的运行状态,分三种 :A,正常运行时,短路片断开,“底度”指示灯闪烁。B、常亮(设置参数时除外)或常暗,表示数据采集终端工作不正常。C、设置参数时,短路片接通,“底度”指示灯常亮。数据采集终端内 装有备份电池,停电时为时钟芯片供电,以保持时间正确。“欠压”指示灯亮时,表示电池电压低,应换新电池。片外 EPROM各户的表号、电表常 数、底度、功率限额等参数及整数值用电量,
30、都保存于这个 EPROM中。 停电时,这些数据也能长期保持。2.2.3 载波电表载波电能表的工作原理如图2-6所示。载波电表的组成,以CPU为核心,由RAM、电量转换电路、接口、 直流电源等构成一个单片机系统,如下图 2-7所示。(1)直流电源,从220V交流电压经变压器降压,整流、滤波及稳压后 得到+24V, +5M +24V供载波电路用,+5V供其他电路用电。(2)主机,程序存在 CPU内的E-PROM中,RAM用于存放用户的用 电数据。其任务是:A,每当电表正转转过一圈,CPU就累计电量”们,并存入EPROM.B,接收抄表器发来的参数、表号,存入 EPROM.C,与数据集中器进行载波通信
31、。本章开始提到了数字电表,它的工作原理这里不做赘述,鉴于目前居 民用表的情况,本论文中采用载波电表,其实现方式也比较简单。接口介绍,(1)电量转换电路它的作用是电能表每正转一圈,发出一个脉冲,供CPU计数。如图2-8所示:A, B为光电头,由它采样脉冲。遮光片经过槽一次产生一个脉冲,CPU计数。而电表反转时(由潜动、抖动等因素造成),计度器也反转使数采集终端 读数比表计窗口示值大,造成多计,读数不准。为了解决因潜动等造成的 多计。采用双光电头采样电路来判别是正转还是反转,正转产生的脉冲计 数,反转产生的脉冲便记下个数(=300个),待表计正转后将反转的脉冲个 数除之后再计数,这样使能保证读数始
32、终对得准。但对输电造成的反转(脉必然大于300个)仍会计数,出现多计,使要认真的查找原因。15通,断电控 制单元本地调试接口抗EMI保护线路及电源管理电能正,反向计量装置电力线检测图2-6载波电能表工作原理框图载波电路CPU电量转换电路图2-7载波电表组成结构图(2)有线接口与载波电路这是载波电表能否实现自动抄表的关键部分,这部分电路与数据集中 器相似,不在这里重复图2-8电量转换图2.2.4主站主站在计算机上运行电力载波远程用电管理软件,经电话网或其他网 络媒介对集中器进行抄表和各种方案设置,并可通过集中器对载波电表进 行实时操作;例如,综合数据的抄读、电表实时电量读取,远程拉、合闸控 制;
33、集中器校时,广播校时等操作。主站的工作框图如图2-9所示。图2-9主站工作框图主站系统包括计算机硬件、计算机软件、调制解调器、公用电话网或电台等数据传输通道。本系统只用 1台计算机来完成表计数据的查询、建 库、以及各种处理功能。当然,也可考虑配备多台电脑,应用计算机网络 连接到电业局各部门完成各种处理功能。例如:可以实现自动、集中、定 时地抄录各用户的电量,迅速统计低压实时线损,通过银行向各用户自动 完成转账收款、电费结算,为供电部门的用电监察提供服务。通过主站操 作,用电管理人员可以随时获取所需要的各种数据信息,它是本系统最主 要的人机界面。抄表主站系统的配置如下图 2-10所示:图2-10
34、抄表主站系统配置图2.3 本章小结.本章系统的介绍了远程抄表的工作原理,讨论了在远程抄表的过程 中各主要工作部分,在这个系统中,核心模块是数据采集端,数据集中器 和中心主机。数据采集端和数据集中器用到的单片机主要是89C51,其详细的电路原理将在第三章中详细介绍。第三章系统硬件设计19第3章系统硬件设计本章进行系统的硬件电路设计,主要对数据采集器和数据集中器进行 详细介绍。单片机主要用到89C51, 89C2051等,在设计的过程中加进一些 辅助电路来构成远程抄表的系统。3.1 对主要单片机的介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器 (FPEROMFalsh Program
35、mable and Erasable Read Only Memory 的低电 压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。该器件采用 ATMEL高密度 非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活 性高且价廉的方案。a a (TStEJ (ruT<r) ifNTQ(T«)PFFPPPFR|WR) 口口 略I RD) P3 I MT*E2 MTifcLI MD。1 3 口4, 3 3 5 3 3 3F p P 3.
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37、 7P PI.5JC1AL1 L ,516p P 1.4(INTC) P3.S L615b Pl.agT"L?14m pi.fi(TCI P3,4 t813P1.1 网N”(TM P3.& dWIfP1.0 glH0)GHD匚1011P3 TAT89C51AT89C2051图 3-1 AT89C51 和 AT89C2051(1)主要特性:4K字节可编程FLASH存储器(寿命:1000写/擦循环);全静态工作: 0Hz-24KHz;三级程序存储器保密锁定;128*8位内部RAM; 32条可编程 I/O线;两个16位定时器/计数器;6个中断源;可编程串行通道;低功耗 的闲置和掉电
38、模式;片内振荡器和时钟电路;(2)管脚说明:VCC:供电电压。GND:接地。P0 口: P0 口为一个8位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1 口的管脚第一次写1时,被定义 为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据 /地址 的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验 时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。P1 口: P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口,P1 口缓冲器 能接收输出4TTL门电流。P1 口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作 输入,P1 口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上
39、拉的缘 故。在FLASH编程和校验时,P1 口作为第八位地址接收。P2 口: P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口,P2 口缓冲器可接 收,输出4个TTL门电流,当P2 口被写“1时,其管脚被内部上拉电阻拉 高,且作为输入。并因此作为输入时,P2 口的管脚被外部拉低,将输出电 流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外 部数据存储器进行存取时,P2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1时,它 利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址 信号和控制信号。P3 口:
40、 P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口,可接收输出4 个TTL门电流。当P3 口写入“1后,它们被内部上拉为高电平,并用作输 入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3 口将输出电流(ILL)这是由于 上拉的缘故。P3 口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:管脚备选功能P3.0 RXD (串行输入口); P3.1 TXD (用行输出口); P3.2 /INT0 (外 部中断0); P3.3 /INT1 (外部中断1); P3.4 T0(记时器0外部输入);P3.5 T1 (记时器1外部输入);P3.6 /WR (外部数据存储器写选通);P3.7 /RD(外部数据存储器读
41、选通);P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控 制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST脚两个机器周期 的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁 存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平 时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当 用作外部数据存储器时,将跳过一个 ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可 在SFR8EH地址上置00此时, ALE只有在执行 MOVX , MOVC指令是 ALE才起作用。另外,该引脚
42、被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止,置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间, 每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效 的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器 (0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1 :反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。3
43、.2 数据采集器采集器的线路示意图如图3-2所示。此电路有两套供电工作系统,即正 常供电情况下的供电和断电情况下的供电。在正常情况下,由市电转化后的电源供给单片机89C51和单片机89C2051工作。在这里,两个单片机都不断检测用户电表电平,当检测到 某个用户电表电平发生由高到低的变化时,单片机89C51将把记录用户电表度数的相应存储区内的用户电表度数加一,若单片机89C2051检测电平发生由高到低的变化,在把存储器 X25045内的电表度数加一之前还 需要检测一个标志位的电平,当这个标志位的电平为低时,不进行计数。显示电路按键8255k 16路选择单片机89C51存储器28C256用户电表1
44、6路选择单片机存储器电源89C2051X25045充电电路图3-2采集器线路示意图而正常供电情况下,这个标志位的电平一直为低。所以正常供电情况下, 单片机89C2051只能检测脉冲变化,而不能进行计数。与此同时,单片机 还不断检测按键电平情况,当按键电平发生有高到低变化时,单片机把对 应用户的存储区内的数据取出并送至数码管显示。除此之外,单片机还不 断检测中断接收电路中的标志位,若标志位变真,表示集中器要求该采集 器发送用户数据,之后单片机通过发送电路将用户数据发送到集中器去。在断电情况下,由后备电源(充电电源)工作,此时单片机 89C51不 能工作,一次用户数据显示和发送工作都不能进行,此时
45、单片机89C2051负责完成用户电表脉冲的检测和计数工作。当由断电情况下的工作变为正常供电情况下的工作时,单片机 89C51 首先将存储器X25045内的数据读出并与存储器28C256内的数据相加,然 后将X25045内的数据清零,这样即可完成断电检测工作。3.3 数据集中器数据集中器负责将所有采集器的数据集中存储至存储器28C256中,并负责将数据通过PSTN网传送至监控中心计算机,具体是通过单片机实现 的。其线路示意图如图3-3所示。在这里,单片机每隔24h通过发送电路依次发出指令至所有采集器, 由于每个采集器有唯一的地址码,所以一次只有一个采集器通过比较集中 器发送的地址码与本机地址码相
46、符,即一次只有一个采集器发送数据至集 中器。这样集中器通过依次发送地址码即可通过接收电路接收所有采集器 的数据。集中器单片机还不断检测中断接收电路中的远端拨号标志信号, 若检测到远端拨号标志信号,就把存储器28C256内的数据取出通过市话网 发送至远端的计算机。3.4 本章小结利用单片机89C51, 89C2051等,融合一部分辅助电路,组成远程抄表 系统,这样的设计比较简单易行,89C51系列的芯片编程相对容易实现, 论文中给出了详细的引脚功能,在对数据采集器的设计中,用了两个单片 机89C51和89C2051,这样能保证在以外断电的情况下数据的采集工作能 正常进行。图3-3集中器线路示意图
47、第四章 系统软件设计第4章系统的软件设计在程序设计方面,主要对数据采集器和数据集中器两个主要部分进行 了设计。4.1 数据采集器的软件设计在数据采集器的程序设计中,为了确保系统的可靠性和实时性,提高 数据采集器程序的执行速度和精度,节约系统资源,这里采用C语言进行程序设计。软件的功能由各个子程序完成。主要的子程序有数据采集与处 理、通信中断、存储器操作子程序和延时子程序。4.1.1 主程序主程序首先对单片机进行初始化,还包括堆栈指针设置 ;端口的通信方 式;定时器的预分频系数和初值设置,串行通信的控制寄存器和波特率寄存 器的设置等,并且调用数据采集与处理子程序对电表进行流量采集,利用 存储器操
48、作子程序对数据进行存取,通过通信中断子程序响应数据集中器 的命令。其工作流程图如图4-1。在主程序设计中,为了满足系统的低功耗,在硬件上做到选择合适的 低功耗芯片,实现低功耗的目的。手段之一就是在数据采集器工作空闲通 过SLEEP指令将单片机设为低功耗方式,这种方式功耗最小,而且所有I/O 脚都能保持SLEEP指令执行前的原有状态。4.1.2 数据采集与处理子程序数据采集与处理子程序是数据采集器程序设计中的重要部分13它通过对串行通信接收到数据进行分析、比较、判断并转入存储器操作子程序 进行数据存储。数据采集与处理子程序的程序流程图如图4-2所示。在数据采集器进行数据采集时,它仍可响应通信中断
49、,但不是立刻处 理,只是将中断标志位置为1,等待其将8个通道的数据扫描完后,再去响 应通信中断。这样做主要是为了不丢信号。27图4-1主程序流程图图4-2数据采集与处理程序流程图每采集一个通道的数据,都要与光电采样电路标定的电平进行比较、 判断。采样电路标定结果 如表4-1所示。表4-1采样电路标定结果发讯电表可能出现的状况模拟量A (V)数字量D(VDD=5V)断路5.0V>A4.6V255>D235信号高电平4.6>A2.9V235>D148信号抖动状态2.9V>A2.5V148>D128信号低电平2.5V>A0.7V128>D36短路0.7
50、V>A0V36>D0对于信号发生抖动(其实是一种临界状态,处在高低电平之间),在处理 时直接将其剔除,等到下一采集周期重新进行采样并判断。通信中断子程序,通信中断程序负责与集中器的通信并执行数据集中 器下达的各项指令,如图4-3所示。在接收集中器命令帧时,为了防止长期 处于侦听接收数据状态,进而影响对电表的采集过程,所以对接收过程进 行计时,从数据集中器唤醒数据采集器开始 250ms内数据未接收到或通讯 字节接收时间间隔超过2. 5ms,则终止此次通讯。当数据接收完毕之后,需对命令帧进行检验,保证命令帧的可靠性。 通过以下步骤实现:检验报头,检验报文长度、累加校验报文、检验报尾。
51、任何一步检验报错均视为干扰信号并中断检验,返回到主程序中。只有以 上四个步骤的检验都通过,才确认为正确的命令帧。对通过校验的不同命令帧,数据采集器处理方法有所不同,但差别不 大,均需经历以下几步:检验命令所指采集器地址与采集器地址是否一致 ;通过总线读取存储器,获取所需表的抄收数据;根据规定的应答帧格式建立应答帧;通过RS-485总线向数据集中器发送应答帧;返回主程序。存储器操作子程序,存储器操作子程序包括对28C256的读操作和写操 作。读操作是在向数据集中器发送应答帧时进行的,写操作是在数据采集 上来并处理好后进行的,这部分非常重要,因为系统一旦工作后,记录的 数据是绝对不能丢失的。图4-
52、3通信中断子程序流程图延时子程序,据采集器工作时,很多情况下需要延时环节。在通道A/D 转换期间,对通道的操作都会引起模数转换中断,造成无法获得模数转换 结果。因此,程序设计中的延时子程序相当重要,延时子程序的延时时间 必须足够大,但又不能过大,以免影响整个系统的运行速度。对于长时间 延时,一般采用循环来实现.4.2 数据集中器的软件设计数据集中器的软件功能同样有很多子程序实现 :14:,其中的通信中断子 程序、存储器操作子程序、延时子程序都与数据采集器的子程序相同,在此只对其主程序和电源管理子程序作一介绍。4.2.1 主程序设计图4-5主程序流程图主程序负责轮询16个数据采集器,对采集数据进
53、行处理和存储,同时响应管理中心和IC卡抄表器的命令,主程序流程图如图 4-5所示由于89C51只有一个串口,而系统既要与上位机通信口51又要与下位机通信,在设计时采取的措施是:接收或发送上位机时,下位机屏蔽;接收或 发送下位机时,位机屏蔽。其中通信中断子程序1用来接收和解析管理中心下传的命令并执行相应操作,如开户时对采集器初始化表底数,上传电 表表数据等操作,具操作和数据采集器的通信中断子程序类似;通信中断子程序2用来接收抄表器命令并上传抄表数据,其操作和数据采集器的存储 器操作子程序类似。4.2.2 电源管理程序的设计电源管理程序是对电源模块进行管理,程序流程图如图4-6所示电源管理程序主要
54、负责检测蓄电池的电压:16:,根据电平高低进行恒流、 恒压、浮充充电,充电过程中的各种状态由两个指示灯显示。YellowLED亮表示恒流充电:YellowLED间隔亮表示恒压充电;GreenLED亮表示浮充充 电;GreenLED闪亮表示浮充放置。4.3 本章小结.在本章中,对数据采集器和数据集中器进行了软件设计,给出了软件 流程图,另外,还作出了电源管理的程序流程图,来进一步增强系统的控 制能力,使远程抄表系统的功能进一步完善。图4-6电源管理流程图结论结论低压电力线载波自动抄表系统适用于电力部门对居民区、工厂、变电 所等用电区域或者居住小区、工厂内部用电状态数据的管理。它具有远程 自动采集
55、,数据集中,交费管理,用电统计分析,复合监测以及综合查询 等项功能,对电力部门推进配电自动化,实现规划中的分时计费方案有着 重大意义。本系统具有技术水平高、可靠性好、数据准确、适应性强、功能全、 模块体积小、功耗低,系统操作界面简单易懂、安装维护方便。就现在的 方案来说电力远程集中抄表用到了自动控制技术,通信技术,程序设计以 及数据库技术,整个系统是比较完善的。这套系统的使用极大地减少电力 部门的劳动量,为电力企业上等级和创优必将起很大的作用,同时提高了 电力系统的现代化管理水平,有很好的社会效益和经济效益,对系统稍加 扩充,便可完成对煤气表、自来水表的自动抄收,从而推进智能化小区的 建设。但是,我们也应该清醒地认识到,从我国集中抄表系统的整体发展 水平来看,要满足大面积推广使用的的要求,在系统的可靠性及数据传输 质量上还有待进一步的提高。成都电业局于1998年在本市一些片区投入3000多万元推出集中远程抄表系统,收到了较好的成效。但在运行中也发 现了一些问题,如与集中器连网的电话线有时出现故障,而且系统的维护 量较大,有时抄表成功率不高,而且相应的电表也比较贵。这些需要电力 科技工作者不断努力,拿出更好的产品回报社会。我们相信,随着这项技术的不断应用和改进,必将对电力系统减人增 效、提高劳
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