基于ATC的远程抄表系统设计

1、基于AT89C51的远程抄表系统设计摘 要介绍了一种崭新的以AT89C51单片机为核心器件,结合外部元件设计的远程抄表系统设计方案。并介绍了具备远程数据采集功能和数据通信功能的系统的硬件设计和软件设计。经投入使用,表明该系统的各种功能都能达到预期效果,效果较好。另外还进行了抗干扰分析，并从硬件和软件上进行了抗干扰设计,对印制电路板的电磁兼容问题给了一些相应的解决措施，并在ansoft中进行了性能仿真。从而使系统抗干扰性能有了明显的提高。该课题对电力系统中电能管理有一定的适用价值，同样还可以推广到其他相关的一些行业，有较高的社会推广价值。本文对整个抄表系统进行了较为全面的设计，着重对系统底层的能

2、耗数据的采集和集中、数据通信网络和通信方式等做了较为详细的设计。在硬件上对CPU数据存储及其监控电路、数据传输、通信标准、时钟电路、串口扩展、电能采集和显示电路都做了详细的论述。并且广泛应用的RS-485电气接口的串行通讯技术作为通讯方式。在软件上对数据进行采集、通信、显示子程序、校验子程序等做了详细的说明。该远程抄表系统实现了多用户的电能信息的远程自动抄表，能够实现住宅能耗计量的高质量和高效率管理。关键词: 远程抄表; AT89C51单片机; RS 2485Design of remote meter reading system based on AT89C51AbstractUsing

3、AT89C51 single-chip microcomputer as the core device, combined with external components , the design of a remote meter reading system is presented in this paper. The hardware and software systems which possess the remote data collecting and date communication functions are also designed in this pape

4、r. The system has been used in practice, The results show that the various features of the system achieved the desired results and good effects. In addition, anti-interruption performance and adopt according the precaution based on the hardware and the software, to improve the system's reliabili

5、ty. Give some methods to solve the EMI/EMC problem of the printed circuit. Emulate the EMI/EMC performance of the printed circuit in the ansoft software. Generally, the study on the topic will develop a high level on the electrical power system management. And it is very worthy of generalization and

6、 application. The article gives an all-round design of this system. It expatiates on detail designs of data capturing and collecting, data communication network and mode. In this thesis, about the hardware, a particular explanation of the choice of CPU、inspect circuit、data memory etc were given. And

7、 it uses asynchronous serial communication technology based on RS-485 electric interface as communication means. The software, we give the program of impulse collection、communication、display and so on. This Long-distance meter reading system realizes the multi-user power information remote automatic

8、 transcribing, can realize residential energy consumption of high quality and high efficiency metrology management.Key words : remote meter reading ; AT89C51 single-chip microcomputer ; RS24851. 绪论11.1 远程抄表系统的国内外概况1 上层星型通信方案2 底层总线型通信31.2本课题研究的背景，目的和意义51.3 远程抄表系统6 抄表系统的选型及其特点6 远程抄表系统构成61.4 本文所做的工作72.

9、 抄表系统的模块功能设计82.1 抄表系统的整体结构82.2 抄表系统的各功能模块设计9 CPU的选型9 外围存储及其监控电路模块11 数据的上传模块15 时钟模块19 电能的采集和计数模块21 显示电路232.3 本章小结243. 抄表系统的软件设计253.1 软件设计要求25 易理解性，易维护性25 实时性能26 可测试性26 准确性26 可靠性263.2 主程序的软件设计273.3 子程序设计27 清零子程序的设计29 接受数据与通信的程序设计29 数据采集子程序30 脉冲采集程序31 显示子程序32 校验子程序33 数据传送子程序343.4 硬件电路驱动36 数据存储芯片 X54053

10、6 时钟芯片 DS130236 数据上传 MAX232芯片36结论37致谢38参考文献391. 绪论1.1 远程抄表系统的国内外概况 远程抄表系统又称自动抄表系统,国外称为Automatic Meter Reading System，通常缩写为AMRS。它是将终端用户电表单元的数据采集后，通过现代传输通讯技术送到远端管理部门进行数据处理的系统。采用远程抄表技术，不仅能节约人力资源，更为重要的是可以提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造 成账单出错，使供管部门能及时准确获得数据信息。由于用户因此不再需要与抄 表者预约上门抄表时间，还能迅速查询账单，这种技术越来越受到用户的欢迎。远程抄表系统广泛应

11、用于电力部门。随着公用事业部门的现代化管理需要，智能化住宅概念的推广，此项技术在近年来在国内外取得了迅猛的发展。对该项技术的研究也从各个角度展开，从国内外相关技术拓展报道看,市场前景广阔。 九十年代以来，美国在AMR技术的开发和应用上取得了长足的进步。据资料披露，美国在1990年度，共有791项AMR应用项目，其中约有550万台电表实现了自动抄表;而这个时期主要是采用的EMR(Reading and entering data on a hand-held computer keyboard)采用手持计算机的人工抄表:随后开发了OMR(off -site meter-reading)无线方式的

12、户外抄表。是指通过车载无线电自动抄表。九十年代以后，随着电子及通信技术的发展，出现了以电力载波、电话网、有线电 视网、无线通讯为媒介的AMR技术，并在以美国为代表的西方发达国家广泛的推广应用。 信息化社会在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时,也对一些传统的理念提出了挑战。随着科技的进步、人民生活水平的提高,在智能化小区的管理系统中,安全自动化、通信自动化和管理自动化是三个主要的特征。耗能表(冷、热水表、电表、煤气表)数据抄收问题是衡量小区管理水平的一个非常重要的 ,不可回避的问题。对于它们的抄收问题解决是否有效将直接影响到居住的安全性、便捷性 ,也影响到物业管理工作。以往耗能表的抄收采用人

13、工方式,不能保证数据的准确性和实时性,会造成大量的人力、物力及时间上的浪费,也可能造成错抄、漏抄、估抄的现象,给收费人员和住户带来很大的麻烦,甚至造成很多不必要的纠纷。因此远程抄表系统既能满足实际要求,又能提高能源管理的自动化水平和现代化水平,是促使人工抄表方式向数字化、 自动化方向发展的方式。这样,远程抄表系统成为了小区“智能化建设”的一个重要的部分,成为新兴智能小区的必备条件。 上层星型通信方案 星型通信系统是以安装在供电局管理中心的系统工作站为中心点，以发散形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，形成一对多的连接形式。在这种方式下，信道的通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽

14、。根据信道的介质可以分为光纤、电话线和无线三种模式。 (1)光纤通信 光纤通信具有带宽、传输速率高、传输距离远以及高抗干扰性等特点，非常适合上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现T型连接，不能实现总线结构(除非采用光纤环网技术)，因此特别适合于星型连接。由于目前星型连接节点造价高，安装费用也比较高，在ARMS系统中无法采用。随着光纤技术和网络技术的发展，不久以后再ARMS系统中使用光纤通信网进行上层通信将是一种很好的选择。 (2)电话线网 由于电话线网在城镇的迅速普及,利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效的方案。利用电话通信，只需在数据集中器和管理中心主机加调制解调器(Modem)即可

15、，其通信速率可达2.4kbs,9.6kbs甚至56kbs。主机对集中器的呼叫主要通过拨号由交换机自动完成。 (3)无线通信网 利用无线电波进行无线通信，对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信是一种较好的选择。其特点是传输频带较宽，通信容量较大(可达几千台)，通信距离较长(一般几十公里，还可以通过中继站延伸到更远)。在进行通信时，管理中心主机控制无线电台发出呼叫命令，各集中器收到命令后进行地址对比，如正确则发出应答信号，完成数据链接的建立，然后进行数据通信。使用这种通信方式，安装调试方便，主要缺点是要申请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻的两个信道会产生相互的干扰。一般情况下，小型无线电台的

16、通信速率较低，常用600bs或者1200bs，且设备安装成本较高，所以这种通信方式的使用场合有一定的限制，多用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。 底层总线型通信 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的，这种方式以一条串行总线连接各分散的采集器或电度表，实现各节点的互联。在这种方式下，信道上节点较多，传输速率不高(与通信介质有关)，传输距离短，不超过2000m，因此一般用于底层电能数据的采集。常用的模式有低压电力线载波通信、RS-485网等。 (1)低压电力线载波通信 利用低压电力线作为AMR系统的底层数据通道其运行成本低，无疑是非常经济的方案。在发送数据时，发送器先将数据调制

17、到高频载波上，再经过功率放大后通过耦合电路祸合到电力线上。信号频带一般为50-300kHz，峰峰值电压不超过l0v，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，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经过解调电路还原成二进制数字信号。低压电力载波通信网的系统结构与RS-485系统 结构相同，采用总线结构。在同一变压器区域下，一个集中器采集若千个采集器或电度表的数据，构成一个总线型图。但是，利用低压电力线作为传输信道还存在许多问题。 首先，低压电力线信号特性决定了电力载波传输的复杂性。低压电力线的衰减(高频信号)是低压电力线载波通信所遇到的一个问题。信号的衰

18、减与距离的关系，一般来说，成正比关系，传输的距离越长，信号的衰减程度也就越大、衰减得越厉害。但是由于电力线是非均匀的、不平衡的传输特性，其接上的负载阻抗也不匹配，所以信号也会遇到反射、驻波等现象:信号衰减与频率的关系，一般来说，频率越大，则衰减得越厉害;信号衰减与跨相传播的关系，通常的同相传播的信号要比跨相传播衰减要小:信号衰减与电源相位的关系，有时高频信号在工频电源的每个相位范围时会发生较大的衰减变化，这些电路上通常有大量电 容器或大功率电器，会引起高频信号的急剧变化，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

19、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千扰，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

20、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，

21、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，所以基本上是已经被淘汰，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

22、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，还原成窄带已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。 (2)RS-485网 EIARS-485是CCITT标准化V.11/X.27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1OMHZ

23、。在使用双绞线，信号速率小于100kbs时，传输距离可达1200m。RS-485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。1.2 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

24、着城市现代化建设，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。在这种情况下，传统的管理模式暴露出种种弊端：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，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

25、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超标系统，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，利用单片机为主题，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，实时性和经济型。1.3 远程抄表系统 抄表系统的选型及其特点 (1)抄表系统的选型，主要考虑以下几个方面的功能 具有储存功能，在出现特殊情况下，保证以前的所有记录的数据不会

26、丢失。 具有后备电源，停电时系统能正常工作.具有较强的抗干扰能力，工作的稳定性较高灵活的系统组成方案，可适用于小区、高层住宅、零散分布的住户及其其他情况的特殊小区，具有较好的扩充性能。 (2)完成功能 完全实现自动抄表功能，电表的读数由安装在电表内部的或者外部的计量、 通讯模块、实时功能、数据的上传和下载，通过电话网络将这些数据抄送到管理处或供电管理部门等用电管理功能。 远程抄表系统构成 图1.1远程抄表系统的组成(1)如图1.1所示的自动抄表系统体系。其中每个采集器要采集十几户到二十几户的电表脉冲，处理后变成抄表数据传输到集中器中。 (2)通过电话线或者其他的接入网络传到传入网络。考虑到抄表

27、系统的数据传输量不大和易于接入等因素，可使用电话线MODEM实现远程信息传输。 (3)对于整个抄表系统的数据采集，数据传送，以及芯片功能的实现，将会在后面的章节中详细介绍。1.4 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，对国内外现状进行了详细的了解后，结合自己所学知识，以AT89C51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。包括抄表系统的硬件设计，电路设计,抄表系统主要用来完成对电量的采集和

28、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，实现两者之间的数据交换。(3)确定通信方式及通信标准，采用串行异步通讯标准RS-485，采集器测量到的数据以及设备状态可以通过RS-485总线传至智能小区的物业管理中心的PC机，有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

29、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，在硬件和软件上做了大量的工作，确保计量的准确性和可靠性。2. 抄表系统的模块功能设计2.1 抄表系统的整体结构在了解国内外现有的AMR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2.1所示。图2.1 抄表系统的整体结构框图 系统的整体工作流程如下: (1)脉冲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。(2)AT89C51根据时钟模块的时间设定，定时向脉冲计数模块发

30、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。(3)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，并警告等。2.2 抄表系统的各功能模块设计这是整个抄表部分的核心部分，由图2.1可知，主要由CPU(MCU)、直流稳压、断电控制、显示、系统保护、时钟、外围储存电路、数据的上传、数据的下递、电源、数据采集等组成。每一个部分的正确选择

31、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。 CPU的选型(1)CPU是整个系统的核心部件，它直接影响系统的性能，对于本系统中选用的AT89C51单片机，现对其功能引脚，电路特征作一个详细的介绍。 与MCS-51系列的单片机相容。 内有4K的可编程ROM和128个字节的RAM. 在0Hz到24Hz之间可以全静态操作。 芯片有32条可编程U0引脚。 芯片有2个十六位定时器(计数器)。 共有6个中断源，2个中断优先级。 可编程串口通道。 具有低功耗的工作模式和掉电的工作模式。 AT89C51是一种性价比高，功能先进的8位微处理器，在许多的嵌入式系统中得到了广泛的应用，尤其是内部4K字

32、节的EPROM为使用者提供了很大的方便，当应用程序较小时，不用为CPU添加外扩的ROM.空闲工作模式和掉电保护模式可以保证CPU工作在低耗的状态下，内部的RAM的数据不会丢失。(2)AT89C51芯片主要引脚介绍: VCC:AT89C51电源正极输入，接+5V电压; GND:电源接地端; XTALI:接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡时，该引脚应接地; XTAL2:接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反向放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入；RST:AT89C51的复位信号

33、输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时,只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内部均被设为已知状态； ALEIPROG:ALE是英文“ADDRESS LATCH ENABLE”的缩写，表示地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号的负跳变来触发外部的8位锁存器(如74LS373)，将端口PO的地址总线(AO-A7)锁存到锁存器中.在非访问外部储存器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他的外围芯片的时钟输入。当访问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出;EA/VPP:

34、该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码(存于外部EPROM)来执行程序，在8051中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序储存地址(如8051/8751/89C51的PC超过OFFF均时，将自动转向外部程序储存器继续运行。此外，在程序代码烧录至8951内部EPROM.89C51内部FLASH时，可以利用此引脚来输入提供编程电压(AT89C51为12V);PSEN:此为“Program Store Enable”的缩写.访问外部程序存储器选通信号，低电

35、平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号，在执行片内程序储存器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号;P0,P1,P2,P3口 PO口(PO.O-PO.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线(低8位)和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作为一般的双向I/O口用。PO口每一个引脚可以带8个LSTTL负载: P1口(P1.0-P1.7)是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/0口)，其输出可以带4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口; P2口(P2.0-P2.7)是具有内部提升电

36、路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作为一般双向I/0口用。每一个引脚可以推动8个LSTTL负载; P3口(P3.0-P3.7)是具有内部提升电路的双向I/0口(准双向并行I/0口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能，其特殊功能引脚分配如下: P3.0 RXD串行通信输入 P3.1 TXD串行通信输出 P3.2 INTO外部中断0输入，低电平有效 P3.3 INT1外部中断1输入，低电平有效 P3.4 TO计数器0外部事件计数输入端 P3.5 T1计数器1

37、外部事件计数输入端 P3.6 WR外部随机存储器的写选通，低电平有效 P3.7 RD外部随机存储器的读选通，低电平有效图2.2 AT89C51 外形引脚 外围存储及其监控电路模块 X5405是一种性能较高的可编程看门狗芯片，它集中了三种功能:看门狗定时器、电压监控、和EEPROM组合在单个封装之内。X5405具有简单的三线总线工作的串行外设接口(SPI)和软件协作。其电路结构如图2.3所示，八引脚封装。 图2.3 X5405芯片引脚该芯片内的串行EEPROM是具有Xicor公司的块锁保护CMOS串行EEPROM，它被组成8位结构，它由一个四线结构的SPI总线方式进行操作，其擦写周期至少有100

38、万次，并且写好的数据能保存100年。(1)特性: 可选时间的看门狗定时器; VCC的降压检测和复位控制;五种标准的开始复位电压; 使用特定的编程顺序即可对低压电压检测和复位开始电压进行程: 复位电压可以低至VCC=1V; 省电特性:在看门狗打开时，电流小于50uA;在看门狗关闭时，电流小于lOuA;在读操作时候，电流小于2mA;具有数据的模块保护功能，可以保护1/4,1/2全部的EEPROM，当然也可以设置不保护状态;用指令允许写操作写保护引脚;时钟可达3.3ms; 短的编程时间，16字节的页写模式，写时由器件内部自动完成，典型的器件写周期5ms. 图2.4 X5405内部电路结构图(2)功能

39、及其引脚描述 本器件将四种功能容为一体，上电复位控制，看门狗定时器，降压管理以及具有模块功能的串行EEPROM，有助于简化系统的设计，减少印制板的占用面积，提高可靠性。 CS/WDI:芯片选择输入，当CS是高电平时，芯片未选中，并将SO置为高阻态，器件处于标准的功耗模式，除非一个向非易失单元写的周期开始，在CS是高电平时，将CS拉低将使器件处于选择状态，器件将处于工作功耗状态，在上电后任何操作之前，CS必须有一个高变低的过程。看门狗输入，在看门狗定时器超时并产生复位之前，一个加载WDI引脚上的由高到低的电平的变换将复位看门狗定时器。 SO:串行输出，SO是一个推/拉串行数据输出引脚，在读数据时

40、，数据在SCK脉冲的下降沿由这个引脚送出。 WP:写保护，当WP引脚是低电平时，向X5045中写的操作被禁止，但是其他的功能正常，当引脚是高电平时，所有操作正常，包括写操作，如果在 CS是低的时候，WP变为低电平，则会中断向X5045中写的操作，但是，如果此时内部非易失性写周期己经初始化了，WP变为低电平不起作用。 SI:串行输入，SI是串行数据输入端，指令码、地址、数据都通过这个引脚进行输入，在SCK的上升沿时进行数据的输入，并且高位WSB在前。SCK:串行时钟，串行时钟的上升沿时通过SI引脚进行数据的输入，下降沿通过SO引脚进行数据输出。 RESET:复位输出，RESET是一个开漏型输出引

41、脚，只要VCC下降到最小允许VCC值，这个引脚就会输出高电平，一直到VCC上升超过最小允许值之后200ms，同时它也受看门狗定时器控制，只要看门狗处于激活状态，并且WDI引脚上电平保持为高或者为低超过了定时时间，就会产生复位信号，CS引脚上 的一个下降沿将会复位看门狗定时器，由于这是一个开漏型的输出引脚，所以在 使用时候必须接上拉电阻。(3)X5045的电路连接如图2.4中的看门狗对系统提供保护功能，当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU做出反应。它提供了三个时间值，供选择，它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围之内时，

42、系统将自动复位。X5045储存器与CPU可以通过串行通信方式接口，共有5k字位，来储存抄表数据。如何保证WDT正常运行也是一个关键的问题，要针对WDT失效的原因，采取多种措施，防止失效，从而进一步提高系统得可靠性:尽量减少干扰源的存在，并且降低不可去除干扰的影响，如电源电压的波动，尖峰，浪涌等，它们都是强度比较大的干扰源，要加强过滤与去除: 对本机任务进行分流，合理的配置CPU的操作任务，能在上位机运行的功能，一般应放在上位机上运行，因为上位机的运行环境良好，便于控制，从而减少本机出错的概率: 对地址指针、过程控制程序中判断转换的条件状态等关键数据进行实时备份，当由于数据被改而使WDT失效时，

43、可以从备份RAM中恢复这些关键数据，从而也使得系统恢复。对没有用到的EPROM和RAM区，一律写成FFH或者OOHI当CPU由于干扰 “跑飞”到这些不用区域中时，不会产生误操作。采取以上措施，可以较好的提高WDT的稳定性，有利于系统的正常运行。 图2.5 X5405的电路连接 数据的上传模块所谓的数据上传，即把采集器中采集到的电表数据通过异步串行的方式发送网络传输设备中，这个模块起到一个电平转换的作用。(1)串行通信总线标准接口标准异步串行通信接口主要有以下几类: RS-232C,RS-232E;RS-449(RS-422,RS-423,RS-485);20mA电流环; USB通信接口。所谓标

44、准接口，就是明确定义了若干信号线，使接口电路标准化，通用化，借助于串行通信标准接口，同类型的数据通信设备可以很容易的实现他们之间的串行通信。采用标准接口后，很方便的把各种计算机、外部设备等有机的结合在一起,进行串行通信，RS-232C是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的在异步串行通信中应用最为广泛的标准总线，即在传输电器和机械特性方面的规定，适合于短距离和带调制解调的场合，为了提高数据的传输距离和传输速率，EIA又公布了RS-449串行总线接口标准。20mA电流环是一种非标准的串行接口电路，但他具有简单的特点，对电器噪声不敏感的优点，因而在串行通信中也得到了广泛的应用。为了保准通信可靠性的

45、要求，在选择接口标准时，必须注意两点:1)通信速度和通信距离;2)抗干扰能力。通信速度和通信距离 通常标准串行接口的电气特性都有满足可靠性传输的最大距离和最大传输速度的指标，但这两个指标之间具有相关性，适当的降低通信速度，可提高传输距离，反之亦然。例如采用RS-232C标准进行单向数据传输时，最大数据传输速率为20Kb/s，最大传输距离为15米，而改用RS-422标准时，最大传输速率可达1OMb/s，最大传输距离为300米，适当的降低数据传输速率，传送距离可达1200米。 抗干扰能力 通常选择的标准接口，在保证不超过其适用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输，但在一些工业控制系统中

46、，通信环境十分恶劣，因此在选择接口标准，通信介质时要充分考虑其抗干扰能力，并采取适当的抗干扰措施.例如在长距离传输时，是用RS-422标准能有效的抑制共模干扰信号，使用20mA电流环技术，能大大的降低对噪声的敏感程度。在该方案中，单片机与网络接入设备连结在一起，在传输距离上不受什么影响，并且速度可以适当的放宽，所以在上行传输模块中可以采用RS-232C标准，来完成TTL电平到CMOS电平的转换。 (2) RS-232C总线标准、芯片及接口电路 RS-232C总线标准接口 目前使用的最为广泛的串行通信总线接口是EIA推出的RS-232C.RS-232C标准接口的全称是 “使用二进制进行交换的数据

47、终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口”.计算机，外设，显示终端都属于数据终端设备，而调制解调器则属于数据通信设备，RS-232C在通信线路中的连结 RS-232C在通信线路中的连结方式图 2.6所示:图2.6 RS232通信示意图 “RS-232C”中的RS是Rcommended Standard，232是标识符，C表示该标准协议经过了三次修改，原来有过RS-232A和RS-232B标准。 RS-232C定义了20根信号线，其中最为常用的信号线的定义、分类及其功能表2.1RS232信号线的定义引脚号信号名称简称方向 功能1保护地接设备外壳，安全接地2发送数据TXD向DCE DT

48、E发送串行数据3接收数据RXD背向DTEDTE接收串行数据4请求发送RTS向DCEDTE请求切换到发送方式5清除发送CTS背向DTEDTE已切换到准备接受6数传设备就绪DSR背向DTEDCE准备就绪7信号地信号地8载波检测DCD背向DTEDCE已接受到远程信号20数据终端就绪DTR向DCEDTE准备就绪22振铃指示RI背向DTE通知DTE，通信线路已好RS-232C是为了促进公用电话网络的通信而制定的标准，其逻辑电平对地是对称的，与TTL.MOS逻辑电平完全不同;逻辑0电平规定为+3V+15V之间,逻辑1电平规定-3V-15V之间，因此RS-232C驱动器与TTL电平必须要经过电平转化。RS-

49、232C规定的逻辑电平与一般的微处理器、单片机的逻辑电平不一样,在实际的运用中把微处理器和单片机的信号电平(TTL)转换成为RS-232C的电平，或者对两者进行逆转换，这两种电平的转换由专门的电平转换芯片实现。 RS-232C总线标准连接系统用RS-232C连接系统时，有近程通信方式和远程通信方式之分，近程通信是指距离小于15米的通信，这时用RS-232C电缆直接连接。15米以上的长距离通信则需要加调制解调器(MODEM)。而本系统中，单片机和网络接入设备的距离很近，可以直接连接，即选用近程通信方式。当两台PC系列机近距离点对点通信，或PC系列机与外部设备进行串行通信时，可将两个DTE直接相连

50、，而省去作为DCE的调制解调器MODEM，这种连接方式称之为零MODEM连接。在这种连接中计算机往往貌似MODEM，从而能够使用RS232C标准。在进行零MODEM连接时，不能进行简单的引线相连，而应采用专门的技巧建立正常的信息交换接口。 零MODEM方式与RS-232C连接通常有三种方式:1)具有较好的硬件握手功能，“数据发送”和“数据接收”相互交叉相连，使得两台设备都能正常的发送和接收。“数据终端就绪”和“数据设备就绪”两根线也是交叉相连，使得两台设备都能检测出对方是否已经准备好。2)相比前一种具有更好的硬件握手功能，它们的“请求发送端(RTS)”与自己的“清除发送端(CTS)”，使得当设

51、备向对方发送请求时，随即通过自己的“清除发送端”表示对方已经响应。这里的“请求发送”线往往还连接着对方的“载波检测”线，这是因为 “请求发送”信号的出现类似于通信通道中的载波检出。3)最简单的连接方法就是仅仅将“发送数据”与“接收数据”交叉连接，共用地对接，其他的信号悬空不用。这种连接方式需要通过软件来实现其握手功能，其连接图2.7所示:图2.7 终端/计算机与终端/计算机连接的最简单的方式在本设计方案中，一端是单片机的电平转换芯片，而另一端是网络接入设备，两者三线相连，可以把PC机中的数据上传到网上，实现远程传播。 (3)电源电平转化芯片及其接口电路 RS-232C电平转换芯片比较多。如IN

52、TERSIL公司的ICL232是弹片集成双RS-232发送接收器，采用单一的+5V电源供电外接至多4个电容、2只电阻可以构成标准的RS-232通信结构.当然也有MAXIM公司及其HARRIS公司等，虽然它们来自不同的厂家，但是他们的引脚功能是相互兼容，甚至可以互为代替。下面作重阐述一下该系统所用MAXIM公司的MAX232电平转换芯片。 MAX232芯片及其接口电路MAX232芯片是由MAXIM公司生产，包含了2路接收器和驱动器的芯片，适用于各种EIA-232C和V28N.24的通信接口。MfAX232内部有一个电源变压器，把输入的+5V电压转换成为RS-232C输出电平所需的±10

53、V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源供电就够了。对于没有士12V电源的场合的实用性更强，且其价格适中，硬件接口电路的简单，都被广泛的应用。MAX232芯片引脚如图2.8所示。图2.8 MAX232引脚图 时钟模块该系统属于自动测控系统，需要数据的记录，并且还需要记录下该数据被记录的时间在有异常情况的数据出现时，可以根据时间的记录查处数据出错的时间。为了达到自动抄表的目的，并且能记录抄表的时间，在这里采用了时钟芯片，当设定了抄表时间后，系统将根据芯片所提供的时间为基准进行电表的数据查抄。(1)芯片的选择DS1302是DALLAS公司推出的实时时钟芯片，内部含有一个实时时钟

54、旧历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可以自动调整，时钟还可以通过AM/PM来决定采用什么时制。DS1302与单片机之间能简单的采用同步串行的方式进行通信，仅仅需要三个口线:1)RSTT,2)I/O,3)SCLK串行时钟。时钟RAM的读写数据以一个字节或者多大31个字节的字符组成的方式通信，DS1302工作时候的功耗很小，保持数据和时钟信息时功率小于1MW (2)DS1302芯片功能介绍 实时时钟具有计算2100年之前的秒、分、日、日期、星期、月、年的能力，同时还有闰年的调整能力。31*8位暂存数据储

55、存RAM 串行UO口方式使得管脚数量最少 宽范围工作电压:2.0-5.5V 工作电流:2.0V时候，小于300mA 读写时钟或RAM数据时，有两种传输方式:单字节传送或者多字节传送。脚DIP封装或可选8脚SOIL封装 简单的3线接口，与TTL兼容(VCC=5V) 可选择的工作温度范围较广:-40+85摄氏度与DS1302兼容，且对VCCl有可选的涓流充电能力，双电源管用主电源和备份电源供应，备份电容管脚可由电池或者大电容输入(3)DS1302引脚及其电路连接X1,X2接32.768KHz的晶振引脚GND，接地端SCLK，串行时钟，RST复位引脚 I/O数据输入输出引脚VCCl,VCC2电源供电

56、管引脚 图2.9 DS1302引脚图图2.10 DS1302电路连接图 电能的采集和计数模块(1)功率计量部分实现对电流和电压信号的采样，产生功率脉冲功能。其核心是AD7755芯片，该芯片是专门用于功率测试或电能测量的专用集成电路，是目前电子式电度表的核心芯片之一。功率计量部分包括AD7755、分流器、分压电流、基本电压源、保护电路、光耦合器输出电路.(2)AD7755在该芯片上集成了增益可选的放大器(PGA)、增益固定的放大器、16位二阶模数转换器(ADC)、相位校正电路、可选的高通滤波器(HPF)、数字乘法器、低通滤波器(LPF)、数字频率转换器(D/F)、电压监视器及2.5V的内部电压基

57、准源。通过分流器、分压电路分别对电流和电压信号进行采样;电流通道和电压通道的信号经放大器放大后，通过AD7755内部的A/D转换器转换为两路数字信号，然后经乘法、低通滤波、数字频率变换等电路的处理，AD7755输出与瞬时功率成正比的脉冲，并将此脉冲送至微处理器MCU.表2.2传输函数与通道增益框图S1SOFl-F4G1GOGAIN001.7001013.4012106.81081113.61116(3)AD7755的CF引脚可以提供脉冲常数为16001MP/KWH(脉冲数/千瓦时)，将此输出脉冲用LED和光电耦合器隔离输出，然后送入MCU的中断输入引脚，由MCU控制计量功率脉冲。AD7755产生的输出频率与两个电压信号乘积的平均值成正比。AD7755通过计算通道1和通道2两个输入电压的乘