基于AT89C51的远程抄表系统设计本科生设计说明

1、51的远程抄表系统设计89C摘 要以AT 89C51单片机为核心器件，结合外部元器件，设计了一种远程抄表系统。本文还设计了具有远程数据采集和数据通信功能的软硬件系统。该系统已在实践中使用，结果表明该系统的各项功能均达到了预期的效果和良好的效果。此外，抗中断性能和采用基于硬件和软件的预防措施，提高了系统的可靠性。给出了解决印刷电路EMI / EMC问题的方法。仿真EMI/EMC印刷电路在软件中的性能。一般来说，该课题的研究将在电力系统管理方面发展出较高水平，非常值得推广和应用。文章对该系统进行了全面的设计。详细阐述了数据采集与采集、数据通信网络及模式的设计。本论文在硬件方面，对CPU、检测电路、

2、数据存储器等的选择进行了具体说明。它采用基于RS-485电接口的异步串行通信技术作为通信手段。软件中，我们给出了脉冲采集、通讯、显示等程序。该远程抄表系统实现了多用户电力信息远程自动抄录，可实现小区能源消耗的优质高效计量管理。关键词：远程抄表； AT 89C51单片机； RS2485TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295644273 一、简介 PAGEREF _Toc295644273 h 1 HYPERLINK l _Toc295644274 1.1远程抄表系统海外概况 PAGEREF _Toc295644274 h 1 HYPERLINK l _Toc295

3、644275 1.1.1上层星型通信方案 PAGEREF _Toc295644275 h 2 HYPERLINK l _Toc295644276 1.1.2底层总线通信 PAGEREF _Toc295644276 h 3 HYPERLINK l _Toc295644277 1.2本课题研究的背景、目的和意义 PAGEREF _Toc295644277 h 5 HYPERLINK l _Toc295644278 1.3远程抄表系统 PAGEREF _Toc295644278 h 6 HYPERLINK l _Toc295644279 1.3.1抄表系统的选择及特点 PAGEREF _Toc295

4、644279 h 6 HYPERLINK l _Toc295644280 1.3.2远程抄表系统组成 PAGEREF _Toc295644280 h 6 HYPERLINK l _Toc295644281 1.4本文所做的工作 PAGEREF _Toc295644281 h 7 HYPERLINK l _Toc295644282 2 、抄表系统模块功能设计 PAGEREF _Toc295644282 h 8 HYPERLINK l _Toc295644283 2.1抄表系统整体结构 PAGEREF _Toc295644283 h 8 HYPERLINK l _Toc295644284 2.2抄

5、表系统各功能模块设计 PAGEREF _Toc295644284 h 9 HYPERLINK l _Toc295644285 2.2.1 CPU PAGEREF _Toc295644285 h 9的选择 HYPERLINK l _Toc295644286 2.2.2外设存储及其监控电路模块 PAGEREF _Toc295644286 h 11 HYPERLINK l _Toc295644287 2.2.3数据上传模块 PAGEREF _Toc295644287 h 15 HYPERLINK l _Toc295644288 2.2.4时钟模块 PAGEREF _Toc295644288 h 19

6、 HYPERLINK l _Toc295644289 2.2.5电能采集与计数模块 PAGEREF _Toc295644289 h 21 HYPERLINK l _Toc295644290 2.2.6显示电路 PAGEREF _Toc295644290 h 23 HYPERLINK l _Toc295644291 2.3章节总结 PAGEREF _Toc295644291 h 24 HYPERLINK l _Toc295644292 3.抄表系统软件设计 PAGEREF _Toc295644292 h 25 HYPERLINK l _Toc295644293 3.1软件设计要求 PAGEREF

7、 _Toc295644293 h 25 HYPERLINK l _Toc295644294 3.3.1易于理解，易于维护 PAGEREF _Toc295644294 h 25 HYPERLINK l _Toc295644295 3.1.2实时性能 PAGEREF _Toc295644295 h 26 HYPERLINK l _Toc295644296 3.1.3可测试性 PAGEREF _Toc295644296 h 26 HYPERLINK l _Toc295644297 3.1.4准确度 PAGEREF _Toc295644297 h 26 HYPERLINK l _Toc29564429

8、8 3.1.5可靠性 PAGEREF _Toc295644298 h 26 HYPERLINK l _Toc295644299 3.2主程序的软件设计 PAGEREF _Toc295644299 h 27 HYPERLINK l _Toc295644300 3.3子程序设计 PAGEREF _Toc295644300 h 27 HYPERLINK l _Toc295644301 3.3.1清算子程序的设计 PAGEREF _Toc295644301 h 29 HYPERLINK l _Toc295644302 3.3.2编程接收数据和通信 PAGEREF _Toc295644302 h 29

9、HYPERLINK l _Toc295644303 3.3.3数据采集子程序 PAGEREF _Toc295644303 h 30 HYPERLINK l _Toc295644304 3.3.4脉冲采集程序 PAGEREF _Toc295644304 h 31 HYPERLINK l _Toc295644305 3.3.5显示子程序 PAGEREF _Toc295644305 h 32 HYPERLINK l _Toc295644306 3.3.6检查子程序 PAGEREF _Toc295644306 h 33 HYPERLINK l _Toc295644307 3.3.7数据传输子程序 PA

10、GEREF _Toc295644307 h 34 HYPERLINK l _Toc295644308 3.4硬件电路驱动 PAGEREF _Toc295644308 h 36 HYPERLINK l _Toc295644309 3.4.1数据存储芯片X5405 PAGEREF _Toc295644309 h 36 HYPERLINK l _Toc295644310 3.4.2时钟芯片DS1302 PAGEREF _Toc295644310 h 36 HYPERLINK l _Toc295644311 3.4.3数据上传MAX232芯片 PAGEREF _Toc295644311 h 36 HY

11、PERLINK l _Toc295644312 结论 PAGEREF _Toc295644312 h 37 HYPERLINK l _Toc295644313 至 PAGEREF _Toc295644313 h 38 HYPERLINK l _Toc295644314 参考文献 PAGEREF _Toc295644314 h 39一、简介1.1国外远程抄表系统概述远程抄表系统又称自动抄表系统，在国外称为自动抄表系统，通常缩写为AMRS。它是通过现代传输和通信技术采集终端用户仪表单元的数据并致到远程管理部门进行数据处理的系统。采用远程抄表技术，不仅可以节省人力资源，更重要的是可以提高抄表的准确性

12、，减少因估算或抄录造成的计费错误，使供应管理部门能够及时准确地获取数据和信息.由于用户不再需要预约抄表员现场抄表，并且可以快速查询账单，这项技术越来越受到用户的欢迎。远程抄表系统广泛用于电力部门。随着公用事业现代化管理需求和智能住宅理念的推广，该技术近年来在国外取得了快速发展。对这项技术的研究也已从多个角度进行。从国外有关技术拓展的报道来看，市场前景广阔。1990年代以来，美国在AMR技术的开发和应用方面取得了长足的进步。据信息披露，1990年美国有791个AMR应用项目，其中约550万只电表实现了自动抄表；在此期间，主要使用 EMR（在手持计算机键盘上读取和输入数据）。手持电脑人工抄表：随后

13、开发了OMR（异地抄表）无线户外抄表方式。指通过车载无线电自动抄表。 1990年代以后，随着电子和通信技术的发展，以电力载波、网络、有线电视网和无线通信为媒介的AMR技术出现，并在以美国为代表的西方发达国家广泛推广应用。信息社会在逐渐改变人们的生活方式和工作习惯的同时，也对一些传统观念提出了挑战。随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，在智能小区的管理系统中，安防自动化、通信自动化和管理自动化是三大主要特征。能耗表（冷、热水表、电表、燃气表）的数据拷贝问题是衡量社区管理水平的一个非常重要且不可避免的问题。抄收问题能否得到有效解决，将直接影响到生活的安全和便利，也影响到物业管理工作。以往人工抄抄

14、采集能耗表的方式无法保证数据的准确性和实时性，会造成大量人力、物力和时间的浪费，还可能出现抄错现象、遗漏复制和估计复制。给居民带来了很多麻烦，甚至引发了很多不必要的纠纷。因此，远程抄表系统不仅能满足实际需要，还能提高能源管理的自动化水平和现代化水平。如此一来，远程抄表系统成为社区“智能建设”的重要组成部分，成为新兴智慧社区的必要条件。1.1.1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基础，通过通信通道以发散形式与分散在各个区域的集中器相连，形成一对多的连接形式。这样，信道的通信数据量比较大，需要一定的传输速率和带宽。根据信道的介质，可分为光纤、有线和无线三种模式。(1

15、) 光纤通信光纤通信具有带宽大、传输速率高、传输距离远、抗干扰能力强等特点，非常适合上层通信网络的要求。由于光纤本身难以实现T型连接，无法实现总线结构（除非采用光纤环网技术），因此特别适合星型连接。由于目前星型连接节点成本高，安装成本高，无法在ARMS系统中使用。随着光纤技术和网络技术的发展，在不久的将来，在ARMS系统中使用光纤通信网络进行上层通信将是一个不错的选择。(2) 金属丝网由于有线网络在城镇迅速普及，利用现有网络进行数据通信也是一种经济有效的解决方案。要使用通信，只需在数据集中器和管理中心主机上加一个调制解调器（Modem），它的通信速率就可以达到2.4kbs、9.6kbs甚至56

16、kbs。主机对集中器的呼叫主要由交换机通过拨号自动完成。(3) 无线通信网络使用无线电波进行无线通信是与具有广泛包围和分散布局的集中器进行数据通信的更好选择。其特点是传输频段宽，通信容量大（可达几千台），通信距离远（一般几十公里，也可以通过中继站延伸到更远的距离）。通信时，管理中心主机控制电台发出呼叫指令，各集中器收到指令后进行地址比对，如果正确则发出响应信号，完成数据建立，然后进行数据通信。使用这种通讯方式，方便安装调试。主要缺点是申请频点使用权。如果频点选择不合理，相邻的两个信道就会相互干扰。一般情况下，小型电台的通信速率较低，一般为600bs或1200bs，设备安装成本较高，所以这种通信

17、方式的使用有一定的限制，多用于无线电监测和功耗大用户功率负载。在管理系统中。1.1.2底层总线通信采用总线式通讯系统，克服了星形连接的不足。这样，每个分散的采集器或电度表都与串行总线相连，实现各个节点的互联。这样信道上节点多，传输速率不高（与通信介质有关），传输距离短，不超过2000m，所以一般用于底层电力数据的采集。常用的模式有低压电力线载波通信、RS-485网络等。(1) 低压电力线载波通信使用低压电力线作为AMR系统的底层数据通道，运行成本低，无疑是一种非常经济的方案。致器在致数据时，首先将数据调制到高频载波上，然后经过功率放大后，通过耦合电路耦合到电源线上。信号频带一般为50-300k

18、Hz，峰间电压不超过l0v，不会对电源线造成不良影响。高频信号通过线路传输到接收机，接收机通过耦合电路将高频信号分离，滤除干扰信号，放大，再通过解调电路恢复为二进制数字信号.低压电力载波通信网络的系统结构与RS-485系统相同，采用总线结构。在同一变压器区域下，一个集中器从数千个采集器或电度表中收集数据，形成母线图。但是，使用低压电力线作为传输通道还存在很多问题。首先，低压电力线信号的特性决定了电力载波传输的复杂性。低压电力线（高频信号）的衰减是低压电力线载波通信遇到的问题。信号衰减与距离之间的关系，一般来说，是成正比的。传输距离越长，信号衰减越大，衰减也越严重。但是由于电力线传输特性不均匀、

19、不平衡，连接的负载阻抗不匹配，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，频率越高，频率越高。 ，衰减越差；信号衰减与交叉相位传播的关系，通常同相传播信号小于交叉相位传播衰减：信号衰减与电源相位的关系，有时每个工频电源中的高频信号大当相位被包围时会发生衰减变化。这些电路上通常有大量的电容或大功率电器，会引起高频信号的急剧变化，而开关电源会对电源线释放大量的高频干扰，从而影响普通的。沟通工作；信号衰减与负载的关系，信号衰减会随着电源线上负载的接通和断开而呈现不同的特性，由于负载变化的不可知性，信号衰减也会相应变化。二是对电源线的干扰很大。人为干扰电力线路上的电气设备等，以干

20、扰雷电等自然现象等非人为干扰；周期性脉冲干扰和随机突变干扰，电气设备会处于工频交流基波的某一部分。固定相位释放干扰。还有大量的电气设备释放干扰，这些干扰的瞬时频率、周期、相位、变化非常大，即不断变化的干扰；高压开关的运行、雷电、大负荷变化都与电力线路有关。地表短路故障通常具有持续时间短、强度高、不可预测、能量高、频谱宽等特点，因此如何抑制干扰，提高通信可靠性是首要考虑的问题。第三，不同地方的线路特点可能完全不同。所用线路的类型和线路上的负载对电力线上高频信号的传输特性有很大的影响。即使是同一段电力线，其传输特性也会随着各种电力负载的切换而变化，因此通信设备的稳定性和对不同线路的适应能力也很重要

21、。输入阻抗是电力线传输特性的重要参数，它与传输信号的频率有关。没有电力线是均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响，很明显输入阻抗会随频率变化。变化，不同时期，电源线的输入阻抗是不同的，即使在同一个位置，也会随着负载的随意开合而不同。同一电源线在不同位置的等效阻抗并不完全相同。从Dyer定理可以看出，不同等效端口得到的等效输入阻抗是不同的。由于电力线上阻抗的剧烈变化，如果采用电力线或电力载波方式传输信号，发射机功放的输出阻抗不等于接收机功放的输入阻抗，而是阻抗匹配困难。目前，市场上电力线使用的调制解调器一般都是基于频移键控（FSK）调制。由于传输速率低（一般不超过2400bs）、抗干扰性

22、能差、传输距离短，已基本被淘汰。 ，而扩频调制解调器被广泛使用。扩频系统分为发射端和接收端两部分，接收端可以简化为调制和扩频两个模块。在致端，信号先调制一定的载频，调制器输出的窄带调制信号再送到扩频器进行二次解调，输出信号为宽带调制信号。由于扩频器采用高速伪随机码（PN）序列调制发射信号，因此得到的输出信号的频谱密度大大降低。接收端由解扩解调器组成。在接收端，使用与致端相同的伪码序列对接收到的扩频信号进行解扩（扩频的逆变化），并恢复为窄带调制信号。在解调器之后，原始信号被解调。由于扩频信号的带宽与窄带滤波器的带宽之比越大，信噪比也越大，因此扩频通信以更宽的带宽换取更高的信噪比比，提高了通信的抗

23、干扰能力，提高了通信性能。隐瞒。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 网络EIARS-485 是符合 CCITT 标准化 V.11/X.27 的平衡电气特性标准。该标准使用集成电路在一对平衡互连电缆上传输差分信号，并在接收端使用差分接收器来做出信号决策。该接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能更好，信号传输频率最高可达1OMHZ。当使用双绞线且信号速率小于100kbs时，可以达到传输距离1200m。 RS-485接口可在一个通道上进行半双工通讯，双向通讯只需两根线，即可轻松组成点对多点或多点相互通讯网络。通常使用双绞线。线作为网络总线。连接到总线的节点数

24、随所选接口驱动芯片的不同而不同，最多可连接128个节点。对于要求较高的系统，可以考虑光隔离、防雷击和防静电放电冲击的收发器，在设计系统时要综合考虑这些因素。1.2本研究的背景、目的和意义长期以来，水表、电表、燃气表被传统的人工抄表方式抄袭收集。就是抄表员挨家挨户抄抄数据，把巡查结果记录在纸上，然后人工计量。和费用计算。然而，随着城市的现代化建设和大量住宅小区的兴起，城市水、电、气建设规模不断扩大，管理工作也越来越复杂。在这种情况下，传统的管理模式暴露出种种弊端：一方面，由于消费管理量大，需要处理的数据量大，从建立用户到记录、存储、统计、分析正常用电后抄表数据的查询非常复杂和困难。随着社会经济的

25、发展和生活用水的日益改善，人们对家居环境提出了越来越高的要求。安全、舒适、便捷、速度、人性化、智能化成为新的追求目标。以往的住宅结构和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，给世界各个领域带来了无限的发展空间，建筑领域也不例外。物业管理、安防网络更换、宽带上网等，但能耗表计量和入户抄表解决方案仍处于低水平。本文构建了以单片机为主要结构的远程自越系统，以替代目前广泛使用的人工抄表，并消除其带来的各种弊端，实现实时报表，准确准确，节省人力资源。在本设计中，力求构建远程抄表系统的总体框架，以单片机为主题，结合通信技术、控制技术、网络技术和数字电子技术，设

26、计远程抄表系统，最大限度地提高系统性能稳定、抗干扰、实时、经济。1.3远程抄表系统1.3.1抄表系统的选择及特点(1)抄表系统的选择主要考虑以下功能具有存储功能，如遇特殊情况，保证以前记录的所有数据不丢失。备有备用电源，断电时系统仍能正常工作。抗干扰能力强，工作稳定性高灵活的系统组成方案，可应用于住宅小区、高层住宅、散户等特殊居住区，扩展性能好。(2) 功能齐全全面实现自动抄表功能，通过计量、通讯模块、实时功能、数据上传下载，将抄表数据复制到管理处或电源供应管理部门通过网络。管理职能。1.3.2远程抄表系统的组成图 1.1 远程抄表系统组成(1)自动抄表系统如图1.1所示。其中，每个采集器需要

27、采集十几户到二十多户电表的脉冲，经过处理后成为抄表数据，传输到集中器。(2) 通过有线或其他接入网络到传入网络。考虑到抄表系统的数据传输量不大且易于访问等因素，可采用线路MODEM实现远程信息传输。(3) 整个抄表系统的数据采集、数据传输和芯片功能的实现将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，在详细了解国外现状后，结合本人所学，以AT 89C51为核心，构建远程抄表系统。该系统不仅可以实现对家庭用电量的实时监控，而且可以准确的记录和计算，并根据PC的要求及时传输数据以供参考。在设计开发过程中，主要解决以下问题：(1)根据实际需要完成抄表系统的设计。

28、包括抄表系统的硬件设计和电路设计，抄表系统主要用于完成电量的采集和计量，与上位机（PC）进行通信。在设计过程中，为了尽量减少硬件设施，降低功耗，简化电路，选择了功能强大的芯片。(2)编写实现系统功能的软件。用汇编语言编写软件，实现数据采集功能，对数据进行分析、处理和保存。用C语言编写采集器与PC机的通讯程序，实现两者之间的数据交换。（3）确定通信方式和通信标准，采用串行异步通信标准RS-485，采集器测量的数据和设备状态可通过RS-传输至智能小区物业管理中心PC机485总线，与管理中心统一处理，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的问题。在远程抄表系统中

29、，影响系统测量精度的因素是脉冲信号是否有效。由于干扰信号的干扰效应，在脉冲信号的产生和传输过程中，可能会导致脉冲信号的计数错误。为了避免上述现象，本课题在硬件和软件上做了大量工作，以保证测量的准确性和可靠性。2 、抄表系统模块功能设计2.1抄表系统的整体结构在了解国外现有AMR产品特点的基础上，为了使抄表器的功能更加完善，所设计的抄表器具有脉冲计数、数据存储和数据处理、电量显示和显示等基本功能。其状态，以及与控制中心的通信。功能。整体结构如图2.1所示。图2.1 抄表系统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电表数据，并存入本机的RAM中。(2) AT 51根据

30、时钟模块的时间设置，89C周期性地向脉冲计数模块致数据传输命令，采集其电表中的数据，按照设置的约定存储到外部RAM中，等待用于上位机的查询，并记录无响应的上位机并上传至上位机。(3)在上位机运行中，有定时拷贝和随时拷贝两种模式：定时拷贝，即上位机根据系统设定的时间查询各个脉冲采集计数模块中的数据.随时抄袭是指在某些特殊情况下，需要单独审核某个用户。在这两种模式下，都会对无响应的 PC、警告等进行备份。2.2抄表系统各功能模块设计这是整个抄表部分的核心部分。从图2.1可以看出，主要由CPU（MCU）、直流稳压器、断电控制、显示、系统保护、时钟、外围存储电路、数据上传、数据传输、电源、数据采集、各

31、部分的正确选择和设计及其与电路的连接对系统的硬件电路非常重要。2.2.1CPU的选择(1) CPU是整个系统的核心部件，直接影响系统的性能。对于本系统选用的AT5189C单片机，对其功能管脚和电路特点进行了详细介绍。兼容MCS-51系列单片机。有4K可编程ROM和128字节RAM。 在 0Hz 和 24Hz 之间可以完全静态操作。芯片有32个可编程U0管脚。 芯片有两个十六位定时器（计数器）。有6个中断源和2个中断优先级。 可编程串行通道。 低功耗工作模式和掉电工作模式。AT 89C51 是一款性价比高、功能先进的 8 位微处理器，已广泛应用于许多嵌入式系统，尤其是 4K 字节的 EPROM

32、为用户提供了极大的便利。当程序较小时，无需为 CPU 添加外部扩展 ROM。空闲工作模式和掉电保护模式可以保证CPU工作在低功耗状态，内部RAM中的数据不会丢失。AT 51芯片主要引脚介绍：89CVCC：AT 89C51电源正极输入，接+5V电压；GND：电源地端；XTALI：连接外部晶振的引脚。在微控制器部分，它是构成片上振荡器的反相放大器的输入。使用外部振荡时，该引脚应接地；XTAL2：连接外部晶振的引脚。该芯片连接到振荡器的反相放大器输出和外部时钟发生器输入。当使用外部振荡器时，该引脚连接到外部振荡器信号的输入；RST： 89CAT 51 的复位信号输入引脚工作在高电位。当芯片要复位时，

33、只要将该引脚的电位拉高并持续两个机器周期以上，AT 89C51就可以完成系统复位，使各部分特殊功能寄存器设置为已知状态；ALEIPROG：ALE是英文“ADDRESS LATCH ENABLE”的缩写，表示地址锁存使能信号。在访问外部存储器时，ALE 信号的负跳变触发外部 8 位锁存器（如 74LS373），并将端口 PO 的地址总线（AO-A7）锁存到锁存器中。在非访问外部存储控制器期间，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外围芯片的时钟输入。访问外部存储器时，以1/12振荡频率输出；EA/VPP：该引脚为低电平时，读取外部程序代码（存储在外部EPROM中）执行

34、程序。在8051中，EA引脚必须接低电位，因为里面没有程序存储空间。如果使用 AT 89C51 或其他具有程序空间的微控制器，该引脚连接到高电平以在程序运行时访问程序存储器。当程序指针 PC 值超过芯片程序存储地址（如 8051/8751/89C51 时，PC 超过 OFFF 时，会自动转到外部程序存储器继续运行。另外，当程序代码烧录到8951 EPROM .89C51 FLASH，该引脚可用于输入和提供编程电压（AT 89C51为12V）；PSEN：这是“Program Store Enable”的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令代码时，每个机器周期

35、都会产生第二个 PSEN 信号。执行片内程序存储器指令时不产生PSEN信号，访问外部数据时也不产生PSEN信号；P0,P1,P2,P3PO 端口 (PO.O-PO.7) 是一个 8 位开漏双向输入和输出端口。访问外部数据时，是地址总线（低8位）和数据总线复用。不对外扩展，单片机使用时，作为通用双向I/O口使用。 PO 端口的每个引脚可以承载 8 个 LSTTL 负载：端口P1（P1.0-P1.7）是一个双向I/0端口（准双向并行I/0端口），带有部分升压电路，其输出可承载4个LSTTL负载。仅用户用作输入和输出的端口；端口P2（P2.0-P2.7）是带有部分升压电路的双向I/O口（准双向并行I

36、/O口），访问外部程序存储器时为高8位地址。不对外扩展，单片机使用时，作为通用双向I/0口使用。每个引脚可驱动8个LSTTL负载；P3口（P3.0-P3.7）是一个带有部分升压电路的双向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、定时计数控制对于外部随机存取存储器的读写控制等功能，其特殊功能引脚分配如下：P3.0 RXD 串行通讯输入P3.1 TXD 串行通讯输出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P3.5 T1 计数器 1 外部事件计数输入P3.6 WR 外

37、部随机存取存储器的写选通，低电平有效P3.7 RD 外部随机存取存储器读选通，低电平有效图 2.2 AT 89C51 外形引脚排列2.2.2外设存储及其监控电路模块X5405是一款高性能可编程看门狗芯片，集看门狗定时器、电压监控、EEPROM三项功能于一身。 X5405 采用简单的三线总线操作串行外设接口 (SPI) 和软件协作。其电路结构如图 2.3 所示，八脚封装。图 2.3 X5405 芯片管脚该芯片的串行 EEPROM 是一个受 Xicor 块锁保护的 CMOS 串行 EEPROM。它由一个 8 位结构组成。它采用SPI总线的四线结构进行操作，其擦写周期至少为100万次，写入数据可保存

38、100年。（一）特点： 具有可选时间的看门狗定时器； VCC降压检测和复位控制； 五个标准启动复位电压； 低电压检测和复位启动电压可以使用特定的编程顺序进行编程：复位电压可低至VCC=1V；省电特性：看门狗开启时，电流小于50uA；看门狗关闭时，电流小于1OuA；读操作时，电流小于2mA；具有数据模块保护功能，可以保护所有EEPROM的1/4、1/2，当然也可以设置非保护状态；使用命令内容对写保护引脚进行写操作；时钟可达3.3ms；编程时间短，16字节页写模式，写时由器件部自动完成，典型器件写周期为5ms。图2.4 X5405电路图(2) 功能及引脚说明该器件集成了上电复位控制、看门狗定时器、

39、降压管理和带模块功能的串行 EEPROM 四大功能，有助于简化系统设计并减小印制板的占位面积。提高可靠性。CS/WDI：片选输入，当CS为高电平时，芯片不被选中，并且SO设置为高阻状态，设备处于标准功耗模式，除非开始一个周期写入非易失性单元，在 CS 为高电平时，将 CS 拉低将使器件处于选中状态，器件处于工作功耗状态。上电后进行任何操作之前，CS必须有一个由高到低的过程。看门狗输入。加载的 WDI 引脚上的从高到低的转换将在看门狗定时器到期之前复位看门狗定时器并产生复位。SO：串行输出，SO为推挽式串行数据输出引脚。读取数据时，数据在 SCK 脉冲的下降沿从该引脚致。WP：写保护，当WP引脚

40、为低电平时，禁止对X5045的写操作，但其他功能正常，当该引脚为高电平时，所有操作都正常，包括写操作，如果CS为低电平时WP变为低电平，写入X5045的操作将被中断。但是，如果此时非易失性写周期已经初始化，则WP变为低电平，没有任何作用。SI：串行输入，SI为串行数据输入端，指令码、地址、数据均通过该管脚输入，数据在SCK上升沿输入，高位WSB在前。SCK：串行时钟，在串行时钟的上升沿通过SI引脚进行数据输入，在下降沿通过SO引脚进行数据输出。RESET：复位输出，RESET为开漏输出引脚，只要VCC下降到最小内容VCC值，该引脚会在VCC上升到最小内容值以上200ms后输出高电平，同时也受制

41、于查看看门狗定时器控制，只要看门狗处于活动状态，并且WDI引脚上的电平保持高电平或低电平超过定时时间，就会产生复位信号，CS引脚上的下降沿将复位看门狗.看门狗定时器，因为这是一个开漏输出引脚，使用时必须连接到一个上拉电阻。(3) X5045的电路连接图2.4中的看门狗为系统提供保护。当系统出现故障并超过设定时间时，电路中的看门狗会通过RESET信号响应CPU。它提供了三个时间值供选择。它具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响。当电源电压下降到内容范围时，系统会自动复位。 X5045内存和CPU可以通过串行通信接口，总共5k字存储抄表数据。如何保证WDT的正常运行也是一个关键问题。根据

42、WDT发生故障的原因，采取各种措施防止发生故障，从而进一步提高系统的可靠性：尽量减少干扰源的存在，减少不可去除的干扰的影响，如电源电压的波动、尖峰、浪涌等，都是强度比较高的干扰源，应滤除：2、划分本机的任务，合理配置CPU的运行任务，能在上位机上运行的功能一般都应该在上位机上运行，因为上位机的运行环境好且容易来控制，从而减少本地机器错误的概率： 实时备份过程控制程序中的地址指针和判断转换的条件状态等关键数据。当 WDT 因数据修改而失效时，可以从备份 RAM 中恢复这些关键数据，从而恢复系统。对于未使用的 EPROM 和 RAM 区域，它们总是写为 FFH 或 OOHI。当CPU因干扰“跑”到

43、这些未使用的区域时，不会发生误操作。采取上述措施可以更好地提高WDT的稳定性，有利于系统的正常运行。图 2.5 X5405 的电路连接2.2.3数据上传模块所谓数据上传，就是将采集器中采集的电表数据通过异步串行方式致到网络传输设备。该模块起到电平转换的作用。(1) 串行通讯总线标准接口标准异步串行通信接口主要包括以下几类：RS -232C、RS-232E； RS-449（RS-422、RS-423、RS-485）； 20mA电流回路； USB通讯接口。所谓标准接口，就是明确定义多条信号线，对接口电路进行标准化和通用化。借助串行通信标准接口，同类型的数据通信设备可以轻松实现它们之间的串行通信。使

44、用标准接口后，可以很方便的将各种计算机和外部设备有机结合起来进行串行通讯。 RS-232C由美国电子工业协会（EIA）正式公布，是异步串行通信中应用最广泛的一种。标准总线，即传输电气和机械特性方面的规定，适用于短距离和有调制解调的场合。为了提高数据的传输距离和传输速率，EIA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，但具有简单、对电噪声不敏感等优点，因此也广泛应用于串行通信中。为了满足通信可靠性的要求，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。 通讯速度和通讯距离通常，标准串行接口的电气特性都有满足可靠传输的最大距离和最大传

45、输速度的指标，但这两个指标之间存在相关性。适当降低通信速度可以增加传输距离，反之亦然。例如，当RS-232C标准用于单向数据传输时，最大数据传输速率为20Kb/s，最大传输15米距离为300米数据传输速率，则可以达到传输距离抗干扰能力通常选用的标准接口在保证不超出其适用范围的情况下，具有一定的抗干扰能力，从而保证信号的可靠传输。但是，在一些工业控制系统中，通信环境非常恶劣。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，采取适当的抗干扰措施。比如在长距离传输中，RS-422标准可以有效抑制共模干扰信号，使用20mA电流环技术可以大大降低干扰。对噪音敏感。本方案中单片机与入网设备连接，

46、不影响传输距离，速度可以适当放宽，所以-232C上行传输模块可以使用RS标准来完成TTL电平到CMOS电源。平面转换。(2)RS-232C总线标准、芯片及接口电路 RS-232C总线标准接口目前应用最广泛的串行通信总线接口是RS。 RS标准-232C接口的全称是“使用二进制交换的数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口”。-232C计算机、外围设备和显示终端属于数据终端设备，而调制解调器属于数据通信设备。 RS 在通讯线路中的连接-232CRS-232C在通讯线路中的连接方式如图 2.6 所示：图 2.6 RS232 通讯示意图“RS -232C”是Rcommended Sta

47、ndard，232是标识符，C表示标准协议修改了3次，原来有RS-232A和RS-232B标准。RS-232C定义了20条信号线，其中最常用信号线的定义、分类和功能表 2.1 RS232 信号线定义针号信号名称简称方向功能1保护区连接到设备外壳并安全接地2致数据TXD到大连商品交易所DTE致串行数据3接收数据接收端后向DTEDTE接收串行数据4请求致即时战略到大连商品交易所DTE请求切换到致模式5明确致中旅后向DTEDTE已切换到准备接受6准备好数字设备DSR后向DTEDCE准备就绪7信号地信号地8载波检测DCD后向DTEDCE收到远程信号20数据终端就绪DTR到大连商品交易所DTE准备就绪二

48、十二振铃指示RI后向DTE通知DTE通信线路已准备好RS-232C 是为促进公共网络通信而开发的标准。其逻辑电平与地对称，与TTL.MOS逻辑电平完全不同；逻辑0电平指定在+3V+15V之间，逻辑电平在+3V+15V之间。 1电平规定在-3V-15V之间，所以RS-232C驱动器和TTL电平必须经过电平转换。 RS规定的逻辑电平-232C不同于一般微处理器和单片机的逻辑电平。在实际使用中，将微处理器和单片机的信号电平（TTL）转换成-232CRS的电平，或者进行两次逆变换，这两个电平的转换是通过专用的电平转换芯片来实现的。RS-232C总线标准连接系统采用RS-232C连接系统时，有短距离通信

49、和远距离15米通信之分-232C。15米以上远距离通讯需要加调制解调器（MODEM）。在本系统中，单片机与网络接入设备的距离很近，可以直接连接，即选择短距离通信方式。当两台PC系列机器进行短距离点对点通信时，或PC系列机器与外部设备进行串行通信时，两台DTE可以直接连接，省去调制解调器MODEM作为DCE。这种连接方式称为零调制解调器连接。在这方面，计算机通常看起来像一个 MODEM，因此它可以使用 RS232C标准。进行零对RS的零MODEM模式-232C： 1）具有良好的硬件握手功能，“数据致”和“数据接收”相互交叉连接，使两个设备都能正常致和接收。 “Data Terminal Read

50、y”和“Data Device Ready”这两条线也是交叉连接的，这样两台设备都可以检测对方是否准备好。 2）相比上一个，它有更好的硬件握手功能，他们的“请求致者（RTS）”和自己的“清除致者（CTS）”，这样当设备向对方致请求时，立即通过自己的“Clear sender”表示对方已经回复。这里的“请求致”线往往也连接到对方的“载波检测”线，因为“请求致”信号的出现类似于通信信道中的载波检测。 3) 最简单的连接方法是只将“致数据”和“接收数据”交叉连接，并连接到公共地，其他信号不使用。这种连接方式需要软件实现其握手功能，其连接方式如图2.7所示：图 2.7 将终端/计算机连接到终端/计算机

51、的最简单方法在本设计方案中，一端是单片机的电平转换芯片，另一端是网络接入设备。两者用三根线连接，可以将PC中的数据上传到互联网，实现远距离传输。(3) 功率电平转换芯片及其接口电路 RS-232C电平转换芯片多。例如，INTERSIL 的 ICL232 是弹片集成的双 RS-232 发射器和接收器。它使用单个 +5V 电源，最多可以为 4 个外部电容器和 2 个电阻器供电，形成标准的 RS-232 通信结构。当然，还有 MAXIM 和 HARRIS。等等，虽然它们来自不同的厂商，但它们的引脚功能是相互兼容的，甚至可以相互替代。下面对本系统使用的MAXIM公司的MAX232电平转换芯片进行重申。

52、 MAX232芯片及其接口电路MAX232芯片由MAXIM公司生产，包括2通道接收和驱动芯片，适用于各种EIA-232C和V28N.24通信接口。 MfAX232部分有一个电源变压器，将输入的+5V电压转换成-232CRS输出电平所需的10V电压，所以使用该芯片接口的串行通信系统只需要一个+5V电源。在没有12V电源的场合比较实用，价格适中，硬件接口电路简单，应用广泛。 MAX232 芯片引脚如图2.8 所示。图 2.8 MAX232 引脚图2.2.4时钟模块该系统属于自动测控系统，需要记录数据，记录数据时还需要记录时间。当出现异常数据时，可根据时间记录查明数据错误的时间并进行处理。为了达到自

53、动抄表的目的，记录抄表时间，这里使用了时钟芯片。设置抄表时间后，系统会根据芯片提供的时间查询抄表数据。(1) 芯片的选择DS1302是DALLAS公司推出的一款实时时钟芯片，内含实时时钟日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机通信。实时时钟/日历电路提供秒、分钟、小时、月和年的信息。每月天数和闰年天数可以自动调整。时钟还可以通过 AM/PM 决定使用什么时间系统。 DS1302与单片机的通信可以简单地通过同步串口进行，只需要三个端口：1）RSTT，2）I/O，3）SCLK串行时钟。时钟 RAM 的读写数据以 1 字节或最多 31 字节字符的形式进行通信。 DS1302工作时功耗很小

54、，保存数据和时钟信息时的功耗小于1MW。(2) DS1302芯片功能介绍实时时钟具有计算2100年前的秒、分、日、日、周、月、年的能力，还具有闰年调整的能力。31*8位临时数据存储RAMSerial UO口模式尽量减少管脚数量宽工作电压：2.0-5.5V工作电流：2.0V，小于300mA 读写时钟或RAM数据时，有两种传输方式：单字节传输或多字节传输。 pin DIP 封装或可选 8 pin SOIL 封装 简单的3线接口，兼容TTL（VCC=5V） 可选工作温度范围广：-40+85兼容DS1302，具有可选的VCCl涓流充电能力，主电源和备用电源采用双功率管，备用电容引脚可以电池或大电容输入

55、（3）DS1302引脚接其电路X1，X2接32.768KHz晶振引脚GND，地SCLK，串行时钟，RST复位引脚I/O数据输入输出引脚VCCl、VCC2电源管脚图 2.9 DS1302 引脚图图2.10 DS1302电路连接图2.2.5电能采集计数模块(1) 电能计量部分实现电流、电压信号的采样，产生电能脉冲功能。其核心是AD7755芯片，是专门用于功率测试或电能测量的专用集成电路，是目前电子式电能表的核心芯片之一。电能计量部分包括AD7755、分流器、分压器、基本电压源、保护电路、光耦输出电路。(2) AD7755集成了增益可选放大器(PGA)、固定增益放大器、16位二阶模数转换器(ADC)

56、、相位校正电路、可选高通滤波器(HPF )、数字乘法器、低通滤波器 (LPF)、数字频率转换器 (D/F)、电压监视器和 2.5V 内部电压基准。电流和电压信号分别通过分流和分压电路进行采样；电流通道和电压通道的信号经放大器放大后，由AD7755的A/D转换器转换为两个数字信号，然后进行相乘和低通。在滤波、数字变频等电路的处理中，AD7755输出一个与瞬时功率成正比的脉冲，并将这个脉冲致给微处理器MCU。表 2.2 传递函数和通道增益框图S1所以F1-F4G1去获得001.7001013.4012106.81081113.61116(3) AD7755的CF引脚可提供16001MP/KWH(脉

57、冲数/kWh)的脉冲常数。该输出脉冲由LED和光电耦合器隔离输出，然后送到MCU的中断输入引脚，由MCU的计量功率脉冲控制。 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积，然后对乘积进行低通滤波，得到有功功率信息。该有功功率进一步转换为频率并以低电平有源方式从F1和F2输出。这个频率是有功功率信号长时间积累后产生的，所以这个输出频率与平均有功功率成正比。有功功率的平均过程是在数频转换中隐式完成的。 AD7755 上添加的输入电压值为 U1 和 U2。图 2.11 AD7755，性能测试图Fl、F2输出的脉冲频率F与输入电压信

58、号的有效值U1、U2有一定的定量关系。式中：F为F1、F2引脚输出的频率（Hz）；U1为差分输入电压的有效值（V）；U2为差分输入电压的有效值（V）；G 为 1、2、8、16，取决于 PGA 的增益，由 GO 和 G1 的逻辑输入决定；U为参考电压（2.5V0.8%）（V）；由主时钟CLKIN分频得到，分频系数由SO和S1决定。2.2.6显示电路(1)LCD1602液晶显示屏是由若干个5*8或5*11的点阵块组成的显示字符组。每个点阵块是一个字符位，字符间距和行间距都是一个点的宽度。主控驱动电路为HD44780（日立），带有字符发生器ROM，可显示192种字符，160个5*7点阵字符和32个5

59、*10点阵字符，带有64字节的自定义字符RAM，可以可定制8个5*8点阵字符或4个5*11点阵字符，80字节RAM，标准接口特性适应M6800系列MPU的运行时序，具有低功耗、长寿命和高可靠性。(2) 引脚功能1602采用标准16针接口，其中：引脚 1：VCC 是电源地2脚：VDD接5V电源正极3脚：V0为液晶显示器的对比度调节端。接正电源时对比度最弱，电源接地时对比度最高（对比度过高会产生“鬼影”，使用时可通过10K电位器调节对比度） .4脚：RS为寄存器选择，高电平为1时选择数据寄存器，低电平为0时选择指令寄存器。5脚：RW为读写信号线，高电平（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

60、引脚 6：E（或 EN）端为使能端。引脚 7 到 14：D0 到 D7 是 8 位双向数据终端。第1516脚：空脚或背光供电。 15脚背光正极图 2.13 LCD1602 引脚图2.3本章小结本章详细介绍了抄表系统的底层硬件结构，完成了电力数据采集和数据传输模块的设计。详细介绍了各个部分的硬件设计，这是本设计最基本的部分。在接下来的章节中，我们将详细讨论其硬件电路的软件控制及其流程。3 、抄表系统软件设计3.1软件设计要求硬件是骨架，构成软件的运行环境，软件是连接各个硬件的纽带，对系统的性能起着决定性的作用。在单片机系统中，软件的重要性与硬件的设置一样重要。硬件是载体，软件是灵魂。单片机系统的