基于单片机的电集中抄表设计

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1 集中抄表系统的发展及概况
1.1 电集中抄表系统
   自动抄表（Automatic Meter Reading-AMR）是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。发展电能自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。在用电管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成帐单出错，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。由于电力用户因此不再需要与抄表者预约上门抄表时间，还能迅速查询帐单，故这种技术越来越受到用户欢迎。
   电能计量和管理的需要以及电子技术的发展，使电子式电度表在20世纪70年代就已出现。随着数字电子技术的飞速进步，电子式电度表的功能逐渐增多并日臻完善。
   电子式电度表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成，根据电能测量机构的不同，又分为机电脉冲式电度表和全电子式电度表两大类。机电脉冲式电度表沿用感应系电度表的测量机构，其数据处理机构则由电子电路和计算机控制系统实现，因而，机电脉冲式电度表是一种电子线路与机电转换单元相结合的半电子式电度表。
1.2 国内外发展的概况
   水、电和燃气是生活中必不可少的，它们的发展一直倍受人们的关注。在人们关注的同时，三表抄送系统产生了，并且，随着科技的不断发展，三表抄送系统也越来越智能化。
同时，随着人们的生活水平不断提高，老百姓对生活环境提出了更高的要求；在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的发展。同时，随着科技的发展，小区住宅除了满足人们最基本的居住要求，还要将方便、省时的物业管理带给住户。实现住宅的三表（水、电、煤气）出户自动抄表、自动计费，已成为新型智能小区的必备条件。
   作为智能化产业链中的一环——智能抄表系统也同时得到了蓬勃发展。从沿海的经济发达地区深圳、广州、上海到政治文化中心北京，以及中国西部城市成都、重庆、贵州、昆明等地均不同程度地建设了智能化示范小区。这些智能化住宅小区的建设，提高了住户的生活质量，扩大了住户的居住空间，为当地智能化建设起到了示范作用。
1.3 住宅抄表自动化系统应用条件
   自动抄表系统作为一个实用系统在住宅建筑工程中的应用应具备以下条件：
      (1)系统产品化、模块化、系列化，并且可按照住宅建筑类型和用户的需要，灵活组合所需系统。
      (2)系统工程设计应符合国家相应标准、规范及国家相关政策导向。
      (3)需要相关供水、供电、供气、邮电、房地产开发等主管部门的配合，以及综合物业管理的配套实施。
2 方案论证与比较
2.1 抄表部分
2.1.1方案1：
  采用高准确度电能测量集成电路如ADE7755直接设计出可以直接产生脉冲、计数以及数据存储和发送的集成模块。但该设计该集成电路相对复杂。
2.1.2方案2：
  采用CRYSTAL公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片CS5460。该芯片可以方便的组成多功能电子式电度表和分布电度表和分布式电能计量管理系统。比目前比较流行的电子电度表芯片如AD7750、AD7755更容易实现与微处理器的连接而且在AD7750/55的基础增加了更多的功能：
  ·具有片内看门狗定时器（Watch Dog Timer）与内部电源监视器；
  ·具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能；
  ·提供了外部复位引脚；
  ·双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接；
  ·外部时钟最高频率可达20MHz；
  ·具有功率方向输出指示。
  这些增加的功能更加便于与微处理器（MPU）接口，并能方便地实现电压、电流、功率的测量和用电量累积等功能。该产品将是未来市场的主流产品，但在现阶段可能成本较高对一些用户来讲会难接受。
2.1.3方案3：
  针对现阶段大多数用电户所使用的感应式电能表的情况，采用AT89C51单片机为核心加入光电转换电路实现脉冲转换并利用霍儿传感器UGN30T51进行电流检测具有报警和自动断电的功能。改装起来比较方便，设计该电路所需成本较低。
2.2 数据传输部分
2.2.1方案1：
  基于RS—485的无线通讯网络，其特点是无线采集模块采用先进的无线传输技术，使无线采集模块的安装极为方便，可实现无线手抄和远程传输形式。能够实现的功能也比较多，但设计起来电路比较复杂。
2.2.2方案2：
  采用电话线为载体的以太网形式，其优点是改装成本低不许要再次拉网络线。但是调试过程复杂，难以进行实现实际演示。
2.2.3方案3：
  CAN总线网络。利用CAN总线较其它通讯网进行数据传输有两个不同之处：一是报文传送中不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收的收下，不该收的弃而不用。其好处是可在线上网下网、即插即用和多站接收；二是特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。而且CAN具有以下主要技术特性：
  （1）CAN遵从ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。采用双绞线，通信速率最高可达到1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps.同一段总线内最多可挂接110个设备。
  （2）CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个。因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点发生严重错误时，具有自动关闭的功能，切断该节点与总线的联系，使总线上其它节点不受影响，具有很强的抗干扰能力。
  （3）CAN支持多主工作方式，网络上任一节点均可在任何时候主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突
  该方案特点是在硬件电路的设计上比较简单，演示起来比较方便，需要的成本相对以上的两个方案中也不是很高。
  综合以上抄表模块和通讯模块的几种方案，从设计方面，成本问题，现阶段经济情况，用电户接受程度以及在改装过程中安装是否方便等方面综合考虑得出以下电集中抄表系统。该系统主要包括的电路有光电转换电路，电流检测电路，报警断电电路和CAN总线通信电路。总的设计框图如图2.1所示：

3 系统硬件设计
3.1 电能表模块电路设计
  在实际生活中有许多类型的电能表总的可以分为感应式电能表、脉冲式电能表和全电子式电能表等几大类。然而由于感应式电能表价格低廉，计量准确所以被得到广泛地应用。它利用金属铝转盘中的感应电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用来产生驱动力矩以驱动铝盘旋转，从而得到累计消耗的电能。但感应式电能表由于自身无防盗电功能，随着电力事业的发展，这一缺点给电力部门带来的损失日益突现出来。因此，在感应式电能表的基础上加装防盗电功能，具有一定的现实意义。
在感应式电能表的使用中，常见的盗电方式有以下几种：
  （１）在电能表的内部断开电压扣，使得固定线圈内无交流电流通过而不产生磁场，从而使铝盘不能旋转，并最终导致电能表不能对累计消耗的电能进行计量。
  （２）电能表的进出线反接，使铝盘产生相反的旋转，以减小电能表计数。
  （３）在电能表的外部用导线短接电能表，电能表的计量值仅为实际耗电的一半。
在分析了防盗电现象的基础上，给出了一种带防盗电功能的新式智能化感应式电能表。该系统主要由光电转换电路、电流检测电路、单片机AT89C51、继电器和报警电路等组成。其系统主要电路组成框图如图3.1所示。
3.1.1AT89C51介绍
（1）单片机概述
  自单片机出现至今，它已走过近20年的发展路程。纵观20年来单片机的发展历程，单片机技术的发展以微处理器MPU技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域表现出微处理器更具有个性的发展趋势。现代单片机具有寿命长、速度越来越快、低电压、低功耗、低噪声与高可靠性技术等许多优点。单片机的产品非常多，例如：

• Motorola单片机：Motorola公司是世界上最大的单片机厂商。在8位机中68HC05、68CH08有30多个系列，200多个品种。还有8位增强型68HC11，16位68HC16、32位机683XXX等。近年来以FOWER PC Coldtirc等为CPU，将DSP作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。
• Microship单片机：是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品有16C系列8位机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，低价位，全部是DTP器件。
• 8051类单片机：由Inter公司推出，是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Inter公司在嵌入式应用方面，将重点放在186、386、奔腾等与PC机兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都保持在与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性，提高了速度、降低了时钟频率、放宽了电源电压的动态范围、降低了产品价格。此外，还有Scenix单片机、NEC单片机、东芝单片机、富士通单片机、EPSON单片机、三星单片机、华邦单片机等。
  3.1.2固态继电器
    固态继电器（Solid State Relay）简称SSR，它是一种新型的无触点电子继电器，其输入端仅要求输入很小的控制电流，能与TTL、HTL、CMOS等集成电路具有较好的兼容性，而其输出则用双向晶闸管来接通和断开负载电源。它与普通电磁式继电器和磁力开关相比，具有开关速度、工作频率高、体积小、重量轻、寿命长、无机械噪声、工作可靠、耐冲击等一系列优点。由于无机械触点，当其用在需抗腐蚀、抗潮湿、抗振动和防爆的场合，更能体现出有机械触点继电器无法比拟的优点。另外，其输入控制端与输出控制端用光电耦合隔离所需控制驱动电压低、电流小，易于与计算机控制输出接口。所以在计算机控制系统中，已越来越多地用固态继电器取代传统的电磁式继电器和磁力开关作开关量输出控制。在这里，计算机将控制信号送给D/O板，D/O板再将控制信号经过继电器去控制电动机、开门电机的启动和停止，这里我们选用的继电器也是固态继电器。
    固态继电器是一种四端器件，两端输入、两端输出，他们之间用光电耦合器隔离。它可以有不同的分类方法。
    （1） 负载电源类型分类：可分为直流型（DC-SSR）和交流型（AC－SSR）两种。直流型是用功率晶体管作开关器件；交流型是用双向晶闸管作开关器件，分别用来接通和断开直流或交流负载电源。
    （2） 以开关触点形式分类：可分为常开式和常闭式。目前市场上以常开式为多。
    （3） 以控制触发信号的形式分类：可分为过零型和非过零型。它们的区别在于负载交流电流导通的条件。非过零型在输入信号时，不管负载电源电压接近零且输入控制信号有效时，输出端负载电源才导通。其关断条件是在输入端的控制电压撤销后，流过双向晶闸管的负载电流为零时，SSR关断。
    固态继电器有如下一些主要优点：
      ① 输入功率小：出于其输入端采用光电耦合器件，其驱动电流仅需几毫安便能可靠地控制，所以可以直接用TTL、HTL、CMOS等集成驱动电路控制。
      ② 高可靠性：由于其结构上无可动接触部件，且采用全塑密闭式封装，所以SSR开关时无抖动和回跳现象，无机械噪声，同时能耐潮、耐振、耐腐蚀；由于无触点火花，可用在易燃易爆介质的场合。
      ③ 低电磁噪声：交流型SSR在采用了过零触发技术后，电路具有零电压开启、零电流关断的特性，可使对外界和本系统的射频干扰减低到最低程序。
      ④ 能承受的浪涌电流大：其数值可为SSR额定值的6-10倍。
      ⑤ 抗干扰能力强：由于输入与输出之间采用了光电隔离，割断了两者的电器联系避免了输出功率负载电路对输入电路的影响。另外，又在输出端附加了干扰网络，有效地抑制了线路中dv/di和di/dt的影响。
    结合以上固态继电器的优点，根据实际需要，我们采用了常开式和常闭式的、交流型的固态继电器。这类交流型的固态继电器的输入和输出端是通过光电耦合器隔离，这样可以割断外部输出负载电路对计算机的干扰。另外，它是用双向晶闸管作开关器件。晶闸管习惯上又称可控硅，它是一种大功率半导体器件，它既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。这里利用它可以控制的开关作用。其工作原理是：当输入端有输入电压时，经过光电耦合器的耦合作用，与双向晶闸管控制极（门极）相连的电路接通，晶闸管控制极加上电压，则晶闸管导通，此时若该固态继电器是常开式的，则接通负载电源；若是常闭式的继电器，则断开负载电源。当输入端电压是零时，继电器内部的晶闸管的控制极没有控制信号，由于与继电器相连的电路是交流回路，电流过零或者进入负半周时，晶闸管自动关断。为了使固态继电器再次响应，必须重加控制信号。其内部结构如下输入部分是一个砷化镓发光二极管（也可是别的发光二极管），该二极管在5－15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控硅，在红外线作用下，可双向导通。如下图3.3所示：
  
  3.1.3光电转换电路设计
    光电转换电路主要将铝盘的旋转转换为电脉冲，以此来作为单片机的一个检测信号。它以感应式电能表的电磁系统为工作元件，并在电能表的铝盘表面印上黑色的分度线进行分度。为了区分铝盘的正反转，分度线间隔宽度应按顺时针方向逐渐增加，然后用反射式光电头发射光束来采集分度线标记，再经光电转换电路变换，最后输出与铝盘旋转速度和分度线宽度成正比的电脉冲以给单片机提供一路检测信号。其电路图如图3.4所示。图中，D1为发光管HG410，D2为接收管3DU31，它们按一定的角度被固定在旋转铝盘的上方，当铝盘的黑色分度线到达光线区时，D2接收管的集电极输出一正脉冲，并经CD4069的两个非门和R3构成的施密特触发器整形后加到单片机的定时／计数器T0的输入端口（ ），作为捕捉信号。
  
  3.1.4电流检测电路
    电流检测电路主要由线性霍尔磁敏传感器UGN3501T、钳形冷轧硅钢片和信号处理电路组成。其电路如图3.5所示。
  
    该电路将霍尔元件置于钳形冷轧硅钢片的空隙中，当有电流流过导线时，就会在钳形圆环中产生磁场，其大小正比于流过导线的电流，这个磁场作用于霍尔元件上并感应出相应的霍尔电势，该电势经过运算放大器μA741放大，这样，当电路中有电流流过时，放大器输出的高电平将作为单片机的一个检测信号加到单片机的定时/计数器T1。调整放大器中两个电阻RW和R5可以得到满足输入到单片机高电平信号。为了是电路更加稳定也可以在放大器的输入端加入一个二极管D1作为开关用当有足够大的电平信号D1便导通，在输出端加入电容C和二极管D2为稳压管用。
  3.1.5单片机系统电路
    单片机系统电路主要完成对光电检测信号、电流检测信号的比较计算，同时输出控制报警信号。该电路由单片机AT89C51、固体继电器，蜂鸣器报警电路等组成，电路如图3.6所示
  
    该电路将光电信号加到单片机的输入捕捉 端的目的是利用定时／计数器Ｔ0的输入捕捉功能来检测光电转换电路输出的脉冲及脉冲宽度的变化情况，以确定铝盘的旋转状态。将电流检测电路的输出信号加到定时/计数器T1端，然后通过读取T1的电平值和T0对光电信号的捕捉结果，就可以判断是否有盗电情况发生。设计时应将P2.0端接继电器驱动电路和蜂鸣器报警电路。
  3.2 CAN总线接口电路的设计
  3.2.1CAN总线概况
    控制器局部网（CAN——Controller Area Network）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。CAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。
    现场总线领域中，CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，他们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。带有CAN的MCU芯片总量已经达到1亿3千万片（不一定全部用于CAN总线）；因此在接口芯片技术方面，CAN已经遥遥领先于FF、PROFIBUS、LONWORKS等其它所有现场总线。
    现场总线标准及其技术日益成为国际自动控制领域关注的一大焦点，其原因是它改变了传统控制系统的结构，形成了全新的网络集成分布式控制系统。在我国，现场总线已经发展到推广应用阶段，中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要战场。因此研究现场总线技术及其产品就显得尤为重要。
  3.2.2SJA1000介绍
    SJA1000是一种独立控制器，用于汽车和一般工业环境中的局部网络控制。它是Phlips公司的PCA82C200CAN控制器（basic CAN）的代替产品。而且，它增强了一种新的工作模式（peli CAN）,这种模式支持具有很多新特点的CAN2.0B协议，SJA1000具有如下特点：
• 与PCA82C200独立CAN控制器引脚和电器兼容。
• PCA82C200模式（既默认basic CAN模式）。
• 扩展的接收缓冲器（64B、先进先出FIFO）。
• 与CAN2.0B协议兼容（PCA82C200兼容模式中的无源扩展结构）。
• 同时支持11位和29位标识符。
• 位速率可达1Mbit/s。
• Peli CAN模式扩展功能：
• 可读/写访问的错误计数器；
• 可编程的错误报警限制；
• 最近一次错误代码寄存器；
• 对每一个CAN总线错误的中断；
• 具有详细位号（Bit position）的仲裁丢失中断；
• 单次发送（无重发）；
• 只听模式（无确认、无激活的错误标志）；
• 支持热插拔（软件位速率检测）；
• 接收过滤器扩展（4B代码，4B屏蔽）；
• 自身信息接收（自接收请求）。
• 24MHz时钟频率。
• 可以和不同微处理器接口。
• 可编程的CAN输出驱动器配置。
• 增强的温度范围（-40到+50度）。
  （1）内部结构
    SJA1000 CAN控制器主要由以下几个部分构成：
• 接口管理逻辑（IML）
    接口管理逻辑解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主控制器提供中断信息和状态信息。
• 发送缓冲器（TXB）
    发送缓冲器是CPU和BSP（位流处理器）之间的接口，能够存储发送到CAN网络上的完整报文。缓冲器长13B，由CPU写入，BSP读出。
• 接收缓冲器（RXB，RXFIFO）
    接收缓冲器是接收过滤器和CPU接口，用来接收CAN总线上的报文，并存储接收到的报文。接收缓冲器（RXB，13B）作为接收FIFO（RXFIFO，长64B）的一个窗口，可被CPU访问。
    CPU在此FIFO的支持下，可以在处理报文的时候接收其他报文。
• 接收过滤器（ACF）
    接收过滤器把它其中的数据和接收的标识符相比较，以决定是否接收报文。在纯粹的饿接收测试中所以的报文都保存在RXFIFO中。
• 位流处理器（BSP）
    位流处理器是一个在发送缓冲器、RXFIFO和CAN总线之间控制数据流的序列发生器。它还执行错误检测、仲裁、总线填充和错误处理。
• 位时序逻辑（EML）
    位时序逻辑监视串行CAN总线，并处理 与总线有关的定时器。
• 错误管理逻辑（EML）
    EML负责传送层中调制器的错误界定。它接收BSP的错误报告，并将错误统计数字通知BSP和IML。
  （2）引脚介绍
  SJA1000为28脚DIP和SO封装，引脚如图3.7所示：
  
  3.2.7CAN总线接口电路
   &emspSJA1000在电路中是一个总线接口芯片，通过它实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。该电路的主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析。AT89C51是CAN总线接口电路的核心，其承担CAN控制器的初始化、CAN的收发控制等任务。CAN总线接口框图见图3.11和3.12

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