基于ATC的遠程抄表系統(tǒng)設計

1、基于AT89C51的遠程抄表系統(tǒng)設計摘 要介紹了一種嶄新的以AT89C51單片機為核心器件,結合外部元件設計的遠程抄表系統(tǒng)設計方案。并介紹了具備遠程數據采集功能和數據通信功能的系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。經投入使用,表明該系統(tǒng)的各種功能都能達到預期效果,效果較好。另外還進行了抗干擾分析，并從硬件和軟件上進行了抗干擾設計,對印制電路板的電磁兼容問題給了一些相應的解決措施，并在ansoft中進行了性能仿真。從而使系統(tǒng)抗干擾性能有了明顯的提高。該課題對電力系統(tǒng)中電能管理有一定的適用價值，同樣還可以推廣到其他相關的一些行業(yè)，有較高的社會推廣價值。本文對整個抄表系統(tǒng)進行了較為全面的設計，著重對系統(tǒng)底層的能

2、耗數據的采集和集中、數據通信網絡和通信方式等做了較為詳細的設計。在硬件上對CPU數據存儲及其監(jiān)控電路、數據傳輸、通信標準、時鐘電路、串口擴展、電能采集和顯示電路都做了詳細的論述。并且廣泛應用的RS-485電氣接口的串行通訊技術作為通訊方式。在軟件上對數據進行采集、通信、顯示子程序、校驗子程序等做了詳細的說明。該遠程抄表系統(tǒng)實現了多用戶的電能信息的遠程自動抄表，能夠實現住宅能耗計量的高質量和高效率管理。關鍵詞: 遠程抄表; AT89C51單片機; 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. 緒論11.1 遠程抄表系統(tǒng)的國內外概況1 上層星型通信方案2 底層總線型通信31.2本課題研究的背景，目的和意義51.3 遠程抄表系統(tǒng)6 抄表系統(tǒng)的選型及其特點6 遠程抄表系統(tǒng)構成61.4 本文所做的工作72.

9、 抄表系統(tǒng)的模塊功能設計82.1 抄表系統(tǒng)的整體結構82.2 抄表系統(tǒng)的各功能模塊設計9 CPU的選型9 外圍存儲及其監(jiān)控電路模塊11 數據的上傳模塊15 時鐘模塊19 電能的采集和計數模塊21 顯示電路232.3 本章小結243. 抄表系統(tǒng)的軟件設計253.1 軟件設計要求25 易理解性，易維護性25 實時性能26 可測試性26 準確性26 可靠性263.2 主程序的軟件設計273.3 子程序設計27 清零子程序的設計29 接受數據與通信的程序設計29 數據采集子程序30 脈沖采集程序31 顯示子程序32 校驗子程序33 數據傳送子程序343.4 硬件電路驅動36 數據存儲芯片 X54053

10、6 時鐘芯片 DS130236 數據上傳 MAX232芯片36結論37致謝38參考文獻391. 緒論1.1 遠程抄表系統(tǒng)的國內外概況 遠程抄表系統(tǒng)又稱自動抄表系統(tǒng),國外稱為Automatic Meter Reading System，通常縮寫為AMRS。它是將終端用戶電表單元的數據采集后，通過現代傳輸通訊技術送到遠端管理部門進行數據處理的系統(tǒng)。采用遠程抄表技術，不僅能節(jié)約人力資源，更為重要的是可以提高抄表的準確性，減少因估計或謄寫而造 成賬單出錯，使供管部門能及時準確獲得數據信息。由于用戶因此不再需要與抄 表者預約上門抄表時間，還能迅速查詢賬單，這種技術越來越受到用戶的歡迎。遠程抄表系統(tǒng)廣泛應

11、用于電力部門。隨著公用事業(yè)部門的現代化管理需要，智能化住宅概念的推廣，此項技術在近年來在國內外取得了迅猛的發(fā)展。對該項技術的研究也從各個角度展開，從國內外相關技術拓展報道看,市場前景廣闊。 九十年代以來，美國在AMR技術的開發(fā)和應用上取得了長足的進步。據資料披露，美國在1990年度，共有791項AMR應用項目，其中約有550萬臺電表實現了自動抄表;而這個時期主要是采用的EMR(Reading and entering data on a hand-held computer keyboard)采用手持計算機的人工抄表:隨后開發(fā)了OMR(off -site meter-reading)無線方式的

12、戶外抄表。是指通過車載無線電自動抄表。九十年代以后，隨著電子及通信技術的發(fā)展，出現了以電力載波、電話網、有線電 視網、無線通訊為媒介的AMR技術，并在以美國為代表的西方發(fā)達國家廣泛的推廣應用。 信息化社會在逐步改變人們的生活方式與工作習慣的同時,也對一些傳統(tǒng)的理念提出了挑戰(zhàn)。隨著科技的進步、人民生活水平的提高,在智能化小區(qū)的管理系統(tǒng)中,安全自動化、通信自動化和管理自動化是三個主要的特征。耗能表(冷、熱水表、電表、煤氣表)數據抄收問題是衡量小區(qū)管理水平的一個非常重要的 ,不可回避的問題。對于它們的抄收問題解決是否有效將直接影響到居住的安全性、便捷性 ,也影響到物業(yè)管理工作。以往耗能表的抄收采用人

13、工方式,不能保證數據的準確性和實時性,會造成大量的人力、物力及時間上的浪費,也可能造成錯抄、漏抄、估抄的現象,給收費人員和住戶帶來很大的麻煩,甚至造成很多不必要的糾紛。因此遠程抄表系統(tǒng)既能滿足實際要求,又能提高能源管理的自動化水平和現代化水平,是促使人工抄表方式向數字化、 自動化方向發(fā)展的方式。這樣,遠程抄表系統(tǒng)成為了小區(qū)“智能化建設”的一個重要的部分,成為新興智能小區(qū)的必備條件。 上層星型通信方案 星型通信系統(tǒng)是以安裝在供電局管理中心的系統(tǒng)工作站為中心點，以發(fā)散形式分別通過通信信道與分散于各區(qū)域的集中器連接，形成一對多的連接形式。在這種方式下，信道的通信數據量較大，要求有一定的傳輸速率和帶寬

14、。根據信道的介質可以分為光纖、電話線和無線三種模式。 (1)光纖通信 光纖通信具有帶寬、傳輸速率高、傳輸距離遠以及高抗干擾性等特點，非常適合上層通信網的要求。因為光纖本身難以實現T型連接，不能實現總線結構(除非采用光纖環(huán)網技術)，因此特別適合于星型連接。由于目前星型連接節(jié)點造價高，安裝費用也比較高，在ARMS系統(tǒng)中無法采用。隨著光纖技術和網絡技術的發(fā)展，不久以后再ARMS系統(tǒng)中使用光纖通信網進行上層通信將是一種很好的選擇。 (2)電話線網 由于電話線網在城鎮(zhèn)的迅速普及,利用現有的電話網進行數據通信也是一個經濟有效的方案。利用電話通信，只需在數據集中器和管理中心主機加調制解調器(Modem)即可

15、，其通信速率可達2.4kbs,9.6kbs甚至56kbs。主機對集中器的呼叫主要通過撥號由交換機自動完成。 (3)無線通信網 利用無線電波進行無線通信，對于范圍廣、布局分散的集中器進行數據通信是一種較好的選擇。其特點是傳輸頻帶較寬，通信容量較大(可達幾千臺)，通信距離較長(一般幾十公里，還可以通過中繼站延伸到更遠)。在進行通信時，管理中心主機控制無線電臺發(fā)出呼叫命令，各集中器收到命令后進行地址對比，如正確則發(fā)出應答信號，完成數據鏈接的建立，然后進行數據通信。使用這種通信方式，安裝調試方便，主要缺點是要申請頻點使用權，如果頻點選擇不合理，相鄰的兩個信道會產生相互的干擾。一般情況下，小型無線電臺的

16、通信速率較低，常用600bs或者1200bs，且設備安裝成本較高，所以這種通信方式的使用場合有一定的限制，多用于大用戶電力負荷的無線電監(jiān)控及用電管理系統(tǒng)中。 底層總線型通信 總線型通信系統(tǒng)是為克服星型連接的不足而采用的，這種方式以一條串行總線連接各分散的采集器或電度表，實現各節(jié)點的互聯(lián)。在這種方式下，信道上節(jié)點較多，傳輸速率不高(與通信介質有關)，傳輸距離短，不超過2000m，因此一般用于底層電能數據的采集。常用的模式有低壓電力線載波通信、RS-485網等。 (1)低壓電力線載波通信 利用低壓電力線作為AMR系統(tǒng)的底層數據通道其運行成本低，無疑是非常經濟的方案。在發(fā)送數據時，發(fā)送器先將數據調制

17、到高頻載波上，再經過功率放大后通過耦合電路禍合到電力線上。信號頻帶一般為50-300kHz，峰峰值電壓不超過l0v，因此不會對電力線路造成不良影響。此高頻信號經線路傳輸到接收方，接收機通過耦合電路將高頻信號分離出來，濾去干擾信號后放大，再經過解調電路還原成二進制數字信號。低壓電力載波通信網的系統(tǒng)結構與RS-485系統(tǒng) 結構相同，采用總線結構。在同一變壓器區(qū)域下，一個集中器采集若千個采集器或電度表的數據，構成一個總線型圖。但是，利用低壓電力線作為傳輸信道還存在許多問題。 首先，低壓電力線信號特性決定了電力載波傳輸的復雜性。低壓電力線的衰減(高頻信號)是低壓電力線載波通信所遇到的一個問題。信號的衰

18、減與距離的關系，一般來說，成正比關系，傳輸的距離越長，信號的衰減程度也就越大、衰減得越厲害。但是由于電力線是非均勻的、不平衡的傳輸特性，其接上的負載阻抗也不匹配，所以信號也會遇到反射、駐波等現象:信號衰減與頻率的關系，一般來說，頻率越大，則衰減得越厲害;信號衰減與跨相傳播的關系，通常的同相傳播的信號要比跨相傳播衰減要小:信號衰減與電源相位的關系，有時高頻信號在工頻電源的每個相位范圍時會發(fā)生較大的衰減變化，這些電路上通常有大量電 容器或大功率電器，會引起高頻信號的急劇變化，而開關電源會向電力線上釋放大量的高頻干擾，從而影響正常的通信工作;信號衰減與負載的關系，信號衰減會隨著負載在電力線上的連接和

19、斷開而表現出不同的特點，由于負載變化的不可知性，所以信號的衰減也是隨之變化的. 其次，電力線上的干擾非常大。電力線上的用電設備等人為的干擾，以及自然現象中如雷電等非人為的干擾;周期性脈沖干擾和隨機產生的突變性千擾，用電設備會在工頻交流基波的某個固定的相位釋放干擾。還有大量的用電設備釋放出干擾，而這些干擾的瞬動頻率、周期、相位、變化很大，即產生連續(xù)變化的干擾;高壓開關的操作，雷電，較大的負荷變化，以及電力線上的短路故障，通常持續(xù)時間較短，強度較大，不可預測性，能量高，頻譜寬等。因此如何抑制干擾,提高通信的可靠性是首要考慮的。 再次，不同地方的線路特性可能完全不同，使用線路的種類及線路上的負荷情況

20、都回對高頻信號在電力線上的傳輸特性產生很大的影響。即使是同一段電力線路,其傳輸特性也會隨著各種電力負荷的投切而改變，所以通信設備的穩(wěn)定性和適應不同線路的能力也很重要。輸入阻抗是電力線傳輸特性的一個重要參數，它關系著傳輸信號的頻率，沒有任何電力線是一根均勻分布的傳輸線，由于分布電感和分布電容的影響，很顯然輸入阻抗將隨著頻率的變化而變化，不同的時候，電力線上的輸入阻抗是不同的，哪怕在同一地點，也會隨著負載隨機的斷開和隨機的閉合而不同。同一電力線，在不同地點的等效阻抗也不完全相同，從戴氏定理可知，不同的等效端口得到的等效輸入阻抗是不一樣的。電力線上阻抗的劇烈變化，如果用電力線即電力載波方法傳輸信號，

21、那么發(fā)送機功率放大器的輸出阻 抗是不等于接收機功率放大器的輸入阻抗，并很難在阻抗上匹配。當前市場上應用于電力線上的調制解調器一般是基于移頻鍵控(FSK)調制方式，由于傳輸速率低(一般不超過2400bs)，而且抗干擾性能差、傳輸距離短，所以基本上是已經被淘汰，而被廣泛使用的是擴頻調制解調器。擴頻系統(tǒng)分發(fā)送端和接收端兩個部分，接收端可簡化為調制和擴頻兩個模塊。在發(fā)送端，信號首先對某個載頻進行調制，調制器輸出的窄帶已調信號再送及擴頻器進行二次解調，輸出的信號為寬帶已調信號。由于擴頻器是利用-高速偽隨機碼(PN)序列對發(fā)射信號調制，因此獲得的輸出信號的頻譜密度大大地降低了。接收端由解擴和解調器構成，在

22、接收端，利用與發(fā)送端相同的偽碼序列對收到的擴頻信號進行解擴(擴頻的反變化)處理，還原成窄帶已調信號再經過解調器后，原始信號就解調出來。由于擴頻信號帶寬與窄帶濾波器帶寬之比越大，信噪比也就越大，所以擴頻通信是以較寬的帶寬換取高信噪比，并提高通信的抗干擾能力、增強通信的隱蔽性。因此這種調制方式將是低壓電力線載波通信的發(fā)展方向。 (2)RS-485網 EIARS-485是CCITT標準化V.11/X.27兼容的平衡式電器特性標準。該標準采用集成電路，在一對平衡的互聯(lián)電纜上傳送差分信號，在接收端用差分接收器進行信號判決。這種接口具有抑制共模干擾的能力，因此抗干擾性能較好，信號發(fā)送頻率最高可達1OMHZ

23、。在使用雙絞線，信號速率小于100kbs時，傳輸距離可達1200m。RS-485接口在一個通道上可以進行半雙工通信，所以只需要兩根線便可使雙向通信，并可方便地構成一點對多點或多點之間的相互通信網絡，一般使用雙絞線作為網絡總線?？偩€上掛接的節(jié)點個數因選用的接口驅動芯片而異，最多可以接128個節(jié)點。對要求較高的系統(tǒng)可以考慮選用帶光隔離的、抗雷電及抗靜電放電的沖擊的收發(fā)器，在進行系統(tǒng)設計時應綜合考慮這些因素。1.2 本課題研究的背景，目的和意義長期以來水表，電表，氣表的抄收一直采用傳統(tǒng)的人工查表方式，它是由抄表員上門逐家逐戶的抄錄用數據，并將查驗結果記錄在紙上，然后再由人工進行用量和收費計算。但是隨

24、著城市現代化建設，居民住宅小區(qū)大量崛起，使得城市的水，電，氣方面的建設規(guī)模日益擴大，管理工作也變得越來越復雜。在這種情況下，傳統(tǒng)的管理模式暴露出種種弊端：一方面，由于用量管理內容多，要處理的數據量大，從用戶建立到正常用量后抄表數據的記錄，存儲，統(tǒng)計，分析查找都十分繁瑣和困難。隨著社會經濟的發(fā)展和生活水的日益提高，人們對家居環(huán)境提出了越來越高的要求，安全、舒適、方便、快捷、人性化、智能化已成為新的追求目標，以往的住宅結構及管理方式越來越不能滿足人們的需求。隨著電子計算機、網絡信息技術和微電子技術的飛速發(fā)展給世界的各個領域帶來了無限的發(fā)展空間，建筑領域也不例外，智能大廈、智能化住宅小區(qū)先后出現，也

25、逐漸實現了小區(qū)網上物業(yè)管理、安防聯(lián)網報替、寬帶上網等，但對于耗能表的計量及其查表出戶的解決還處于較低的水平。 本文是基于單片機為主結構搭建一個遠程自超標系統(tǒng)，以取代目前廣泛使用的人工抄表，并消除其帶來的種種弊端，達到實時報表，準確無誤，節(jié)省人力資源的目的。本設計中，力求搭建出遠程抄表系統(tǒng)的整體框架，利用單片機為主題，結合通信技術，控制技術，網絡技術和數字電子技術等設計出一套遠程抄表系統(tǒng)并最大限度的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抗干擾性，實時性和經濟型。1.3 遠程抄表系統(tǒng) 抄表系統(tǒng)的選型及其特點 (1)抄表系統(tǒng)的選型，主要考慮以下幾個方面的功能 具有儲存功能，在出現特殊情況下，保證以前的所有記錄的數據不會

26、丟失。 具有后備電源，停電時系統(tǒng)能正常工作.具有較強的抗干擾能力，工作的穩(wěn)定性較高靈活的系統(tǒng)組成方案，可適用于小區(qū)、高層住宅、零散分布的住戶及其其他情況的特殊小區(qū)，具有較好的擴充性能。 (2)完成功能 完全實現自動抄表功能，電表的讀數由安裝在電表內部的或者外部的計量、 通訊模塊、實時功能、數據的上傳和下載，通過電話網絡將這些數據抄送到管理處或供電管理部門等用電管理功能。 遠程抄表系統(tǒng)構成 圖1.1遠程抄表系統(tǒng)的組成(1)如圖1.1所示的自動抄表系統(tǒng)體系。其中每個采集器要采集十幾戶到二十幾戶的電表脈沖，處理后變成抄表數據傳輸到集中器中。 (2)通過電話線或者其他的接入網絡傳到傳入網絡?？紤]到抄表

27、系統(tǒng)的數據傳輸量不大和易于接入等因素，可使用電話線MODEM實現遠程信息傳輸。 (3)對于整個抄表系統(tǒng)的數據采集，數據傳送，以及芯片功能的實現，將會在后面的章節(jié)中詳細介紹。1.4 本文所做的工作 本文以整個遠程抄表系統(tǒng)的設計為研究內容，對國內外現狀進行了詳細的了解后，結合自己所學知識，以AT89C51為內核，搭建一個遠程抄表系統(tǒng)。這套系統(tǒng)不但能夠實現對住戶用電情況進行實時監(jiān)控，而且能對他們進行準確的記錄和計算，并根據PC機的要求適時的傳送數據以供查閱。在設計研制過程中主要解決以下幾個問題：(1)根據實際需求完成抄表系統(tǒng)的設計。包括抄表系統(tǒng)的硬件設計，電路設計,抄表系統(tǒng)主要用來完成對電量的采集和

28、計量工作以及與上位機（PC）之間進行通訊。在設計過程中為了盡量減少硬件設施，降低功耗，簡化電路，選用了功能強大的芯片。(2)編寫實現系統(tǒng)功能的軟件。利用匯編語言編寫軟件來實現數據采集功能并對數據進行分析，處理和保存。利用C語言寫采集器與PC機的通信程序，實現兩者之間的數據交換。(3)確定通信方式及通信標準，采用串行異步通訊標準RS-485，采集器測量到的數據以及設備狀態(tài)可以通過RS-485總線傳至智能小區(qū)的物業(yè)管理中心的PC機，有管理中心統(tǒng)一進行處理，真正實現“無人查表”。(4)設計系統(tǒng)的抗干擾技術。干擾問題一直是困擾遠程抄表方式的難題。在遠程抄表系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)計量準確性的因素是脈沖信號是否

29、有效。由于干擾信號的干擾作用可能會使脈沖信號在產生和傳輸的過程中發(fā)生錯誤的計數。本課題為了避免上述現象的出現，在硬件和軟件上做了大量的工作，確保計量的準確性和可靠性。2. 抄表系統(tǒng)的模塊功能設計2.1 抄表系統(tǒng)的整體結構在了解國內外現有的AMR產品特點的基礎上，為了使抄表器的功能更加完善，設計的抄表器具有脈沖計數、數據存儲和數據處理、電量及其狀態(tài)的顯示、與控制中心通訊等基本功能。整體結構如圖2.1所示。圖2.1 抄表系統(tǒng)的整體結構框圖 系統(tǒng)的整體工作流程如下: (1)脈沖采集計數模塊根據脈沖計算出電表的數據，存儲于內部的RAM中。(2)AT89C51根據時鐘模塊的時間設定，定時向脈沖計數模塊發(fā)

30、送數據傳輸命令，收集其電表中的數據，并根據設置好的約定，存儲于外部的RAM中，等待上位機的查詢，并把沒反應過來的上位機的號碼記錄下來，上傳給上位機。(3)上位機操作中，有定時抄和隨時抄送兩種模式:定時抄送，即上位機根據系統(tǒng)設定的時間，查詢各脈沖采集計數模塊中的數據。隨時抄，指在某種特殊的情況下，需要單獨的對某個用戶進行復查等。在兩種模式下，對沒有反應的PC機做備份，并警告等。2.2 抄表系統(tǒng)的各功能模塊設計這是整個抄表部分的核心部分，由圖2.1可知，主要由CPU(MCU)、直流穩(wěn)壓、斷電控制、顯示、系統(tǒng)保護、時鐘、外圍儲存電路、數據的上傳、數據的下遞、電源、數據采集等組成。每一個部分的正確選擇

31、與設計，及其電路的連接對該系統(tǒng)的硬件電路而言是十分重要的。 CPU的選型(1)CPU是整個系統(tǒng)的核心部件，它直接影響系統(tǒng)的性能，對于本系統(tǒng)中選用的AT89C51單片機，現對其功能引腳，電路特征作一個詳細的介紹。 與MCS-51系列的單片機相容。 內有4K的可編程ROM和128個字節(jié)的RAM. 在0Hz到24Hz之間可以全靜態(tài)操作。 芯片有32條可編程U0引腳。 芯片有2個十六位定時器(計數器)。 共有6個中斷源，2個中斷優(yōu)先級。 可編程串口通道。 具有低功耗的工作模式和掉電的工作模式。 AT89C51是一種性價比高，功能先進的8位微處理器，在許多的嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，尤其是內部4K字

32、節(jié)的EPROM為使用者提供了很大的方便，當應用程序較小時，不用為CPU添加外擴的ROM.空閑工作模式和掉電保護模式可以保證CPU工作在低耗的狀態(tài)下，內部的RAM的數據不會丟失。(2)AT89C51芯片主要引腳介紹: VCC:AT89C51電源正極輸入，接+5V電壓; GND:電源接地端; XTALI:接外部晶振的一個引腳。在單片機內部，它是一個反向放大器輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。它采用外部振蕩時，該引腳應接地; XTAL2:接外部晶振的一個引腳。在片內接至振蕩器的反向放大器輸出端和內部時鐘發(fā)生器輸入端。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入；RST:AT89C51的復位信號

33、輸入引腳，高電位工作，當要對芯片復位時,只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，AT89C51便能完成系統(tǒng)復位的各項工作，使得內部特殊功能寄存器的內部均被設為已知狀態(tài)； ALEIPROG:ALE是英文“ADDRESS LATCH ENABLE”的縮寫，表示地址鎖存允許信號。當訪問外部存儲器時，ALE信號的負跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器(如74LS373)，將端口PO的地址總線(AO-A7)鎖存到鎖存器中.在非訪問外部儲存器期間，ALE引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來驅動其他的外圍芯片的時鐘輸入。當訪問外部存儲器期間，將以1/12振蕩頻率輸出;EA/VPP:

34、該引腳為低電平時，則讀取外部的程序代碼(存于外部EPROM)來執(zhí)行程序，在8051中，EA引腳必須接低電位，因為其內部無程序存儲器空間。如果是使用AT89C51或其它內部有程序空間的單片機時，此引腳接成高電平使程序運行時訪問內部程序存儲器，當程序指針PC值超過片內程序儲存地址(如8051/8751/89C51的PC超過OFFF均時，將自動轉向外部程序儲存器繼續(xù)運行。此外，在程序代碼燒錄至8951內部EPROM.89C51內部FLASH時，可以利用此引腳來輸入提供編程電壓(AT89C51為12V);PSEN:此為“Program Store Enable”的縮寫.訪問外部程序存儲器選通信號，低電

35、平有效。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼時，每個機器周期產生二次PSEN信號，在執(zhí)行片內程序儲存器指令時，不產生PSEN信號，在訪問外部數據時，亦不產生PSEN信號;P0,P1,P2,P3口 PO口(PO.O-PO.7)是一個8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當訪問外部數據時，它是地址總線(低8位)和數據總線復用。外部不擴展而單片應用時，則作為一般的雙向I/O口用。PO口每一個引腳可以帶8個LSTTL負載: P1口(P1.0-P1.7)是具有內部提升電路的雙向I/0端口(準雙向并行I/0口)，其輸出可以帶4個LSTTL負載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口; P2口(P2.0-P2.7)是具有內部提升電

36、路的雙向I/0端口(準雙向并行I/O口)，當訪問外部程序存儲器時，它是高8位地址。外部不擴展而單片應用時，則作為一般雙向I/0口用。每一個引腳可以推動8個LSTTL負載; P3口(P3.0-P3.7)是具有內部提升電路的雙向I/0口(準雙向并行I/0口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數控制及外部隨機存儲器內容的讀取或寫入控制等功能，其特殊功能引腳分配如下: P3.0 RXD串行通信輸入 P3.1 TXD串行通信輸出 P3.2 INTO外部中斷0輸入，低電平有效 P3.3 INT1外部中斷1輸入，低電平有效 P3.4 TO計數器0外部事件計數輸入端 P3.5 T1計數器1

37、外部事件計數輸入端 P3.6 WR外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效 P3.7 RD外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效圖2.2 AT89C51 外形引腳 外圍存儲及其監(jiān)控電路模塊 X5405是一種性能較高的可編程看門狗芯片，它集中了三種功能:看門狗定時器、電壓監(jiān)控、和EEPROM組合在單個封裝之內。X5405具有簡單的三線總線工作的串行外設接口(SPI)和軟件協(xié)作。其電路結構如圖2.3所示，八引腳封裝。 圖2.3 X5405芯片引腳該芯片內的串行EEPROM是具有Xicor公司的塊鎖保護CMOS串行EEPROM，它被組成8位結構，它由一個四線結構的SPI總線方式進行操作，其擦寫周期至少有100

38、萬次，并且寫好的數據能保存100年。(1)特性: 可選時間的看門狗定時器; VCC的降壓檢測和復位控制;五種標準的開始復位電壓; 使用特定的編程順序即可對低壓電壓檢測和復位開始電壓進行程: 復位電壓可以低至VCC=1V; 省電特性:在看門狗打開時，電流小于50uA;在看門狗關閉時，電流小于lOuA;在讀操作時候，電流小于2mA;具有數據的模塊保護功能，可以保護1/4,1/2全部的EEPROM，當然也可以設置不保護狀態(tài);用指令允許寫操作寫保護引腳;時鐘可達3.3ms; 短的編程時間，16字節(jié)的頁寫模式，寫時由器件內部自動完成，典型的器件寫周期5ms. 圖2.4 X5405內部電路結構圖(2)功能

39、及其引腳描述 本器件將四種功能容為一體，上電復位控制，看門狗定時器，降壓管理以及具有模塊功能的串行EEPROM，有助于簡化系統(tǒng)的設計，減少印制板的占用面積，提高可靠性。 CS/WDI:芯片選擇輸入，當CS是高電平時，芯片未選中，并將SO置為高阻態(tài)，器件處于標準的功耗模式，除非一個向非易失單元寫的周期開始，在CS是高電平時，將CS拉低將使器件處于選擇狀態(tài)，器件將處于工作功耗狀態(tài)，在上電后任何操作之前，CS必須有一個高變低的過程?？撮T狗輸入，在看門狗定時器超時并產生復位之前，一個加載WDI引腳上的由高到低的電平的變換將復位看門狗定時器。 SO:串行輸出，SO是一個推/拉串行數據輸出引腳，在讀數據時

40、，數據在SCK脈沖的下降沿由這個引腳送出。 WP:寫保護，當WP引腳是低電平時，向X5045中寫的操作被禁止，但是其他的功能正常，當引腳是高電平時，所有操作正常，包括寫操作，如果在 CS是低的時候，WP變?yōu)榈碗娖?，則會中斷向X5045中寫的操作，但是，如果此時內部非易失性寫周期己經初始化了，WP變?yōu)榈碗娖讲黄鹱饔谩?SI:串行輸入，SI是串行數據輸入端，指令碼、地址、數據都通過這個引腳進行輸入，在SCK的上升沿時進行數據的輸入，并且高位WSB在前。SCK:串行時鐘，串行時鐘的上升沿時通過SI引腳進行數據的輸入，下降沿通過SO引腳進行數據輸出。 RESET:復位輸出，RESET是一個開漏型輸出引

41、腳，只要VCC下降到最小允許VCC值，這個引腳就會輸出高電平，一直到VCC上升超過最小允許值之后200ms，同時它也受看門狗定時器控制，只要看門狗處于激活狀態(tài)，并且WDI引腳上電平保持為高或者為低超過了定時時間，就會產生復位信號，CS引腳上 的一個下降沿將會復位看門狗定時器，由于這是一個開漏型的輸出引腳，所以在 使用時候必須接上拉電阻。(3)X5045的電路連接如圖2.4中的看門狗對系統(tǒng)提供保護功能，當系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設置時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU做出反應。它提供了三個時間值，供選擇，它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護系統(tǒng)免受低電壓的影響，當電源電壓降到允許范圍之內時，

42、系統(tǒng)將自動復位。X5045儲存器與CPU可以通過串行通信方式接口，共有5k字位，來儲存抄表數據。如何保證WDT正常運行也是一個關鍵的問題，要針對WDT失效的原因，采取多種措施，防止失效，從而進一步提高系統(tǒng)得可靠性:盡量減少干擾源的存在，并且降低不可去除干擾的影響，如電源電壓的波動，尖峰，浪涌等，它們都是強度比較大的干擾源，要加強過濾與去除: 對本機任務進行分流，合理的配置CPU的操作任務，能在上位機運行的功能，一般應放在上位機上運行，因為上位機的運行環(huán)境良好，便于控制，從而減少本機出錯的概率: 對地址指針、過程控制程序中判斷轉換的條件狀態(tài)等關鍵數據進行實時備份，當由于數據被改而使WDT失效時，

43、可以從備份RAM中恢復這些關鍵數據，從而也使得系統(tǒng)恢復。對沒有用到的EPROM和RAM區(qū)，一律寫成FFH或者OOHI當CPU由于干擾 “跑飛”到這些不用區(qū)域中時，不會產生誤操作。采取以上措施，可以較好的提高WDT的穩(wěn)定性，有利于系統(tǒng)的正常運行。 圖2.5 X5405的電路連接 數據的上傳模塊所謂的數據上傳，即把采集器中采集到的電表數據通過異步串行的方式發(fā)送網絡傳輸設備中，這個模塊起到一個電平轉換的作用。(1)串行通信總線標準接口標準異步串行通信接口主要有以下幾類: RS-232C,RS-232E;RS-449(RS-422,RS-423,RS-485);20mA電流環(huán); USB通信接口。所謂標

44、準接口，就是明確定義了若干信號線，使接口電路標準化，通用化，借助于串行通信標準接口，同類型的數據通信設備可以很容易的實現他們之間的串行通信。采用標準接口后，很方便的把各種計算機、外部設備等有機的結合在一起,進行串行通信，RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)正式公布的在異步串行通信中應用最為廣泛的標準總線，即在傳輸電器和機械特性方面的規(guī)定，適合于短距離和帶調制解調的場合，為了提高數據的傳輸距離和傳輸速率，EIA又公布了RS-449串行總線接口標準。20mA電流環(huán)是一種非標準的串行接口電路，但他具有簡單的特點，對電器噪聲不敏感的優(yōu)點，因而在串行通信中也得到了廣泛的應用。為了保準通信可靠性的

45、要求，在選擇接口標準時，必須注意兩點:1)通信速度和通信距離;2)抗干擾能力。通信速度和通信距離 通常標準串行接口的電氣特性都有滿足可靠性傳輸的最大距離和最大傳輸速度的指標，但這兩個指標之間具有相關性，適當的降低通信速度，可提高傳輸距離，反之亦然。例如采用RS-232C標準進行單向數據傳輸時，最大數據傳輸速率為20Kb/s，最大傳輸距離為15米，而改用RS-422標準時，最大傳輸速率可達1OMb/s，最大傳輸距離為300米，適當的降低數據傳輸速率，傳送距離可達1200米。 抗干擾能力 通常選擇的標準接口，在保證不超過其適用范圍時都有一定的抗干擾能力，以保證可靠的信號傳輸，但在一些工業(yè)控制系統(tǒng)中

46、，通信環(huán)境十分惡劣，因此在選擇接口標準，通信介質時要充分考慮其抗干擾能力，并采取適當的抗干擾措施.例如在長距離傳輸時，是用RS-422標準能有效的抑制共模干擾信號，使用20mA電流環(huán)技術，能大大的降低對噪聲的敏感程度。在該方案中，單片機與網絡接入設備連結在一起，在傳輸距離上不受什么影響，并且速度可以適當的放寬，所以在上行傳輸模塊中可以采用RS-232C標準，來完成TTL電平到CMOS電平的轉換。 (2) RS-232C總線標準、芯片及接口電路 RS-232C總線標準接口 目前使用的最為廣泛的串行通信總線接口是EIA推出的RS-232C.RS-232C標準接口的全稱是 “使用二進制進行交換的數據

47、終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)之間的接口”.計算機，外設，顯示終端都屬于數據終端設備，而調制解調器則屬于數據通信設備，RS-232C在通信線路中的連結 RS-232C在通信線路中的連結方式圖 2.6所示:圖2.6 RS232通信示意圖 “RS-232C”中的RS是Rcommended Standard，232是標識符，C表示該標準協(xié)議經過了三次修改，原來有過RS-232A和RS-232B標準。 RS-232C定義了20根信號線，其中最為常用的信號線的定義、分類及其功能表2.1RS232信號線的定義引腳號信號名稱簡稱方向 功能1保護地接設備外殼，安全接地2發(fā)送數據TXD向DCE DT

48、E發(fā)送串行數據3接收數據RXD背向DTEDTE接收串行數據4請求發(fā)送RTS向DCEDTE請求切換到發(fā)送方式5清除發(fā)送CTS背向DTEDTE已切換到準備接受6數傳設備就緒DSR背向DTEDCE準備就緒7信號地信號地8載波檢測DCD背向DTEDCE已接受到遠程信號20數據終端就緒DTR向DCEDTE準備就緒22振鈴指示RI背向DTE通知DTE，通信線路已好RS-232C是為了促進公用電話網絡的通信而制定的標準，其邏輯電平對地是對稱的，與TTL.MOS邏輯電平完全不同;邏輯0電平規(guī)定為+3V+15V之間,邏輯1電平規(guī)定-3V-15V之間，因此RS-232C驅動器與TTL電平必須要經過電平轉化。RS-

49、232C規(guī)定的邏輯電平與一般的微處理器、單片機的邏輯電平不一樣,在實際的運用中把微處理器和單片機的信號電平(TTL)轉換成為RS-232C的電平，或者對兩者進行逆轉換，這兩種電平的轉換由專門的電平轉換芯片實現。 RS-232C總線標準連接系統(tǒng)用RS-232C連接系統(tǒng)時，有近程通信方式和遠程通信方式之分，近程通信是指距離小于15米的通信，這時用RS-232C電纜直接連接。15米以上的長距離通信則需要加調制解調器(MODEM)。而本系統(tǒng)中，單片機和網絡接入設備的距離很近，可以直接連接，即選用近程通信方式。當兩臺PC系列機近距離點對點通信，或PC系列機與外部設備進行串行通信時，可將兩個DTE直接相連

50、，而省去作為DCE的調制解調器MODEM，這種連接方式稱之為零MODEM連接。在這種連接中計算機往往貌似MODEM，從而能夠使用RS232C標準。在進行零MODEM連接時，不能進行簡單的引線相連，而應采用專門的技巧建立正常的信息交換接口。 零MODEM方式與RS-232C連接通常有三種方式:1)具有較好的硬件握手功能，“數據發(fā)送”和“數據接收”相互交叉相連，使得兩臺設備都能正常的發(fā)送和接收。“數據終端就緒”和“數據設備就緒”兩根線也是交叉相連，使得兩臺設備都能檢測出對方是否已經準備好。2)相比前一種具有更好的硬件握手功能，它們的“請求發(fā)送端(RTS)”與自己的“清除發(fā)送端(CTS)”，使得當設

51、備向對方發(fā)送請求時，隨即通過自己的“清除發(fā)送端”表示對方已經響應。這里的“請求發(fā)送”線往往還連接著對方的“載波檢測”線，這是因為 “請求發(fā)送”信號的出現類似于通信通道中的載波檢出。3)最簡單的連接方法就是僅僅將“發(fā)送數據”與“接收數據”交叉連接，共用地對接，其他的信號懸空不用。這種連接方式需要通過軟件來實現其握手功能，其連接圖2.7所示:圖2.7 終端/計算機與終端/計算機連接的最簡單的方式在本設計方案中，一端是單片機的電平轉換芯片，而另一端是網絡接入設備，兩者三線相連，可以把PC機中的數據上傳到網上，實現遠程傳播。 (3)電源電平轉化芯片及其接口電路 RS-232C電平轉換芯片比較多。如IN

52、TERSIL公司的ICL232是彈片集成雙RS-232發(fā)送接收器，采用單一的+5V電源供電外接至多4個電容、2只電阻可以構成標準的RS-232通信結構.當然也有MAXIM公司及其HARRIS公司等，雖然它們來自不同的廠家，但是他們的引腳功能是相互兼容，甚至可以互為代替。下面作重闡述一下該系統(tǒng)所用MAXIM公司的MAX232電平轉換芯片。 MAX232芯片及其接口電路MAX232芯片是由MAXIM公司生產，包含了2路接收器和驅動器的芯片，適用于各種EIA-232C和V28N.24的通信接口。MfAX232內部有一個電源變壓器，把輸入的+5V電壓轉換成為RS-232C輸出電平所需的±10

53、V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源供電就夠了。對于沒有士12V電源的場合的實用性更強，且其價格適中，硬件接口電路的簡單，都被廣泛的應用。MAX232芯片引腳如圖2.8所示。圖2.8 MAX232引腳圖 時鐘模塊該系統(tǒng)屬于自動測控系統(tǒng)，需要數據的記錄，并且還需要記錄下該數據被記錄的時間在有異常情況的數據出現時，可以根據時間的記錄查處數據出錯的時間。為了達到自動抄表的目的，并且能記錄抄表的時間，在這里采用了時鐘芯片，當設定了抄表時間后，系統(tǒng)將根據芯片所提供的時間為基準進行電表的數據查抄。(1)芯片的選擇DS1302是DALLAS公司推出的實時時鐘芯片，內部含有一個實時時鐘

54、舊歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、月、年的信息，每月的天數和閏年的天數可以自動調整，時鐘還可以通過AM/PM來決定采用什么時制。DS1302與單片機之間能簡單的采用同步串行的方式進行通信，僅僅需要三個口線:1)RSTT,2)I/O,3)SCLK串行時鐘。時鐘RAM的讀寫數據以一個字節(jié)或者多大31個字節(jié)的字符組成的方式通信，DS1302工作時候的功耗很小，保持數據和時鐘信息時功率小于1MW (2)DS1302芯片功能介紹 實時時鐘具有計算2100年之前的秒、分、日、日期、星期、月、年的能力，同時還有閏年的調整能力。31*8位暫存數據儲

55、存RAM 串行UO口方式使得管腳數量最少 寬范圍工作電壓:2.0-5.5V 工作電流:2.0V時候，小于300mA 讀寫時鐘或RAM數據時，有兩種傳輸方式:單字節(jié)傳送或者多字節(jié)傳送。腳DIP封裝或可選8腳SOIL封裝 簡單的3線接口，與TTL兼容(VCC=5V) 可選擇的工作溫度范圍較廣:-40+85攝氏度與DS1302兼容，且對VCCl有可選的涓流充電能力，雙電源管用主電源和備份電源供應，備份電容管腳可由電池或者大電容輸入(3)DS1302引腳及其電路連接X1,X2接32.768KHz的晶振引腳GND，接地端SCLK，串行時鐘，RST復位引腳 I/O數據輸入輸出引腳VCCl,VCC2電源供電

56、管引腳 圖2.9 DS1302引腳圖圖2.10 DS1302電路連接圖 電能的采集和計數模塊(1)功率計量部分實現對電流和電壓信號的采樣，產生功率脈沖功能。其核心是AD7755芯片，該芯片是專門用于功率測試或電能測量的專用集成電路，是目前電子式電度表的核心芯片之一。功率計量部分包括AD7755、分流器、分壓電流、基本電壓源、保護電路、光耦合器輸出電路.(2)AD7755在該芯片上集成了增益可選的放大器(PGA)、增益固定的放大器、16位二階模數轉換器(ADC)、相位校正電路、可選的高通濾波器(HPF)、數字乘法器、低通濾波器(LPF)、數字頻率轉換器(D/F)、電壓監(jiān)視器及2.5V的內部電壓基

57、準源。通過分流器、分壓電路分別對電流和電壓信號進行采樣;電流通道和電壓通道的信號經放大器放大后，通過AD7755內部的A/D轉換器轉換為兩路數字信號，然后經乘法、低通濾波、數字頻率變換等電路的處理，AD7755輸出與瞬時功率成正比的脈沖，并將此脈沖送至微處理器MCU.表2.2傳輸函數與通道增益框圖S1SOFl-F4G1GOGAIN001.7001013.4012106.81081113.61116(3)AD7755的CF引腳可以提供脈沖常數為16001MP/KWH(脈沖數/千瓦時)，將此輸出脈沖用LED和光電耦合器隔離輸出，然后送入MCU的中斷輸入引腳，由MCU控制計量功率脈沖。AD7755產生的輸出頻率與兩個電壓信號乘積的平均值成正比。AD7755通過計算通道1和通道2兩個輸入電壓的乘