【文章內(nèi)容簡介】 。（1）近距離通信方式分為： 短距無線：采用藍(lán)牙或低發(fā)射功率無線通信，通信距離可以達(dá)到 1000m。 電力載波：信號(hào)通過調(diào)制后耦合到電力線上，再在集中器中解調(diào)復(fù)原信號(hào)，低壓載 波通信距離可以達(dá)到 2022m。 有線：采用各種總線方式，如 RS485,RS422,MBUS 總線等。（2）遠(yuǎn)距離通信方式： 無線通信：采用專用無線網(wǎng)絡(luò)，如頻率在 200400Mhz 的無線電臺(tái)，采用電信的移動(dòng)通信網(wǎng)，如：GPRS,GSM。 光纖通信：采用光纖通信。 電話線通信：采用電信的公用電話通信網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 電能量監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇應(yīng)該基于遠(yuǎn)距離通信方式。在遠(yuǎn)距離通信方式中，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。它是近 30 年迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)，具有傳輸頻帶寬，通信容量大；由于光纖衰減小，無中繼設(shè)備，故傳輸距離遠(yuǎn)；干擾小，信號(hào)傳輸質(zhì)量好。但是光纖通信成本高，尤其是電能監(jiān)測專門進(jìn)行遠(yuǎn)距離鋪設(shè)不實(shí)際，在連接技術(shù)復(fù)雜程度上也不被接受。 9 電話線通信有一定的局限性，電能量監(jiān)測系統(tǒng)針對(duì)眾多的電網(wǎng)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，由于監(jiān)測點(diǎn)分散，分布范圍廣，有一部分還設(shè)在環(huán)境條件較惡劣的地區(qū)，沒有架設(shè)好的電話線可以利用，要通過電話線通信很難實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中不可用。 利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)作為無線智能監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸平臺(tái)是一種很有效的方法，其原理簡單、安全保密性高、又不需要組建專用的網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，加上 GSM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，因此與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比有著其獨(dú)特的優(yōu)勢。所以本次設(shè)計(jì)中選用了 GSM 網(wǎng)絡(luò)作為通訊網(wǎng)絡(luò)。 10 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)介紹(1) DS80C320 高速度低功耗單片機(jī)原理： DS80C320 單片機(jī)是兼容傳統(tǒng) 80C32 的高速單片機(jī)，它采用經(jīng)過重新優(yōu)化設(shè)計(jì)的C52 處理器內(nèi)核，最終使得每一個(gè)機(jī)器周期包含 4 個(gè)時(shí)鐘周期，因此在相同的時(shí)鐘頻率下，DS80C320 單片機(jī)執(zhí)行一條指令的速度是 80C32 的 ～3 倍，即在使用相同的程序和相同的時(shí)鐘頻率，將原有設(shè)計(jì)中的 80C32 用 DS80C320 代替，執(zhí)行速度將有平均約 倍的提升。 DS80C320 采用 40 腳 DIP、44 腳 PLCC 及 44 腳 TQFP 封裝。其引腳排列如下圖所示： (2) 引腳說明：VCC：芯片主電源，接+5V。 11 ALE：地址鎖存有效信號(hào)。/PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，并在外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)產(chǎn)生，指令內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。/EA：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)輸入端。P0：單片機(jī)的雙向數(shù)據(jù)總線和低 8 位地址總線。在分時(shí)操作時(shí)，先用做地址總線，在ALE 信號(hào)的下降沿，地址被鎖存，然后作為數(shù)據(jù)總線；也可以作為雙向并行 I/O 口。P1 口:除作為通用 I/O 口外，還有 P1 口的復(fù)用。P2 口:準(zhǔn)雙向 I/O 口，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，用作高 8 位地址總線。P3 口:準(zhǔn)雙向 I/O 口。 高速結(jié)構(gòu)：每個(gè)機(jī)器周期只要 4 個(gè)時(shí)鐘周期；時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 33MHz 或 18MHz；等量工作情況下，功耗更小；雙重?cái)?shù)據(jù)指針；使用可變時(shí)間長度的 MOVX 指令訪問高/低速 RAM 或外部電路。例如，100 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)塊傳送，DS80C320 工作時(shí)鐘頻率為 12MHz時(shí)，若僅用一個(gè)數(shù)據(jù)指針實(shí)現(xiàn)，需要 971μs；用兩個(gè)數(shù)據(jù)指針時(shí)，僅需 570μs。 兩個(gè)全雙工串口。 多達(dá) 6 個(gè)外部中斷，總共 13 個(gè)中斷。 工作電壓范圍在 到 之間。(3)外設(shè)及中斷功能串行口：DS80C320 除與 80C32 一樣提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行口外，還提供第二個(gè)全雙工串行接口，這一新的串口在 SFR 中有獨(dú)立的控制寄存器和數(shù)據(jù)緩沖，使用 SFR 中新位置的控制字進(jìn)行控制，(RXD1)和 (TXD1)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。掉電復(fù)位：DS80C320 內(nèi)部有一套完整的電源上電復(fù)位邏輯，當(dāng)電低于復(fù)位閾值電平時(shí)，CPU 將處于復(fù)位狀態(tài)，而在 VCC 大于閾值電平后，振蕩器開始起震，同時(shí)內(nèi)部一計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿 65536 個(gè)脈沖后 CPU 才進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，以確保電源和振蕩器已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。 中斷系統(tǒng)：DS80C320 的中斷系統(tǒng)除具有 80C32 的六個(gè)中斷源外，還提供了另外七個(gè)中斷，具體中斷如下表：中斷源 說明 入口地址 優(yōu)先級(jí)PFI 掉電中斷 33H 1SCON1 串口 1 中斷 3BH 8INT2 外部中斷 2 48H 9INT3 外部中斷 3 4BH 10INT4 外部中斷 4 53H 11INT5 外部中斷 5 5BH 12WDT1 看門狗中斷 63H 13 12 根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，單片機(jī)的中斷主要是在相位檢測上，三相電路共有六路中斷，其中/INT0 和/INT1 分別供給 A 相電流、電壓；INT2 和 INT4 供給 B 相；/INT3 和/INT5為 C 相中斷輸入。 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的較小系統(tǒng)是指單片機(jī)能正常工作所必須的外圍元件，首先根據(jù)單片機(jī)的片內(nèi)存儲(chǔ)空間來判斷是否需要擴(kuò)展存儲(chǔ)，其次是時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，單片機(jī)的時(shí)鐘由一個(gè) 12M 的石英晶體振蕩器和兩個(gè) 30pF 的小電容組成，時(shí)鐘電路決定了單片機(jī)工作的時(shí)間精度為 1μs；復(fù)位電路一般采用 10μF 電容和 10KΩ 電阻組成，該電路能顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾性能。 DS80C320 單片機(jī)的最小系統(tǒng)接法與 80C580C32 系列單片機(jī)都是非常類似的，差異不大。電路如下圖： V40GND2RST9X18PEL3765./IWUpFuM 存儲(chǔ)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) DS80C320 只具有 256 字節(jié)的片內(nèi) RAM 和 64KB 外部數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ纺芰?，針?duì)設(shè)計(jì)需要存儲(chǔ)能力較弱，故需要對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)展。 存儲(chǔ)芯片用 8K8 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）7165 和 8K8 位程序存儲(chǔ)器（ROM）2764，將單片機(jī)擴(kuò)展為 64KB 的外部存儲(chǔ)。 擴(kuò)展地址介紹 通過 7165 和 2764 的擴(kuò)展，單片機(jī)存儲(chǔ)為 8KB RAM 和 8KB ROM，其地址范圍為： 13 0000H～1FFFH，2022H～3FFFH。由上地址范圍可知應(yīng)用第十四位 進(jìn)行片選，其中 7165 的片選端通過非門與 相連，2764 的片選端直接連在 上。 電能量測量電路硬件設(shè)計(jì) 電網(wǎng)電能測量 傳感器芯片介紹 電能量測量電路采用傳感器測量，霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種磁敏式傳感器。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應(yīng)被人們所重視和充分利用。本次設(shè)計(jì)中電流的測量就選用涌緯公司 G 系列產(chǎn)品 YWGHSD 型霍爾電流傳感器；電壓傳感器為力創(chuàng)科技公司生產(chǎn)的 S3VD 型電壓傳感器。（1）YWGHSD 型霍爾電流傳感器可以測量任意波形的電流，輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)；采用溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行控制，有效減小溫漂對(duì)測量精度的影響，確保測量準(zhǔn)確；精度高、安裝方便、售價(jià)低。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以選擇 YWGHSD50A 型電流傳感器。性能指標(biāo)： 額定電流值（A） 輸入/輸出 50 050A/04V 14 其準(zhǔn)確度＜%線性度優(yōu)于 %，失調(diào)電壓小于177。20mV，溫度漂移優(yōu)于177。100ppm/℃，反應(yīng)時(shí)間極快小于 10μs，工作耐壓：AC 2KV/ 以及工作環(huán)境：045℃，都能滿足設(shè)計(jì)要求。（2）S3VD 型電壓傳感器有極好的穩(wěn)定性，能夠?qū)κ芨蓴_信號(hào)精確測量。S3VD 系列傳感器將正選變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成線性直流輸出，并且與輸入值成比例。 故根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇型號(hào)為 S3VD135V2C。其輸入輸出關(guān)系如下圖：134YWGHSD50A+V 15 按照以上的關(guān)系，能夠較為準(zhǔn)確的測量出電網(wǎng)電壓值。性能指標(biāo)：精度為177。%，工作電壓為 DC24V，工作溫度為0～60℃ A/D 轉(zhuǎn)換芯片介紹 傳感器輸出為電壓電流的模擬信號(hào)，交給單片機(jī)處理的必須是數(shù)字信號(hào)，所以在將傳感器輸出送給單片機(jī)之前要經(jīng)過一次 A/D 轉(zhuǎn)換完成信號(hào)的轉(zhuǎn)變。根據(jù)設(shè)計(jì)要求 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度為 ==4%，設(shè)計(jì)任務(wù)中精度要求 5%，所以滿足設(shè)計(jì)要求。81/2 ADC0809 轉(zhuǎn)換器是國內(nèi)應(yīng)用最多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，它是逐次 8 位逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809 由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)，一個(gè)地址鎖存譯碼器，一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可以選通 8 個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809 應(yīng)用：（1）ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與單片機(jī)直接相連。（2）初始化時(shí)，使 ST 和 OE 信號(hào)全為低電平。（3）根據(jù) EOC 信號(hào)判斷是否轉(zhuǎn)換完畢。（4）當(dāng) EOC 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，給 OE 已高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。 ADC0809 工作方式的選擇，A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，CPU 可以用查詢方式或中斷方式讀走A/D 轉(zhuǎn)換值。若采用查詢方式，可將 EOC 直接連接單片機(jī)，通過指令讓單片機(jī)查詢；若采用中斷方式，將 EOC 經(jīng)一個(gè)非門連接中斷口，CPU 在中斷服務(wù)程序中將 A/D 轉(zhuǎn)換值讀輸入電壓范圍 輸入頻率 直流輸出范圍0～300V 50Hz 0～5V BSVD5C+ 16 走。在本次設(shè)計(jì)中，由于中斷口有限，而再進(jìn)行擴(kuò)展又會(huì)增加電路的復(fù)雜性，達(dá)不到設(shè)計(jì)簡單化的要求，故采用單片機(jī)查詢方式讀取 A/D 轉(zhuǎn)換值。ADC0809 硬件連接圖如下： IN3142567STAREOCD89LK0VF+ 電能表電量測量 電能表介紹電子式電能表是近幾年來隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展而研制出來的一種新型電能表，因?yàn)闇y量精度高，工作頻帶寬，過載能力強(qiáng)，功耗低，功能全，計(jì)量準(zhǔn)確，并且可以在自動(dòng)化抄表中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中抄表功能。電子式電能表的工作原理：有功電能是有功功率與時(shí)間的乘積，電子式電能表對(duì)被測量 U 和 I 先經(jīng)過電壓輸入電路和電流輸入電路轉(zhuǎn)換，得到工頻交流功率的電壓 U 和電流 I 的取樣值。通過 2個(gè)或 3 個(gè)模擬乘法器產(chǎn)生與電壓成正比的信號(hào)，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖，再由計(jì)數(shù)器累積計(jì)數(shù)而測得在某段時(shí)間內(nèi)的電能數(shù)值。最后得到電能值。 電子式電能表的主要特點(diǎn)： 準(zhǔn)確度高、靈敏度好、穩(wěn)定性強(qiáng)，在較小負(fù)荷時(shí)仍能做到計(jì)量準(zhǔn)確；檢定工作量低，工作效率高，電子式電能表交流采樣速率為 256 點(diǎn)/周波，記錄周期最短為 10 毫秒； 開放式、高速率通信技術(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)刷新、數(shù)據(jù)記錄，可直接遠(yuǎn)程讀取電表各種實(shí)際數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量參數(shù)； 具有計(jì)量專用芯片以及防竊電等功能。 在本次設(shè)計(jì)中選用中國凱力電器公司生產(chǎn)的 DSSD15N5 型三相電子式多功能電能表，采用美國 ADI 公司最新高精度計(jì)量芯片，專用的電能表集成電路，對(duì)采樣電壓和電流信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出顯示，依據(jù)規(guī)定的協(xié)議，將電量數(shù)據(jù) 17 傳送。根據(jù)用戶的用電管理需求設(shè)計(jì)，主要用于參比頻率為 50Hz 的三相電網(wǎng)中。本表具有精度高、穩(wěn)定性好、工藝先進(jìn)、實(shí)用性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、操作方便等特點(diǎn)；可準(zhǔn)確、快捷的對(duì)各種電參數(shù)進(jìn)行測量計(jì)算。該表通信符合 DL/T645—1997《多功能電能表通信規(guī)約》的要求，具有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，主要為紅外通信口、RS485 通信口和 RS232 通信口等。按照設(shè)計(jì)實(shí)際環(huán)境，選用 RS232 通訊接口。 串口通訊介紹 串口通信協(xié)議基本的通信方式有并行通信和串行通信兩種:并行通信是數(shù)據(jù)各位同時(shí)傳送；串行通信指數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。 并行通信 8 位數(shù)據(jù)并行傳送需要 8 條數(shù)據(jù)傳送線，而串行通信只需要一條傳送線。因此，用串行通信節(jié)省了傳輸線。采用串行通信可大大降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性。 串行通信中要求發(fā)送和接收雙方必須遵守統(tǒng)一的規(guī)定，這樣才能保證通信正常進(jìn)行。這些對(duì)數(shù)據(jù)傳送方式的規(guī)定就是通信協(xié)議，通信協(xié)議包括數(shù)據(jù)格式和時(shí)間限制等方面的定義和要求，通信協(xié)議可由用戶自己制定，也可采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。 異步通信在設(shè)置上要注意兩部分：（1）字符格式 起始位為 1 位。字符編碼為 N 位，即用 N 位來定義一個(gè)字符，則可以區(qū)分 2N 個(gè)字符。N 二 7 時(shí)，可以定義 128 個(gè)字符((ASC 工工碼)。奇、偶校驗(yàn)占 1 位。奇偶校驗(yàn)是在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，用以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送是否正確的一種方法。如果讓發(fā)送數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，這樣的校驗(yàn)方法叫做偶校驗(yàn)，否則，叫做奇校驗(yàn)。校驗(yàn)位也可以不要。停止位可以是 1 位、 位或 2 位。 （2）波特率 波特率以 1 秒鐘可以傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)來定義，每秒位數(shù)的單位叫“波特”(baud)。假如收、發(fā)端采用波特率為 110，一個(gè)字符幀為 1(停止位) +7(字符編碼位)+l(奇偶校驗(yàn)位)+2(停止位)二 11 位，則 1 秒鐘至多可傳送 110/11 二 10 個(gè)字符。 常用的波特率有 75, 110, 3