【文章內(nèi)容簡介】 例如完成復(fù)位等功能。 存儲(chǔ)模塊： 對(duì)采集模塊采集到的每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，防止意外情況造成數(shù)據(jù)丟失。 小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 下位主控機(jī) 下位主控機(jī)芯片選擇 單片機(jī)的典型代表是 Intel 公司研制出來的 MCS51 系列的單片機(jī)。 MCS51 系列的單片機(jī)在我國迅速得到廣泛應(yīng)用，并變成電子系統(tǒng)領(lǐng)域普遍的應(yīng)用器件之一，并在家用電器、工業(yè)控制、交通運(yùn)輸、儀器儀表等領(lǐng)域獲得許多成果。 51 系列單片機(jī)最早有 Intel 公司 推出，主要有 8031 系列， 8051 系列 [8]，后來 Atmel 公司以 8051 的內(nèi)核為基礎(chǔ)推出了 AT89 系列單片機(jī)，其中 AT89S5 AT89S5 AT89C5 AT89C5AT89S8252 等單片機(jī)兼容 8051 系列單片機(jī)，即全部的指令功能都是相同的的，不同點(diǎn)在于在功能上做一定的擴(kuò)展，比如說 AT89S 系列都支持 ISP 功能， AT89S52 和AT89S8252增加了內(nèi)部 WDT功能。后來， Atmel推出了與 8051指令相一致的 AT89C205AT89C4051 等單片機(jī)，這些單片機(jī)可以看成精簡型的 8051 單片機(jī)。和 80C51 單片機(jī)相比， SST、 PHILIPS 和 ATMEL 等公司所生產(chǎn)的和 80C51 兼容的高性能且低功耗 89C51單片機(jī)具有更豐富的硬件資源，尤其是其內(nèi)部增加的存儲(chǔ)器 Flash ROM 給單片機(jī)的應(yīng)用及開發(fā)帶來了很多便利條件。同時(shí)由于其價(jià)格很低廉，所以，目前在很大的領(lǐng)域得到應(yīng)用。相比較而言， AT89C51 價(jià)格便宜，操作簡單，性價(jià)比很高，因此本設(shè)計(jì)選擇AT89C51 作為系統(tǒng)的主控機(jī)芯片。 要集成一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分在一片芯片上，也就是說 89C51 單片機(jī)芯片包含：一個(gè) 8位的 89C51 微處理器（ CPU）；兩個(gè) 16位的每個(gè)都可以設(shè)置成記數(shù)方式的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，這樣可以對(duì)外部事件進(jìn)行記數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制就可以根據(jù)定時(shí)或記數(shù)的結(jié)果，當(dāng)然，也可以設(shè)置成定時(shí)器；片內(nèi) 4KB 程序存儲(chǔ)器 Flash ROM，用以存放表格、一些原始數(shù)據(jù)、程序；片內(nèi) 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM，它存放比如想要顯示的數(shù)據(jù)和運(yùn)算的中間結(jié)果等可以讀 /寫的數(shù)據(jù)；時(shí)鐘產(chǎn)生電路和片內(nèi)振蕩器，可微調(diào)電容和石英晶體則需外接也有最高允許的振蕩頻率要求；一個(gè)全雙工通用異步接收發(fā)送器的串行 I/O 口，有了接口就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)之間、單片機(jī)與 PC機(jī)之間的通 信； 4 個(gè) 8位并行 I/O 端口 P0P3，每個(gè)端口不僅可以用作輸入，而且可以用來輸出；具有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、 5 個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng) 。與 80C51 相比， 89C51單片機(jī)有一種掉電方式或者空閑方式可以達(dá)到節(jié)電的目的。 主控機(jī) AT89c51 最小系統(tǒng)構(gòu)成 AT89c51 單片機(jī)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路構(gòu)成。使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化 的是復(fù)位電路，這樣就可以讓 單片機(jī)從一種確定的初態(tài)開始運(yùn)小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 行。用來 給單片機(jī) 提供片內(nèi)各種操作的時(shí)間基準(zhǔn) 的是 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào) 。單片機(jī)最小系統(tǒng)各部分模塊主要功能如下： 時(shí)鐘 模塊：為下位主控機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 復(fù)位電路：完成系統(tǒng)復(fù)位調(diào)零等功能。 電源模塊：為下位主控機(jī)提供合適的直流穩(wěn)壓電源。 (1) 主控機(jī) AT89c51 引腳連接 單片機(jī) AT89C51 有 4 個(gè)與外部交換信息的 8 位并行輸入 /輸出接口，即 P0P3。它們都是準(zhǔn)雙向端口，每個(gè)端口各有 8 條 I/O 線，均可輸入 /輸出。 P0P3 口 4 個(gè)鎖存器同 RAM 統(tǒng)一編址，可以把 I/O 口當(dāng)作一般特殊功能寄存器（ SFR）來尋址。本系統(tǒng)中，選用 P1 口作為數(shù)據(jù)口，用來傳輸信號(hào)， P0口作為 LED 顯示。 AT89C51 最小系統(tǒng)如圖 所示。 圖 AT89C51 最小系統(tǒng) (2) 主控機(jī) AT89C51 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路主要作用是產(chǎn)生其工作時(shí)所需要的時(shí)鐘控制信號(hào)。以單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，使單片機(jī)各功能部件都可以按照一定的順序一步一步地工作和運(yùn)行。所以，時(shí)鐘電路的質(zhì)量直接影響著單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，時(shí)鐘頻率也將直接影響單片機(jī)的速度。 內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)獲得的常用的兩種電路形式。構(gòu)成內(nèi)部振蕩方式的方法是在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接陶瓷振蕩器或晶體諧振器。因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部本身有高增益反相放大器，所以外接晶振時(shí)，便組成 自激振蕩器，它還產(chǎn)生振蕩脈沖。 本設(shè)計(jì)主控機(jī) AT89C51 晶振電路如圖 所示。 小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 晶振電路 單片機(jī)常選擇振蕩頻率 6MHz 或 12MHz 的石英晶體。本系統(tǒng)采用頻率為 6MHz 的晶振為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖。其中 c c2 選擇為 30pF 左右。 （ 3）主控機(jī) AT89c51 復(fù)位電路 所有微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步就是系統(tǒng)復(fù)位，它可以讓全部芯片返回之前硬件的默認(rèn)值。由 RESET 引腳來控制 51單片機(jī)的復(fù)位，當(dāng) RESET 引腳與高電平相接超過 24個(gè)振蕩周期后， 51 單片機(jī)就會(huì)進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，并且一直在該狀態(tài)等待，直到 RESET 引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序 [9]，當(dāng) MCS5l 系列單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 出現(xiàn) 2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)便會(huì)執(zhí)行復(fù)位操作。若 RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就會(huì)一直在循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。一般來看，通常的復(fù)位操作有兩種基本形式：上電或開關(guān)復(fù)位和上電復(fù)位。 上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)可以自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)在其運(yùn)行期間，也可用開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。而 上電復(fù)位則要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。綜上所述， 復(fù)位操作可 以使單片機(jī)處于初始化狀態(tài)，這其中包括使程序計(jì)數(shù)器 PC＝ 0000H，也就是說此時(shí)程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。 本設(shè)計(jì)中采用上電且開關(guān)復(fù)位，復(fù)位電路如圖 所示。 小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 圖 復(fù)位電路 本系統(tǒng)復(fù)位電路主要實(shí)現(xiàn)采集水量電量前的系統(tǒng)調(diào)零操作。其中 c 取 22F? ， R取 1 ?k 。 （ 4）主控機(jī) AT89c51 電源模塊 根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)中需要一個(gè)電源模塊。考慮本次設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，要把交流電壓 220V 變換為單片機(jī)所需的 +5V 電壓， 使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，決定電源電路的設(shè)計(jì)采用方案如圖 所示。 圖 電源模塊圖 由于 51 單片機(jī)所需的是 5V 電壓供電，而 220V 交流電不能直接給單片機(jī)供電，所以需要一個(gè)整流電路使交流電變換成直流電。根據(jù)二極管的單向?qū)щ娮饔帽憧蓪?shí)現(xiàn)這個(gè)目的，所以構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件就是二極管。本此設(shè)計(jì)采用橋式整流。 由于負(fù)載、電網(wǎng)電壓及溫度的變化都會(huì)是輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)，為避免這一現(xiàn)象，小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 需要在電源電路中接入穩(wěn)壓電路。為了濾去整流輸出電壓中的紋波會(huì)有濾波電路，它通常由電抗元件組成，如與負(fù)載串聯(lián)電感 L，或 在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器 C，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。 綜上所述，要構(gòu)成一個(gè)小功率穩(wěn)壓電源首先經(jīng)過變壓器，將 220V 電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，?經(jīng)過橋式電路的整流，低壓交流電源就會(huì)轉(zhuǎn)變成直流電源。再通過濾波電路進(jìn)行濾波而得到平滑的直流電壓，再經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓作用，在輸出端會(huì)產(chǎn)生 5V 的穩(wěn)壓直流電， AT89C51 平時(shí)正常工作時(shí)的電壓就由此電路供給。 信號(hào)采集模塊 由于普通電表、水表和煤氣表采集信號(hào)的方式不同，在下文中將分別介紹信號(hào)的采集方法。對(duì)于電表，輸出信號(hào)是脈沖，可直接連接單 片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理；對(duì)于水表和煤氣表，需要在普通表上安裝傳感器，將水量和煤氣量轉(zhuǎn)換為 干簧管的吸合或斷開的開關(guān)量，再根據(jù)電阻分壓原理轉(zhuǎn)換為脈沖 信號(hào)，這樣才能與單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸。 電表 單相電子式復(fù)費(fèi)率電能表可以精確地計(jì)量最大需量、有功電能等信息。此表可以分時(shí)計(jì)費(fèi)，功能強(qiáng)大，表中有 10 個(gè)時(shí)段、 4種費(fèi)率；還兼有掌上電腦紅外抄表、 RS485通信接口有線抄表和遙控器紅外編程功能，是電力部門進(jìn)行現(xiàn)代化電能測量的理想計(jì)量儀表。 (1)工作原理 電壓、電流采樣電路是將外部 220V 交流電壓及流過線路的大電流轉(zhuǎn)變?yōu)?合適的小電壓、小電流信號(hào)，經(jīng)電能專用集成電路轉(zhuǎn)換成隨功率變化的脈沖信號(hào) [10]，單片機(jī)接收到功率脈沖信號(hào)后將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器、進(jìn)行電能累計(jì)，并讀取時(shí)鐘信號(hào)，遵循先前設(shè)制的時(shí)段分時(shí)計(jì)量，同時(shí)在顯示屏上顯示所需數(shù)據(jù)，最重要的是它可以及時(shí)接收串口的通訊信息。 (2)主要功能特點(diǎn) ① 4種費(fèi)率、 10 個(gè)時(shí)段； ②最大需量計(jì)算采用滑差式，滑差時(shí)間為 l、 15min； ③當(dāng)前一分鐘平均功率的顯示； ④ 5V／ 80ms 有源或無源光電隔離電能脈沖輸出； ⑤停電時(shí)間累計(jì)； ⑥具有紅外遙控編程、 RS485 通信接口； ⑦可用 12V 外接電源掌上電腦紅外抄表； ⑧可設(shè)固定顯示和循環(huán)顯示方式； 小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 ⑨可記錄 3個(gè)月（本月、上月、上上月）的有功總電能、各費(fèi)率電能、最大需量及需量發(fā)生的時(shí)間等信息； ⑩遙控器可全面顯示所有功能項(xiàng)，并可方便編程。 水表、煤氣表 水表、煤氣表工作原理 利用的是機(jī)械傳動(dòng)的原理來記錄數(shù)據(jù)是普通的水表和煤氣表的依據(jù)，它們都是靠齒輪間的嚙合關(guān)系來完成。本系統(tǒng)將普通的水表和煤氣表進(jìn)行改進(jìn)，在其上安裝傳感器，這樣一來，就可以將普通儀表的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而可以直接與單片機(jī)進(jìn)行連接。傳感器實(shí)質(zhì)上是一種基于磁電轉(zhuǎn)換技術(shù) ，依靠傳感器技術(shù)可把普通的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，它是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的脈沖電路單元。目前，傳感器技術(shù)有很多種。其中，由于體積小，轉(zhuǎn)換方便，成本低，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，干簧管傳感器在智能儀表的開發(fā)領(lǐng)域占有一席之地。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的是 WB20xx 型號(hào)的干簧管傳感器，干簧管傳感器技術(shù)利用的是電磁轉(zhuǎn)換原理來工作的，如圖 所示。干簧管參數(shù)由表 所示。 圖 傳感器結(jié)構(gòu)圖 表 干簧管參數(shù)表 觸點(diǎn)負(fù)載 5W 最大開關(guān)電壓 最大開關(guān)電流 接觸電阻 ( 初始值 ) 動(dòng)作時(shí)間 釋放時(shí)間 耐高壓 觸點(diǎn) 電容 絕緣電阻 100 VDC / VAC 100 mOhms mSec.(Max.) mSec.(Max.) 220VDC(AT25)/ 250VDC(AT25) pF 1010 Ohms 干黃管 輸出信號(hào) 磁鋼 小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 諧振頻率 工作溫度范圍 最高濕度 最高工作頻率 電氣壽命 4 kHz 60 ℃ ~+155 ℃ 98% (Max.) 100 Hz 108(5V ,10mA) 105(24V, 400mA) 在機(jī)械表的指針上安裝磁鋼，磁鋼是一種永磁鐵，具有很強(qiáng)的磁力，當(dāng)煤氣表或機(jī)械水表的指 針因受到?jīng)_擊而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)后，附著在上面的磁鋼也會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鋼旋轉(zhuǎn)到干簧管兩簧片對(duì)應(yīng)位置時(shí)，簧片由于受到磁鋼的磁力作用而吸合，由其轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖 [11]，指針每轉(zhuǎn)一圈，磁鋼便會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)，同時(shí)干簧管也吸合一次，于是就把指針旋轉(zhuǎn)一圈所代表的煤氣量和水量讓干簧管的一次吸合取代。本設(shè)計(jì)需要進(jìn)行電信號(hào)與開關(guān)量之間的轉(zhuǎn)換，那是由于干簧管的斷開和吸合是一個(gè)開關(guān)量，而采集系統(tǒng)識(shí)別的是電信號(hào)。那么，設(shè)計(jì)傳感器電路應(yīng)用電阻的分壓作用在輸出端就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)電壓，從而完成電信號(hào)和開關(guān)量之間的轉(zhuǎn)換。 經(jīng)過上述分析可以知道由傳 感器電路就產(chǎn)生所需采集器記錄的脈沖信號(hào)，并且輸出的脈沖數(shù)和通過水表的水量、煤氣表的煤氣量成正比。 顯示模塊 數(shù)據(jù)顯示是遠(yuǎn)程抄表的一項(xiàng)重要功能，是人機(jī)交換的主要組成部分，它可以將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后直觀的顯示出來。本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)顯示部分采用 LCD 液晶屏顯示。 液晶顯示器在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)和袖珍式儀表中得到 很普遍的 應(yīng)用 正是因?yàn)樗?顯示內(nèi)容豐富、微功耗、體積小、超薄輕巧 等許多 優(yōu)點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，液晶顯示模塊的應(yīng)用前景 必 將更加廣闊。 功能概述 本次設(shè)計(jì)中采用 12864 字符型 LCD。 LCD12864是一種具有 4 位 /8 位并行、 2 線或3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 64，內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII字符集。它可以顯示 8 4行 16 16 點(diǎn)陣的漢字，在本次設(shè)計(jì)中主要用其直觀顯示出某用戶家里所使用水表、電表和煤氣表的讀數(shù)。 引腳功能簡介 LCD12864 通常有 20 條引腳線，其中的 2 條線是背光電源線。其引腳功能如表 所示。 續(xù) 小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 表 LCD12864 引腳功能 管腳號(hào) 管腳名稱 電平 管腳 功能描述 1 VSS 0V 電源地 2 VCC +5V 電源正 3 V0 對(duì)比度（亮度）調(diào)整 4 RS(CS） H/L