【文章內容簡介】 例如完成復位等功能。 存儲模塊： 對采集模塊采集到的每個數據進行保存，防止意外情況造成數據丟失。 小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的設計 6 下位主控機 下位主控機芯片選擇 單片機的典型代表是 Intel 公司研制出來的 MCS51 系列的單片機。 MCS51 系列的單片機在我國迅速得到廣泛應用，并變成電子系統(tǒng)領域普遍的應用器件之一，并在家用電器、工業(yè)控制、交通運輸、儀器儀表等領域獲得許多成果。 51 系列單片機最早有 Intel 公司 推出，主要有 8031 系列， 8051 系列 [8]，后來 Atmel 公司以 8051 的內核為基礎推出了 AT89 系列單片機，其中 AT89S5 AT89S5 AT89C5 AT89C5AT89S8252 等單片機兼容 8051 系列單片機，即全部的指令功能都是相同的的，不同點在于在功能上做一定的擴展，比如說 AT89S 系列都支持 ISP 功能， AT89S52 和AT89S8252增加了內部 WDT功能。后來， Atmel推出了與 8051指令相一致的 AT89C205AT89C4051 等單片機，這些單片機可以看成精簡型的 8051 單片機。和 80C51 單片機相比， SST、 PHILIPS 和 ATMEL 等公司所生產的和 80C51 兼容的高性能且低功耗 89C51單片機具有更豐富的硬件資源，尤其是其內部增加的存儲器 Flash ROM 給單片機的應用及開發(fā)帶來了很多便利條件。同時由于其價格很低廉，所以，目前在很大的領域得到應用。相比較而言， AT89C51 價格便宜，操作簡單，性價比很高，因此本設計選擇AT89C51 作為系統(tǒng)的主控機芯片。 要集成一個微型計算機的各個組成部分在一片芯片上，也就是說 89C51 單片機芯片包含：一個 8位的 89C51 微處理器（ CPU）；兩個 16位的每個都可以設置成記數方式的定時器 /計數器，這樣可以對外部事件進行記數，為了實現計算機控制就可以根據定時或記數的結果，當然，也可以設置成定時器；片內 4KB 程序存儲器 Flash ROM，用以存放表格、一些原始數據、程序；片內 256 字節(jié)數據存儲器 RAM，它存放比如想要顯示的數據和運算的中間結果等可以讀 /寫的數據；時鐘產生電路和片內振蕩器，可微調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，有了接口就可以實現單片機與單片機之間、單片機與 PC機之間的通 信； 4 個 8位并行 I/O 端口 P0P3，每個端口不僅可以用作輸入，而且可以用來輸出；具有兩個中斷優(yōu)先級、 5 個中斷源的中斷控制系統(tǒng) 。與 80C51 相比， 89C51單片機有一種掉電方式或者空閑方式可以達到節(jié)電的目的。 主控機 AT89c51 最小系統(tǒng)構成 AT89c51 單片機的最小系統(tǒng)由單片機電源電路、復位電路和時鐘電路構成。使單片機的片內電路初始化 的是復位電路，這樣就可以讓 單片機從一種確定的初態(tài)開始運小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的設計 7 行。用來 給單片機 提供片內各種操作的時間基準 的是 單片機的時鐘信號 。單片機最小系統(tǒng)各部分模塊主要功能如下： 時鐘 模塊：為下位主控機提供時鐘脈沖信號。 復位電路：完成系統(tǒng)復位調零等功能。 電源模塊：為下位主控機提供合適的直流穩(wěn)壓電源。 (1) 主控機 AT89c51 引腳連接 單片機 AT89C51 有 4 個與外部交換信息的 8 位并行輸入 /輸出接口，即 P0P3。它們都是準雙向端口，每個端口各有 8 條 I/O 線，均可輸入 /輸出。 P0P3 口 4 個鎖存器同 RAM 統(tǒng)一編址，可以把 I/O 口當作一般特殊功能寄存器（ SFR）來尋址。本系統(tǒng)中，選用 P1 口作為數據口，用來傳輸信號， 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 AT89C51 時鐘電路 時鐘電路主要作用是產生其工作時所需要的時鐘控制信號。以單片機的時鐘控制信號為基準，使單片機各功能部件都可以按照一定的順序一步一步地工作和運行。所以，時鐘電路的質量直接影響著單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性，時鐘頻率也將直接影響單片機的速度。 內部振蕩方式和外部振蕩方式是單片機的時鐘信號獲得的常用的兩種電路形式。構成內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。因為單片機內部本身有高增益反相放大器，所以外接晶振時，便組成 自激振蕩器，它還產生振蕩脈沖。 本設計主控機 AT89C51 晶振電路如圖 所示。 小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的設計 8 圖 晶振電路 單片機常選擇振蕩頻率 6MHz 或 12MHz 的石英晶體。本系統(tǒng)采用頻率為 6MHz 的晶振為單片機提供時鐘脈沖。其中 c c2 選擇為 30pF 左右。 （ 3）主控機 AT89c51 復位電路 所有微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步就是系統(tǒng)復位，它可以讓全部芯片返回之前硬件的默認值。由 RESET 引腳來控制 51單片機的復位，當 RESET 引腳與高電平相接超過 24個振蕩周期后， 51 單片機就會進入芯片內部復位狀態(tài)，并且一直在該狀態(tài)等待，直到 RESET 引腳轉為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序 [9]，當 MCS5l 系列單片機的復位引腳 RST 出現 2個機器周期以上的高電平時，單片機便會執(zhí)行復位操作。若 RST持續(xù)為高電平，單片機就會一直在循環(huán)復位狀態(tài)。一般來看，通常的復位操作有兩種基本形式：上電或開關復位和上電復位。 上電或開關復位要求電源接通后，單片機可以自動復位，同時在其運行期間，也可用開關操作使單片機復位。而 上電復位則要求接通電源后，單片機自動實現復位操作。綜上所述， 復位操作可 以使單片機處于初始化狀態(tài)，這其中包括使程序計數器 PC＝ 0000H，也就是說此時程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。 本設計中采用上電且開關復位，復位電路如圖 所示。 小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的設計 9 圖 復位電路 本系統(tǒng)復位電路主要實現采集水量電量前的系統(tǒng)調零操作。其中 c 取 22F? ， R取 1 ?k 。 （ 4）主控機 AT89c51 電源模塊 根據設計需要，本系統(tǒng)中需要一個電源模塊?？紤]本次設計的實際要求，要把交流電壓 220V 變換為單片機所需的 +5V 電壓， 使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，提高產品的性價比，決定電源電路的設計采用方案如圖 所示。 圖 電源模塊圖 由于 51 單片機所需的是 5V 電壓供電，而 220V 交流電不能直接給單片機供電，所以需要一個整流電路使交流電變換成直流電。根據二極管的單向導電作用便可實現這個目的，所以構成整流電路的關鍵元件就是二極管。本此設計采用橋式整流。 由于負載、電網電壓及溫度的變化都會是輸出電壓產生波動，為避免這一現象，小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的設計 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有濾波電路，它通常由電抗元件組成，如與負載串聯電感 L，或 在負載電阻兩端并聯電容器 C，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。 綜上所述，要構成一個小功率穩(wěn)壓電源首先經過變壓器，將 220V 電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，?經過橋式電路的整流，低壓交流電源就會轉變成直流電源。再通過濾波電路進行濾波而得到平滑的直流電壓，再經過 LM7805 的穩(wěn)壓作用，在輸出端會產生 5V 的穩(wěn)壓直流電， AT89C51 平時正常工作時的電壓就由此電路供給。 信號采集模塊 由于普通電表、水表和煤氣表采集信號的方式不同，在下文中將分別介紹信號的采集方法。對于電表，輸出信號是脈沖，可直接連接單 片機進行信號處理；對于水表和煤氣表，需要在普通表上安裝傳感器，將水量和煤氣量轉換為 干簧管的吸合或斷開的開關量，再根據電阻分壓原理轉換為脈沖 信號，這樣才能與單片機進行信號傳輸。 電表 單相電子式復費率電能表可以精確地計量最大需量、有功電能等信息。此表可以分時計費，功能強大，表中有 10 個時段、 4種費率；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，是電力部門進行現代化電能測量的理想計量儀表。 (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變?yōu)?合適的小電壓、小電流信號，經電能專用集成電路轉換成隨功率變化的脈沖信號 [10]，單片機接收到功率脈沖信號后將數據存入存儲器、進行電能累計，并讀取時鐘信號，遵循先前設制的時段分時計量，同時在顯示屏上顯示所需數據，最重要的是它可以及時接收串口的通訊信息。 (2)主要功能特點 ① 4種費率、 10 個時段； ②最大需量計算采用滑差式，滑差時間為 l、 15min； ③當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停電時間累計； 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可設固定顯示和循環(huán)顯示方式； 小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的設計 11 ⑨可記錄 3個月（本月、上月、上上月）的有功總電能、各費率電能、最大需量及需量發(fā)生的時間等信息； ⑩遙控器可全面顯示所有功能項，并可方便編程。 水表、煤氣表 水表、煤氣表工作原理 利用的是機械傳動的原理來記錄數據是普通的水表和煤氣表的依據，它們都是靠齒輪間的嚙合關系來完成。本系統(tǒng)將普通的水表和煤氣表進行改進，在其上安裝傳感器，這樣一來，就可以將普通儀表的機械運動轉換為電信號，從而可以直接與單片機進行連接。傳感器實質上是一種基于磁電轉換技術 ，依靠傳感器技術可把普通的機械運動的結果轉變?yōu)殡娦盘枺枪怆娹D換技術的脈沖電路單元。目前，傳感器技術有很多種。其中，由于體積小，轉換方便，成本低，重量輕等優(yōu)點，干簧管傳感器在智能儀表的開發(fā)領域占有一席之地。 本系統(tǒng)設計選用的是 WB20xx 型號的干簧管傳感器，干簧管傳感器技術利用的是電磁轉換原理來工作的，如圖 所示。干簧管參數由表 所示。 圖 傳感器結構圖 表 干簧管參數表 觸點負載 5W 最大開關電壓 最大開關電流 接觸電阻 ( 初始值 ) 動作時間 釋放時間 耐高壓 觸點 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 磁鋼 小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的設計 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) 在機械表的指針上安裝磁鋼，磁鋼是一種永磁鐵，具有很強的磁力，當煤氣表或機械水表的指 針因受到沖擊而產生旋轉后，附著在上面的磁鋼也會跟著旋轉，當磁鋼旋轉到干簧管兩簧片對應位置時，簧片由于受到磁鋼的磁力作用而吸合，由其轉換電路產生一個輸出脈沖 [11]，指針每轉一圈，磁鋼便會跟著旋轉，同時干簧管也吸合一次，于是就把指針旋轉一圈所代表的煤氣量和水量讓干簧管的一次吸合取代。本設計需要進行電信號與開關量之間的轉換，那是由于干簧管的斷開和吸合是一個開關量，而采集系統(tǒng)識別的是電信號。那么，設計傳感器電路應用電阻的分壓作用在輸出端就會產生對應電壓，從而完成電信號和開關量之間的轉換。 經過上述分析可以知道由傳 感器電路就產生所需采集器記錄的脈沖信號，并且輸出的脈沖數和通過水表的水量、煤氣表的煤氣量成正比。 顯示模塊 數據顯示是遠程抄表的一項重要功能，是人機交換的主要組成部分，它可以將采集到的數據經過單片機處理后直觀的顯示出來。本設計數據顯示部分采用 LCD 液晶屏顯示。 液晶顯示器在低功耗應用系統(tǒng)和袖珍式儀表中得到 很普遍的 應用 正是因為它 顯示內容豐富、微功耗、體積小、超薄輕巧 等許多 優(yōu)點。隨著科技的發(fā)展，液晶顯示模塊的應用前景 必 將更加廣闊。 功能概述 本次設計中采用 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，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 64，內置 8192 個 16*16 點漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII字符集。它可以顯示 8 4行 16 16 點陣的漢字，在本次設計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。 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)遠程抄表系統(tǒng)的設計 13 表 LCD12864 引腳功能 管腳號 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 對比度（亮度）調整 4 RS(CS） H/L