【導(dǎo)讀】漸進(jìn)入尋常百姓的日常生活。由此設(shè)計出水、電、氣、暖四表聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。氣、熱表等的自動監(jiān)控和計費功能。從而實現(xiàn)對整個小區(qū)能源消耗的現(xiàn)代。化管理，使物業(yè)管理走向智能化、自動化。它的工作模式為，采集器采集。時調(diào)取各個用戶的用量，同時又可以通過計算機對用戶用量參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使在停電后能夠繼續(xù)工作72小時。

　　

【正文】 4QB6QC8QD9QE14QF16QG18QH1974 H C 16 4200R6R e s 2200R7R e s 2200R8R e s 2+5NC1f2g3e4d5GND6c8DP7b9a10D4NC1f2g3e4d5GND6c8DP7b9a10D5NC1f2g3e4d5GND6c8DP7b9a10D6C L R N13C L K12A2B3QH4QG6QF8QE9QD14QC16QB18QA19U774 H C 16 4C L R N13C L K12A2B3QH4QG6QF8QE9QD14QC16QB18QA19U874 H C 16 48 7 6 5 4 3 2 1H G F E D C B AP 3. 4/ T 0P 3. 6/ W RP 1. 1P 1. 0P 1. 5 圖 鍵盤與顯示電路原理圖 山東科技大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 28 能耗的計量與存儲 當(dāng) CPU 沒有采集到脈沖時，原有的數(shù)據(jù)不變，當(dāng)有脈沖時，則在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上累加，結(jié)果存在 24LC16B 中。 24LC16B 是一個容量為 16K 字節(jié)可擦除可編程只讀存儲器，這個芯片由 8 塊 256*8 位組成的存儲器，具 有雙線串行接口，單電源供電工作電壓最低為 ，低功耗 CMOS 技術(shù)，可保證 10,000,000 次擦除 /寫周期 , 較寬的有效工作溫度范圍。等待電流和工作電流分別為 5μ A 和 1mA。 24LC16B也有可達(dá) 16 個字節(jié)的數(shù)據(jù)頁寫能力。頁寫模式時 ,典型的寫周期時間為 2ms,整個存儲器可硬件寫保護(hù)。 8 腳 DIP 封裝 ,8 腳或 14 腳 SOIC 封裝。管腳圖如圖 Vss: 地 SDA： 串行地址數(shù)據(jù)輸入輸出端 SCL： 串行時鐘端 WP ： 寫保護(hù)輸入端 Vcc： ＋ ～ 電源供電 A0、 A A2：與內(nèi)部無聯(lián)系，外部地址 在這個系統(tǒng)中，我們只用一個 16K 的存儲器 24LC16B，則 A0、 AA2 接地即可，當(dāng)寫保護(hù)腳接于高電壓時 ,24LC16B 能用作串形的存儲器 ,編程將被禁止 ,整個存儲器被寫保護(hù)，寫保護(hù)端不使能，接地。把 SDA 端和SCK 端接與 CPU 的端口即可。 24LC16B 是符合 I2 C 總線協(xié)議的 E2PROM，寫操作有字節(jié)寫和頁寫，頁寫最多為 16 個字節(jié)，讀操作有當(dāng)前地址讀、隨機讀和順序讀。順序讀 看門狗電路 看門狗定時器對微控制器提供了獨立的保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在可選的超時 周期之后，看門狗定時器將以 RESET 信號作出響應(yīng)。如果允A01A12A23V s s4 S D A 5S C L 6WP 7V C C 82 4 L C 1 6 B 圖 24LC16B 引腳圖 山東科技大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 29 許看門狗定時器工作且 /CS 保持高電平或低電平的時間長與看門狗超時周期，則系統(tǒng)復(fù)位。低 Vcc 檢測電路，可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓狀況的影響。當(dāng) Vcc 降到最小 Vcc 轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位一直確保到 Vcc 返回且穩(wěn)定為止。在本系統(tǒng)中，主要是用到看門狗功能和低電壓檢測功能，以增強 CPU 工作的可靠性和穩(wěn)定性，增強抗干擾能力。 看門狗定時器我們用常用的芯片 X5045。 X5045/43 包含了 X25045/43的所有功能，并且增加了一個新功能：可編程的復(fù)位門限，用戶可 自己設(shè)定更精確、更合適的復(fù)位門限。 X5045/43 的功耗更低，通信速度更快（最高 ， X25045/3 為 1MHz），已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。 此系統(tǒng)我們用 X5045。X5045 的特點 : 512 字節(jié)串行 E2PROM； 可編程看門狗定時器（可設(shè)定看門狗超時時間，典型時間 200ms、 600ms、 或禁止）； 上電復(fù)位及低電壓檢測，即在上電和 Vcc 低于檢測門限時，輸出復(fù)位信號。 X5045 輸出復(fù)位高電平有效，確保直至 VCC=1V 復(fù)位信號仍有效； 可編程的復(fù)位門限。需 加高電壓（ 15~18V 加在 WP 引腳）及一個專門的時序。 SPI 接口方式，最高可達(dá) 1MHz 串行時鐘頻率； E2PROM 存儲器可分塊或全部鎖定保護(hù)； 防止偶然性寫保護(hù)包括：上電 /掉電保護(hù)電路、寫使能鎖存器、寫保護(hù)引腳； 每字節(jié)擦寫次數(shù)可達(dá) 10 萬次、數(shù)據(jù)可保存 100 年； 所有引腳 ESD 防靜電保護(hù)可達(dá) 20xxV； 低功耗 CMOS 電路（備用電流 10μA、工作電流 3mA）。 山東科技大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 30 X5045 的引腳及引腳說明 如圖 /CS： 片選輸入 SO： 串行輸出 SI：串行輸入 SCK： 串行時鐘輸入 /WP： 寫保護(hù)輸入 VSS： 地 VCC： 電源電壓 /RESET： 復(fù)位輸出 X5045 可直接與許多通用的微控制器的同步串行外設(shè)接口（ SPI）連接。輸入的數(shù)據(jù)在變?yōu)榈碗娖街蟮?SCK 第一個上升沿被采樣，隨 SCK 時鐘同步輸入。 SCK 是靜態(tài)的，允許用戶暫停時鐘并在以后恢復(fù)操作。在整個工作期間，必須是低電平且輸入必須是高電平。 X5045 監(jiān)視線，如果在預(yù)設(shè)的看門狗超時周期時間內(nèi)，沒有產(chǎn)生下跳沿，將輸出復(fù)位信號 。在本系統(tǒng)中，看門狗超時周期設(shè)為 秒。在軟件編程中，設(shè)置約 1 秒訪問一次X5045 芯片， 當(dāng)程序跑飛或 秒沒有訪問看門狗芯片， X5045 將輸出復(fù)位脈沖，直到程序正常運行。 集中器的設(shè)計 因為系統(tǒng)要求的傳輸距離為 2400m 比較遠(yuǎn)，所以需要采集器與計算機之間加入集中器。一個集中器能帶 16 個采集器。 集中器地址的確定 中器的地址的確定與采集器的相似，不同的是用了一個 4 位的撥盤開關(guān)，而不是 8位撥盤開關(guān)。 1234 5678S W D I P 4 圖 SWDIP4 引腳圖 CS1SI2WP3GND4 SO 5S C K 6R S T 7V C C 8X 50 45 圖 X5045 引腳分布圖 山東科技大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 31 這個開關(guān)的型號為 SWDIP4，其功能管腳圖如圖 所示。其中 3 和 4 為一組， 7 和 8 為一組。 存儲器的設(shè)計 采集器所用的存儲器是 24LC65。 24LC65 是一種微型的 8K*8 串行電可擦除的可編程只讀存儲器（ E2PROM）。在個人通信方面，該器件是高級低功耗產(chǎn)品，新增多用戶可編程技術(shù)特點，可供系統(tǒng)設(shè)計者靈活運用。24LC65 還提供了一塊 4K 位，位置可以改變的（由編程設(shè)定）高壽命存儲模塊用于存儲刷新比較煩瑣的數(shù)據(jù)，其余的存儲空間里（ 60K 位）可保證100000 次的擦寫次數(shù)。 24LC65 有一個輸入頁寫緩沖器（快存），能快速寫入最多 8 頁。 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)，該器件還有一個可編程的保護(hù)模式，再擦寫數(shù)據(jù)或代碼時，提供一種保護(hù)，且最多能保護(hù) 15 個 4K 存儲塊。 功能 管腳如圖 Vss： 地 SDA： 串行地址數(shù)據(jù)輸入輸出端 SCL： 串行時鐘端 NC： 無關(guān)位 Vcc： ＋ ～ 電源供電 A0、 A A2：與內(nèi)部無聯(lián)系，外部地址 因為集中器中只需要一個 24LC65，則可以把 A0、 A A NC、 VSS接地，只把據(jù)端和時鐘端接到 CPU 的端口即可。具體的使用見軟件設(shè)計部分。 I2C總線技術(shù)及應(yīng)用 I2 C 總線： I2 C 總線是 Philips 公司首先推出的一種兩線制串行傳輸總線。它由一根數(shù)據(jù)線（ SDA）和一根時鐘線（ SDL）組成。 I2 C 總線的數(shù)據(jù)傳輸基本過程為： A01A12A23V s s4 S D A 5S C L 6NC 7V C C 82 4 L C 6 5 圖 24LC65 引腳圖 山東科技大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 32 1）、主機發(fā)出開始信號； 2）、主機接著送出 1 字節(jié)的從機地址信息，其中最低位為讀寫控制碼（ 1 為讀、 0 為寫），高 7 位為從機器件地址代碼； 3）、從機發(fā)出認(rèn)可信號； 4）、主機開始發(fā)送信息，每發(fā)完一字節(jié)后，從機發(fā)出認(rèn)可信號給主機； 5）、主機發(fā)出停止信號。 I2C 總線上各信號的具體說明： 開始信號：在時鐘線（ SCL）為高電平其間，數(shù)據(jù)線（ SDA）由高變低，將產(chǎn)生一個開始信號。 停止信號：在時鐘線（ SCL）為高電平其間，數(shù)據(jù)線（ SDA）由低變高，將產(chǎn)生一個停止信號 。 應(yīng)答信號：既認(rèn)可信號，主機寫從機時每寫完一字節(jié)，如果正確從機將在下一個時鐘周期將數(shù)據(jù)線（ SDA）拉低，以告訴主機操作有效。在主機讀從機時正確讀完一字節(jié)后，主機在下一個時鐘周期同樣也要將數(shù)據(jù)線（ SDA）拉低，發(fā)出認(rèn)可信號，告訴從機所發(fā)數(shù)據(jù)已經(jīng)收妥。（注：讀從機時主機在最后 1 字節(jié)數(shù)據(jù)接收完以后不發(fā)應(yīng)答，直接發(fā)停止信號）。 注意：在 I2C 通信過程中，所有的數(shù)據(jù)改變都必須在時鐘線 SCL 為低電平時改變 ,在時鐘線 SCL 為高電平時必須保持?jǐn)?shù)據(jù) SDA 信號的穩(wěn)定 ,任何在時鐘線為高電平時數(shù)據(jù)線上的電平改變都被認(rèn)為是起始或停 止信號。 電源及后備電源電路的設(shè)計 采集器的 電源包含交流電產(chǎn)生的三個 5V 主電源和后備電源，后備電源是在市電停電時取代采集器主板的 5V 主電源的，給采集器 CPU、存儲器24LC16B 及遠(yuǎn)傳基表的供電，保障采集器在市電停電時能繼續(xù)進(jìn)行正常的脈沖采集，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的正確性。后備電源設(shè)計要求能保證采集器連續(xù)工作時間不少于 48 小時，并能自動充電，在市電停電時能及時啟用等。 山東科技大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 33 集中器的電源設(shè)計比采集器的電源設(shè)計簡單，它不需要對能耗脈沖進(jìn)行采集，主要的功能是分時地與采集器和上位微機 PC 進(jìn)行通信。由于集中器與上位微 機 PC 的通信一般一月才一次，而且采集器已對計量現(xiàn)場的停電或電源故障等考慮了后備電源，因此集中器的電源設(shè)計不用考慮后備電源。因此，其電源設(shè)計只包含三組 5V 主電源的設(shè)計 :一組給集中器 CPU 及其外圍接口電路供電，另外兩組直流 5V 輸出為通信隔離所用芯片的供電。集中器 5V 主電源設(shè)計原理圖與采集器完全相同，在此不再贅述。 5V主電源的設(shè)計 直流電源是電子設(shè)備中供給能量的部分，因此是不可缺少的單元。目前電源主要有以下幾種形式： 1） 阻容分壓式。采用簡單的電阻電容分壓、濾波。這種電源穩(wěn)壓性能差、電源波動大、帶負(fù) 載能力小、電網(wǎng)干擾極易串入。 2） 開關(guān)電源。這種電源穩(wěn)壓性能好、穩(wěn)波小，但成本較高，且對外界電網(wǎng)的干擾也比較嚴(yán)重。 3） 線性電源。這種電源穩(wěn)壓性能好，隔離特性好，價格適中。 系統(tǒng)設(shè)計的主供電電源選用的是第 3 種，由于系統(tǒng)電路用的集成塊大多數(shù)為 TTL 電路，它們需要的供電電壓為 5V，這一點要求設(shè)計的電源電壓有較好的穩(wěn)定性。所以需要進(jìn)行整流和濾波處理。用 4 個二極管 4004 對交流電壓進(jìn)行橋式全波整流后，用一個大電容為 2200uf 對所整流的電壓進(jìn)行濾波，然后用一專用的穩(wěn)壓集成塊 LM7805 對電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，再經(jīng)過濾波后便 得到一較穩(wěn)定的 5V 電壓。此電路較為簡單，如圖 所示： 山東科技大學(xué)學(xué)士 學(xué)位 論文 34 其中 LM7805 是常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是 TO220 封裝，能提供 DC 5V 的輸出電壓，應(yīng)用范圍較廣。 電路均采用全橋整流電路，經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后，共設(shè)計了三組5V 主電源。其中，一組是給采集器中的 CPU、存儲器電路、硬件看門狗電路、顯示器以及其它的外圍接口電路供電，這里的主要能量消耗來自于供電正常時的 LED 數(shù)碼管的顯示，因為它不僅顯示戶號信息 （ 4 位 ） ，而且包括 3 種能耗信息 （ 每種 6 位，共 18 位 ） ，以每個數(shù)碼管的最大靜態(tài)電流15mA 設(shè)計， 22 個數(shù)碼管需要 300 多 mA，再外加其它器件的功耗以及設(shè)計的裕量，同時考慮電網(wǎng)的波動 （ 20%） 因素，該組二次繞組在設(shè)計時選擇了 9V/6W 的參數(shù)。另外兩組直流 5V 輸出為通信隔離所用芯片的供電，由于只有為幾個隔離信號的光藕一側(cè)和通信的驅(qū)動轉(zhuǎn)換芯片提供能量，因此這兩組的二次繞組在設(shè)計時選擇了 9V/1W 的參數(shù)。這里值得注意的是，設(shè)計時要考慮電網(wǎng)的波動 （ 177。20%） 因素對電源工作穩(wěn)定性的影響。因為，如果此時電網(wǎng)的波動使得