【導(dǎo)讀】隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民用電量劇增。傳統(tǒng)的人工抄表收取電費(fèi)的方。戶的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)量和收費(fèi)。本文針對(duì)目前居民小區(qū)的電能。計(jì)量中實(shí)際存在的各種問題，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。成本低廉、計(jì)量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定可靠和系統(tǒng)安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。的采集和集中、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和通信方式等做了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)。并且廣泛應(yīng)用的RS-485電氣接口的串。在軟件上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、通信、顯示子程序、校。同時(shí)，本文還對(duì)系統(tǒng)中的干擾問題進(jìn)行了深入細(xì)。致的分析，并在硬件和軟件上擔(dān)出了有效的抗干擾技術(shù)。能耗計(jì)量的高質(zhì)量和高效率管理。

　　

【正文】 儲(chǔ)存 RAM； ◆串行 I/O 方式使得管腳數(shù)量最少； ◆寬范圍工作電壓： ～ ； ◆工作電流： 時(shí)，小于 300uA； ◆讀寫時(shí)鐘或 RAM 數(shù)據(jù)時(shí)，有兩種傳輸方式：單字節(jié)傳送或者多字節(jié)傳送； ◆ 8 腳 DIP 封裝或可先 8 腳 SOIC 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； 引腳及其電路連接 DS1302 引腳及其電路連接圖分別見圖 及圖 ◆ X X2 接標(biāo)準(zhǔn)的 的晶振引腳； ◆ GND：接地端； ◆ SCLK：串行時(shí)鐘， RST 復(fù)位引腳， I/O 數(shù)據(jù)輸入輸出引腳； ◆ Vcc Vcc2：電源供電管引腳； 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 圖 DS1302 引腳圖 圖 DS1302 電路連接圖 串口 的擴(kuò)展 在采集模塊和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備之間有一個(gè)中間設(shè)備，讓它具有承上啟下的功 能，一是接受采集模塊的數(shù)據(jù)，另外把從采集模塊中的數(shù)據(jù)接收后發(fā)送上傳到網(wǎng) 絡(luò)接入設(shè)備， 從而讓網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的上網(wǎng)發(fā)送。采集模塊的數(shù)據(jù)接 收和發(fā)送都是通過串口來實(shí)現(xiàn)的， 而 AT89C51 只有一個(gè)串口，為了不至于使接收 和發(fā)送沖突，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的走向選擇，也叫做串口擴(kuò)展。 SP2338 串口擴(kuò)展芯 片能將普通的 51 系列單片機(jī)的一個(gè)串口擴(kuò)展為三個(gè)獨(dú)立的全雙工串口，并且三 個(gè)串口的波特率達(dá)到了 采 用通用的 1 個(gè)起始位、 8 個(gè)數(shù)據(jù)位、 1 個(gè)停止位。同時(shí)，該芯片在與單片機(jī)相連時(shí)接口也非常簡單。 SP2338 共有四個(gè) 串口，一個(gè)母串口，三個(gè)子串口，他們都是全雙工的串行通信口，允許同時(shí)接收 和發(fā)送數(shù)據(jù)。母串口與需要擴(kuò)展的 51 單片機(jī)的串口相連，子串口與其他串口設(shè) 備相連，這樣就實(shí)現(xiàn) 只有一個(gè)串口的單片機(jī)可與三個(gè)串口設(shè)備相連。 SP2338 有 兩根發(fā)送地址線，兩根接收地址線，用以選擇發(fā)送串口和接收串口。其電路圖連 接如圖 所示： 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 圖 串口擴(kuò)展圖 分別控制了兩個(gè)輸入輸出引腳，形成了兩個(gè)完整的回路，一個(gè)完整數(shù)據(jù)向 MAX485 和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送，另外一個(gè)連接 MAX485 網(wǎng)絡(luò)和 MCU 內(nèi)核，完 成采集模塊數(shù)據(jù)的上傳和 PC 機(jī)命令的下傳。 ，其工作過程是： (1)先向 SP2338 的串口地址線 ADRI0、 ADRI1 送地址信號(hào)（ ADRI0、 ADRI1=00 子 串口 0， ADRI0、 ADRI1=01 子串口 1， ADRI0、 ADRI1=10 子串口 2） ；再向與自己 相連的線串口的通信線 上送數(shù)據(jù)； （ 2） SP2338 的母串口收到單片機(jī)串口送來的數(shù)據(jù)后就根據(jù) ADRI0 和 ADRI1 的狀 態(tài)，把數(shù)據(jù)送往相應(yīng)的子串口； （ 3）該子串口再把數(shù)據(jù)送往相連的串口設(shè)備。 2 當(dāng)串口設(shè)備向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其工作過程是： （ 1） SP2338 的某個(gè)子串口從串口設(shè)備接收到數(shù)據(jù)時(shí)，送給母串口； （ 2） SP2338 的母串口把該數(shù)據(jù)再送給單片機(jī)串口，同時(shí)在 ADRO0 和 ADRO1 線上 送出子串口的地址； （ 3）單片機(jī)根據(jù) SP2338 接收地址線 ADRO0、 ADRO1 上的信號(hào)判定由哪個(gè)設(shè)備發(fā) 出的； 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 電能的采集和計(jì)數(shù)模塊 ，產(chǎn)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(cè)試和電能測(cè)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(jì)量部分包括 AD775分流器、分壓電 流、基本電壓源、保護(hù)電路圖、光耦合器輸出電路。 L PF 5 6 1 1 2 1 5 1 6 7 8 9 2 1 1 2 1 2 1 4 1 3 2 0 2 2 2 4 2 3 1 0 1 7 18 電源監(jiān)控電路 V IP V IN V2P V2N A D C A D C Φ H PF 數(shù) 字 頻 率 轉(zhuǎn) 換 器 相 位 校 正 基 準(zhǔn) 網(wǎng) P G A X1， X2， X8， X 1 6 110101 110101 信號(hào)處理電路 R E F I N / OU T C LKIN S C F S0 S1 R EVP C F F1 F2 RESET D GN D D V D D A C / D C A D 7755 A V D D A V D D G0 G1 圖 AD7755 的內(nèi)部框圖 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示，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(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） 、相伴校正電路、可 選的高通濾波（ HPF） 、數(shù)字乘法器、低通濾波（ LPF） 、數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器（ D/F） 、 電壓監(jiān)視器及 的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)源。通過分流器、分壓電路分別對(duì)電流和電 壓信號(hào)進(jìn)行采樣；電流通道和電壓通道的信號(hào)經(jīng)放大器放大后，通過 AD7755 內(nèi) 部 A/D 轉(zhuǎn)換器為兩路數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)乘法、低通濾波、數(shù)字頻率變換等電路的 處理， AD7755 輸出與瞬時(shí)功率成正比的脈沖，并將此脈沖送至微處理器 MCU。 是 CF 引腳可以提供脈沖常數(shù)為 1600IMP/KWH（脈沖數(shù) /千瓦時(shí)） ， 將此輸出脈沖用 LED 和光電耦合器隔離輸出，然后送入 MCU 的終端輸出引腳，由 MCU 控制計(jì)量功率脈沖。 AD7755 產(chǎn)生的輸出頻率與兩個(gè)電壓信號(hào)乘積的平均值成 正比。 AD7755 通過計(jì)算通道 1 和通道 2 兩個(gè)輸出電壓的乘積，然后對(duì)乘積進(jìn)行 低通濾波，獲取有功功率信息。再將這個(gè)有功功率進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換為頻率，以低電 1 學(xué)院本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 平有效的方式從 F1 和 F2 輸出。 這個(gè)頻率是對(duì)有功功率信號(hào)經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間累 積產(chǎn)生的，因此這個(gè)輸出頻率與平均有功功率成正比，有功功率放大器平均過程 中隱含在數(shù)字 頻率轉(zhuǎn)換中完成的，加在 AD7755 上的輸出電壓值為 U1 和 U2。 F1 和 F2 輸出的脈沖頻率 F 和輸出電壓信號(hào)的有效值 U1 和 U2 有一定的數(shù)量關(guān) 系。 F=（ U1 U2 G F） /Uref 式中； F 為引腳 F1 和 F2 輸出的頻率（ HZ） ； U1 為差動(dòng)輸入電壓的有效 值（ V） ； U2 為差動(dòng)輸出電壓的有產(chǎn)值（ V） ； G 為 16 取決于 PGA 的增益，由 G0 和 G1 的邏輯輸入決定； Uref 為基準(zhǔn)電壓（ 177。 %） （ V） ； F 14 由主時(shí)鐘 CLKIN 分頻獲得，分頻系數(shù)由 S0 和 S1 決定 電路連接圖如圖 所示 圖 AD7755 電路連接圖 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 顯示電路 是一種新型的串行接口的 8 位數(shù)字靜態(tài)顯示芯片。它是由武漢力源公 司推出 的 24 腳雙列直插式芯片，采用流行的同步串行外設(shè)接口 (SPI)，可與任何 一種單片機(jī)方便接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位 LED(或 64 只獨(dú)立 LED)，本設(shè)計(jì)中，只要 求顯示不同用戶的戶號(hào)以及用電量， 戶號(hào)用 2 位整數(shù)表示， 而電量用 6 位數(shù)表示 ， 其中 5 位整數(shù)， 1 位小數(shù)，因此需要 8 個(gè) LED 數(shù)碼顯示管 119]。 Ps7219 內(nèi)部具 有 1sx8RAM 功能控制寄存器，可方便選址，對(duì)每位數(shù)字可單獨(dú)控制、刷新，不需 重寫整個(gè)顯示器。顯示數(shù)字亮度可由數(shù)字進(jìn)行控制，每位具有閃爍使能控制位 。 當(dāng)引腳 CON(13 腳 )置高電平，可禁止所有顯示，達(dá)到降低功耗的效果，但同時(shí)并 不影響對(duì)控制寄存器的修改。 PS7219 還有一個(gè)掉電模式、一個(gè)允許用戶從 1 位 數(shù)顯示到 8 位數(shù)顯示選擇的掃描界限寄存器和一個(gè)強(qiáng)迫所有 LED 接通的測(cè)試模 式。另外， PS7219A 型內(nèi)置一個(gè)可靠的監(jiān)控電路，可為外部提供一個(gè)脈寬 140ms ， 觸發(fā)門限典型值為 的高電平復(fù)位信號(hào)。 RET：復(fù)位引腳； LOAD：裝載數(shù)據(jù)輸入，當(dāng) LOAD 位高電平，串行輸入數(shù)據(jù)的最后 16 位被鎖定； DIN：串行數(shù)據(jù)輸入，在 CLK 的下降沿，數(shù)據(jù)被加載到內(nèi)部 16 位移位寄存器； CKL：時(shí)鐘輸入，最高頻率為 500KHz。在 CLK 的下降沿，數(shù)據(jù)被移入到內(nèi)部移位 寄存器，在時(shí)鐘下降沿，數(shù)據(jù)從 DOUT 輸出； DIGI8： 8 位數(shù)字驅(qū)動(dòng)線它從顯示器吸入電流； GND:接地： CON：顯示控制器，低電平選通，高電平顯示無效： DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出，輸入到 DIN 的數(shù)據(jù)在 個(gè)時(shí)鐘周期后 DOUT 有效； DSP,GA:七驅(qū)動(dòng)器和小數(shù)點(diǎn)線，它供給顯示器電流； V+：電源電壓； 1 學(xué)院本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 圖 PS7219 引腳圖 這里 89C51 的 作為串行數(shù)據(jù)的輸出，連接到 PS7219 的 D 創(chuàng)腳， 和 通過程序分別模擬 PS7219 的時(shí)鐘脈沖 CLK 及其數(shù)據(jù)加載 LOAD 信號(hào)。 PS7219 的 SA～ SG、 SDP 端連接到各 LED 數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的 a 一 f 及 dP 端， DIG0～ DIG8 分別接 8 位 LED 數(shù)碼管共陰極，以實(shí)現(xiàn)位選，如圖 所示。 圖 顯示電路連接圖 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 DIN 是串行數(shù)據(jù)的輸入端，在 CLK 上升沿，一位數(shù)據(jù)被加載到內(nèi)部 16 位寄 存器中， CKL 的最高時(shí)鐘頻率可達(dá) 500KHz，在輸入時(shí)鐘信號(hào)的每上上升沿均有一 位數(shù)據(jù)由 DIN 移入到內(nèi)部寄存器中 LOAD 來卸載數(shù)據(jù)，在 LOAD 上升沿， 16 位串 行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)字或控制器中， LOAD 必須在 16 個(gè)時(shí)鐘上升沿的同時(shí)或者之后 ， 在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來之前變高，否則數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。 本章小結(jié) 在本章中詳細(xì)介紹了抄表 系統(tǒng)的底層的硬件結(jié)構(gòu)， 完成電能數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù) 傳輸?shù)哪K設(shè)計(jì)，對(duì)其中各個(gè)部分的硬件設(shè)計(jì)都進(jìn)行了詳細(xì)的說明，這也是本設(shè) 計(jì)中最基本的部分， 在接下去的章節(jié)中，我們要對(duì)其硬件電路的軟件控制及其流 程進(jìn)行詳細(xì)的論述。 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22 第 4 章 抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在微機(jī)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件同樣重要。系統(tǒng)的硬件電路 一旦確定以后，系統(tǒng)的主要功能還需要通過軟件來實(shí)現(xiàn)。如果說硬件是軀體， 那 么軟件則是靈魂； 如果說硬件決定了產(chǎn)品的造價(jià)， 那么在硬件設(shè)計(jì)合理的前提 下 ， 軟件在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。 因此，智能儀表的設(shè)計(jì)很大程度上可以 說是軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用的方便性和靈活性主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)上 。 對(duì)高可靠性要求的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就更是如此。 軟件設(shè)計(jì)的基本原則 為了滿足遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)以下基本原則進(jìn)行軟件的編制： 。 這通常是指軟件系統(tǒng)容易被發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修 改和補(bǔ)充。由于生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度越來越高，測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜， 設(shè) 計(jì)人員很難在短時(shí)間內(nèi)就能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)理解得準(zhǔn)確無誤， 軟件的設(shè)計(jì)與調(diào) 試也不 可能一揮而就，在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)又要便于修改和完善。在軟件的設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu) 化程序設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)方法之一，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，再由局部 到細(xì)節(jié) 。先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)逐步 分解成一個(gè)個(gè)任務(wù)，任務(wù)又可以進(jìn)一步分解成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分、 逐 個(gè)實(shí)現(xiàn)。 在此過程中可能會(huì)有一些問題逐步暴露， 這就要求軟件易被修改， 那么 ， 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)方法。 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)就是采用上述模塊化設(shè)計(jì)方法。 這樣，不但使得設(shè) 計(jì)目標(biāo)明確、思路清晰，而且在檢 錯(cuò)和系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)也較為方便。如果每個(gè)子 程序都能單獨(dú)運(yùn)行，那么，像搭積木一樣，把他們聯(lián)合起來的時(shí)候，只要安排恰 當(dāng)，一般來說不會(huì)有太大的問題。即使有問題也可以根據(jù)問題的種類和現(xiàn)象來進(jìn) 一步判斷是哪一部分出了問題，也為系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和移植提供了很大的方便。 。 系統(tǒng)軟件的可測(cè)試性有兩方面含義 :其一是較容易制定出測(cè)試 ， 并據(jù)此對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試 。其二是軟件設(shè)計(jì)工作完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行， 經(jīng)過靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明準(zhǔn)確無誤后才可投入實(shí)際使用。 。這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，對(duì)遠(yuǎn)程 抄表系統(tǒng)而言就更具有實(shí)際 意義，其結(jié)果的準(zhǔn)確程度直接關(guān)系到千家萬戶的切身利益。因此，在算法選擇和 位數(shù)選擇方面要滿足實(shí)際要求、運(yùn)算結(jié)構(gòu)要符合國家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 。 它是檢測(cè)系統(tǒng)的普遍要求， 即要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部時(shí)間的發(fā)生 ， 并及時(shí)給出處理結(jié)果。