【正文】 參考文獻 ............................................ 66 附錄 一 ............................................. 68 附錄 二 ............................................. 69 附錄 三 ............................................. 70 附錄 四 ............................................. 85 附錄 五 ............................................. 89 1 1 引言 抄表系統(tǒng)的研究背景 當前，我國水、電、氣的計量收費管理，主流采用的還是人工抄表方式。逐戶抄表要耗費很多人力和時間，且入戶抄表很難一 次完成。遠程抄表的自動抄表系統(tǒng)是指利用傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動讀取和處理城市居民用戶的水、電、氣表計數(shù)據(jù)，并將該信息加以綜合處理的系統(tǒng)，抄表技術(shù)準確而便捷，不但能提高管理部門的工作效率，而且還適應(yīng)現(xiàn)代用戶。這些系統(tǒng)曾先后投入試運行。 2 1990 年以后， AMR得到較快的發(fā)展， 2021 年度，美國有 2840萬自動抄表設(shè)備單元應(yīng)用。由于國外對集中抄表技術(shù)的研究起步較早，且比較深入，從標準的制定到抄表專用芯片的生產(chǎn)都比較成熟，多種集中抄表技術(shù)得到了相對廣泛的、成功的應(yīng)用，在發(fā)達國家基該上都實現(xiàn)了遠程集中抄表。只處在起步試用階段，在使用不長的時間內(nèi)，就發(fā)現(xiàn)存在很多的問題。 GPRS 遠程抄表系統(tǒng)由位于水力部門的供水中心和位于住宅 區(qū)的水表數(shù)據(jù)采集點組成，利用中國移動現(xiàn)有的 GPRS/GSM 網(wǎng)絡(luò)，水表數(shù)據(jù)通過中國移動的 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。隨著管理水平的不斷提高、行業(yè)技術(shù)標準的不斷成熟規(guī)范，國家加強對抄表設(shè)備監(jiān)管力度和市場引導(dǎo)，將抄表系統(tǒng)及相關(guān)配套產(chǎn)品納入重點計量器具范圍，建立市場準入制度也將是必然。 遠程 抄表系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 就國內(nèi)外現(xiàn)階段的研究狀況而言，主要是從采集和傳輸兩個方面為重點進行的。在國內(nèi)，遠程自動抄表系統(tǒng)的研究正處于理論轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的關(guān)鍵時期，同時也在積極開展討論制定我國的《遠程自動抄表系統(tǒng)國家標準》的工作 。 遠程 抄表系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 通過霍爾傳感器實現(xiàn)遠傳的系統(tǒng) ， 其可靠性取決于脈沖發(fā)信表發(fā)信 ?脈沖信號傳輸以及系統(tǒng)計量的可靠性。 抄表系統(tǒng)要達到可靠 ?準確運行的要求 ， 計量的準確性和可靠性是必須要解決的問題 ， 而要真正解決準確性及可靠性問題 ， 就必須改變以脈沖信號累計為計量方式的抄表方式。智能型直讀表是在傳統(tǒng)的表具內(nèi)加 裝直接讀表的模塊，其可行性和適用性都是原有脈沖表及分線型抄表系統(tǒng)不可比擬的，主要有以下功能特點： 4 （ 1） 無源總線制直讀表直接感應(yīng)表具的窗口值 ， 即直接“讀取”窗口值 ， 不需要脈沖轉(zhuǎn)換 ?累計 ?換算 ， 沒有累計誤差。 （ 2） 系統(tǒng)在抄表時不需設(shè)置表底數(shù) ?表常數(shù)等參數(shù) ， 無需存儲數(shù)據(jù) ， 真正實現(xiàn)了“讀表”計量。直接傳送數(shù)字信號而非脈沖信號 ， 抗干擾性好。 （ 4） 表具內(nèi)沒有電源 ， 直讀裝置在抄表瞬間加電工作。由于內(nèi)部不設(shè)電源避免了傳統(tǒng)方式由于供電不穩(wěn)定或故障引起的計量誤差及大量的維護工作。 該文的結(jié)構(gòu) 第一章主要介紹了抄表系統(tǒng)的研究背景 、 發(fā)展 現(xiàn)狀和發(fā)展 趨勢 ； 第二章論證了系統(tǒng)方案，對各個 模塊進行 優(yōu)缺點的分析比較 ； 第三章通過對 所用 芯片的 介紹以及對電路功能的分析，對系統(tǒng)硬件進行了描述，給出了單片機的 控制方案 ； 5 第四章介紹了系統(tǒng)軟件流程 ； 第五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試 ； 結(jié)論部分 總結(jié) 了 整個設(shè)計，歸納了存在的問題和進一步研究的方向 ； 致謝部分 表達了對完成該論文有過幫助的同學和老師 的感謝 ； 最后的部分是參考文獻和附錄 。針對各個模塊實現(xiàn)的功能來設(shè)計自動抄表系統(tǒng)，主要有兩種可實施方案： 方案一 GSM 方案 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 6 ； 圖 21 GSM傳輸方案 此方案利用 GSM 把通過霍爾傳感器收集到的信息以短信的方式發(fā)給上位機，眾所周知， GSM 是全球移動通訊系統(tǒng)（ Global System for Mobile Communications）的簡稱， 是當前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標準。用戶發(fā)出的短消息首先被發(fā)送到短信息中心的服務(wù)器中，然后短信中心的服務(wù)器對所收到的短消息進行排隊處理，按順序再發(fā)送給相應(yīng)的接收用戶 終端，如果接收用戶關(guān)機或超出服務(wù)區(qū)不能正常通信時，則該條短消息進行一定的延時后重新發(fā)送，這樣有可能會造成后發(fā)的短消息先到的情況。短消息在短消息中心服務(wù)器中保留的時間也有一定的期限，一般為一天左右。 方案二 GPRS方案 傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換 單片機 GSM LCD 顯示 7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示 ； 圖 22 GPRS傳輸方案 此方案通過 GPRS 直接把數(shù)據(jù)傳給有公網(wǎng) IP 的上位機。GPRS（分組交換技術(shù)）是在 GSM 系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分組數(shù)據(jù)承載和傳輸業(yè)務(wù)，其具有“接入速度快”和“實時在線”的特點，而且由于數(shù)據(jù)經(jīng)過通信中心時采用了獨特的加密壓縮算法，從而減少了信息流量，保障了系統(tǒng)的安全可靠性。相對于分組交換的技術(shù)特點， GPRS 用戶是通過通信的數(shù)據(jù)流量進行計費的，其原則是“得到多少、支付多少”，所以沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時，用戶即使掛在網(wǎng)上也是不收費的。 傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換 單片機 GPRS 數(shù)碼管顯示 8 數(shù)據(jù)采集部分 數(shù)據(jù)采集，又稱 數(shù)據(jù)獲取 ，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入 到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。 該設(shè)計的 數(shù)據(jù)采集部分由傳感器來構(gòu)成，通過傳感器將非電量 信號 轉(zhuǎn)換成電信號，這就是傳感器的主要功能，也是數(shù)據(jù)采集的主要工作原理 。因此 ，傳感器的地位與作用特別重要 。具有以下特點 :(1)產(chǎn)品外觀輕巧靈便，體積小，便于安裝；（ 2）葉輪內(nèi)部鑲有不銹鋼珠，較耐磨；（ 3）密封圈采用上下受力的結(jié)構(gòu)不易漏水。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量 (如溫度 、 壓力 、 位移 、 圖像等 )， 要使計算機或數(shù)字儀表能識別 、 處理這些 信號 ，必須首先將這些 模擬信號 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ， 而 后 經(jīng)計算機分析 ， 處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng) 模擬信號 才能為執(zhí)行機構(gòu)所接受。 將 模擬信號 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)；將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為 模擬信號 的電路稱為 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。有些 A/D 轉(zhuǎn)換器 可以 提供兩個輸入引腳，不同量程范圍的模擬量 信號 可從不同引腳輸入 ； （ 2）是否加采樣 /保持器 ； 10 （ 3） A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率 。 A/D 轉(zhuǎn)換器大體分為兩種：逐次逼近型和積分行。積分型的轉(zhuǎn)換速率相對較低 ，只能構(gòu)成低速 A/D 轉(zhuǎn)換器，一般 轉(zhuǎn)換 壓力 ?溫度及流量等緩慢變化的模擬量時應(yīng)用較多； （ 4） A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 。在系統(tǒng)中 ， A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上 ； （ 5） A/D 轉(zhuǎn)換器 具有的 晶閘管現(xiàn)象 。一般 A/D 轉(zhuǎn)換器可由外部 （ CPU） 控制信號啟動轉(zhuǎn)換 ，轉(zhuǎn)換結(jié)束后 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標志電平 來通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 是間接型 A/D 轉(zhuǎn)換器，其基該原理是 ：對未知的輸入電壓進行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)向?qū)藴孰妷哼M行反相積分至積分輸出電壓為零（返回起始值），則標準電壓積分的時間正比 于 輸入電壓 。雙 積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器具有精度高的優(yōu)點，但是其輸出端多不是二進制碼，而是直接驅(qū)動數(shù)碼管的，所以若直接將其輸出端接 I/O 11 接口會給軟件設(shè)計帶來極大的不便。 逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換 ， 一般具有采樣 /保持功能。 高精度逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準源和內(nèi)部時鐘 ， 基于 51系列單片機構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計時僅需要外接幾個電阻?電容。 單片機的選型 單片機的 選型是一件重要而費心的事情 ， 如果單片機型號 選擇地合適 ,單片機應(yīng)用系統(tǒng) 的 工作 就會 可靠 ；如果選擇地不合適，就會造成經(jīng)濟浪費 ， 影響單片機應(yīng)用系統(tǒng)的正常運行 ， 甚至根本就達不到預(yù)先設(shè)計的功能 。 如果選擇功能過少的單片機 ， 這個單片機應(yīng)用系統(tǒng)就無法完成控制任務(wù) ， 但是如果選擇的單片機功能過于強大 ， 這不但沒有必要 ， 還會造成資源浪費 ，降低 性價比 。 對單片機選型 ， 主要從單片機應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)性 、 實用性和開發(fā)性三方面來考慮 ： （ 1） 技術(shù)性 ：從設(shè)計 的功能要求和單片機的性能 著手， 選擇最容易實現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標 及 容量合適的單片機 ，并且盡可 能 實現(xiàn)高性能、低成本； （ 2） 實用性 ： 要從單片機的供貨渠道 、 信譽程序等角度 出發(fā)，對單片機的生產(chǎn)廠家進行選擇以保證單片機應(yīng)用系統(tǒng)能 夠 長期 、可靠 運行 ； （ 3） 研制周期 ：在短時間內(nèi)要完成如此繁重的任務(wù) ， 必須 要考慮所選的單片機型號是否熟悉，是否能馬上著手進行系統(tǒng)的設(shè)計 。 該設(shè)計考慮到 AT89C52 具有運轉(zhuǎn)高速、低功耗、容量大、下載方便和價格便宜的特點，因此 ， 該系統(tǒng)選用 AT89C52單片機。對于這種改造的資金投 入并不大 ， 但得到的效果卻相當可觀。系統(tǒng)和上位機的通信采用 GPRS 相連的模式，因此系統(tǒng)需要使用 GPRS 模塊，目前 GPRS 模塊一般是指帶有 GPRS 功能的 GSM 模塊 ， 可以利用 GPRS網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。 DCD信號可以 檢測 GPRS模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是處于 AT命令傳送狀態(tài)。 硬件連接完成后 ， 在進行 GPRS 上網(wǎng)操作之前 ， 首先要對 GPRS模塊進行一定的設(shè)置。 ② 設(shè)置接入網(wǎng)關(guān) ， 通過 AT+ CGDCONT=＂ 1＂ ， “IP” ， “CMNET” 命令設(shè)置 GPRS 接入網(wǎng)關(guān)為移動夢網(wǎng)。 ④ 測試 GPRS 服務(wù)是否開通 ， 使用 AT+CGACT=1， 1 命令激活GPRS 功能。這時應(yīng)檢查一下 SIM 卡的 GPRS 業(yè)務(wù)是否已經(jīng)開通 ， GPRS模塊天線是否安裝正確等問題。GPRS 模塊可以通過撥“ *99***1” 登錄到 GGSN 上動態(tài)分配到Inter 網(wǎng)的 IP 地址。使用 PPP 協(xié)議登錄上之后，就可以通過 GGSN 接上 Inter了 。它支持標準的 AT 指令及增強 AT 命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案 。 數(shù)據(jù)顯示部分 數(shù)據(jù)顯示是將系統(tǒng)內(nèi)部或外部存儲器中的數(shù)據(jù)以可見或可讀形式輸出 。 作為該設(shè)計的數(shù)據(jù)顯示模塊，兩個方案如下： 15 方案一 全部采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管能顯示時鐘、溫度等一些簡 單信息。由此增加了電路的復(fù)雜程度，也加大了編程的難度。 LCD顯示器的工作原理 ： 液晶顯示器的主要材料是液態(tài)晶體。因此 ， 用液晶做成顯示器件 ， 就可以把上述外界條件的變化反映出來從而形成現(xiàn)實的效果。因此，該設(shè)計選擇了 LCD1601。系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如下所示 ： 圖 31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 流量傳感器 單片機 AT89C52 帶有中文字庫的 LCD1601 O 數(shù)據(jù)采集 模塊 數(shù)據(jù)顯示模塊 單片機 控制模塊 西門子MC52i O 通信模塊 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0808 A/D 轉(zhuǎn)換 模塊 17 基于 AT89C52的主控電路 AT89C52芯片介紹 AT89C52 是一個低功耗、低 電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k Bytes ISP（ Insystem programmable） 的可反復(fù)擦寫至少 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器（ ROM），和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公 司 的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng) 及 80C51引腳結(jié)構(gòu) , 芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89C52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。因此 ， 該系統(tǒng)選用 AT89C52 單片機。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8個 TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫 “1” 時，可作為高阻抗輸入端用。在 Flash 編程 時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。端口置 1 時， 通