多用戶數字電度表的集中管理系統設計

摘 要：介紹一個以單片機AT89C51\\[1\\]為基礎的多用戶數字電度表的集中管理系統，其設計包括控制中心和用戶電度表2個部分。他能實現各個電力用戶用電量的自動記錄、傳送及限定用戶用電量范圍等功能，使得在供電局抄表中心便能查詢用電情況，自動抄收用戶電表數、控制用電，并且能夠整理和統計大量的數據，給用電量的管理帶來方便，節省人力和物力。

關鍵詞：AT89C51；數字電度表；集中管理系統；自動抄送；控制用電

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-027-03

Design of Multiuser Digital Electric Meter Centralized Management System

WEI Yongsen

(Guilin Normal College，Guilin，541001，China)

Abstract：This article introduces one take monolithic integrated circuit AT89C51 as the foundation multiuser digital electric meter centralized management system，including the control center and user electric meter.It can realize each electric power user electricity consumption automatic recording，the transmission and functions and so on definition user electricity consumption scope，causes to copy the table center in the power supply bureau then to be able to inquire uses electricity the situation，copies automatically receives the user electric instrument number，the control uses electricity，and can reorganize and count the massive data，has brought conveniently to the electricity consumption management，has saved the manpower and the physical resource.

Keywords：AT89C51；digital electric meter；centralized management system；sends duplicate automatically；control uses′ electricity

1 引 言

目前，我國城鄉居民用戶抄電表的方式基本上都是人工抄表，即由抄表人員每月逐戶查抄電表。這種落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集數據的時間跨度大、采集數據的準確度低。因此，國家有關部門規定以后將逐步以計算機為基礎的自動抄表系統取代傳統的人工抄表。自動抄表系統目前主要采用有線通信技術和電力載波通信技術。有線通信技術作為傳統方法，以其穩定性占有優勢。但有線通信鋪線工程浩大，而且容易被人為損壞；同時居民樓建成后，再在墻壁表面拉線，居民難以接受。電力載波通信技術能有效解決上述問題，他利用現有交流電源線作為通信線路，省去了鋪線工程，優勢明顯。但由于電力線是給用電設備傳送電能的，而不是用來傳送數據的，所以電力線對數據傳輸有許多限制。因此，本次設計的自動抄表系統是建立在有線通信技術基礎上的。

自動抄表(Automatic Meter Reading，AMR)是指采用通訊和計算機網絡等技術自動讀取和處理表計數據\\[2\\]。發展電能自動抄表技術是提高用電管理水平的需要，也是網絡和計算機技術迅速發展的必然。在用電管理方面，采用自動抄表技術，不僅能節約人力資源，更重要的是可提高抄表的準確性，減少因估計或謄寫而造成帳單出錯，使供用電管理部門能及時準確獲得數據信息。智能遠程抄表系統的使用是在整個住宅小區內布線，并集中到小區的物業管理中心，通過網絡或電話將相關數據參數傳輸到供電局營業所、自來水公司營業所、煤氣公司營業所；或將區域管理機組直接與網絡或電話連接，直接將相關數據參數傳輸到供電局營業所、自來水公司營業所、煤氣公司營業所。這種方式可以實時或定時自動采集每一塊計量表的讀數，可以實現一個城市在同一時刻抄收所有電表的數據，并完美地監控整個系統的工作狀態。

2 系統組成與工作原理

本系統利用控制中心、采集器、存取器、通信等功能模塊，對居民的電表進行集中管理。其中采集器主要對用戶的電表進行脈沖計數。通信模塊是整個系統的通信橋梁，他接收主控機監測命令，并把采集器的計數值送到主控機。主控機由單片機構成，負責對所有用戶的電表進行自動抄表和全面監控，管理人員通過主控機就能知道每個用戶的電表用量和供電情況，從而利用本系統對一大片用戶進行集中管理。系統的核心是提供了一個控制信號采集和數據傳輸的平臺，這個傳輸平臺的邏輯層主要由鏈路層、網絡層、傳輸層和接口等組成。他的前端模塊主要資源有處理器、存儲器、信號采集單元與相關信息，他能合理分配、控制處理器、控制信號的采集，使控制電路正常工作，確保采集的信息和數據能有效的傳輸。

整個系統的組成可分為2個部分：第一部分為數字式用戶電度表，即完成數據采集，電量計算和傳輸；第二部分為控制中心，實現監控。整個系統的原理框圖如圖1所示。

控制中心向每個用戶逐一發送數據采集指令，當用戶接收到指令時，將采集到的用戶用電量發送到控制中心。控制中心將采集到的每個用戶的用電量進行顯示，并且進行數據處理，如果某個用戶的用電量超出了控制中心設定的用電量，控制中心將向該用戶發出停止用電的指令，用戶收到指令后自動切斷電力線，限制用戶的用電。

3 數字電度表各模塊介紹

下面將介紹各模塊的核心電路原理，以此來說明各模塊的設計和功能。

(1) CPU及外圍電路(AT89C51)

AT89C51是一種帶4 kB閃爍可編程可擦除只讀存儲器(Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory，FPEROM)的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器。該器件采用Atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，Atmel的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

(2) 功率計量(AD7755)

AD7755是一種高準確度電能測量集成電路，其技術指標超過IEC1036規定的準確度要求。AD7755只在ADC和基準源中使用模擬電路，所有其他信號處理(如相乘和濾波)都使用數字電路，這使得AD7755在惡劣的環境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩定性。AD7755的低頻輸出是通過對上述有功功率信息的累計產生，即在兩個輸出脈沖之間經過長時間的累加，因此輸出頻率正比于平均有功功率。當這個平均有功功率信息進一步被累加(例如通過計度器累加)，就能獲得電能計量信息。CF輸出的頻率較高，累加時間較短，因此CF的輸出頻率正比于瞬時有功功率，這對于在穩定負載條件下進行系統校驗是很有用的。AD7755只有4個由S0，S1的邏輯而定的工作頻率，這4個可選的頻率是針對儀表常數為100 imp/kWhr(即每千瓦時對應100個計數脈沖)，最大電流在10～120 A之間的情況優化設計的。

由于本設計要求在額定電壓為220 V(市電)的情況下，電度表的最大負載為2 000 W，因此，完全可以利用儀表常數為100 imp/kWhr進行電量計算。

AD7755的外圍電路的設計重心在兩個通道的前端電路。居民用電負荷反映在電流的大小上，因而用戶用電電流的變化范圍比起電網電壓波動來說要大得多，其范圍一般從0到滿刻度，對用戶電流信號進行實時取樣與處理的電路。

我國居民家用電網的電壓理論值為220 V/50 Hz，由于各種因素的影響，電網供電電壓的波動范圍較大(用電高峰期有時會低于150 V)。這樣，為了提高電度表的精度，需要對電網電壓進行實時采樣，以計及電網電壓變化對用戶耗電功率和電量的影響。

另外在CLKIN與CLKOUT之間加上外部時鐘，對規定的工作來說時鐘頻率是3.58 MHz。因此只要加上3.58 MHz的晶振電路就可以。

(3) 顯示器(LED)

本設計利用4位共陰數碼管作為電度表的顯示器，以實時顯示電度表的電量。4位共陰數碼管集成在一起有12個引腳，其中8個段驅動，4個位驅動。AD0804，DAC0832，LM324(4運放)，采用動態顯示方式。

掃描顯示原理：本實驗板用了1塊4 位集成的LED 顯示器。由于采用共陰數碼管，所以低電平選通。要顯示1個數字，并不是哪位顯示就給哪位發，因為數碼管的段驅動都連在一起，所以是給每個數碼管都發送顯示碼，只不過通過輸出位選信號保證只讓某位數碼管顯示，其他處于不顯示狀態。

注意在LED的顯示電路中，LED管的位選端要加上三極管起放大作用以保證數碼管的8段顯示電流。由于二極管的點亮電流為10 mA，因此每1位的電流至少得達到80 mA，但是單片機的I/O口不能輸出這么大的電流。一般情況下，共陰極的數碼管使用NPN管，共陽極的則使用PNP管。

(4) 數據通信(MAX232)

MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS 232標準串口設計的接口電路，為RS 232收發器，簡單易用，單+5 V電源供電 。該器件包含2個驅動器、2個接收器和1個電壓發生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA-232-F電平。僅需外接幾個電容即可完成從TTL電平到RS 232電平的轉換。

(5) 存儲器(24C02)

24C02屬于AT24系列存貯器，AT24系列存貯器芯片采用CMOS工藝制造，內置有高壓泵，可在單電壓供電條件下工作。其標準封裝為8腳DIP封裝形式，24C02與單片機的接口電路很簡單，只要將SCL和SDA跟單片機的I/O相連即可。

(6) 穩壓電源

為了滿足本系統中集成電路的需要，可以利用電網進戶線通過穩壓電路產生+5 V的直流工作電源。220 V的交流電先經過高壓電容，再經過兩個IN4001二極管的整流，最后通過穩壓管IN47的穩壓就可以得到+5 V的直流電源。

系統的故障保護部分由光耦817B和電磁繼電器組成。脈沖輸出與單片機之間加上的光耦主要是以防干擾。

4 控制機的設計

4.1 控制機的設計思想

控制機由主控機、人機交互界面、顯示器、通信等功能模塊，實現對電度表進行集中管理和控制。其中單片機89C51構成主控機，實現對電度表的數據采集，處理，存儲以及控制。為了人為地、更好、更自由地控制電度表，利用鍵盤作為人機交互界面。顯示器可以顯示所采集和處理的數據以及信息，由LCM完成此功能。通信模塊則是為了跟電度表進行通信，以實現數據和信息的傳輸。工作流程如圖3所示。

4.2 硬件設計

(1) 人機交互界面

由4×4矩陣式鍵盤控制。這樣，在鍵盤中按鍵數量較多時，可以減少I/O口的占用。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過1個按鍵加以連接。這樣，1個端口(如P1口)就可以構成4×4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了1倍。

(2) 顯示器(LCD)

主要由1602型LCM模塊構成，TC1602A是一種16字×2行的字符型液晶顯示模塊。

DDRAM為數據顯示用的RAM(Data Display RAM，DDRAM)，用以存放要LCD顯示的數據，只要將標準的ASCII碼放入DDRAM，內部控制線路就會自動將數據傳送到顯示器上，并顯示出該ASCII碼對應的字符。

控制機程序部分以子程序的方式給出，要進行串行通信時，可以直接調用這個子程序。控制機在接收或發送1個數據塊后可返回主程序，完成其他的任務。分機部分以串行口中斷服務程序的方式給出。故分機在這種情況下不能簡單地等待分機準備就緒，而要重新跟分機聯絡，使分機再次進入串行口中斷，可以通過按鍵12來實現。系統采用定時器1作為波特率發生器。控制機與分機所設置的波特率相同，在一定的條件下，可基本上實現通信的同步。

5 結 語

系統不但具有對各住宅用戶進行數據統計，用電管理等功能，而且抄數即快速又準確，徹底解決了人工抄表的所有弊病，大大提高了工作效率，可以廣泛應用于居民住宅小區、學校、工廠等。另外，對該系統稍加改造便可用于對煤氣表，水表等其他家用數據的自動抄收。其中的數字電度表測量精度高，性能穩定可靠，不但可以取代老式的齒輪式電度表，還可以實現遠程抄表及高效數據管理，是現代供配電管理不可缺少的用戶電功率計，是老式電度表的替代產品。

參考文獻

[1]高鋒.單片微型計算機原理與接口技術[M].北京：科學出版社，2003.

[2]呂曙東.具有遠程抄表功能的數字電度表的研究[D].鹽城：鹽城工學院，2005.

作者簡介 韋永森 男，1971年出生，廣西桂平人，桂林師范高等專科學校物理與信息技術系，副主任，講師。主要從事電子技術的教學與研究。