基于農村電能表的經濟型抄表系統設計

陳梨芳

(福建經濟學校，福建福州 350003)

基于農村電能表的經濟型抄表系統設計

陳梨芳

(福建經濟學校，福建福州 350003)

根據農村電網實際情況，在借鑒各種電能表抄表系統的基礎上，提出適用于農村電能表的抄表系統.并在分析抄表系統總體需求的基礎上，針對抄表系統中是應用于農村民用電能表抄表這一實際情況，設計出一款適用于農村電能表抄表的經濟型抄表系統，給出了系統的整體設計方案及硬件與軟件設計.

農村；電能表；采集模塊；紅外傳輸；抄表儀

0 引 言

隨著農村建設步伐的加快，當前農村電網中廣泛采用的人工紙筆抄表收費方式已經不能滿足農村建設規模不斷擴大的需求.這種傳統的抄表方式存在效率低、錯誤率高、管理不科學、抄表時間跨度長等弊端.同時，伴隨著農村家庭電器智能化時代的到來，其用電量也不斷地膨脹.如何將農村這樣一個龐大且分散的用戶群體的用電量準確、有效、及時地收集、統計出來，成為電力部門迫切需要解決的難題.

目前，國內電能表抄表采用的方式主要有以下幾種:傳統的人工紙筆抄表方式，這種人工讀表—計費—收費—催費的用戶電能表管理模式，在全國范圍內的電能表管理模式中占80%的比例；預付費方式，由于農村電力設施還不完善，無法采用這種智能卡式的抄表方式；有線自動化抄表方式，該方式普遍存在著布線復雜，安裝和維護困難、成本高等問題；無線抄表方式，由于其投資規模大，直接影響了它的推廣應用，無線抄表方式在我國目前只處于起步階段[1].在借鑒各種電能表抄表系統的基礎上，針對傳統抄表方式存在的諸多問題，本研究提出了新的抄表思路——利用手持抄表儀采集電能表用電數據.

1 系統整體設計

抄表系統由電能表數據采集模塊和手持紅外抄表儀組成，這2個終端設備之間的信息交換是通過紅外傳輸技術來實現的.系統功能模塊設計框架如圖1所示.

圖1 抄表系統功能模塊框架圖

2 系統硬件設計

抄表系統采用AT89C51單片機作為微控制器核心芯片，通過紅外收發電路采集10 m范圍以內的電能表電量數據，并把采集到的電量數據顯示在LCD液晶顯示屏上，同時將采集的結果存儲在EEPROM存儲器中.存儲器中的數據經USB接口傳送至本地計算機中，以待進一步處理，也可以通過抄表儀上的按鍵查詢并顯示出來.系統硬件部分由7部分構成，主控電路設計圖如圖2所示.

1)微控制器.統一管理外圍其他功能模塊及接口電路，以實現命令發送、數據接收、數據顯示、數據查詢、數據存儲、數據上傳等功能.干電池提供+5 V直流電源給VCC端供電，由12 MHz的晶振和2個起穩定作用的電容構成晶體振蕩電路，產生12 MHz的時鐘信號供單片機使用.復位電路實現單片機從任一工作狀態恢復到起始工作狀態，由上電復位和手動復位混合構成，復位電路輸出的高電平信號通過RESET端輸入到單片機中實現芯片的“重啟”.

圖2 系統主控電路設計圖

2)按鍵模塊.實現數據讀取命令的發送，上翻、下翻顯示采集到的電能表電量信息.AT89C51的P1.0口連接按鍵S1，實現向電能表發送讀取數據的請求信號；P1.1、P1.2口分別與按鍵S2、S3相連接，完成向下和向上翻屏動作，并在顯示屏上顯示下一個電能表的地址及電量數據和上一個電能表的地址和及電量數據.

3)顯示模塊.顯示模塊采用每行顯示16個字符，分 2行顯示的字符式液晶顯示器，其芯片LCD1602構成抄表儀的數據顯示模塊.LCD1602芯片自帶有控制器，無需額外的控制/驅動芯片來驅動電路.該芯片的寄存器選擇信號線RS、讀寫信號線R/W、片選信號線 EN和數據口分別受單片機AT89C51的 P1.4、P1.5、P1.6、P2 口控制，驅動程序由單片機軟件部分提供.

4)存儲模塊.存儲模塊采用CATALYST公司生產的64 K-bit串行CMOS EEPROM存儲芯片CAT24WC64.該芯片采用串行I2C總線協議工作方式，與單片機AT89C51之間的連接是通過一根數據線SDA和一根時鐘信號線SCL來實現的，I2C總線上數據傳送的起始、終止和有效性都由SCL、SDA決定[3].這2條總線都需要通過上拉電阻連接到正電源上，串行數據線SDA連接微控制器的P3.5端，串行時鐘線SCL連接微控制器的P3.4端.

5)紅外收發模塊.紅外收發模塊采用ZiLOG公司生產的紅外收發芯片ZHX1010，該芯片符合IrDA SIR串行紅外通信協議，通過串口和使能控制端實現與微控制器的連接[4].紅外收發模塊電路設計如圖3所示.直流電源通過一個外接限流電阻給LEDA端提供工作電流，P3.1口控制收發器數據的發送，當收發器接收到數據時，數據經過P3.0口輸入到微控制器中進行處理.

圖3 紅外收發模塊電路設計圖

6)數據上傳模塊.數據上傳模塊采用專用的USB接口芯片，通過微控制器來控制USB控制器的數據交換[5].選擇Philips公司生產的PDIUSBD12芯片作為USB接口芯片.數據上傳模塊電路設計如圖4所示.PDIUSBD12芯片采用基本的晶振電路產生6 MHz的時鐘信號，GL N 引腳與GOODLINK發光二極管之間的連接電阻值取為470 Ω.

圖4 PDIUSBD12芯片電路設計圖

7)電源模塊.除了PDIUSBD12芯片供電電源是+3.3 V外，手持紅外抄表儀的主控芯片AT89C51和其他外圍功能模塊電路所需的電源都是+5 V.為了方便抄表員隨身攜帶抄表儀到現場作業，抄表儀需要的直流電源由5節1.5 V干電池提供[6].直流電源電路設計如圖5所示.電路提供+5 V和+3.3

圖5 手持紅外抄表儀直流電源電路設計圖

V的直流電源，LED指示燈用于顯示直流電源是否工作正常，集成穩壓器7805用于輸出+5V電源，所需的+3.3 V電源是由+5 V電源經過三端可調電壓穩壓器LM117調整輸出.

3 系統軟件設計

3.1 總體設計

系統軟件的主要功能是檢測是否有按鍵操作.若有，則判斷是發送讀取電能表電量數據的命令還是查詢用戶電量信息的操作.讀取電量數據的命令通過紅外收發模塊發送，并把接收到的數據存儲在EEPROM中；查詢操作則在EEPROM中查找相應的數據，并在抄表儀的液晶顯示屏上顯示戶號和電量數據.

圖6 抄表儀讀取電能表數據采集模塊流程圖

手持紅外抄表儀讀取電能表數據采集模塊流程圖如圖6所示.程序運行時，首先進行液晶顯示屏和串口初始化，檢測是否有按鍵按下.無按鍵操作時，顯示上次讀取的電量數據.若有按鍵按下時，延時去抖，并判斷是發送請求還是查詢操作.若是查詢操作，則顯示上一組數據或下一組數據；若是發送請求，則通過紅外收發模塊發送2 B的密碼數據:“Oxaa，Oxbb”，等待電能表回復，當電能表回復“Oxcc”時，可以接收電量數據.在接收電量數據時如發生錯誤，電能表要重發數據，抄表儀重新接收，直到接收到正確的數據，接收的電量數據存儲在存儲芯片CAT24WC64中.

3.2 軟件抗干擾設計

抄表儀操作過程中主要干擾是按鍵抖動，對此本研究采用軟件措施來消除因抖動引起的干擾.按鍵輸出的高低電平是由其機械觸點的閉合和斷開作用產生的，因按鍵受彈簧支撐，有彈性作用，會出現時間長短不等的抖動過程，該過程持續時間長短跟按鍵的機械特性有很大的關系，一般持續時間為5～10 ms[7].當有按鍵按下時，程序檢測到按鍵閉合狀態后，先延時20ms避開抖動過程，再檢測按鍵的狀態.如果讀取按鍵的狀態仍為閉合狀態，則確認此按鍵已按下，從而判斷是何按鍵并執行相應的功能；如果讀取按鍵狀態為斷開狀態，則視為外部干擾信號.這樣，微控制器就可以避開按鍵發生抖動的那段時間，從而可靠地讀取按鍵的狀態，不會出現誤讀和重讀現象.軟件抗干擾措施程序設計流程如圖7所示.

圖7 軟件抗干擾措施程序設計流程

4 結 論

本研究在分析和借鑒各種抄表技術相關研究成果的基礎上，結合農村居民居住較分散、農村電力設施自動化程度較低的實際情況，設計出以單片機為核心的手持紅外抄表儀抄表系統.雖然所設計的系統在應用上仍存在一定的局限性，但抄表員手持抄表儀采集電能表用電量這種抄表方式，對解決當前農村因人工紙筆抄表方式產生的一系列問題有實際的幫助，降低了因人為讀取電能表數據產生的誤差，提高了抄表的準確性，增加了用戶的可信度，可以考慮將其應用于實際的抄表工作中.

:

[1]譚志強，黃贅.自動抄表技術的發展[J].電測與儀表，2009，46(1):1-5.

[2]趙偉，龐海波，劉燦濤.電能表技術的發展歷程[J].電測與儀表，1999，36(6):4-7.

[3]張勝利，安連祥，尚麗輝.I2C總線技術的應用[J].電氣時代 ，2003，23(2):80-83.

[4]孫戈.短距離無線通信及組網技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，2008.

[5]艾柯爾遜.USB大全(美)[M].陳逸等譯.北京:中國電力出版社，2011.

[6]趙志宏，李小珉，陳冬.基于C8051F系列單片機的低功耗設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2006，6(8):128-130.

[7]任杰.基于彩信的無線紅外防盜報警系統的硬件設計[D].天津:河北工業大學，2007.

Design of Economical Meter Reading System Based on Rural Electric Power Meter

CHEN Lifang
(Department of Computer，Fujian Economic School，Fuzhou 350003，China)

According to actual situation of rural power grid，based on a variety of electric power meter reading systems，a meter reading system is proposed for rural electric power meter.Based on analysis of the overall demand of the meter reading system，the economical handheld meter reading system is designed.This paper presents the overall design scheme of the system，the hardware and software design.

rural area ；electric power meter；acquisition module ；infrared transmission ；meter reading system

TP391

A

1004-5422(2013)02-0165-04

2013-03-16.

陳梨芳(1981—)，女，碩士，講師，從事計算機電子信息技術研究.