基于單片機(jī)的電集中抄表設(shè)計(jì)

白宇 文若濤 孫雙辰 郭烜博

摘? 要：本文闡述了基于單片機(jī)的電集中抄表系統(tǒng)，系統(tǒng)是在感應(yīng)式電能表的基礎(chǔ)上將其改裝成為具有自動抄表和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦偷某硇问健；谶@種技術(shù)，文中將詳細(xì)地介紹該電集中抄表系統(tǒng)的可行性，市場前景，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，以及調(diào)試方法等。整個系統(tǒng)包括抄表模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊兩大部分電路。抄表模塊完成的是脈沖轉(zhuǎn)換，電流檢測，報警和自動斷電的功能。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)抄表系統(tǒng)與PC機(jī)控制中心的連接，實(shí)現(xiàn)控制中心對用電戶進(jìn)行同一抄表和統(tǒng)一收費(fèi)的管理模式。應(yīng)用該系統(tǒng)可以改變傳統(tǒng)的抄表模式節(jié)省了人力，實(shí)現(xiàn)小區(qū)的智能化管理。文章的最后還總結(jié)了一些設(shè)計(jì)過程中遇到的問題以及解決方法。

關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī);光電轉(zhuǎn)換;電能表;防盜電;CAN總線

1電集中抄表系統(tǒng)

自動抄表（Automatic Meter Reading-AMR）是指采用通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動讀取和處理表計(jì)數(shù)據(jù)。發(fā)展電能自動抄表技術(shù)是提高用電管理水平的需要，也是網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然。在用電管理方面，采用自動抄表技術(shù)，不僅能節(jié)約人力資源，更重要的是可提高抄表的準(zhǔn)確性，減少因估計(jì)或謄寫而造成帳單出錯，使供用電管理部門能及時準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)信息。由于電力用戶因此不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時間，還能迅速查詢帳單，故這種技術(shù)越來越受到用戶歡迎。

2? 設(shè)計(jì)方案

2.1 抄表部分

針對現(xiàn)階段大多數(shù)用電戶所使用的感應(yīng)式電能表的情況，采用AT89C51單片機(jī)為核心加入光電轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)脈沖轉(zhuǎn)換并利用霍兒傳感器UGN30T51進(jìn)行電流檢測具有報警和自動斷電的功能。改裝起來比較方便，設(shè)計(jì)該電路所需成本較低。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸部分

從設(shè)計(jì)方面，成本問題，現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)情況，用電戶接受程度以及在改裝過程中安裝是否方便等方面綜合考慮得出以下電集中抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括的電路有光電轉(zhuǎn)換電路，電流檢測電路，報警斷電電路和CAN總線通信電路。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1AT89C51介紹

單片機(jī)概述

自單片機(jī)出現(xiàn)至今，它已走過近20年的發(fā)展路程。縱觀20年來單片機(jī)的發(fā)展歷程，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以微處理器MPU技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出微處理器更具有個性的發(fā)展趨勢。現(xiàn)代單片機(jī)具有壽命長、速度越來越快、低電壓、低功耗、低噪聲與高可靠性技術(shù)等許多優(yōu)點(diǎn)。

3.2.1CAN總線概況

控制器局部網(wǎng)（CAN——Controller Area Network）屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。

現(xiàn)場總線領(lǐng)域中，CAN總線得到了計(jì)算機(jī)芯片商的廣泛支持，他們紛紛推出直接帶有CAN接口的微處理器（MCU）芯片。帶有CAN的MCU芯片總量已經(jīng)達(dá)到1億3千萬片（不一定全部用于CAN總線）;因此在接口芯片技術(shù)方面，CAN已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于FF、PROFIBUS、LONWORKS等其它所有現(xiàn)場總線。

4.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)可以分為抄表的記數(shù)存儲報警斷電和CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)兩大部分設(shè)計(jì)這樣可以便于程序的編寫和在接下來的調(diào)試過程的調(diào)試。

程序主要實(shí)現(xiàn)的功能是對外來脈沖進(jìn)行記數(shù)，采集3個脈沖為一組判斷是否有盜電情況發(fā)生，當(dāng)有盜電情況發(fā)生時實(shí)現(xiàn)自動斷電。通信部分是當(dāng)上位機(jī)給出一個中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷請求從存儲器中提出數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)送。

4.2 抄表模塊軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成對 端輸入信號的捕捉、信號脈沖寬度的記錄以及對相連3個脈沖信號的寬度進(jìn)行比較。其信號捕捉與脈沖計(jì)算程序流程框圖如圖所示。該電能表工作時，可根據(jù)上述比較結(jié)果和T1口電平的高低來判定是否有盜電情況發(fā)生，若檢測到T1端為高電平，而定時/計(jì)數(shù)器T0的捕捉結(jié)果為零（表盤不轉(zhuǎn)）或脈沖寬度逐漸遞減（3個脈沖為1組）即表盤反轉(zhuǎn)，則表明有盜電情況發(fā)生，此時，單片機(jī)P20端會輸出繼電器控制信號，以使供電線路斷開，同時輸出1KHz的報警信號，并將其放大后驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警聲。

5? 系統(tǒng)調(diào)試

電路通電前檢查

系統(tǒng)組裝完畢后，不要急于通電，首先要根據(jù)電路原理圖認(rèn)真檢查電路連接是否正確，主要檢查是否有錯線、多線和短路的情況。接著檢查各個元件引腳的連接是否與原理圖相符，這一點(diǎn)非常重要，如果芯片引腳連接錯誤，芯片就不能正常工作，有時甚至燒毀芯片。查線時用數(shù)字萬用表的蜂鳴器來測量，要盡可能直接測量元件引腳，這樣可以發(fā)現(xiàn)接觸不良的地方。

電路通電觀察

在電路連接正確的情況下接通電源。注意，在接通電源后不要急于測量，首先要觀察整個電路有無異常現(xiàn)象發(fā)生（包括有無冒煙，是否有異常氣味，是否有異聲，芯片是否發(fā)燙，電源是否有短路或開路等現(xiàn)象）。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)該立即關(guān)掉電源，待故障排除后方可重新通電。

功能模塊調(diào)試

根據(jù)各個模塊的功能，對其進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試順序按信號流向進(jìn)行，這樣可以把前面調(diào)試好的單元電路的輸出信號作為下一級的輸入信號。如在調(diào)光電轉(zhuǎn)換電路要確定有符合單片機(jī)的脈沖信號輸入而電流檢測電路則要在有電流輸入的時候有高電平信號輸入到單片機(jī)里。

（1）光電轉(zhuǎn)換電路：當(dāng)電流輸入時表盤的轉(zhuǎn)動便能夠產(chǎn)生脈沖，調(diào)節(jié)施密特觸發(fā)器中的兩個電阻值可以得到滿足單片機(jī)的脈沖電壓輸入。

（2）電流檢測電路：確定傳感器線圈能夠產(chǎn)生磁場這樣才有高電平輸入到單片機(jī)中，要注意放大器中電阻的調(diào)節(jié)。

（3）CAN總線部分里要注意的是芯片PCA82C250的5腳Vref腳1/2的Vcc即為2.5V的電壓才能夠?qū)崿F(xiàn)通信功能。

6? 總結(jié)

本次課題是基于單片機(jī)的電集中抄表的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)面向的是感應(yīng)式電能表的集中抄表的改裝。系統(tǒng)采用的是價格較便宜的單片機(jī)以及其它元器件，設(shè)計(jì)思路是基于感應(yīng)式電能表的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的改裝。所以對用電戶而言該系統(tǒng)可以為其節(jié)約經(jīng)濟(jì)而且改裝起來也比較方便。而且系統(tǒng)中加入了仿盜電和斷電的功能，這樣可以防止了不法分子的盜電行為。然而每個設(shè)計(jì)都會有它的缺點(diǎn)存在，該系統(tǒng)由于采用的是便宜的元器件和較為簡單的電路設(shè)計(jì)所以精確度的問題不能很高的程度。

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