1、摘 要 本文论述的基于单片机的电集中抄表是在感应式电能表的基础上将其改装成为具有自动抄表和远程数据传输的新型的抄表形式。基于这种技术，文中将详细地介绍该电集中抄表系统的可行性，市场前景，硬件设计，软件设计，以及调试方法等。整个系统包括抄表模块和数据传输模块两大部分电路。抄表模块完成的是脉冲转换，电流检测，报警和自动断电的功能。数据传输模块负责抄表系统与 PC 机控制中心的连接，实现控制中心对用电户进行同一抄表和统一收费的管理模式。应用该系统可以改变传统的抄表模式节省了人力，实现小区的智能化管理。文章的最后还总 结了一些设计过程中遇到的问题以及解决方法。 关键词： AT89C51 单片机；光电转
2、换；电能表；防盗电； CAN 总线 Abstract This article elaborates copies the table based on the monolithic integrated circuit electricity centralism is re-equips into in the induction-type electrical energy table foundation it has copies automatically the table and the long range data transmission new copies the t
3、able form. Based on this kind of technology, in the article in detail introduced this electricity centralism copies the table system the feasibility, the market prospect, the hardware design, the software design, as well as debugging method and so on. The overall system including copies the table mo
4、dule and the data transmission module two major part electric circuits. Copies the table module to complete is the pulse transforms, the electric current examination, reports to the police with the automatic power failure function. The data transmission module copies the table system and the PC mach
5、ine control center connection responsibly, the realization control center to uses electricity the household to carry on identical copies the table and the unification charge management pattern. Might change the tradition using this system to copy the table pattern to save the manpower, realized the
6、plot intellectualized management. The article finally also summarized the question as well as the solution which in some design process meets. Key word： AT89C51 monolithic integrated circuit； Photoelectricity transformation； Electrical energy table； Security electricity； CAN main line 引言 长久以来城市居民住宅的
7、 水、电、煤气等生活能耗计量收费工作多采用传统的逐月入户验表收费方式，不仅耗费大量人力，而且对居民生活也是一种干扰，有时 还给不法分子入室犯罪以可乘之机。随着改革的深入人们的生活水平的不断提高，住宅商品化、智能化的发展，住宅单元个性化和独立性的增强，这种能耗计量收费方式愈来愈显得与社会发展不相适应。而且国家建设部在居民住宅的有关技术规定中已经明确要求居民住宅中的 3 表（水表、电表、煤气表）必须出户。 鉴于上述情况，建立住宅自动抄表系统成为当前住宅主流的建筑技术，尤其是智能型住宅建筑中不可缺少的重要组成部分，具有十 分重要的实践意义。 目前，电子水表、电子煤气表、电子电表的远程抄表系统日趋成熟
8、。 抄表自动系统基本原理是采用计算机技术，通过专用设备对 3 表进行远距离的自动抄录。一般通过数据采集器对表计的脉冲进行记数，然后传输控制器将信号送至计算机中心，由计算机对数据进行处理、显示、存储、打印，再通过与银行联网，实现自动收费。控制中心可显示小区内主要设备的运行状况，并可通过软件控制设备，使设备运行于最经济合理的模式中。当设备发生故障时，控制中心发生声光报警并通知管理人员处理事故。本文给出了一种基于 AT89C51 的电集中抄表的设 计，面向的对象主要是感应式电能表是在该电能表的基础上将其改装为具有自动抄写、仿盗电，报警以及自动断电等功能的新型集中抄表。 1 集中抄表系统的发展及概况
9、1.1 电集中抄表系统 自动抄表（ Automatic Meter Reading-AMR）是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。发展电能自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。在用电管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成帐单出错，使供用电管理部 门能及时准确获得数据信息。由于电力用户因此不再需要与抄表者预约上门抄表时间，还能迅速查询帐单，故这种技术越来越受到用户欢迎 。 电能计量和管理的需要以及电子技术的发展，使电子式电度表在 20 世纪 70 年代就已出现。随着数字电子技术的飞速
10、进步，电子式电度表的功能逐渐增多并日臻完善。 电子式电度表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成，根据电能测量机构的不同，又分为机电脉冲式电度表和全电子式电度表两大类。机电脉冲式电度表沿用感应系电度表的测量机构，其数据处理机构则由电子电路和计算机控制系统实现，因而，机电脉冲式电 度表是一种电子线路与机电转换单元相结合的半电子式电度表。 机电脉冲式电度表技术开发的重点放在有关电能管理的数据处理方面，使之能够进行本地和远地的数据传输以及遥测和遥控。机电脉冲式电度表以感应系电度表为基础，继承了感应系电度表结构牢固、长期运行可靠和价格低廉的优点，因而在民用电能计量领域被广泛采用。 全电子式电度表不
11、再使用感应系测量机构，而是由乘法器完成对电功率的测量。由于它没有传统电度表上的旋转机构，因而又被称为 “ 静止式电度表 ” 或 “ 固态电度表 ” 。近年来，各种新型电子式电度表不断推出，型号各异，功能众多，但其 基本原理相同，主要功能可归为三个方面：计量、计费功能，包括分时计量、最大需量计量和预付费等；保护功能，包括过电流、过电压保护与防窃电等；通讯功能，可以是红外通讯、无线电通讯或载波通讯等。 1.2 国内外发展的概况 水、电和燃气是生活中必不可少的，它们的发展一直倍受人们的关注。在人们关注的同时，三表抄送系统产生了，并且，随着科技的不断发展，三表抄送系统也越来越智能化 。 同时，随着人们
12、的生活水平不断提高，老百姓对生活环境提出了更高的要求；在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的发展。同时，随着科技的发展，小区 住宅除了满足人们最基本的居住要求，还要将方便、省时的物业管理带给住户。实现住宅的三表（水、电、煤气）出户自动抄表、自动计费，已成为新型智能小区的必备条件 。 作为智能化产业链中的一环 智能抄表系统也同时得到了蓬勃发展。从沿海的经济发达地区深圳、广州、上海到政治文化中心北京，以及中国西部城市成都、重庆、贵州、昆明等地均不同程度地建设了智能化示范小区。这些智能化住宅小区的建设，提高了住户的生活质量，扩大了住户的居住空间，为当地智能化建设起到了示范作用 。 让我们回头看看
13、，几年前甚至是在现在，很多落后的地区对三表抄 送这一块还是用最原始的方法，亲 “自登门拜访 ”，这就是传统的抄表方式。传统的三表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后，再到各家索取，误差大、统计工作量大，人为的错误给物业管理和用户带来极大不便。现在有许多地区改为插卡式买电装置，这虽然减少了人为因素，但是买电时要到银行，费时费力，且水、电、气表分别交费，也有许多不便之处。 小区智能抄表系统节省时间、人力、物力，提高工作效率，降低物业成本，准确及时地将住户所使用的三表数据显示出来，为实现小区科学、系统的物业管理提供了有效的解决方法。 小区智能抄表系统的 出现，方便了住户，可设置多级加密功能
14、，定义访问权限，更可增加系统的保密性。防泄漏报警可以使住户放心，不必因家中只有老人、孩子而担心煤气的泄漏与触电现象的发生。一方面杜绝了抄表扰民的问题；另一方面可以简化管理手段，减轻物业管理负担。因此三表出户系统是新一代的具有城市性自动化计量收费管理系统，是提高住宅发展的必然，合乎人们高品质生活的追求，符合国家小康型住宅产业的精神 。 随着城市生活节奏的加快，人们需要越来越多的方便设施来满足生活的需要，小区智能化是今后的发展趋势。智能抄表系统是智能小区应具有的最基本的系统，它 的发展必将影响到小区智能的发展，因此将会有更多的系统集成商、发展商看中这个项目，对它进行进一步开发是极重要的。 预测 三
15、表的前景 如下情况： 水表：随着用水量的增大和不断完善，水表的前景应该是稳中有升 。 电表：因为电的应用越来越广泛，电表的发展应该是高居首位 。 燃气表：电的广泛应用，可能会使得气表只能保持稳定或者是略有下降 。 1.3 住宅抄表自动化系统应用条件 自动抄表系统作为一个实用系统在住宅建筑工程中的应用应具备以下条件： (1)系统产品化、模块化、系列化，并且可按照住宅建筑类型和用户的需要，灵活组合所需系统 。 (2)系统工程设计应符合国家相应标准、规范及国家相关政策导向。 (3)需要相关供水、供电、供气、邮电、房地产开发等主管部门的配合，以及综合物业管理的配套实施。 2 方案论证与比较 2.1 抄
16、表部分 2.1.1 方案 1： 采用 高准确度电能测量集成电路 如 ADE7755 直接设计出可以直接产生脉冲、计数以及数据存储和发送的集成模块。但该设计该集成电路相对复杂。 2.1.2 方案 2： 采用 CRYSTAL 公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率 /电能计量集成电路芯片 CS5460。 该芯片 可以方便的组成多功能电子式电度表 和分布电度表和分布式电能计量管理系统。比目前比较流行的电子电度表芯片如 AD7750、 AD7755 更容易实现与微处理器的连接 而且在 AD7750/55 的基础增加了更多的功能： 具有片内看门狗定时器（ Watch Dog Timer）与内部电源监视
17、器； 具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能； 提供了外部复位引脚； 双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接； 外部时钟最高频率可达 20MHz； 具有功率方向输出指示。 这些增加的功能更加便于与微 处理器（ MPU）接口，并能方便地实现电压、电流、功率的测量和用电量累积等功能。 该产品将是未来市场的主流产品，但在现阶段可能成本较高对一些用户来讲会难接受。 2.1.3 方案 3： 针对现阶段大多数用电户所使用的感应式电能表的情况，采用 AT89C51 单片机为核心加入光电转换电路实现脉冲转换并利用霍儿传感器 UGN30T51 进行
18、电流检测具有报警和自动断电的功能。改装起来比较方便，设计该电路所需成本较低。 2.2 数据传输部分 2.2.1 方案 1： 基于 RS 485 的无线通讯网络，其特点是无线采集模块采用先进的无线传输技 术，使无线采集模块的安装极为方便，可实现无线手抄和远程传输形式。能够实现的功能也比较多，但设计起来电路比较复杂。 2.2.2 方案 2： 采用电话线为载体的以太网形式，其优点是改装成本低不许要再次拉网络线。但是调试过程复杂，难以进行实现实际演示。 2.2.3 方案 3： CAN 总线网络。 利用 CAN 总线较其它通讯网进行数据传输有两个不同之处：一是报文传送中不包含目标地址，它是以全网广播为基
19、础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收的收下，不该收的弃而不用。其好处是可在线上网下网、即插即用和多站接收；二是 特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。而且 CAN 具有以下主要技术特性： （ 1） CAN 遵从 ISO/OSI 模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。采用双绞线，通信速率最高可达到 1Mbps/40m，直接传输距离最远可达 10km/5kbps.同一段总线内最多可挂接 110 个设备。 （ 2） CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为 8 个。因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点发生严重错误时，具有自动关
20、闭的功能，切断该节点与总线的联系，使总线上其它节点不受影响，具有很强的抗干扰 能力。 （ 3） CAN 支持多主工作方式，网络上任一节点均可在任何时候主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收 /发送数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突 该方案特点是在硬件电路的设计上比较简单，演示起来比较方便，需要的成本相对以上的两个方案中也不是很高。 综合以上抄表模块和通讯模块的几种方案，从设计方面，成本问题，现阶段经济情况，用电户接受程度以及在改装过程中安装是否方便等方面综合考虑得出以下电集中抄表系统。该系统主要包括的电路有光电转换电路，电流检测电路，报警断电电
21、路和 CAN总线通信电路。总的设计框图如图 2.1 所示： 图 2.1 系统框图 3 系统硬件设计 3.1 电能表模块电路设计 在实际生活中有许多类型的电能表总的可以分为感应式电能表、脉冲式电能表和全电子式电能表等几大类。然而由于感应式电能表价格低廉，计量准确所以被得到广泛地应用。 它利用金属铝转盘中的感应电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用来产生驱动力矩以驱动铝盘 旋转，从而得到累计消耗的电能。但感应式电能表由于自身无防盗电功能，随着电力事业的发展，这一缺点给电力部门带来的损失日益突现出来。因此，在感应式电能表的基础上加装防盗电功能，具有一定的现实意义。 在感应式电能表的使用中，常见的
22、盗电方式有以下几种： （）在电能表的内部断开电压扣，使得固定线圈内无交流电流通过而不产生磁场，从而使铝盘不能旋转，并最终导致电能表不能对累计消耗的电能进行计量。 （）电能表的进出线反接，使铝盘产生相反的旋转，以减小电能表计数。 （）在电能表的外部用导线短接电能表，电能表的计量值仅为 实际耗电的一半。 在分析了防盗电现象的基础上，给出了一种带防盗电功能的新式智能化感应式电能表。该系统主要由光电转换电路、电流检测电路、单片机 AT89C51、继电器和报警电路等组成。其系统主要电路组成框图如图 3.1 所示。 单 片 机 AT89C51 光电 转换电路 传感电路 CAN 总线 报警断电电路 PC机
23、图 3.1 为抄表模块电路框图 3.1.1AT89C51 介绍 （ 1） 单片机概述 自单片机出现至今，它已走过近 20 年的发展路程。纵观 20年来单片机的发展历程，单片机技术的发展以微处理器 MPU 技术及超大规模集成 电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域表现出微处理器更具有个性的发展趋势。现代单片机具有寿命长、速度越来越快、低电压、低功耗、低噪声与高可靠性技术等许多优点。单片机的产品非常多，例如： Motorola 单片机： Motorola 公司是世界上最大的单片机厂商。在 8 位机中68HC05、 68CH08 有 30 多个系列， 200 多个品种。还有 8位增强型 68HC11
24、， 16位 68HC16、 32 位机 683XXX 等。近年来以 FOWER PC Coldtirc 等为 CPU，将 DSP作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。 Microship 单片机：是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品有 16C 系列8位机， CPU 采用 RISC 结构，仅 33条指令，运行速度快，低价位，全部是 DTP器件。 8051 类单片机：由 Inter 公司推出，是世界上用量最大的几种单片机之一。由于 Inter 公司在嵌入式应用方面，将重点放在 186、 386、奔腾等与 PC 机兼容的高档芯片的开发上， 8051 类单片机主要由 Philips、三星、华邦等公司
25、接产。这些公司都保持在与 8051 单片机兼容的基础上改善了 8051 许多特性，提高了速度、降低了时钟频率、放宽了电源电压的动态范围、降低了产 品价格。此外，还有 Scenix 单片机、 NEC 单片机、东芝单片机、富士通单片机、 EPSON 单片机、三星单片机、华邦单片机等。 C51 单片机 光电转换电路 电流检测电路 继电器电路 报警器电路 （ 2） ATMEL 公司的 89 系列单片机 本课题在选取单片机时，充分借鉴了许多成形产品使用单片机的经验，并根据自己的实际情况，选择了 ATMEL 公司的 AT89C51。 ATMEL 公司的 89 系列单片机以其卓越的性能、完善的兼容性、快捷便
26、利的电擦写操作，低廉的价格、超强的加密功能，完全替代 87C51/62 和 8751/52，低电压、低电源、低功耗，有 DIP、 PLCC、 QFP 封装，有民用型、工业级、 汽车级、军品级等多种温度等级，是当今世界上性能最好、价格最低、最受欢迎的八位单片机。 AT89C51 的特性： 与 MCS 51 产品兼容 4K 字节可编程闪速程序存储器。寿命： 1000 写 /擦循环；数据保存时间：10 年 全静态工作： 0Hz 24MHz 三级程序存储器加密锁定 1288 内部 RAM 32 条可编程 I/O 口线 两个 16 位定时器 /计数器 五个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式
27、AT89C51 是一种带 4K 字节闪速可编程只读存储器（ PROM）的低功 耗、高性能 CMOS 8位微控制器。该器件采用 ATMEL 高密度、非易失存储器制造技术，与工业标准的 MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 管脚说明： 如图 2 所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 4 -J un -2 0 0 4
28、S he e t o f F i l e : H : z c毕设 h u a n g z h e nh u a h1 B a c k u p o f B A C K U P 1 .D D BD ra w n B y:E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P
29、 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D108 9c 5 1图 3.2 89C51 单片机管脚图 VCC（ 40 脚）：供电电源 GND（ 20 脚）：地 P0 口： P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，作为输出端，每脚可吸收 8个 TTL门电流，当 P0 口的管 脚第一次写 1时，被定义为高阻输入， P0 口当用于外程序数据寄存器它可以被定义为数据 /地址的低八位。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉的 8位双向 I/O 口。 P1 口缓冲器能接收或输出 4个 TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入。 P1 口被
30、外部下拉为低电平时，将输出电流（ ILI ） ,这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2 口： P2 口为带内部上拉的 8位双向 I/O 口， P2口缓冲器可接收或输出 4个 TTL门电流，当 P2 口 被写为“ 1”时，其管脚被内部电路拉高，作为输入。 P2 口管脚被外部拉低，将输出电流（ ILI ），这是由于内部上拉的缘故。 P2 口用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进行存取（ MOVX QRI）时， P2 口输出地址的高八位，在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时（ MOVX QRL） P
31、2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉的双向 I/O 口，可接收或输出 4 个 TTL 门电流。P3口写入“ 1”时，被内部上 拉为高电平，并用作输入。 P3口管脚被外部拉低，将输出电流（ ILI ），这是由于内部上拉的缘故。 P3 口也可用作 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所列： P3.0（ RXD）：串行输入口 P3.1（ TXD）：串行输出口 P3.2（ INT0）：外部中断 0 P3.3（ INT1）：外部中断 1 P3.4（ T0）：计数器 0外部输入端 P3.5（ T1）：计数器 1外部输入端 P3.6（ WR ）：外部数据存储器写
32、选通 P3.7（ RD ）：外部数据存储器读选通 P3口同时为闪速编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入，当要使器件复位时，要在 RST 脚保持两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许输出电平，用于锁存地址的低位字节。 PSEN :此输出为外部程序存储器的读选通信号。 / PPEAV ：当 EA 保持低电平时，则只访问外部程序存储器（ 0000H FFFFH），不管是否有内部存储器。 XTAL1：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡放大器的输出。 3.1.2 固态继电器 固态继电器（ Solid Stat
33、e Relay）简称 SSR，它是一种新型的无触点电子继电器，其输入端仅要求输入很小的控制电流，能与 TTL、 HTL、 CMOS 等集成电路具有较好的兼容性，而其输出则用双向晶闸管来接通和断开负载电源。它与普通电磁式继电器和磁力开关相比，具有开关 速度、工作频率高、体积小、重量轻、寿命长、无机械噪声、工作可靠、耐冲击等一系列优点。由于无机械触点，当其用在需抗腐蚀、抗潮湿、抗振动和防爆的场合，更能体现出有机械触点继电器无法比拟的优点。另外，其输入控制端与输出控制端用光电耦合隔离所需控制驱动电压低、电流小，易于与计算机控制输出接口。所以在计算机控制系统中，已越来越多地用固态继电器取代传统的电磁式
34、继电器和磁力开关作开关量输出控制。在这里，计算机将控制信号送给 D/O 板， D/O 板再将控制信号经过继电器去控制电动机、开门电机的启动和停止，这里我们选用的继电器也是 固态继电器。 固态继电器是一种四端器件，两端输入、两端输出，他们之间用光电耦合器隔离。它可以有不同的分类方法。 （ 1） 负载电源类型分类：可分为直流型（ DC-SSR）和交流型（ AC SSR）两种。直流型是用功率晶体管作开关器件；交流型是用双向晶闸管作开关器件，分别用来接通和断开直流或交流负载电源。 （ 2） 以开关触点形式分类：可分为常开式和常闭式。目前市场上以常开式为多。 （ 3） 以控制触发信号的形式分类：可分为过
35、零型和非过零型。它们的区别在于负载交流电流导通的条件。非过零型在输入信号时，不管负载电源电压接近零且输入控制信号有效时 ，输出端负载电源才导通。其关断条件是在输入端的控制电压撤销后，流过双向晶闸管的负载电流为零时， SSR 关断。 固态继电器有如下一些主要优点： 输入功率小：出于其输入端采用光电耦合器件，其驱动电流仅需几毫安便能可靠地控制，所以可以直接用 TTL、 HTL、 CMOS 等集成驱动电路控制。 高可靠性：由于其结构上无可动接触部件，且采用全塑密闭式封装，所以 SSR开关时无抖动和回跳现象，无机械噪声，同时能耐潮、耐振、耐腐蚀；由于无触点火花，可用在易燃易爆介质的场合。 低电磁噪声：交流型 SSR 在采用了过零触发技术后，电路具有零 电压开启、零电流关断的特性，可使对外界和本系统的射频干扰减低到最低程序。 能承受的浪涌电流大：其数值可为 SSR 额定值的 6-10倍。 抗干扰能力强：由于输入与输出之间采用了光电隔离，割断了两者的电器联系避免了输出功率负载电路对输入电路的影响。另外，又在输出端附加了干扰网
