1、i本科毕业论文（20 届）小区智能电表系统的研究与设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期ii小区智能电表系统的研究与设计目 录第 1 章 前言 .3第 1.1 节 抄表系统的研究背景 .3第 1.2 节 远程抄表系统的发展现状 .3第 1.3 节 远程抄表系统的发展趋势 .4第 2 章 系统方案设计 .5第 2.1 节 ADE7755 数据采集模块选型和论证 .5第 2.2 节 单片机的选型 .6第 2.3 节 2.4G 无线收发模块的论证 .7第 2.4 节 时钟芯片的选型和论证 .7第 2.5 节 数据显示部分选型和论证 .8第 3 章 系统硬件设计 .9第 3.1 节
2、 ADE7755 数据采集模块的设计 .9第 3.2 节 基于 STC89C52 的主控电路的设计 .11第 3.3 节 nRF2401 的无线通信模块的设计 .13第 3.4 节 时钟模块的设计 .14第 3.5 节 液晶显示电路的设计 .17第 4 章 系统软件设计 .20第 4.1 节 下位机开发软件介绍 .20第 4.2 节 主程序设计 .21第 5 章 系统调试 .23第 5.1 节 系统硬件调试 .23第 5.2 节 系统的软件调试 .23第 5.3 节 设计调试结果以及分析 .24第 5.4 节 设计的基本意义 .26结论 .27参考文献 .28致谢 .29附录 .30附录 1
3、系统设计原理图 .30附录 2:系统 PCB 设计图 .31附录 3 实物图 .32附录 4：部分源程序 .331小区智能电表系统的研究与设计【摘要】：近年来，社会与经济的发展越来越快，居民用水量的需求也相应增大，电表的数量随之增加，同时小区住户的居住环境质量和档次越来越高，住户对住宅环境，物业管理水平的要求也日益提高。传统的抄表方式存在许多弊端，如入户麻烦、管理费用过高、存在安全隐患等，不再适应现代物业管理的需求。如何既满足新形势下人民群众日益增长的用水需求，又可将供水成本限制在供水企业能够承受的合理范围之内，是目前摆在各基层供水部门的一个崭新课题。该设计的控制核心是 STC 系列单片机 S
4、TC89C52，用它来实现自动抄表系统的功能。该设计主要由五大部分构成，分别是：单片机控制系统、数据采集模块、A/D 转换电路、数据显示电路及 2.4G 电路。控制系统是由 STC89C52 单片机组成的；数据采集部分是采用传感器 ADE7755；数据显示部分由 LCD1602 来实现，用它来完成数据的显示。【关键词】：单片机；数据采集；数据显示；Abstract : In recent years, the social and economic development more and more quickly, residential water demand increase the
5、number of meters, the living environment quality are also small households more high, tenants traditional way, such as home trouble, management costs are too high, the existence of security risks, no longer meet the needs of modern property management. How to meet the new situation, the peoples grow
6、ing demand for water, and the reasonable ranger of water supply cost constraints can bear in the water supply enterprises, is a new task to the local water departments.The control core of this system is STC MCU STC89C52. Use it to achieve the function of automatic meter reading system. this design m
7、ainly is composed of five parts, respectively is: control system, date acquisition module, A/D conversion circuit, data display circuit and 2.4G circuit for single chip microcomputer. The control system is composed of STC89C52 single chip microcomputer; date display, it is used to complete the date
8、display.Key words: single chip microcomputer ; date acquisition; date display2第 1 章 前言第 1.1 节 抄表系统的研究背景当前，我国水、电、气的计量收费管理，主流采用的还是人工抄表方式。住宅区中每个住户家中的水表、电表、煤气表等计量表计，其安装位置各异，有些表（如电表）集中安装，有些表（如电表）却分散在住户家中，这样就给管理部门的抄表工作带来困难。逐户抄表要耗费很多人力和时间，且入户抄表很难一次完成。随着国内智能化系统的日益发展和完善，目前在大多数的高档住宅小区中都开始安装远程抄表系统。远程抄表的自动抄表系统是
9、指利用传感技术、自动控制技术和计算机网络技术自动读取和处理城市居民用户的水、电、气表计数据，并将该信息加以综合处理的系统，抄表技术准确而便捷，不但能提高管理部门的工作效率，而且还适应现代用户。自动抄表技术最早于八十年代诞生于美国，1982 年英国的 THORNEMI 系统利用公用电话网实现了自动抄表，1985 年日该九州电力公司试用电力输配电线载波、地线载波及光缆通信应用于远方读表和检测表计误差的系统等。这些系统曾先后投入试运行。但由于投资较大，均仅用于用电大户、联网结算或部分住宅区的集中电能表数据的读取，1988 年美国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员装备了手持式微机，用户消耗的电能数据被一次
10、性经键盘存入微机，完成统计与处理。1990 年以后，AMR 得到较快的发展，2000 年度，美国有 2840 万自动抄表设备单元应用。后来自动抄表系统在世界各地得到迅猛发展。由于国外对集中抄表技术的研究起步较早，且比较深入，从标准的制定到抄表专用芯片的生产都比较成熟，多种集中抄表技术得到了相对广泛的、成功的应用，在发达国家基该上都实现了远程集中抄表。我国自动抄表起步于上世纪九十年代中期，主要方式为低压电力载波自动抄表系统和智能卡预付费系统。只处在起步试用阶段，在使用不长的时间内，就发现存在很多的问题。近几年，随着电子技术特别是通信技术的飞速发展，人们开始用新的理念，新的方法来解决自动抄表问题。
11、在国家相关政策的推动下，民用电表智能化已是大势所趋。随着管理水平的不断提高、行业技术标准的不断成熟规范，国家加强对抄表设备监管力度和市场引导，将抄表系统及相关配套产品纳入重点计量器具范围，建立市场准入制度也将是必然。相信在不久的将来远程抄表系统将会得到不断完善并走向成熟。第 1.2 节 远程抄表系统的发展现状就国内外现阶段的研究状况而言，主要是从采集和传输两个方面为重点进行的。目3前，自动抄表方式主要有：485 总线、无线、红外、普通电力载波、扩频电力载波、零相超窄带（TURTLE ）及超窄带极低频（ UNB）等。在国内，远程自动抄表系统的研究正处于理论转化为实际应用的关键时期，同时也在积极开
12、展讨论制定我国的远程自动抄表系统国家标准的工作。远程抄表系统的发展已有十多年的历史，许多住宅区已经实现一户一表，但实际效果却差强人意，许多已安装自动抄表系统的楼盘由于抄表计量不准确最后不得不返回到人工抄表的老路上来，虽然产生这种现象的因素是多方面的，但仔细分析，根据目前表具的生产原理出现这种情况是必然的，所以在远程自动抄表系统方面，国内还有很长的路要走。第 1.3 节 远程抄表系统的发展趋势通过霍尔传感器实现远传的系统，其可靠性取决于脉冲发信表发信脉冲信号传输以及系统计量的可靠性。事实证明，这些环节的可靠性是无法保证的，使用中常会存在许多弊端。抄表系统要达到可靠准确运行的要求，计量的准确性和可
13、靠性是必须要解决的问题，而要真正解决准确性及可靠性问题，就必须改变以脉冲信号累计为计量方式的抄表方式。近年来市场上推出了无源总线制的智能型直读表抄表系统，这种直读式抄表系统将代表了今后抄表系统的一个方向。智能型直读表是在传统的表具内加装直接读表的模块，其可行性和适用性都是原有脉冲表及分线型抄表系统不可比拟的，主要有以下功能特点：（1）无源总线制直读表直接感应表具的窗口值，即直接“读取”窗口值，不需要脉冲转换累计 换算，没有累计误差。解决了目前以累计脉冲方式工作的系统易受干扰而导致读数和系统累计计量值不一致的问题。（2）系统在抄表时不需设置表底数表常数等参数，无需存储数据，真正实现了“读表”计量
14、。（3）直读表具内的电子模块与表具内的计读器等装置没有机械接触，不影响计量精度。直接传送数字信号而非脉冲信号，抗干扰性好。不仅不受机械振动影响，同时也不受电磁干扰的影响，所以在复杂的使用环境下能稳定准确可靠地实现计量。（4）表具内没有电源，直读装置在抄表瞬间加电工作。表具的电子部分平时不工作，读表瞬间由采集器或手持终端通过布线供电。由于内部不设电源避免了传统方式由于供电不稳定或故障引起的计量误差及大量的维护工作。使得整机故障率和功耗大大降低，使用寿命更长。4第 2 章 系统方案设计第 2.1 节 ADE7755 数据采集模块选型和论证数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并
15、输入到系统内部的一个接口。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。该设计的数据采集部分由传感器来构成，通过传感器将非电量信号转换成电信号，这就是传感器的主要功能，也是数据采集的主要工作原理 7。ADE7755 是一种高准确度电能测量电路集成电路，主要用于单相电表系统，其技术指标超过了 IEC1036 规定的准确度要求。它只在 ADC 和基准电路中使用了模拟电路，其他的信号处理都由数字电路完成，这使得在恶劣的环境下仍然可以保持极高的准确度和长时间的稳定性，通过引脚 F1、F2 以低频形式输出有功功率的平均值，可以直接驱动机电式计数
16、器，或者与微控制器接口，从引脚 CF 以高频形式输出有功功率的瞬时值，用于电能计量表的校准。如图 2-1 实物图，2-2 管脚图，2-1 极限参数图表所示 1。图 2-1 实物图表 2-1 极限参数参数 符号 最小值 最大值 单位工作电压 VDD-VSS -0.3 7.0 V管脚电流 IPIN -150 +150 mA储藏温度 TSTG -65 +150 工作温度 TO -40 +85 5图 2-2 管脚图AC/DC，高通滤波器 HPF 选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道 1（电流通道）内的 HPF 被选通，该滤波器所涉及的相位响应在 45Hz 至 1kHz 范围内在片内已得到补偿。在电能计
17、量的应用中，应使 HPF 选通。REFIN/OUT，基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压的正常值为 2.5V8%，典型温度系数为 30ppm/。外部基准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源，该引脚都应使用 10F 钽电容和 100nF 陶瓷电容对 AGND 进行去耦。SCF，校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定 CF 引脚的输出频率。S1，S0，这两个引脚的逻辑输入用来选择数字 /频率转换系数，这为电度表的设计提供了很大灵活性。G1，G0，这两个引脚的逻辑输入用来选择通道 1 的增益，可用来选择增益是1，2，8，和 16。CLKIN，外部时钟可从该引脚接入，也可把一个石英晶体
18、接在 CLKIN 和 CLKOUT之间，提供时钟源，规定时钟频率为 3.579545MHz。作为石英晶体负载的 33pF 陶瓷电容应和振荡器门电路连接。CLKOUT，如上所述，可把一个石英晶体接在 CLKIN 和 CLKOUT 之间，提供一个时钟源。当 CLKIN 上接有外时钟时 CLKOUT 引脚能驱动一个 CMOS 负载。NC，悬空。CF，频率较验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小，常用于仪表校验。F2，F1，低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功率的大小。这两个逻辑输出可以直接驱动机电式计数器或两相步进电机 10。第 2.2 节 单片机的选型单片机的选型是一件重要而费心的事情
19、，如果单片机型号选择地合适,单片机应用系统的工作就会可靠；如果选择地不合适，就会造成经济浪费，影响单片机应用系统的正6常运行，甚至根本就达不到预先设计的功能。对于一个已经设计好的单片机应用系统来说，它的技术要求和系统功能都应当十分明确。对单片机选型，主要从单片机应用系统的技术性、实用性和开发性三方面来考虑：（1）技术性：从设计的功能要求和单片机的性能着手，选择最容易实现系统技术指标及容量合适的单片机，并且尽可能实现高性能、低成本；（2）实用性：要从单片机的供货渠道、信誉程序等角度出发，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统能够长期、可靠运行；（3）研制周期：在短时间内要完成如此繁重的任
20、务，必须要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。该设计考虑到 STC89C52 具有运转高速、低功耗、容量大、下载方便和价格便宜的特点，因此，该系统选用 STC89C52 单片机 2。第 2.3 节 2.4G 无线收发模块的论证nRF24.L01 是一款新型单片射频收发器件,工作于 2.4GHz2.5GHzISM 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01 功耗低,在以
21、-6dBm 的功率发射时，工作电流也只有 9mA;接收时，工作电流只有 12.3mA，多种低功率工作模式( 掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便 11。DS18B20 的特性、管脚排列及内部逻辑结构如图 2-3 所示图 2-3 nRF2401 无线收发模块引脚图nRF2401 具有的功能就是发送和接受数据，能够进行实时的传送和接受有关数据，nRF2401 的工作需要用单片机实现接口协议的通信，可以开发无线的电子产品：如智能电表，无线遥控器、无线麦克、无线耳机等应用。第 2.4 节 时钟芯片的选型和论证7方案一：直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现时间计数。采用此种方案虽然可以减少时
22、钟芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。方案二：采用 DS1302 时钟芯片实现时钟，DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。采用三线接口与单片机进行通信，并可采用突发一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 31*8 的用于临时存放数据的 RAM 存储器。DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓流充电的能力。主要特点是采用串行
23、数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通 32.768KHZ 晶振作为标准时钟。因此本设计中采用方案二中的 DS1302 作为时钟模块。第 2.5 节 数据显示部分选型和论证数据显示是将系统内部或外部存储器中的数据以可见或可读形式输出。该论文的系统的数据显示部分起初有两个方案，从各个方面比较这两个方案，最后选定一个方案。作为该设计的数据显示模块，两个方案如下：方案一：全部采用数码管显示，数码管能显示时钟、温度等一些简单信息。此方案显示直观，而且编程简单，但若要显示其他信息则需要大量的数码管，而且不能显示中文。由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。方
24、案二：采用可以设置显示数字、中文等的 LCD，它具有低功耗可视面大画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。LCD 显示器的工作原理：液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场磁场光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件，就可以把上述外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。考虑到使用数码管比较麻烦，而且不方便，相比之下，LCD 液晶显示比较适合该设计。因此，该设计选择了 LCD1602。下一章节硬件电路进行详细介绍。8第 3 章 系统硬件设计根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统
25、时可以分成以下几个部分：数据采集模块 ADE7755 转换模块单片机控制模块 2.4G 通信模块及 LCD 显示模块。第 3.1 节 ADE7755 数据采集模块的设计3.1.1. ADE7755 的特点ADE7755 应用了过采样 ADC 和 DSP 相结合的技术，对温度的敏感度很低，即使在很高的环境温度下也能维持较高的测试精度。ADE7755 只在 ADC 和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使其在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。如图 3-1 所示图 3-1 ADE7755 功能框图3.1.2. ADE7755 工作原理与设计ADE7
26、755 内部拥有两个 16 位的二阶-模数转换器，这两个 ADC 对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，过采样速率达 900KHz。AD7755 的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口(可以与传感器直接连接)，也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道 PGA 进一步简化了传感器接口。电流通道中的 HPF 滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出米的，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接干相乘得到的。为了得到有功功率分量(即直流分量)，只要刘瞬时功率信号进行低通滤波就行了。所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性 8。ADE7755 的外围电路中，通过输出频率设置电路实现对 CF 口输出频率的设置，即电表常数的设置。本电表的电表常数设定为 3200imp/kwh，即计录一千瓦的功率，要求ADE7755 在 CF 口输出 3200 个脉冲。如图 3-2 所示
