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学位论文红外抄表电度表抄表器

太原理工大学现代科技学院

毕业设计

设计题目：

红外抄表电度表——抄表器

学生：

专业：

测控技术与仪器

班级：

学号：

指导教师：

设计日期：

太原理工大学现代科技学院

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：

红外抄表电度表——抄表器

原始资料：

近年来，随着信息技术的飞速发展，无线技术正在向各个领域渗透，特别是红外线无线技术，在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中得到了广泛的应用。

本文详细描述了该红外抄表系统的设计方案、硬件电路设计和软件设计，并利用keil仿真软件对所开发的C语言程序进行了验证。

在本文的第五章讨论了系统的发展趋势和改进，为系统的进一步开发奠定了基础。

本系统关键部分主要是红外通信原理。

系统在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确定了模块化设计的思路。

本系统主要由控制模块、发射模块、接收模块、显示模块4个模块组成。

38kHz频率作为数据通信的载波，发射和接收模块对数字信号进行调制和解调，通过LCD液晶显示屏将收到的数据显示出来。

该系统还具备掉电保护和数据存储功能。

利用一个红外抄表器来完成琐碎的抄表工作。

从而从根本上杜绝“肉眼观察”所带来的随机误差，并大大提高了抄表的效率。

毕业设计（论文）主要内容：

本文主要介绍以AT89S51单片机为核心控制的红外抄表系统设计。

该系统主要由控制模块、发射模块、接收模块、显示模块4个模块组成。

系统的数据由发射板的3个按键按一定的计算规则所得。

发射管发射的38kHz频率载波由单片机编程控制产生。

发射模块是对发送的数字信号进行适当的调制编码，后经发射管的转换电路转变为红外光脉冲并发射到空中；接收模块对接收到的红外光脉冲进行光电转换、解调译码后恢复原数字信号。

收到的数据通过LCD1602液晶显示屏显示出来。

主要参考文献：

[1]胡汉才,单片机原理及其接口技术[M],北京,清华大学出版社，1996,48~62

[2]沈德金,MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例[M],北京,北京航空航天大学出版社，1990,21~84

[3]祁伟，杨婷,单片机C51程序设计教程与实验[M],北京航空航天出版社，2006

[4]凌志浩,仪表原理与设计技术[M]

[5]许晓平，孙晓彦，程传胜.PCB设计标准教程[M],北京,北京邮电大学出版社，2008

[6]胡伟，季晓衡,单片机C程序设计与应用实例[M],人民邮电出版社，2003

[7]程道喜,传感器的信号处理及接口[M],北京,科学出版社，1989

[8]杨将新，李华军，刘东骏,单片机程序设计及应用从基础到实践[M],北京,电子工业出版社,2001

[9]胡汉才,单片机原理及其接口技术[M],北京,清华大学出版社，1995，（6）,112~126

[10]苏长赞,红外线与超声波遥控[M],北京,人民邮电出版社，1997

[11]张玉香,新型遥控接收模块HS0038[J],无线电，1998

学生须提交的文件：

1、毕业设计任务书

2、毕业设计中期检查表

3、毕业论文设计成绩评定表

4、论文

进度安排：

第一周到第三周：

查阅资料，文献综述。

第四周：

提交开题报告。

第五周到第六周：

总体方案设计。

第七周到第十一周：

数据采集。

第十二周到第十四周：

完善系统设计，撰写毕业论文。

第十五周：

修改完善毕业论文，准备毕业答辩。

专业班级测控技术与仪器学生

设计（论文）工作起止日期

指导教师签字日期

专业（系）主任签字日期

红外抄表电度表——抄表器

摘要

本文详细描述了该红外抄表系统的设计方案、硬件电路设计和软件设计，并利用keil仿真软件对所开发的C语言程序进行了验证。

在本文的第五章讨论了系统的发展趋势和改进，为系统的进一步开发奠定了基础。

本系统关键部分主要是红外通信原理。

系统在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确定了模块化设计的思路。

本系统主要由控制模块、发射模块、接收模块、显示模块4个模块组成。

38kHz频率作为数据通信的载波，发射和接收模块对数字信号进行调制和解调，通过LCD液晶显示屏将收到的数据显示出来。

该系统还具备掉电保护和数据存储功能。

利用一个红外抄表器来完成琐碎的抄表工作。

从而从根本上杜绝“肉眼观察”所带来的随机误差，并大大提高了抄表的效率。

关键词：

通信，红外抄表，单片机，调制，解调

INFRAREDMETERREADINGMETER——METERREADERS

ABSTRACT

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofinformationtechnology,wirelesstechnologyistopermeateallareas,especiallyintheinfraredwirelesstechnology,inindustrialproduction,householdappliances,security,andhasbeenwidelyusedinPeople'sDailylife.

Thispaperdescribesindetailtheinfraredmeterreadingsystemdesignscheme,hardwarecircuitdesignandsoftwaredesign,andusethekeilsimulationsoftwaredevelopedbyClanguageprogramareverified.Inthefifthchapterofthisarticlediscussesthedevelopmenttrendofthesystemandimproved,andlaidasolidfoundationforthefurtherthedevelopmentofthesystem.Thesystemkeypartmainlyistheprincipleofinfraredcommunication.Systembasedontheanalysisofthefeasibility,reliability,andreferencetoengineeringdesignmethodofdeterminetheideaofmodulardesign.Thissystemmainlyconsistsofcontrolmodule,thetransmittingmoduleandreceivingmodule,displaymoduleoffourmodules.38KHZfrequencyascarrierofdatacommunication,transmittingandreceivingmodulesofdigitalsignalmodulationanddemodulation,anddisplayedthroughtheLCDscreenwillreceivethedata.Thesystemalsohavepowerlostprotectionanddatastoragefunction.

Usinganinfraredmeterreadingdevicetodotrivialmeterreading.Tofundamentallyeliminatethe"nakedeye"broughtaboutbytherandomerror,andgreatlyimprovetheefficiencyofmeterreading.

KEYWORDS:

communication,Infraredmeterreading,Singlechipmicrocomputer,Modulation,demodulation

1绪论………………………………………………………………6

1.1课题的背景和意义6

1.2课题总体设计方案6

2系统硬件设计……………………………………………………8

2.1控制模块8

2.2发射模块9

2.3接收模块11

2.4显示模块13

3系统软件设计……………………………………………………17

3.138kHz频率的产生及发射程序设计18

3.2数据计算程序20

3.3显示模块程序设计21

3.3.1数码管显示…………………………………………21

3.3.2LCD液晶显示程序…………………………………22

3.4接收模块程序设计26

4电路板的制作…………………………………………………28

4.1原理图的绘制28

4.2PCB图的生成28

4.3电路板到印制和焊接29

5系统调试…………………………………………………………30

5.1硬件调试30

5.2软件调试30

总结语………………………………………………………………32

参考文献……………………………………………………………33

致谢…………………………………………………………………34

附录一：

发射原理图………………………………………………36

附录二：

接收原理图………………………………………………37

附录三：

源程序……………………………………………………38

1绪论

1.1课题的背景和意义

众所周知，电表是一种非常重要的计量仪表，它的计量准确与否直接关系到千家万户的利益。

为此，国家制订严格的标准，各电表生产厂家在严格遵守国家标准基础上，实行更严格的内控标准。

事实上，每一台出厂的合格表，都经过了严格的校验及误差处理，这些误差处理通常包括硬件和软件的处理。

因而，用户最终使用的电表其自身的计量精度是达到国家标准的。

然而，在电表的实际应用过程中，由于人为的操作给其计量带来种种的随机误差，尤为突出的便是抄表。

目前在我国，抄表工作大多数还是采用“肉眼观察”。

即抄表人员挨家挨户上门读取电能表计度器示值。

可想而知，这种抄表方法效率是多么低下、花费人力大、抄表不准确，而它却仍在全国占据主流位置。

所以“人眼”抄表带来了很多不便。

目前，我国城乡居民用户抄电表、水表和煤气表的方式基本上都是人工抄表，即由抄表人员每月逐户查抄水表、电表、煤气表。

这种落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集数据的时间跨度大、采集数据的准确度低。

因此，国家有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表。

利用一个红外抄表器来完成琐碎的抄表工作。

从而从根本上杜绝“肉眼观察”所带来的随机误差，并大大提高了抄表的效率。

本设计是一个基于单片机的红外抄表系统,利用红外线这种非电信号作为传输介质,来传送数据信息,可以在那些不适合或不方便架设电缆线及电磁干扰较强的工作环境下,来实现电度表的抄表,并通过LCD液晶显示屏显示读数，完成电度表用电量的抄录工作。

1.2课题总体设计方案

本文主要介绍以AT89S51单片机为核心控制的红外抄表系统设计。

该系统主要由控制模块、发射模块、接收模块、显示模块4个模块组成。

系统的数据由发射板的3个按键按一定的计算规则所得。

发射管发射的38kHz频率载波由单片机编程控制产生。

收到的数据通过LCD1602液晶显示屏显示出来。

图1-1电源、电池供电电路设计图

本系统具有掉电保护功能，以便在停电时保护所储存的数据信息。

如图1-1所示为电源、电池供电电路设计图。

当有外接电源时VCC电压高于电池电压，二级管处于截止状态，电池不给单片机供电；当VCC电压低于电池电压时，二极管处于导通状态，电池给单片机供电，以保证数据不丢失。

还具有数据存储功能，可以按整体键查看之前所收到的数据。

如图1-2所示为系统工作的整体框图。

图1-2系统框图

2系统硬件设计

硬件电路主要由两个单片机控制模块、发射模块、接收模块、显示模块以及一些外围驱动电路组成。

2.1控制模块

图2-1AT89S51实体图

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位。

AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

89S51单片机实物图如图2-1所示。

AT89S51提供以下标准功能：

4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。

AT89S51在平时的应用时比较多，同样对它的最基本电路驱动电路也是比较熟悉的。

首先必须有5V的驱动直流电源，现在有现有的5V直流电源模块，就可以直接应用5V直流电源模块做为驱动单片机AT89S51的电源。

这就是在VCC管脚处接上5V电源。

GND接地，同时EA管脚现在不用下载程序也接上5V电源。

其次要给AT89S51一个时钟电路，为了方便计算时钟频率设计了在引脚XTAT1和XTAL2外接12M的晶振构成内部振荡方式。

再加上2个30pF的电容就组成了时钟电路。

最后要有复位电路，单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路用10KΩ电阻，加上一个10uF的电解电容和一个复位按钮来组成复位电路。

由于AT89S51的存储器以足够，这就不需要我再设计外部扩展存储器的电路了。

具体设计的AT89S51的最基本外围电路就设计完成了，如图2-2所示为最小系统原理图。

图2-2最小系统原理图

2.2发射模块

红外发射模块是采用红外发光二极管来发送经过调制的红外光波。

红外发射器发出的红外光转换成相应的电信号，再送前置放大器放大。

红外发射电路的信号一般采用两级调制。

在红外数据传输的信号调制方式上,采用脉冲调制的二进制不归零码。

这种调制方式比较简单,编码、解码都比较方便,有利于电路简化。

红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850nm、875nm、940nm。

根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850nm波长的主要用于红外线监控设备、875nm主要用于医疗设备、940nm波段的主要用于红外线控制设备。

本系统采用的是红外的940nm波段。

如图2-3所示为红外发射二极管实物图。

图2-3发射二极管实物图

在红外发射模块设计中选择红外发射二极管时，要注意以下几个问题：

第一，由于红外发射二极管的PN结电容的存在，影响了它的工作频率，选型时应选择响应时在

—

S的红外发射二极管，以适应数据通信的要求；第二，由于现在大多数红外发射二极管为球面透镜封装，红外发射二极管的发射指向角较小，为改善发射光线的指向特性，使之在较宽的偏移臣离内正常工作，应采用多管并发的方法．但对本系统综合考虑还是采用了一个红外发射管。

图2-4发射管连接图

本系统的红外发射模块连接方式如图2-4所示，接单片机的P1.0引脚。

两个电阻是限流的作用，R121是防止电流过大烧坏三极管，R122是防止电流过大烧坏红外发射管D121，三极管起到放大电流的主要作用，使得红外发射的更远，当单片机的P1.0口赋值1时，三极管工作，红外发射管工作发射红外线，当单片机的P1.0赋值0的时候三极管不工作，红外发射管不工作。

如图2-5所示为发射管内部工作流程图。

图2-5发射管内部工作流程图

2.3接收模块

一体化的红外接收模块将数据信号的接收、放大、检波、整形集于一体，并且输出可以让单片机识别的信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用。

本系统采用红外一体化的接收头（HS0038）。

如图2-6所示为接收模块实物图。

HS0038黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽、功耗低、灵敏度高。

在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35m。

它能与TTL、COMS电路兼容。

HS0038为直立侧面收光型。

它接收红外信号频率为38kHz,周期约为26μs，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL电平的编码信号。

三个管脚分别是地、＋5V电源、解调信号输出端。

图2-6接收模块实物图图2-7接收模块测试图

表2-1红外接收模块的主要参数

工作电压

4.8-5.3V

工作电流

1.7-2.7mA

接收频率

38kHz

峰值波长

940nm

静态输出

高电平

输出低电平

≤0.4V

输出高电平

接近工作电压

红外一体化接收头的好坏测试可以利用图2-7所示的电路进行，在HS0038的电源端2与信号输出端3之间接上一只二极管及一只发光二极管后，再配上规定的工作电源（为＋5V），当手拿遥控器对着接收头按任意键时，发光二极管会闪烁，说明红外接收头和遥控器工作都正常；如果发光二极管不闪烁发光，说明红外接收头和遥控器至少有一个损坏。

只要确保遥控器工作正常，很容易判断红外接收头的优劣。

在使用红外接收模块时应保证HS0038接收模块接地良好以防止干扰，由于此模块抗连续脉动光干扰的特性，在进行数据通讯时应发送一个字节后停顿大小为一个字节所占用的时宽，以满足此模块的脉动占空比要求。

如果发送一个字节后不作停顿，接收器将会认为是光噪声，将造成通讯失败。

如图2-8所示为接收模块的内部结构图。

图2-8接收模块内部结构图

本系统在使用接收模块时在电源端和地端之间加了个电容，主要是因为电源波形影响信号的输入，而加个电容有滤波的效果和提高灵敏度。

如图2-9所示为接收模块连接原理图。

图2-9接收管原理连接图

2.4显示模块

液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样就可以显示出图形。

本系统发射板用到的显示模块为4位共阳LED数码管，采用的是动态扫描方式显示所需要发送的数据。

用数码管显示信息时，由于每个数码管至少需要8个I/O口，如果需要多个数码管，则需要太多I/O口，而单片机的I/O口是有限的。

所以在实际应用中，一般采用动态显示的方式来解决此问题。

下面对数码管进行简单的介绍，数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

本系统用LCD1602液晶显示器来显示收到的数据信息。

LCD1602可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7和RS、R/W、E三个控制端口，工作电压为5V。

LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

LCD1602内部结构由DDRAM、CGROM、IR、DR、BF、AC等大规模集成电路组成。

（1）DDRAM为数据显示用的RAM，用以存放要LCD显示的数据，只要将标准的ASCⅡ码放入DDRAM，内部控制线路就会自动将数据传送到显示器上，并显示出ASCⅡ对应的字符。

（2）CGROM为字符产生器ROM，可供使用者存储特殊造型的字符码，CGROM最多可存放8个字符。

（3）IR为指令寄存器，负责存储MCU要写个LCD的指令码。

当RS及R/W引脚信号为0且E引脚信号为由1变为0时，D0～D7引脚上的数据便会存入到IR寄存器中。

（4）DR为数据寄存器，负责存储单片机要写到CGRAM或DDROM的数据。

因此，可将DR视为一个数据缓冲区。

当RS及R/W引脚信号为1且E引脚信号为由1变为0时，读取数据。

当RS引脚信号为1，R/W引脚信号为0且E引脚信号为由1变为0时，存入数据。

图2-10LCD液晶显示原理图

如图2-10所示为液晶显示原理图，8位数据总线由单片机的I/O口P2控制，RS脚的高低电平控制数据和指令的写入，R/W脚的高低电平控制数据的读取和写入。

如图2-11为模拟接线方式图。

LCD液晶屏的第三引脚接了个滑动变阻，目的是对LCD对比度进行调节，使显示达到合适的效果。

当电阻器滑到最靠近电源端时对比度最弱，当滑到最靠近地端时对比度最高。

但对比度过高时会产生“鬼影”，因此用一个滑动变阻来调整对比度。

表2-2为LCD1602液晶显示屏的主要技术参数。

图2-12所示为读操作时序的控制器接口图。

表2-2LCD1602的主要技术参数

显示容量

16×2个字符

芯片工作电压

4.5-5.5V

工作电流

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压

5.0V

字符尺寸

2.95×4.35（W×H）mm

表2-3LCD1602液晶显示屏接口信号的说明

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

电源地

DataI/O

VDD

电源正极

DataI/O

液晶显示偏压信号

DataI/O

数据/命令选择端

DataI/O

R/W

读/写选择端

DataI/O

使能信号

DataI/O

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