5远程电力抄表系统集中器硬件设计毕业设计论文Word下载.docx
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硬件；
抄表系统；
集中器；
远程抄表；
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomyandpower,atablesystemhasbasicallyuniversal,enterprise-levelmonitoringofthepowerload,thecontrolsystemhasbeenputintouseinsomeareas,andachievedgoodresults.Low-voltageelectricityconsumersduetothenumber,geographicaldistributionofawidepowercompany'
smeterreadingworkloadisconsiderable.Therefore,newtechniques,theuseoflocalandremoteautomaticmeterreadingtechnologytocompletetheautomaticmeterreadingandachievethepurposeofreal-timemonitoringoftheelectricalenergymeter,meterreading,dataentry,complicatedandeasytogowronglaborwhilereducingmanualdoor,andimproveworkefficiency,trulythepowermanagementautomation,remotemeterreadingsystemhasbecomeanoptionforpowercompaniestoresolvemeterreadingproblems.
Thisarticleaimstoprovidealow-cost,highreliabilityandpublicutilitycharges,automationandresidentialpropertymanagementintelligenttechnology.Thispaperdiscussesthehardwaredesignofthedataconcentrator,andeachmoduledesignandanalysis.Detaileddescriptionoftheremotepowermeterreadingsystem-focusonthehardwaredesignsolutiontoimplement.
Accesstorelevantinformationandresearchforthepastfewyears,thissystemcanbeachievedbasicallyremoteautomaticmeterreadingsystemontheuserremoteenergymeterdatacollection,recordingandreal-timemonitoringcapabilities.
Keywords:
hardware;
Collectmeterreadingsystem;
Collector;
Remotemeterreading
目录
摘要（中文）I
Abstract（英文）II
第一章概述1
1.1远程电力抄表系统的研究背景1
1.2国内外远程自动抄表系统的发展及现状1
1.3远程电力抄表统的目的意义1
第二章系统需求分析3
2.1远程电力抄表系统需求介绍3
2.2远程电力抄表系统的组成介绍3
2.3远程电力抄表系统实现目标4
2.4系统开发环境及应用工具介绍4
2.4.1系统软硬件要求4
2.4.2编译环境KeiluVision2介绍5
2.4.3画图工具Ptotel99SE介绍5
第三章集中器硬件设计芯片介绍6
3.1STM32F103ZET6芯片介绍6
3.1.1管脚图及主要引脚介绍6
3.1.2系统中的作用及接线7
3.2K9F2G08U0M芯片介绍7
3.2.1管脚图及主要引脚介绍8
3.2.2系统中的作用及接线8
3.3TSC2200IRHB芯片介绍8
3.3.1管脚图及主要引脚介绍8
3.3.2系统中的作用及接线9
3.4MAX3082芯片介绍9
3.4.1管脚图及主要引脚介绍10
3.4.2系统中的作用及接线10
第四章集中器硬件电路设计11
4.1集中器整体结构设计11
4.2CPU模块电路设计11
4.2.1NANDFLASH电路原理图11
4.2.2JTAG电路原理图12
4.2.3振荡电路设计13
4.2.4复位电路设计13
4.3LCD&
触摸屏模块电路设计13
4.3.1触摸屏控制电路设计14
4.3.2LCD液晶接口电路设计14
4.4通信电路设计15
4.4.1RS232接口与RS485接口的介绍15
4.4.2RS232&
RS485通信电路设计16
4.5电源电路设计16
4.6PCB板设计17
4.6.1PCB板设计步骤17
4.6.2PCB板设计图18
第五章硬件调试及分析19
5.1整板电路测试19
5.2STM32F103ZET6芯片测试19
5.2.1复位管脚、晶振管脚、串口通信管脚测试19
5.2.2I/O口功能测试程序设计19
5.3串口电路测试20
第六章总结与展望21
6.1总结21
6.2展望21
结束语22
参考文献………………………………………………………………………………………………...23
第一章概述
1.1远程电力抄表系统的研究背景
随着我国电网改造的逐步推进。
电力设施得到了迅速发展提高，随着我国经济体制改革的深入。
电作为电力部门出售的商品进入了市场。
由于我国采用的是“一户一表，管电到户”的供电方式，这使得用电网络十分庞大。
目前，电力营销部门要想知道用户的用电数据，基本上都是采用人工抄表的方式。
这种抄表方式工作量大、效率低下、漏抄误抄率高、不能对用电情况进行监控，不能适应电力营销部门现代化和信息化的要求。
为满足电力营销部门管理现代化的需求。
就需要对传统的用电抄收方式进行改进。
易于实现、可靠性高、成本低廉、易于普及的远程无线集中抄表技术将成为电力抄表发展的必然趋势。
在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。
我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。
随着我国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。
传统的人工抄表模式的弊病越来越突出，主要表现在：
1.查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大；
2.错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象；
3.窃电问题严重，尤其是工业大用户的窃电问题，由于数额较大，严重地损坏了电力企业的利益，扰乱了供用电秩序。
以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。
国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。
1.2国内外远程自动抄表系统的发展及现状
目前许多国家和地区都已广泛采用远程电力抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中在煤气表、电量表和水流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年的发展历史。
抄表技术的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程迈出了坚实的一步，达到了可以大规模推广的实用性阶段。
我国内所采用的抄表方式大致可以分为三种：
一是传统的人工抄表方式，抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理；
二是预付费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、IC卡等，按购买额提供用量，完成收费工作；
三是远程抄表方式，监控中心通过远程通信系统（例如公用电话网、电力线载波、数据网等）自动获取远程仪表数据的方式。
这也是本设计重点研究的抄表方式。
当前在我国国内大量使用的是预付费方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。
1.3远程电力抄表统的目的意义
随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程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。
远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。
采用远程电力抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。
它从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。
采用远程电力抄表系统有如下优势：
1.采用远程电力抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。
2.随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。
采用远程自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。
3.远程电力抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收，杜绝贪污腐败等都有积极的意义。
4.采用远程电力抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单错误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。
5.电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、配电变压器的监测、线损的准确统计、分时电量和负荷曲线等，远程电力抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。
第二章系统需求分析
远程电力抄表系统的设计主要是为了弥补传统人工抄表的落后方式，实现不需要人员到达现场，利用特定的通信方式将用户处的电能表所记录的各种数据传送到远程主控站的计算机网络中，并由软件对数据进行统计、分析和计算。
为电力部门减少庞大的工作量，节省大量时间。
此外远程电力抄表系统是未来电力系统的发展方向，是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个电力管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的电力管理系统。
可以有效地提高电力抄表效率，因而正在日益受到社会的广泛重视！
2.1远程电力抄表系统需求介绍
从上文可以看出，现在的抄表方式需要一种可以自动完成这些操作的应用系统，远程电力抄表系统就是针对这些需求而研发的，它可以实现把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析。
2.2远程电力抄表系统的组成介绍
远程电力抄表系统整体由四部分组成：
控制中心、集中器、表箱控制器和用户电表；
分为两层结构，包括集中器与表箱控制器的底层通信和控制中心与集中器的上层通信。
系统组成框图如图2.2所示。
自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与表箱控制器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。
底层数据采集采用RS-485总线型通信方式。
上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。
鉴于GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用GPRS网络作为上层通信方式。
但是由于此设计尚处于试验阶段，还没有实现真正的GPRS网络通信，仅仅是利用RS-485总线型通信方式进行数据的传输。
控制中心服务器与集中器构成上层通信系统。
底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、表箱控制器和集中器。
表箱控制器通过RS-485串行总线把采集到的数据传送给集中器。
集中器的主要功能就是数据的采集、汇总、显示和转发。
本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。
集中器利用RS-485总线把比较接近的表箱控制器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GPRS网络（此设计用RS-485串行总线）把数据传送给上位供电部门管理中心。
集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分，集中器的硬件设计也是本文将重点进行阐述的部分。
下面两章将对集中器的硬件设计做详细介绍。
系统组成框图如图2.1所示：
图2.1远程电力抄表系统的组成框图
2.3远程电力抄表系统实现目标
远程电力抄表系统的整体设计分为集中器硬件设计、集中器上行程序设计、表箱控制器硬件设计以及集中器下行程序设计四大部分，分别由四位同学共同完成，而本文重点阐述的是集中器硬件设计。
本次设计旨在实现自动抄表、表箱控制单元与集中器的下行通信、集中器与控制中心的上行通信，在控制中心能够显示抄表数据及数据状态，便于记录与整合。
以此来为电力工作人员带来抄表以及统计的方便。
2.4系统开发环境及应用工具介绍
2.4.1系统软硬件要求
本次设计是在PC机与实验箱的共同作用下完成的，关于PC机的要求并不是十分严格，只是一般的配置即可，不过实验箱的连接需要驱动USB口，具体的实验环境要求具体如下：
操作系统：
Windows2000以上版本；
内存：
64M及以上；
CPU：
512MHZ以上；
USB驱动口：
COM4口；
2.4.2编译环境KeiluVision2介绍
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件。
本次设计应用的软件为KeiluVision2，该软件是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发。
Keil内部建立有一个仿真CPU用来模拟执行程序，该仿真CPU功能强大，可以在没有硬件和仿真机的情况下进行程序的调试工作。
如图2.2所示，就是KeiluVision2工作界面。
该编译环境的特点是全功能的源代码编辑器，器件
库用来配置开发工具设置，项目管理器用来创建和维护用户的项目，集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用，所有开发工具的设置都是对话框形式的，图2.2KeiluVision2工作界面
真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器，高级GDI接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信。
在KeiluVision2中，有三种存储模式，分别是Small、Compact和Large。
其中Small模式是指所有缺省值变量参数均装入内部RAM，优点是访问速度快，缺点是空间有限，只适用于小程序；
Compact模式是指所有缺省变量均位于外部RAM区的一页（256Bytes），具体哪一页由P2口指定，在STARTUP.A51文件中说明，也可用Pdata指定，优点是空间较Small宽裕，速度较Small满慢，较Large要快，是一种中间状态；
Large模式是指所有缺省变量可放在多达64KB的外部RAM区，优点是空间大，可存储变量多，缺点是速度慢。
因本设计涉及到的程序较多，因此采用Large模式。
2.4.3画图工具Ptotel99SE介绍
Protel99SE是应用于较高操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。
如图2.3，即Protel99SE工作界面。
本设计主要应用该软件的电路原理图设计，电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。
本系统的主要功能是绘制、修改和编辑电路原理图；
更新图2.3Protel99SE工作界面
和修改电路图零件库；
查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。
这是一个易于使用的具有大量元件库的原理图编辑器，主要用于原理图的设计，它可以为印刷电路板设计提供网络表，使用户可以轻松完成所需的设计任务。
第三章集中器硬件设计芯片介绍
本章主要介绍该远程电力抄表系统中集中器硬件设计中应用的硬件芯片，分别从芯片基本介绍、芯片工作原理等方面阐述应用到的主要芯片。
同时每块芯片在系统中起到的作用，以及该芯片在公交系统中主要使用哪些引脚，这些引脚是怎样与单片机连接的等内容也将在该章讲述。
3.1STM32F103ZET6芯片介绍
STM32F103ZET6采用ARM公司的高性能Cortex-M3内核，该内核集高性能、低成本、低功耗、性价比高于一体。
同时，Cortex-M3中还集成了大部分存储器控制器，这样可直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍。
内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器以及带校准功能的32kHzRTC振荡器。
除此之外，其运算速度可达1.25DMips/MHz,集成1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度；
7组112个通用I/O口；
片上外设资源包含有温度传感、PWM定时器、CAN总线、USB、UART、SPI、无线通信等接口、电压比较器、看门狗定时器、电源监测模块可编程逻辑阵列（PLA）等。
该芯片采用2V-3.6V供电供电，在72MHz时消耗36mA（所有外设处于工作状态），待机时下降到2μA。
3.1.1管脚图及主要引脚介绍
图3.2就是STM32F103ZET6芯片的管脚图，具体管脚介绍如下：
PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG7组共112个I/0口：
112个多功能双向的I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；
几乎所有端口均可容忍5V信号。
OSC_IN、PC14-OSC32_IN：
振荡电阻输入端，与OSC_OUT所接电阻决定振荡频率；
OSC_OUT、PC14-OSC32_OUT：
振荡电阻振荡器输出端。
PA2/USART2_TX10个USART接口：
同步异步收发器（USART），它支持同步单向通信和半双工单线通信。
它也支持LIN（局部互连网），智能卡协议和IrDA（红外数据组织）SIRENDEC规范，以及调制解调器（CTS/RTS）操作。
它还允许多处理器通信。
用于多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。
NRST：
异步复位脚。
为低时，选择该芯片成为当前被控制设备并且开启SPI接口。
空闲时，需要拉高。
SPI：
串行外设接口。
总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。
SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。
图3.1STM32F103ZET6管脚图
3.1.2系统中的作用及接线
本次毕设集中器的功能主要通过STM32F103ZET6芯片来实现的，STM32F103ZET6芯片本身具有高性能Cortex-M3内核，丰富的I/0接口。
它可以控制电源，液晶，触摸屏，存储设备，数据传输等。
本次设计中涉及到STM32F103ZET6的接线有很多引脚，几乎所有的I/0接口都用上了，除了像PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG7组I/0口外，主要用到的引脚分别是OSC_IN、PC14-OSC32_IN、NRST、SPI以及USART接口，具体的引脚分配将在后文讲述。
3.2K9F2G08U0M芯片介绍
K9F2G08U0M-Y,P有2G+64M位的存储单元。
存储单元组成128k页（page）×
（2k+64）列的存储阵列。
每页由2k字节的主存储区和64字节的备用存储区组成．64字节的备用存储区可用来存放数据，也可以存放校验值。
整个芯片包含128k页，每64页构成一个块（block）。
芯片共包含2k个块。
除基本数据存储单元外，K9F2G08U0M-Y,P还包含有一个2112字节的数据寄存器和2ll2字节的高速缓存，它们可在读写FLASH的过程中起到I／O接口与存储单元之间的数据缓冲作用。
K9F2G08U0M-Y,P存储器的地址、命令和数据总线均使用同一个8位I／O口，可在片选信号CE和写信号WE为低时写人命令、地址和数据，并在WE信号的上升沿锁存。
通过命令锁存信号CLE和地址锁存信号ALE可指示当前I／O口的数据是命令还是地址。
命令一般占用2个周期。
但查询状态READSTATUS1命令只占用1个周期。
K9F2G08U0M-Y,P的读写操作都是以页为单位进行的,读写命令后需要发5个地址周期；
擦除则是以块为单位
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