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电气工程及其自动化论文

东北大学毕业设计（论文）东北大学继续教育学院教务处

毕业设计（论文）

GRADUATEDESIGN（THESIS）

基于STC89C52的无线抄表系统——硬件系统设计

学生

学习中心奥鹏学习中心

专业电气工程及其自动化

指导教师

2015年9月1日

摘要

如今公共事业收费自动化和小区物业管理智能化等领域的技术开发和应用越来越受到人们的重视,本文研究旨在提供一种利用低压电力供电网络,低成本高可靠地实现公共事业收费自动化和小区物业管理智能化的技术应用。

在本文介绍了一种基于89C52单片机的复费率单相电能表的主电路及通信接口电路,给出了其具体电路,采用CS5460作为专用电量测量芯片以保证测量脉冲数的准确性,硬件日历时钟及参数存储采用总线器件以减少电路连线。

综合设计使电能表的工作可靠性得到大大提高。

同时对系统的软件设计和可靠性设计也作了介绍。

关键词：

单片机,远程抄表,CS5460

1.绪论

1.1无线抄表系统研究的意义

随着经济体制改革的深入，电能计量、电费核算及收缴的及时性和准确性已成为用电企业的重要课题；而目前我国电能数据的采集基本上为手工抄表，需要抄表人员走家串户，每月或每两月抄一次，再通过微机或手工制作的电费单催缴用户电缆，存在着错抄、漏抄、估抄等问题。

自动抄表系统的研制与应用是解决上述问题的有效途径之一，而无线抄表系统则是自动抄表系统中种较优的方式。

该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的水平。

1.2无线抄表系统的现状

传感器、自动化仪表以及集成电路技术的进步，使得无论是机电脉冲式还是全电子式电度表已能够较好地满足现今自动抄表技术的需要。

对于机电脉冲式电度表，只需在表安装光电转换模块和相应的接口，即可实现反映用电量的电信号输出。

这类模块和接口具备成本低廉、小巧且易于拆装等特点，因此列目前仍在大量使用的感应系电度表的改装是可行且易于实现的。

对于全电子式电度表，可直接读取其电脉冲输出。

有的新型全电子式电度表本身安装有多种接口；适用于模拟、数字等各种通信模式。

今后相当一段时间，自动抄表系统的终端采集装置将以上述两种仪表为主。

2.设计方案的确定

2.1设计功能要求

设计制作一只交流电能表表，设计的主要要求如下：

（1）该交流电能表能实现对单相交流电能的测量；

（2）电表参数：

额定电压220V,额定电流5A,最大电流10A，最大计度容量：

99999.99Kw.h；

（4）能测量并显示当前的功率、电压和电流的有效值；

（5）显示当前日期和时间，具有分时计量功能；

（6）可以与PC机进行串行通信，并可用键盘控制，便于操作；

（7）电量脉冲输出；

（8）停电不丢失电能数据；

2.2系统的基本方案

该系统主要由显示模块、通讯模块、键盘控制模块、电能表芯片CS5460A模块、存储器模块和前端电路调理模块部分组成。

前端电路调理模块采用变比1：

1的电流型电压互感器，电流模块采用变比2000：

1的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式接到由CIRRUSLOGIC公司生产的电能表芯片CS5460A，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定，然后经CS5460A转换后将电压、电流、功率、电能等信号传给单片机STC89C52，STC89C52组成的MCU模块控制所有芯片的工作、截止及计算和模块的显示，显示模块采用LCD5110液晶模块，液晶正常显示当前测量的电能值、电压、电流有效值、功率等；并接受PC上位机同步控制并与其通信，该系统可以实现对电能等电参量测量、显示及采集处理的目的。

2.3毕业设计的硬件结构框图如下：

3.硬件系统

3.1总电源模块

3.1.1总电源方案概况

本设计中涉及了多种等级电源（蓄电池12V，5V直流供CPU工作），为了在实际应用中及成本核算中能够尽量合理，只采用一种等级电源，即由12V电源统一供电。

3.1.2总电源方案设计

自做的电源相对来说比较简单，主要由变压器，整流桥，电容，稳压块组成，原理简单且适用，电路图如下：

稳压块78L12两端的大电容作用是低频虑波，小电容作用是高频虑波。

发光二极管是用来指示电源正常工作。

3.2采样电路模块

3.2.1采样电路模块概况

该设计通过电压互感器和电流互感器来对回路的电压、电流信号进行采样，并将得到的电压、电流信号输入到芯片CS5460A的电压电流信号输入端，两路信号在芯片部实现转换，并通过部运算将电流、电压等各种数据的结果存人指定的寄存器中。

以等待单片机STC51通过芯片CS5460A的串行接口读取，最后将其结果通过LCD5110显示出来。

3.2.2采样电路模块方案设计

CS5460A的电压通道对于系统的前端电压调理部分，我们采用变比为2mA/2mA的电流互感器和高精度电阻作为输入电路部分电路如图所示。

系统设计采用220V的市电电压输入，首先外接Rx=110k电阻得到2mA的电流，然后通过变比为2mA/2mA的互感器，然后在二次侧连接1个125Ω的定值电阻得到所需的输入电压，可以为CS5460A提供电压信号，不超出芯片的测量围。

当然电阻R2值可以根据不同的电压来调整。

并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。

电流调理部分采用变比2000：

1的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。

并加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入放抖动电容保护芯片。

经变换后的补测信号以差模电压的形式接到CS5460A的模拟信号输入端。

由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大。

而CS5460A具有相位补偿功能（可进行-2.4°至+2.5°的相位补偿，步进0.34°），可以大大减小互感器角差的影响。

其模拟信号输入接口电路如图所示：

3.2.3引脚介绍

CS5460的管脚排列如图所示：

它共有24个引脚，各引脚的功能如下：

IIN（+/-）CS5460A的电流检测管脚

VA+/VD+CS5460A的分别为模拟、数字+5v电源

VIN（+/-）电压检测的两输入脚

VA-接模拟地

DGND接数字地

XOUT，XIN两脚接4．096MHz的晶振

SDO输出数据

CS电路选择端，低电平有效

SO串行数据输出端

SI串行数据输入端

SCK串行时钟输入端

WP写保护输入端，低电平有效

RESET复位输出端

VCC电源端

VSS接地端

3.3收发模块

方案一：

有线收发。

在接收与发送2个模块之间采用数据线连接，可以方便2个模块的传送，并且会比较稳定。

但是考虑到距离等问题，觉得有线的会比较麻烦。

方案二：

无线收发。

无线收发模块能实现接收和发送2个模块之间数据的传送，且无线比较不受距离及连线的影响。

综合考虑，决定采用NRF24L01无线模块来实现数据的传输。

NRF24L01集成了所有与RF协议相关的告诉信号处理，可以支持六路通道的数据接收，工作电压为1.9V-3.6V，速率为2Mbps，在空中传输时间很短降低了无线传输中的碰撞，部含有自动重发数据包和自动产生应答信号，其接口的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI扣连接或用单片机I/O口，部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本的单片机。

链路层完全集成在模块上，方便开发。

自动应答功能，在收到有效数据后，模块自动发送应答信号，无须另外编程。

含有载波检测，置CRC检错和点对多点通信地址控制。

电路图如下：

3.4CPU模块

在整个控制系统的最核心器件中，CPU的选择是很重的，作为一个最基本的平台，CPU可以用51系列的，PIC系列，AVR系列，ARM系列等等，但作为市场上应用最普遍，技术最成熟且其外围元器件好买的51系列单片机再结合自己课堂上所学的51系列指令，本系统选定51系列的单片机作为CPU控制器。

目前较为常用的51系列单片机主要有2051，89C52及89S51。

下面为它们之间的特点和区别：

STC89C52

3.4.189C52主要功能

STC89C52主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

3.4.2管脚说明

CC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于部上拉的缘故。

P2口当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时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，

管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及