基于单片机的电力线远程抄表系统方案设计书.docx
《基于单片机的电力线远程抄表系统方案设计书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的电力线远程抄表系统方案设计书.docx（54页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的电力线远程抄表系统方案设计书
燕山大学
毕业设计（论文）
基于单片机的电力线远程抄表系统设计
学院里仁学院
年级专业电子信息工程4班
学生姓名张雷
指导教师练秋生
专业负责人练秋生
答辩日期2007年6月24日
燕山大学毕业设计任务书
学院：
里仁系级教学单位：
电子与通信工程
学
号
030202070022
学生
姓名
张雷
专业
班级
电信4班
题
目
题目名称
基于单片机的电力线远程抄表系统设计
题目类型
工程设计
题目性质
实际
题目来源
实际
主
要
内
容
在深入学习单片机及其接口电路的基础上，设计电力载波远程抄表系统。
系统由单片机、传感器、脉冲整形计数、看门狗、E2prom、电力载波传输模块等电路组成。
要求设计硬件电路图及系统软件。
基
本
要
求
1.CPU采用89C51或89C2051
2.电力载波传输模块可考虑选用ST7536、P300等
3.考虑系统的抗干扰措施，采用CRC校验或其他检错方法。
参考
资料
《ST7536数据手册》
《单片机原理与应用》
中国期刊全文数据库及google等网络资源
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17—18周
应
完
成
的
内
容
查阅资料
熟悉内容
方案设计
电路设计
完善设计
软件编程
撰写论文
指导教师：
练秋生
职称：
副教授
07年3月20日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
随着国民经济和电力事业的迅速发展，一户一表制已基本普及，企业级的电力负荷监测、控制系统已在一些地区投入使用，取得了较好的效果。
但低压电力用户由于数量多，地域分布广，电力公司的抄表工作量相当大。
因此采用新的技术手段，利用本地和远程自动抄表技术，完成自动抄表并达到实时监控电能表计的目的，同时减少人工上门抄表、数据输入等繁杂又容易出错的劳动，提高工作效率，真正做到用电管理自动化，远程集中抄表系统就成为电力公司解决抄表问题的一种选择。
本文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。
本文讨论了数据采集器和数据集中器的软硬件设计，并对低压电力线网络的特性等进行了分析。
在分析扩频通信的基本原理的基础上，较详细地介绍了电力载波远程抄表系统的具体实现方案，包括硬件模块和管理软件。
关键词 低压电力线网络集中抄表集中器远程抄表
Abstract
Withthedevelopmentofeconomy,theconsumptionofelectricalpowerhasgreatlyincreased.Becauseofthegreatamountandwidespreadofthepowerconsumers,theworkloadofmeterreadingbecomesburdensome.RemoteConcentratedMeterReadingSystemisagoodsolutionforthisproblem.AMRScanhelpusreducetheworkloadofmeterreadingimproveworkefficiencyandrealizethemanagementautomatization.
Techniqueoftransmittingdataviapowerline（PL），anewtechniquedevelopedinrecentyears，isusedtoautomotivethefreecollectingsysteminpublicserviceandthemanagementofuptownserviceoThisarticlediscussedtheadvantage,disadvantageandthecurrentstateofthepowerlinecarriercommunication.Theadvantage，methodandcurrentstateofusingspreadspectrumtechniqueinpowerlinecommunicationarediscussed.Thenthecharacteristicoflowvoltagepowernetworkwasalsocompendiousanalyzed。
Inthispaper,afterintroducingtheprincipleofSSC,designofhardwareandsoftwareofthesystemarebeendiscussed.Thesystemhasbeenputintouse,theresulthasproveditshighstabilityandreliability.
Keywords lowvoltagepowernetwork;Collectmeterreadingsystem;Collector;Remotemeterreading
第1章绪论
1.1 课题背景
1.1.1 远程抄表系统的研究背景
从十九世纪七十年代贝尔发明电话到今天信息高速公路的建设，一百多年来，通信技术己经发生了翻天覆地的变化，特别是近年来，随着微电子技术和计算机技术的高速发展，通信技术更是日新月异。
迅速发展的通信技术已经成为人们生活不可缺少的一部分［1］。
随着城乡电网改造工程的深入和电力市场改革的深化，要求用电管理、配电管理实现智能化、自动化和科学化，配电网的自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。
通过自动抄表可以实现自动、集中、定时地抄录各用户的电量，迅速统计低压实时线损，通过银行向各用户自动完成转账收款、电费结算，为供电部门的用电监察提供服务。
当配网电力市场开放时，提供更多的户信息和市场信息。
因此自动抄表系统是迈向配电自动化的第一步。
远程集中抄表技术是利用现代通信技术和计算机技术，结合电能表技术，实现电力企业减人增效、提高经济效益的技术措施和手段。
集中抄表的媒介可以有低压电力线、双绞线、同轴电缆等。
目前，大部分建筑物内的防火、防盗、空调等系统都是基于双绞线、同轴电缆或光缆等物理媒介进行通信的。
这些通信线路，虽然通信容量较大，但造价高、维护难，尤其对老建筑物的改造更加不易。
相反只要有建筑就会有电力线，利用电力线进行通信可以大大地减少投资和对线路的维护成本，电力线自动抄表系统的成本低，免去了重新架设线路的麻烦，而且可最大限度地发挥电力系统的优势。
电力部门利用电力线传输数据可达到“四遥”水平，即遥测,遥信、遥控、遥调，这样可节约大量的人力、物力和财力。
因此，电力线远程抄表是最符合电力系统特点的自动抄表方案，本论文将详细论述关键部分的工作原理.
1.1.2 智能远程抄表系统
智能远程抄表系统基本解决了人工抄表和一般自动抄表系统的难题，不但能够实现水、电、气表的远程查抄、计量和收费等功能，还具有通断控制功能（控制中心需取得通断控制的合法权限），同时在系统中增加了各种防护措施，包括防断线、防强磁干扰、防开启等，能够自动检测断线、强磁干扰、非法检修等状态，并由管理中心计算机显示［2］。
此外智能采集器预留多个数字采集端口，可采集住户的若干报警信息并通过软件处理报警信息，为其他系统的集成进入（如安全防护系统）留有接口。
智能远程抄表系统的优越性在于:
只要有用水、电、气的地方，就需要计费结算，通过集中计费系统，可以在不必进入住户住宅的情况下实现完整、合理的分摊与结算，并降低抄取数据的费用;由于从读数设备到帐单打印全部采用严密的电子数据传输，避免了人为读数错误，增强用户对计费计算的信任度，避免了烦琐的走访式抄表，减少了对用户的干扰。
1.1.3 远程抄表采用低压电力线载波通信网
自动抄表系统中的通信系统，有很多方式,本论文采用低压电力载波通信方式.
低压电力线载波通信网,利用低压电力线作为AMR系统的底层数据通道运行成本低,无疑是很方便的。
其通信的基本原理如图1-1所示。
图1-1低压电力线载波通信基本原理220vAC
在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上，再经过功率放大后通过藕合电路藕合到电力线上。
信号频带一般为50KHz-300KHz，峰值电压不超过l0V，因此不会对电力线路造成不良影响。
此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过藕合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。
低压电力线载波通信网的系统结构同RS-485系统结构，采用总线结构。
在同一变压器台区下，一个集中器采集若干个采集器或电能表的数据，构成一个总线型网。
1.2 国内外技术研究现状及发展趋势
电力公司为了商业收费而进行的抄表工作可以追溯到l00多年前。
早期的力一法是抄表员走家串户，读取用户表计的数据，并记录在抄表记录本上由此生成用户缴费所需的帐单。
当抄表系统采用通信、网络和计算机技术后，使得抄表系统可实现手持终端抄表，车载无线电抄表以及全自动抄表（AMR,AutomaticMeterReading）。
到日前为止，常见的抄表方式有如下几种［3］:
人工抄表:
由抄表员人工读取用户表计的数据并记录在抄表记录本上。
早期，是人工计算用户的用电量、用水量或用气量并生成帐单。
后来，随着电脑的广泛应用，采用电脑来加速帐单的生成和防止人为的错误。
这种基本的方式100多年来一直在使用。
手持终端（手持电脑）人工抄表:
这种方法可以将表计的数据人工读出并录入手持终端，生成帐单。
有些手持终端还够“聪明”可以向抄表员批示抄表路线，指示与表计有关的特殊信息（如某个院子有恶狗），提示抄表员可能出现错误（如用电量超出正常范围、电表反转）等功能。
手持终端（手持电脑）自动抄表:
当各表计具有红外通信、无线电通信、RS-232C,RS-485、电力线载波通信等接口时，手持终端可以通过通信接口自动读取表计的数据。
这种方式在表计难以接近（如表计被锁在室内、表计附近有恶狗）时特别有用。
车载无线电抄表:
通过小功率无线电收发器进行表计和手持电脑或车载电脑的通信，抄读表计的数据，降低了抄表过程的工作量。
自动抄表（AutomaticMeterReading）:
全自动抄表是指抄表主站（MasterStation）通过通信通道（如电话网、无线电通信、电力线载波（PLC）通信、有线电视电缆通信、光纤电缆通信、专用线路通信等）自动地读取每一只表计的数据，通过遥测、传输和计算机系统汇总到营业部门，代替人工抄表及一连串后续工作。
用于电力系统的自动抄表系统按其用途分类，主要有用于抄读低压电力用户表计的抄表系统和用于抄读变电站（发电厂）关口及大用户表计的抄表系统。
目前低压用户集中抄表系统主要完成电能量数据的自动采集和处理，为电能量计费和用电管理系统提供准确的数据。
1.3 论文的主要内容
论文比较系统的讨论了基于单片机的电力线远程抄表系统的原理，主要进行了硬件方便的设计，主要讨论的内容有以下三点：
（1）研究了远程抄表的工作过程,采用低压电力线传输。
（2）分析了电力线远程抄表系统的构成、原理以及功能。
（3）详细阐述了数据采集器和数据集中器的软硬件设计。
第2章远程自动抄表系统的构成及功能
本章系统介绍远程自动抄表的实现过程，电表采用的是载波电表，利用低压电力线传输，集中器与系统主机的连接是通过PSTN（公共电话网络），这样能有效减少重新架设传输线路，有效的利用即有网络实现通信，节省了人力，物力，财力。
2.1 远程抄表系统的构成
系统构成框图如图2-1所示。
采用用户载波表加载波采集终端，即可进行电力线载波通信功能的操作，完成电能计量、电压和功率测量等;集中器挂接在同一台配变器下的电力线上，根据设置的要求定时或随时通过电力线抄收台变下所有载波表的测量数据并保存;主站计算机可通过电话网或其他通信媒介对集中器发布设置、广播命令或抄表命令，对集中器进行综合数据的抄收，对集中器下的任一台载波电表进行召抄或通断电控制，从而实现远程抄表和监控功能，极大减少电力部门的劳动力，提高社会效益和经济效益;为电力管理上等级和现代化管理水平的提高打下坚实的基础［4］。
2.2 系统工作原理
2.2.1 集中器
数据集中器在抄表系统中起着很重要的作用，工作原理如图2-2所示。
图2-2集中器工作原理框图
集中器根据已设置好的不同的抄表方案对各载波电表实现双向数据传送，具有内部硬时钟可与系统进行广播校时，并实施定时抄表命令，存储抄表数据，可通过各种网络媒介与主站完成数据交换。
集中器的作用是将配变台区载波电能表连成本地网络，能自动抄录数据采集终端及载波单表的数据，集中并存储。
通过抄表器或电话线将数据传输给电力局的计算机中心。
从图2-2可看出，数据集中器是由CPU,RAM、直流电源［5］、指示电路及接口组成，是一个能通过载波接口及RS232接口与外界通信的单片机系统。
下面简要介绍各组成部分:
（1）直流电源:
利用220V交流电降压后，经整流、滤波、稳压后分别得到+24V,+5V.
（2）指示电路:
指出数据集中器工作是否正常、欠压。
（3）主机:
由CPU,RAM以及附加电路组成运行程序，完成各项功能。
（4）接口电路:
具有RS232接口、载波通信接口、RS485接口两个接口电路。
其中RS232接口和RS485接口是通过电缆进行抄表器通信、计算机通信。
载波通信接口是利用电力线与载波单表、采集终端进行载波通信。
工作原理，CPU与RAM的工作原理与一般的计算机系统类似，这里主要介绍接口的工作原理。
（1）RS232接口［6］
由9脚D型插座与外部设备联系，D型插座所有脚上的信号电平都是EIA电平:
“0”（+3V—+15V）,“1”（-3V—15V）。
这种电平，经过几十米导线传输衰减后，仍能区分“1”或“0”，而TTL/CMOS电平经导线传输衰减后很难区分“1”或“0”。
所以，凡是数据集中器输出到D型插座的信号（RTS,TD,DTR）需将TTL/CMOS电平转换成EIA电平，凡从D型插座输入给数据集中器的信号（DCD,RD,RI，CTS）需将EIA电平转换成TTL/CMOS电平。
电平转换是RS232接口的第一个功能。
RS232接口的第二个功能是传递通信的应答信号，以便步调一致，顺利地通信。
（2）MODEM功能
EIA电平在30m距离内传输，衰减后仍能辨认，所以数据集中器与抄表器之间通信，只需通过D型插座将它们相连就行了。
由于直接相连，应答信号可以免去，只需发送数据、接收数据、地线三根线相连就可以了。
超过30m距离就不用专用线了、一般借用电话线［7］。
但电话线只能传输模拟信号，通带很窄（30-3kHz），而数据集中器与计算机中传递的都是数字信号“1”与“0”其跳变部分含有很高的频率成分。
如在电话线上直接传输数字信号，将产生很大的失真，无法区分“1”与“0”造成数据传输出错。
为了能用电话线传输数字信号，在发送端必须先将数字信号“1”与“0”转换成2kHz与1kHz的音频信号（属于模拟信号，在电话线的通带范围之内），再调制到电话系统的载波上，沿电话线传输出去，在接收端再进行反变换，将模拟信号还原成数字信号“1”与“0”数据集中器将数据传送计算机。
这个任务是MODEM来完成。
发送端的MODEM是将数字信号变换成模拟信号、接收端的MODEM是将模拟信号变换成数字信号。
（3）载波通信接口
本接口的核心是电力线载波通信集成电路。
在发送状态时，它把数字信号调制成调频信号而发送到电力线上［8］。
在接收状态时，它能从电力线上接收微弱的调频信号，经限幅放大后，解调成数字信号，滤去高频谐波噪声等，再整形成数字信号。
A、发送电路
当TXIRX输入端为“1”时，集成电路处于发送状态，其框图如图2-3所示。
数字信号经调制器去控制电流控制振荡器，将“1”和“0”分别变成65kHz与67.9kHz的三角波，经正弦波发生器整形成正弦波，经自动电平控制（ALC）到功放输出。
电流控制振荡器的中心频率fo=65kHz，由Co粗调，Ro细调。
ALC实现输出幅度自动调节，当负载阻抗很高时，ALC将减少驱动，当负载阻抗低时，ALC提供大的驱动，本芯片发送电流可达60mAP-Pe输出电压幅度由负载阻抗和输出电流决定。
如输出电流不够（在传输距离远，负载阻抗低时）可外接功率放大器。
B、接收电路。
当TXIRX端输入“0”时，集成电路处于接收状态。
框图如图2-4所示。
2.2.2 数据采集终端.
数据采集终端是一个测量电表用电量的单片机系统［9］，如下图2-5所示。
其中主机是核心，程序存在主机CPU中。
由于单元式公寓一个单元大多为10-14户，所以数据采集终端设计为16户。
表计输出的采样脉冲，经过输入电路实现信号电平转换，再经施密特电路整形变换成方波，以满足
图2-5数据采集终端
单片机对输入信号的要求。
因为单片机的P门只能通8路数据，所以16路脉冲，要采用分时制，先通1-8路，再通9-16路，故需要经过一个选通电路。
附加电路,为确保数据采集终端安全可靠地运行［10］，除上述主要组成部分之外，还有许多附加电路，如看门狗、掉电检测、实时时钟、状态指示电路、蜂鸣器、片外EPROM等。
数据保护是数据采集终端的关键问题之一。
采用看门狗电路、系统复位电路和上、掉电检测电路，就是为了保护数据。
实时时钟电路提供时间（年、月、日、时、分、秒）。
状态指示电路，用以指示数据采集终端的运行状态，分三种:
A,正常运行时，短路片断开，“底度”指示灯闪烁。
B、常亮（设置参数时除外）或常暗，表示数据采集终端工作不正常。
C、设置参数时，短路片接通，“底度”指示灯常亮。
数据采集终端内装有备份电池，停电时为时钟芯片供电，以保持时间正确。
“欠压”指示灯亮时，表示电池电压低，应换新电池。
片外EPROM各户的表号、电表常数、底度、功率限额等参数及整数值用电量，都保存于这个EPROM中。
停电时，这些数据也能长期保持。
2.2.3 载波电表
载波电能表的工作原理如图2-6所示。
载波电表的组成，以CPU为核心，由RAM、电量转换电路、接口、直流电源等构成一个单片机系统，如下图2-7所示。
（1）直流电源，从220V交流电压经变压器降压，整流、滤波及稳压后得到+24V,+5V,+24V供载波电路用，+5V供其他电路用电。
（2）主机，程序存在CPU内的E-PROM中，RAM用于存放用户的用电数据。
其任务是:
A,每当电表正转转过一圈，CPU就累计电量［11］，并存入EPROM.
B,接收抄表器发来的参数、表号，存入EPROM.
C,与数据集中器进行载波通信。
本章开始提到了数字电表，它的工作原理这里不做赘述，鉴于目前居民用表的情况，本论文中采用载波电表，其实现方式也比较简单。
接口介绍，
（1）电量转换电路它的作用是电能表每正转一圈，发出一个脉冲，供CPU计数。
如图2-8所示:
A,B为光电头，由它采样脉冲。
遮光片经过槽一次产生一个脉冲，CPU计数。
而电表反转时（由潜动、抖动等因素造成），计度器也反转使数采集终端读数比表计窗口示值大，造成多计，读数不准。
为了解决因潜动等造成的多计。
采用双光电头采样电路来判别是正转还是反转，正转产生的脉冲计数，反转产生的脉冲便记下个数（<=300个），待表计正转后将反转的脉冲个数除之后再计数，这样使能保证读数始终对得准。
但对输电造成的反转（脉必然大于300个）仍会计数，出现多计，使要认真的查找原因。
图2-6载波电能表工作原理框图
图2-7载波电表组成结构图
（2）有线接口与载波电路
这是载波电表能否实现自动抄表的关键部分，这部分电路与数据集中器相似，不在这里重复。
图2-8电量转换图
2.2.4 主站
主站在计算机上运行电力载波远程用电管理软件，经电话网或其他网络媒介对集中器进行抄表和各种方案设置，并可通过集中器对载波电表进行实时操作;例如，综合数据的抄读、电表实时电量读取，远程拉、合闸控制;集中器校时，广播校时等操作。
主站的工作框图如图2-9所示。
图2-9主站工作框图
主站系统包括计算机硬件、计算机软件、调制解调器、公用电话网或电台等数据传输通道。
本系统只用1台计算机来完成表计数据的查询、建库、以及各种处理功能。
当然，也可考虑配备多台电脑，应用计算机网络连接到电业局各部门完成各种处理功能。
例如：
可以实现自动、集中、定时地抄录各用户的电量，迅速统计低压实时线损，通过银行向各用户自动完成转账收款、电费结算，为供电部门的用电监察提供服务。
通过主站操作，用电管理人员可以随时获取所需要的各种数据信息，它是本系统最主要的人机界面。
抄表主站系统的配置如下图2-10所示：
2.3本章小结.
本章系统的介绍了远程抄表的工作原理,讨论了在远程抄表的过程中各主要工作部分，在这个系统中，核心模块是数据采集端，数据集中器和中心主机。
数据采集端和数据集中器用到的单片机主要是89C51，其详细的电路原理将在第三章中详细介绍。
第3章系统硬件设计
本章进行系统的硬件电路设计，主要对数据采集器和数据集中器进行详细介绍。
单片机主要用到89C51，89C2051等，在设计的过程中加进一些辅助电路来构成远程抄表的系统。
3.1 对主要单片机的介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁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。
图3-1AT89C51和AT89C2051
（1）主要特性：
4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）；全静态工作：
0Hz-24KHz；三级程序存储器保密锁定；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；
（2）管脚说明：
VCC：
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口是一个内部提供上拉电阻的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，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的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”
升级会员 