远程抄表系统设计.docx
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远程抄表系统设计
摘要
随着我国社会经济的发展，居民用电量剧增。
传统的人工抄表收取电费的方式，已不能满足现代化管理的要求，实现多用户能耗仪表的自动抄表已经成为可能，特别是建设部提出来的小康型住宅小区的规划要求，并逐步实行能耗仪表出户的统一管理，实现微机自动检测、计量和收费。
本文针对目前居民小区的电能计量中实际存在的各种问题，设计了一种实用的远程自动抄表系统。
该系统具有成本低廉、计量准确、工作稳定可靠和系统安装维护方便等特点。
本文对整个抄表系统进行了较为全面的设计，着重对系统底层的能耗数据的采集和集中、数据通信网络和通信方式等做了较为详细的设计。
在硬件上对CPU数据存储及其监控电路、数据传输、通信标准、时钟电路、串口扩展、电能采集和显示电路都做了详细的论述。
并且广泛应用的RS-485电气接口的串行通讯技术作为通讯方式。
在软件上对数据进行采集、通信、显示子程序、校验子程序等做了详细的说明。
同时，本文还对系统中的干扰问题进行了深入细致的分析，并在硬件和软件上担出了有效的抗干扰技术。
该远程抄表系统实现了多用户的电能信息的远程自动抄录，能够实现住宅能耗计量的高质量和高效率管理。
关键词：
远程抄表；数据通信；AT89C51；RS-485
I
1学院本科毕业设计（论文）Abstract
Abstract
Withsocialandeconomicdevelopmentelectricpowerisusedincreasingly,Traditionalchargeofelectricfarebymanuallaborcan’tsatisfythedemandformodernmanmanagement.Automaticmeterreadingsystem（AMRS）hasapossibilitytobeputintoreality.Especiallyforthewell-to-douptown,theConstructDepartmentofChinahasdemandedtorealizeautomaticmeterreading,measuringandchargingwithcomputer.Thisarticleaimsattheexistingproblems.Thus,Idesignedanautomaticmeterreadingsystemofcalorie.Thestrongpointofthissystemis:
lowscost,precisemeasuring,stableworking,andeasytoinstallandmaintain.
Thearticlegivesanall-rounddesignofthissystem.Itexpatiatesondetaildesignsofdatacapturingandcollecting,datacommunicationnetworkandmode.Inthisthesis,aboutthehardware,aparticularexplanationofthechoiceofCPU、inspectcircuit、datamemoryetcweregiven.AnditusesasynchronousserialcommunicationtechnologybasedonRS-485electricinterfaceascommunicationmeans.Thesoftware,wegivetheprogramofimpulsecollection、communication、displayandsoon.Atthesametime,thenoisequestionsexistingintheanalyzedandtheeffectiveanti-noisemethodsonhardwareandosoftwarearepresented.
ThisLong-distancemeterreadingsystemrealizesthemulti-userpowerinformationremoteautomatictranscribing,canrealizeresidentialenergyconsumptionofhighqualityandhighefficiencymetrologymanagement.
Keyword:
Remotemeterreading;Data-communication;AT89C51;RS-485
II
1学院本科毕业设计（论文）目录
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题的提出和意义2
1.2国内外发展现状2
1.3课题可行性论证结论2
1.4本文所要完成的主要工作3
1.5本章小结3
第2章抄表系统总体结构设计4
2.1系统组成4
2.2通信标准的选择4
2.3系统总体方案确定5
2.4本章小结6
第3章抄表系统硬件设计7
3.1抄表系统的整体结构7
3.2抄表系统的各硬件模块的设计7
3.2.1CPU的选型7
3.2.2外围存储及其监控电路模块10
3.2.3数据传输模块13
3.2.4时钟模块15
3.2.5串口扩展17
3.2.6电能的采集和计数模块19
3.2.7显示电路20
3.3本章小结21
第4章抄表系统软件设计22
4.1软件设计的基本原则22
4.2系统软件设计23
III
1学院本科毕业设计（论文）目录
4.2.1上位微机发送命令到达的路径23
4.2.2远程抄表主程序的设计24
4.2.3各子程序的设计25
4.3软件初始化31
4.3.1电路初始化31
4.3.2串行通信设计32
4.3.3时钟软件程序操作34
4.4通信协议35
4.4.1字节格式36
4.4.2帧格式38
4.4.3传输39
4.5本章小结39
第5章系统的抗干扰设计40
5.1硬件抗干扰设计40
5.1.1稳压电源的考虑40
5.1.2串行EEPROM的选择41
5.1.2采用光电隔离技术41
5.2软件抗干扰设计41
5.2.1单片机程序出错时能自动纳入正轨41
5.2.2采取措施保证数据写入的可靠性41
5.2.3定时设置I/O口状态42
5.2.4延时抖动技术42
5.2.5采用“看门狗”电路42
5.3本章小结43
结束语44
参考文献45
致谢46
IV
1学院本科毕业设计（论文）绪论
第1章绪论
本文的研究课题是电表自动抄表系统，本章主要说明课题设计的背景和实际意义，介绍了在抄表领域国内外的技术发展历史、现状和未来趋势，提出所要进行的设计内容和任务，同时对全文的章节架构进行阐述。
1.1课题的提出和意义
随着人民生活水平的提高和住宅商品化的发展，居民住宅的质量和档次越来越高，住房对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高。
这样使得传统的抄表收费方式存在的弊病越来越突出，抄表收费难也成为各部门管理上的问题，其原因主要有以下几点：
1.入户抄表难度加大。
由于居民生活水平的提高、家庭财产价值及用户逐渐开始重视私隐权等方面的原因，用户不希望被别人打扰。
同时入户抄表只能在早晚居民休息的时间里进行，抄表人员实际可利用的时间变短。
因而使得电费、水费、暖气费、煤气费的漏抄、欠收、漏收严重，实际收费往往远低于统计值，费用流失严重。
2.各管理部门负担较重。
抄表率低、周期长、资金回收速度慢，严重影响了这些部门的经济效益。
3.管理费用开支过高。
随着城市的发展，用户会越来越多，相伴着手动抄表的管理人员和操作人员也要相应的增多，这势必会严重制约着相关企事业单位的发展。
4.抄表工作和劳动强度加大。
抄表操作人员的工作条件差、效率低、劳动强度大，而现行的抄表收费大多是人工抄表、人工收费、手工结算，这难以适应企业管理信息化的形式要求。
正是由于上述种种原因，建设部提出了建设小康型住宅小区的规划要求，明确提出了要对新建和必扩建的住宅小区进行统一规划，逐步实行水、电、气三表出户的统一管理，实现微机自动检测、计量和收费。
随着居民住宅小区的物业管理水平的不断提高，目前在不少住宅小区，各能耗的计量问题也已经由以前的各部门管理逐步改为由生活小区物业管理部门统一管理。
现代物业管理要求不断向规范化、自动化和科学化的进程迈进，多表联网远传系统将越来越受到用户和市场的认可，市场全景十分广阔。
因此，多用户电表联网远程抄表系统的研究生就显得十分迫切。
1.2国内外发展状况
近年来，智能抄表技术在国内外应运而生，国内外许多国家正在大力发展开
发电能智能抄表系统的研制工作。
在国外，如美国等发达国家已把智能抄表系统
广泛应用于配电管理之中了。
以色列尤尼克（Unique）技术公司开发了collector
集中抄表系统，利用现有的电网和电表，以电力线作为信息传递媒介，建立数据
采集通信系统，通过线载波技术将信息远距离传送。
而由英国自动化仪表公司本
部策划，组织杭州沃制电力有限公司研制的IC系列电表，可按用户需要靖上通
迅接口，利用RS—485接口，零电压脉冲继电器输出或4~20MA线性进行远程监
测。
德D—Tech公司则此专门开发了SMI专用模块，用于电子式电能表的数据采
集，以400脉冲/度或800脉冲/度向外输出数据
[1]。
在国内，虽然我国对智能抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。
目
前，国内生产智能抄表的厂家超过150家。
通过电力工业部电力设备及仪表检测
中心检测的厂家接近100家，受理的专利超过165项。
据不完全统计，安装的智
能抄表用户超过250万户抄表技术多样公：
总线、载波、红外、工频、超窄带（UNB）。
抄表方式多样化：
单表、多表。
系统功能逐步完善，除抄表外，还具有线损统计、
用电考核、远程控制、自动收费并与银行联网等。
1.3课题可行性论证结论
本课题针对目前居民小区能耗计量实际现状，以及能耗计量的数据远传和网
等问题而设计的电表联网远程抄表系统。
该系统主要运用廉价的单片机作为CPU
分站。
对小区用户的电量等能耗信息进行采集。
系统采用分布式结构，与上位微
机一起构成典型的分布工测控系统。
系统充分考虑到现场总线通信标准对传输距离和波特率的限制，兼顾了系统
的带载能力，同时也为提高远传系统的可靠性，在各种远传基表与上位微机之间，
系统采用了两级采集器的结构形式。
其中，二级采集器由于采集远传基表的能耗
信息而被称之为采集器。
一级采集器因主要负责集中数据采集器中的数据、并上
传至上位微机中而被称之为数据集中器。
上位微机与集中器、采集器之间可通过
现场总线进行数据传输，采集器通过屏蔽双绞线采集电表发出的能耗信息，并进
行换算和存储，采集器对电量的采集可直接通过DF型多用户电能表上的接口接
受用户的电量信息。
如此，构成了两级分布工测控系统。
系统便于管理，管理人员可以通过上位微机的操作界面实现对用户电表能耗
的远程抄取，还可以对参数进行设定和修改，也可以通过专用的红外抄表器进行
现场操作、弥补自动抄表不便时的不足，此外系统还具有以下特点：
♦硬件简单、经济实用，且功能强大；
3
♦可移植性较强，稍做改造即可变成多用户多表联网远传系统；
♦系统成本相对其他应用系统不高，能够被市场和用户接受，市场前景广大；
♦系统的安装和维护方便、工作稳定性较好；
♦系统选用符合国家计量标准的远传基表，系统计量的准确性和可靠性符合
或略高于国家相关技术规范和标准化；
♦系统的环境适应能力较强、通用性较好，便于实现技术的推广和应用等。
1.4本文所完成的主要工作
针对目前电表联网远程抄表系统发展的现状和存在的问题，结合本课题的设
计任务和技术要求
[2]，本文主要解决以下几个方面的问题：
1.完成远程抄表系统的硬件设计，达到如下功能或性能：
（1）能耗抄取：
数据采集器正确采集电量信息，存储在采集器中；自动定时地
对DF电表进行抄表，将抄得的数据存储在集中器中；能通过红外抄表器抄取集
中器中的能耗数据；集中器自动定时地对采集器进行抄表，将抄表的数据存储在
集中器中；上位机可以远程获取用户的各类能耗信息。
（2）参数设置：
上位机可对集中器、采集器的参数进行设定，可对用户的电量
进行设置，并可以根据电表信息对采集器进行设定。
2.完成各部件和上位微机的软件设计：
（1）对采集器和集中器中各硬件进行程设计，包括系统主流程及各子程序的编
写；各个硬件的驱动及初始化。
（2）上位机的软件设计：
采用客户机/服务器的客户服务形式对上位机进行软
件编程。
1.5本章总结
本章提出了本文的设计课题，介绍了与课题相关的技术发展现状，明确了总
线制抄表系统的设计思想，并且提出了设计所要解决的主要问题和相应的初步设
想。
1学院本科毕业设计（论文）抄表系统总体结构设计
4
第2章抄表系统总体结构设计
2.1系统组成
自动抄表系统是一个完整的通讯检测控制体系，最上层是计算机管理层。
这
层由各种工作站、库服务器等计算机设备组成，其中配备管理软件，实现如读取
数据、统计用电情况等功能。
每个台区里要有一个中间的转发层，这里称之为“集中器”。
集中器每个台
区至少配备一台，负责向上与管理层和向下与采集层的通信联结，主要起通讯和
暂存数据的作用。
向下的通讯使用总线技术；向上的通讯除了使用总线技术外，
还有一些如红外、无线等辅助性的通信手段。
最底层是电表层，由各种电度表组成，主要完成能耗计量。
实际的系统中，处于对成本的考虑和实际使用情况，系统结构还有一些其他
的变化。
目前的城市民居楼宇中，有很多为了便于人工抄表和安装维修，电度表采取
了集中安装的方法，把一个单元的十几户的用户表安装于同一个大表箱中。
所以
针对这种情况，产生了若不种衍生方案，这些方案都是只在最下层作了扩展。
[3][4][5]
2.2通信标准的选择
本系统的一个重要的问题就是通信问题。
要根据系统的通信距离来选择合适
的通信标准。
如果通信距离要求太高的话，可以采用电话线公网或者无线GPS
等方式来进行通信。
在通信方式中，大多数采用串行通信方式。
这里先对常见的串行总线标准作
一个比较。
常用的总线标准有RS-232、RS-422和RS-485等等
[6]，RS-232是异步
串行通信中应用最广泛的一种标准总线，其单向数据传输最大速率为了20Kbps，
最大传送距离为15m，显然这种总线标准是无法满足本系统的技术要求的，且其
数据传输速率较慢，易产生干扰。
RS-422传输距离较远，最短为12m，数据传输
最大速率为10Mbps；当速率为1Mbps时，传输距离可达120m；当速率为100Kbps
时，传输距离可达1200m；RS-422抗干扰能力强，传输速率快，且为全双工的。
我们知道，RS-232和RS-422有一个显著特点，即RS-232接口与RS-422接
口通常吸用于点对点通信系统中，若系统中需要相互通信的节点数超过两个时，
他们都无法直接满足要求。
因此，EIA制定了新的接口标准RS-485，它能支持一点对多点的通信，RS-485
电气标准与RS-422完全一样，只是RS-485工作于半双工方式。
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RS-485标准总线是一种平衡传输方式的串行口接口标准，它允许在电路中
有多个发送器，且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送
器、接收器或收发器的组合单元。
RS-485的共线电路结构是一对平衡传输的两
端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可以挂在平衡传输线上任何
位置，在数据传输中实现多个驱动器与接收器通用同一传输线的多点应用。
RS-485通信接口的信号传输是用两根线之间的电压差来表示逻辑“1”或“0”
的，因为发送端仅需两根传送线，而接收端也只需要两根传送线，这样，RS-485
接收端与发送端公需两根线就能完成信号传输。
RS-485标准总线的特点是：
抗
干扰能力强、传输速率高、传输距离远，在采用双绞线，不用Modem的情况下，
在100Kbps的传输速率时可传送1200m，若速率为960Kbps时，可以传送1500m，
甚至更远。
由于RS-485具有上述优点，能够支持一点对多点的通信，便于组网通信距
离也能满足本系统的设计要求；且电表联网远程抄表系统对实时性要求不高，能
耗的抄取也是不经常发生的，一般情况下仅需要每月抄一次。
所以本系统选择了
半双工的RS-485的通信标准。
2.3系统总体方案确定
在我们确定了通信标准之后，就可以对整个系统进行设计了。
既要充分考虑
RS-485通信标准中对传输距离和波特率的限制，又要兼顾到系统的带载能力，
来确保系统运行的可靠性，在基表与上层管理微机之间，采用了采集器、集中器
两级结构形式，系统的总体分布结构如下图2.1所示。
图2.1系统总体结构图
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上位微机与集中器之间可通过RS-485总线进行数据传输，采集器通过屏蔽双
绞线采集用户各种远传能耗基表的信息，并进行换算和存储；采集器对电量的采
集可以直接通过DF型电能表上的RS-485接口接受用户的电量信息，也可以通过
采集器上的红外接口，利用专用红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读取等
整个系统采用如此结构主要有以下几方面考虑：
首先，成熟的技术保证了系统的顺利实现。
一方面，随着目前远传基表市场
的日趋成熟和科学技术的不断完善进步，国内市场已出现许多能够生产符合国家
计量标准的远传基表专业厂家。
另一方面，传输网络目前一般采用RS-485或
LonWorks技术来构建传输网络平台，其技术本身也是完全成熟的，只要能正确
的组网、进行相应的软件开发并制定出完善的通信协议就能确保系统网络传输的
稳定可靠。
其次，系统采用了RS-485通信标准。
由于RS-485接口可以在一个通道上进
行半双工通信，所以，只需两根经便可实现双向通信，极大的方便了构成一点对
多点或多点之间的相互通信。
因此可以用组建RS-485网的方式将系统中的采集
器、集中器和上位微机等构成有机统一的两级分布式网络系统。
一方面，这便于
系统的综合布线和扩充，也便于迅速发现和排除故障，同时，两级分布式网络系
统也更有利于用户能耗数据的可靠存储，大大提高系统的带载能力；另一方面，
两级分布式测控系统还便于系统的灵活运用和组合，更能满足小区建设规模大中
小的变化要求。
且两级分布式测控系统扩大了系统的应用能力同时也增加了管理
者的管理能力，对系统推广和应用而言更趋于合理
[7]。
此外，上位微机的应用可以更有效地对用户各种能耗数据进行存储、处理和
分析，可以实现历史数据的查询、数据通讯、账单票据打印、报表生成以及便于
系统维护等等功能；还可以方便地对数据采集器、集中器进行参数设置、运行状
况监控等，保证系统正常运行。
2.4本章小结
本章阐述了电表远传抄表系统的功能目标和设计原则，提出远传抄表系统的
总体结构图，并分别阐述了远传基表、采集器、集中器在系统中的位置、功能以
及设计构想。
在分析各种通信方式后明确了使用RS-485通信协议进行数据传输
的设计方向。
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第3章抄表系统的模块功能设计
3.1抄表系统的整体结构
在了解国内外现有的产品特点的基础上，为了使抄表器的功能更加完善，设
计的抄表器具有计数、数据存储和数据处理、电量及其状态的显示、与控制中心
通讯等基本功能。
整体结构如图3.1所示。
CPU
串口扩展模块
数据传输模块
监控模块
时钟模块
电能采集模块
LED显示模块
图3.1抄表系统的整体结构框图
系统的整体工作流程如下：
1.脉冲采集计数模块根据脉冲计算出电表的数据，存储于内部的RAM中。
2.AT89C51根据时钟模块的时间设定，定时向脉冲计数模块发送数据传输命
令，收集其电表中的数据，并根据设定好的程序，存储于外部的RAM中，等待上
位机的查询，并把没有反应过来的终端的号码记录下来，上传给上位机。
3.上位机操作中，有定时抄送和随时抄送两种模式；定时抄送，即上位机根
据系统设定的时间，查询各脉冲采集计数模块中的数据；随时抄送，指在某种特
殊情况下，需要单独的对某一用户进行复查等。
在两种模式下，对没有反应的终
端做备份，并警告等。
3.2抄表系统的各功能模块设计
这是整个抄表部分的核心部分，由图3.1可知，主要由CPU（MCU）、时钟模
块、电能采集和计数模块、显示模块、串口扩展模块、数据传输模块、监控模块
等组成。
每一个部分的正确选择与设计、及电路的连接对该系统的硬件电路而言
是十分重要的。
3.2.1CPU的选型
1.CPU是整个系统的核心部件，它直接影响系统的性能。
本系统中选用的是
AT89C51单片机
[8]，现对其功能引脚，电路特征作一个详细的介绍。
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◆与MCS-51系列的单片机相容；
◆片内集成4KrFLASH存储器，可反复编程/擦除1000次；
◆全静态设计，时钟频率范围为0～24MHz；
◆32条可编程的I/O口线；
◆128×8字节的内部的RAM；
◆芯片有2个十六位计数器（计时器）；
◆共有5个中断源，2个中断优先级；
◆可编程串口通道；
◆具有4种工作模式的全双工串行口；
◆低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；
◆片内振荡器和时钟电路；
AT89C51是一种性价比高，功能先进的8位微处理器，在许多的嵌入式系统
中得到了广泛的应用，尤其是内部4K字节的EPROM为使用者提供了很大的方便，
当应用程序较小时，不用为CPU添加外扩的ROM。
空闲工作模式和掉电保护模式
可以保证CPU工作在低功耗的状态下，内部的RAM的数据不会丢失。
1.AT89C51芯片主要引脚介绍
[9][10]
图3.2AT89C51外形引脚
（1）VCC：
AT89C51电源正极输入，接＋５V电压；
（2）GND：
电源接地端；
（3）XTAL1：
接外部晶振的
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