智能电度表设计一.docx

1、智能电度表设计一智能电度表设计(一）22。2 A/D转换器TLC5491XX2. 看门狗监控器的选择 X2505.2。4 通讯总线的选择RS485总线12.3 本设计电度表的误差分析272。3.1 机械表芯测量误差22。3电子检测误差23。 软件设计0XX.1 软件设计的思想和方法30。2 软件流程图314。 结论33致 谢3XX：3XX1。 绪论XX1课题的研究意义XX随着国民经济的不断, 电力已经成为XX的最重要能源。近年来,我国电力系统有了很大的，特别是作为基础自动化的变电站综合自动化更是方兴未艾，其中电度量对电力部门来说是一个非常重要的参数。就民用电力来说,由于人民物质生活的极*富,

2、生活质量迅速提高， 对电力的需求也越来越大.但是，当前居民用电的管理过于落后， 居民用电管理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方式。在走向信息化，网络化，电力系统大踏步的今天,手工抄表更是与无人值班等高度的自动化了鲜明对比 ，成为制约供电系统管理的一大障碍。就系统的完整性而言，电力系统从发电 ，配电 ,传输一直到区域变电所已基本实现网络化管理 ，而唯独用户终端没有和网络连接上 ,造成了系统的不完整 ，直接或间接的影响了系统潜能的发挥。XX居民用电绝大多数实行“分表制”, 即若干集中居住的家庭（一个居住单元或若干居住单元的集合） 使用一个总的电表,每户装一个分电表, 电力部门抄表

3、员抄收总电表的电量， 作为居民交付电费的依据.居委会或物业管理部门还需去抄取*家电表的读数, 按比例收取电费。这种用电管理模式， 给居民带来诸多不便， 而且增加了管理人员的工作。2021年开始在全国范围内实行电力城网、农网改造，使得电度表数量迅速增大，抄表的工作量就会越来越大，因此在电网改造过程中实现自动抄表是非常必要的，同时也是电能管理进步的要求.据统计，仅电力部门的抄表队伍人数就数以万计, 且人为方式弊端多， 工作效率低,给管理部门造成了人力、物力、时间上的极大浪费。为了适应的需要,保证用户安全、合理、方便地用电， 对传统的电表和用电的管理模式进行改造， 使之符合的需要就显得很有必要。要实

4、现电表集中自动抄表， 其前提是电表需首先实现智能化， 这样才能实现数据出户， 以达到集中抄表的目的。要实现自动抄表,就要使电度表具有远传功能,而常用的电度表多为感应式机械电度表，这种表具有运行可靠、结构简单、价格便宜的优点，但不具有远传功能.正是由于以上背景 ,智能电度表应运而生.所谓智能电度表,就是应用计算机技术 ，通讯技术等,以智能芯片(如C）为核心 ,具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。XX1.2 智能电度表的情况XX1.21 机电结合的电度表XX第一类机电结合的电度表,是在原有的机械表的基础上， 加装电子式计数装置和相应的控制、通讯电路，或加上IC卡读写接口

5、以实现自动计量计费和控制； 其基本结构是在原有机械电度表的转盘上打孔或涂(贴) 上能吸收光线的材料， 通过光电转换， 将机械转盘的转动变换成电脉冲信号，再进行相应的计数处理。这类电度表由于其计量原理没有改动,其计量精度和特性与机械表完全一样， 而成本相对较高,其优势在于能充分利用现已安装使用中的大量的机械电度表, 且其计量原理为大众所熟悉而容易接受。另一类机电结合的电度表则是采用电子式计量电路在获得数字式脉冲信号后， 通过微型电机驱动字码转轮得到电能计数值， 这种结构是最简洁可行的电子式电度表的方案，但遗憾的是其对计量电路的要求较高，即要求所有的表都按一个固定的比例将电能值转换为对应数量的数字

6、脉冲, 才能按正确的速度驱动微电机以转动字轮。这个比例就是所谓的电表常数( m/kwH)， 由于电路中所用的决定脉冲速度的定时元件大都是参数离散性较大的阻容元件， 为了保证电度表的计量精度和产品的一致性， 就必须在生产过程中对元件的筛选和对半成品的调校， 也就是说要增加相应的人力物力的投入并要延长生产周期, 从而使电度表的生产费用和成本有所增加。另外这种结构的电度表在数据收集和用户缴费方式上与老式的机械表没什么区别， 应属淘汰产品。12.2 全电子式电度表XX全电子式电度表则是当今国内最先进的一类电度表, 其采用先进的单片机技术和专门设计的电能测量集成电路， 具有计量精度高、可防止窃电、自身损

7、耗低和可靠性高等特点。其中的一些型号还具有复式计费功能。由于此类电度表的用电量数据已经数字化, 可以很方便地与*种数据收集传送电路配合组成自动计量计费的系统， 是现行家用电度表的换代产品， 该类产品的大量使用将节省供电部门大量的抄表计算工作， 并能及时回收电费(先付费后用电)， 具有巨大的经济效益和效益。XX抄表方案， 国内近几年流行以下几种模式：1）总线制集中抄表: 电表部分采用智能电表， *户智能电表信号线并接在一根总线上, 总线连接到楼下转接器， *楼转接器与小区的集中器相连， 由集中器集中供电. 智能电度表设计(一）（2）2）电力载波抄表： 电力载波集中抄表系统是直接利用现有低压输电线

8、路进行数据传输的集中抄表系统, 省去了铺线工程, 优势明显.该系统集微电子技术、通讯技术和计算机技术于一体的高新产品, 具有高可靠且安装简单等显著特点， 广泛适用于城市及农村的电表、气表抄收、计费和监控。但由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制:(1）配电变压器对力载波信号有阻隔作用， 所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送； （2） 不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同; (3）电力线存在本身固有的脉冲干扰。另外电力线上的高削减、高噪声、高变形, 使电力线成为一个不理想的通信媒介， 但由于现代通信技术的, 使电力线载波通信成为可能

9、, 其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。电力线载波通信的关键就是选用一个功能的电力线载波专用de芯片.系统组成：(1) 远传表.具有脉冲输出的水表、电表、气表、热表等计量表为远传表, 其计量方式与传统样, 不同的是在原基表上增加了脉冲输出功能， 每个脉冲代定的计量值.采集器通过远传表脉冲输出端口采集脉冲。() 采集器。我研制的采集器能同时采集水表、电表、气表、热表等输出的脉冲信息， 并将这些脉冲信息转换成计量认可的物理量，存储在*采集器的存储器中, 通过管理微机, 可以系统中任意一户的耗能信息， 并在管理微机的抄表等命令下将用户信息上传。XX（3） 转换器。转换器的主要任务为:完成与采集器

10、的数据通信工作,向采集器下达电量数据冻结命令， 定时循环接收采集器的电量数据或根据系统要求接收某个电表或某组电表的数据。根据系统要求完成与主站的通讯, 将用户用电数据等主站需要的信息传送到主站数据库中.下行通道指的是转换器与采集器之间的通信线路， 主要有总线抄表系统、载波抄表系统和红外抄表系统等三种方式。通信信道上行通道指的是转换器与主站之间的通信线路， 可以采用电话、无线、专线等通信介质。（) 系统管理软件功能。系统管理软件以通讯为基础, 以数据库为核心, 提供数据处理、统计、报表、备份等功能; 采用面向对象和模块化相结合的方法,灵活支持不同客户的要求, 如特殊格式报表， 权限控制等； 持客

11、户原有的管理系统, 可与其它管理软件接口，提供数据接口和通讯接口， 具有网络通讯功能； 可同时管理多个小区, 对*小区设置通讯参数；电表管理,设置电表的原始参数、地址、及其状态； 费率管理, 可任意设置多种费率， 设置能源的单价; 用户管理,管理和控制每户的用量，管理用户的结算式; 实时抄表功能, 系统可抄取*能源表的实时数据； 费用自动计算， 实现将公共能源损耗平均分摊或按比例分摊到每户并根据查表数据和单价, 自动计算每产应交费用， 以便向用户收费； 打印功能,打印*用户费用清单；功能,可随时任一户、任一单元全部住户及整个小区内所有住户的耗能信息。XX。3无线抄表XX无线抄表是利用空间的无线

12、信道实现数据传送的， 这样的抄表方式毋须置疑是最为简单、方便的抄表模式,甚至在最近某通讯规约的讨论稿中也初定了三表无线抄表使用的无线电频点， 但无线数据传输存在着在建筑物对无线号的反射、吸收等作用下， 信号传输不稳定的问题，另外表具安装位置、空间抗扰等也对其稳定工作有较大影响， 同时无XX线电表产品自身也存在功耗等问题，因此该模式概念上虽然都很好, 但真正大面积推广应用还有相当的历程。旧的事物, 新的事物产生， 是辩证唯物主义观中事物规律必然趋势， 同样智能电表的是也是随着科学技术的不断进步而必然前进的， 市场的需求也进一步推动了该的进步， 因此， 无论*地的用电管理部门还是智能电表生产厂家,

13、 都迫切需要有一个规范化的标准，以使目前的电表行业早日步入规范化、标准化的道路。1。3 本设计电度表的主要特点本设计电度表是在机械式电度表的基础上加入了微处理单元电子电路，实现了自动抄表,同机械式电度表相比,主要有以下几个特点：1）电度表的窗口值完全复制微处理单元能将电度表的窗口值完全复制,即内存单元中的读数值与该表计数器窗口显示值无差。该特点优于任何一种以脉冲式电度表。因为脉冲累计式的产品不可避免地丢漏脉冲而产生误差。） 无需设置初值任何一类脉冲表，开始工作时都不可避免要设置初使值，每当抢修、停电（计算机系统）、核表等都如此，而本产品不需要。因而大大地方便了电度表的安装与使用。XX) 可靠的

14、计量性能XX因不改变原基表测量电路及元件，仅对其机械计数器进行光电编码,复制计数器窗口值,这样就保证了原基表的测量精度。XX4)方便的召唤读出方式XX当上位机下发读表指令时，微处理单元校核指令正确后读表,通过S45上发窗口值，这样即取即读，节约了通道*,同时保证了数据传输的可靠性。XX5） 功耗少XX因采用了召唤读出方式,且处理单元所用芯片为低功耗CS电路,所以未召唤读表时,编码器不加电，耗能极低。2. 智能电度表的硬件设计.1 工作原理此智能电度表的技术核心部分是对感应式机械电度表的机械计数器直读并远传，它由以光电器件为核心的偏码器和以单片机为核心的处理器两部分组成.XX编码器就是对原有的机

15、械计数器进行改造,加装光电编码装置，它由底板和垂直插板构成，计数器的字鼓上开有两个不同型状的透光孔，在立板的电路上焊有对称分布放置的发射及接收微封装光电耦合对管。这样XX当计数器的字鼓置于两个立片之间时，就能根据发射接收对管和字鼓上透光孔相对位置的变化XX出不同的二进制码。XX处理器以单片机为核心的电路构成。CPU通过串行接口收到的远端上位机下发的读表命令后，它逐位读取*位计数器字鼓对应的接收管的电压（每个字鼓有五对发射接收对管),据电压的不同按照特定的编码原则，把每个字鼓上的窗口值转换成相应的BC码. 并通过RS-85送出读数值.由于选用了具有内置程序存贮器和串行通讯口的C2051单片机，使

16、得电路得到很大的简化，体积也相对地减小，可以在不改动电度表内部结构的基础上把微处理单元安装于电度表内，达到计量不出表。从而提高了计量的准确性和可靠性。另外，还可用程序追踪判定读数正误,更提高了计数器的数值读数的准确度。 当CPU通过RS485收到上位机发出的读表命令时，把命令中的地址码与从2045中读出的本表地址码比较，当其一致时开始读表;首先把PU的1。置低电平，选通TL49,使放大的电流加到电度表计数器中的发射管；通过1.、P1。1、P1和P13分时选通每片D，而通过P1。4、P1.5和P1.实现CD4051的八选一,这样就可以把3路接收管的电压分时加至TL49的模入端，PU从LC549读

17、入对应的数字量；然后再置P7为高电平,停止读表。把采集到的值经过特定的编码方式进行编码、查表,可确定电度表计数器的示值。通过S485把本次的读表示值上传给上位机,完成本次的读表操作.2.2硬件电路设计XX在本设计智能电度表的硬件电路设计部分中，CU采用了单片机AT89C2051。单片机89C051是20脚双列直插且具有2K字节的F*h Me作为程序存储器，12字节的内部RAM，P口是双功能端口.4片CD401组成输入信号选择电路，接收来自30只接收管的电压信号。XX30路信号选通进入A/转换器54，LC54是8脚双列直插的八位串行/D转换器，转换时间是1us,/O时钟频率可达。1M。S5BC1

18、84是具有瞬变电压抑制的S485收发器,能防雷电和抗静电作用,具有热关断保护；总线上可挂6个收发器,传送数据速率在0i/时通信距离可达1200m。XXX505是可编程看门狗监控E2M，它把可编程看门狗定时器、电压监控和O组合在单一封装之内;外部I/O采用串行操作,512 X 8位串行EPROM,本机用于存放本表的地址号;看门狗定时器有1。S、60S、20mS可选。电压监控在电源电压低至1V时，复位信号有效。XX硬件结构框图2。1XX图2.1微处理单元硬件结构2。2。1本设计核心芯片89C25XXAML9系列单片机是ATL的 位F*h 单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有F*h 存

19、储器，因此,有着十分用途,特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得尤为适用。XX在小型中，活跃着892051 单片机这类简单适用的微处理器。它不仅包括了运算器和控制器，还有小规模的存储器以及输入输出接口。可以地完成数据的采集、处理，与仪表或PC机进行串行通讯或接受仪表发送的数据。XX89 系列单片机是以831 技术为核心构成的器件。所以，它和05系列单片机是完全兼容的系列产品。这个系列对于以8051为核心的系统来说,是十分容易进行取代和构造的。因此，用 系列单片机取代051 的系统设计是轻而易举的事。采用 89C2051 芯片作为*处理芯片，由于该单片机采用静态时钟方式，所以节省电

20、能，这对于降低产品的功耗十分有用。对于一般的OTP 产品，一旦错误编程就成了废品。而8C251 芯片内部采用了F*h 存储器：89C2芯片是一个带有2k F* 可编程、可擦除只读存储器(EPROM） 的低压、高性能8 位CS 微型计算机.因而，在89C2051 芯片的使用过程中,错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。可以反复进行系统试验。每次试验可以编入不同的程序,这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随着用户的需要和产品的更新换代，还可以不断地进行修改，使系统能够不断追随用户的最新要求，与时俱进。在一般情况下，可以重新使用100 次左右.它采用了ATMEL的*非易失存储技

21、术制造,并且和标准MC51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的P 和F*h 存储器，使89C2051 成为一款强劲的微型计算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活和成本低的。XX1）8C2051 芯片92051 芯片除提供以下标准功能:2kF*存储器；18字节M；它还具有15 条/ 0 引线；个1位定时器/ 计数器；个5 向量 级中断结构;个全双工串行口；1 个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路。此外,89C2051是用可降到0频率的静态逻辑操作设计的，并支持两种可选的软件节电工作方式。空闲方式停止CPU工作，但允许RM、定时器 计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式保存

22、RAM 内容,但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件的工作直到下一个硬件复位.主要性能参数：MCS-51产品指令系统完全兼容XX2K字节可重擦写闪速存储器XX00次擦写周期.76V的工作电压范围XX全静态操作：024M两极加密程序存储器XX188字节内部RAM1个可编程I/O口线XX两个16位定时器/计数器6个中断源XX可编程串行UAR通道XX可直接驱动LD的输出端口XX内置一个模拟比较器XXXX智能电度表设计(一）（3）低功耗空闲和掉电模式AT89C051 的引脚结构.2图。289C2051引脚结构XX引脚功能:VCC 电源电压GND 地P1口：P1 口是一组8位双相I/O口，P12P。7提供

23、内部上拉电阻主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端（AINO)和反相输入端(AIN1)，如果需要应在外部接上拉电阻。Pl口输出缓冲器可吸收2电流并可直接驱动LE。当P1口引脚写入“1”时可作输入端，当引脚 Pl. 2Pl 用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流。P口 接收一些用于F*h闪速存储器编程和程序校验的控制信号。XXST: 复位输入。RST引脚一旦变成两个机器周期以*电平,所有的 口都将复制到“1（高电平)状态，当振荡器正在工作时,持续两个机器周期以上的高电平便可完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。XXXTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入

24、端.XTAL2：振荡器反相放大器的输出端.XX振荡器特征:XXXTA,A为片内振荡器的反相放大器的输入和输出端,如下图所示。可采用石英晶体或陶瓷振荡器组成时钟振荡器,如需从外部输入时钟驱动AT89201,时钟信号从XTA1输入，A2应悬空。由于输入到内部电路是经过一个2分频触发器，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但它必须符合电平的最大值和最小值及时序规范.XX2） A892051指令的约束条件：XX AT9C2051是经济型低价位的微控制器,它含有k字节的F*h闪速程序存储器，指令系统与MCS5完全兼容,可使用MS-51指令系统对其进行编程.但是在使用某些有关指令进行编程时，须注意一些事项

25、和跳转或分支有关的指令有一定的空间约束，使目的地址能安全落在AT8C21的2k字节的物理程序存储器空间内。对于2字节存储器的AT89C2051来说，LP 7EO是一条有效指令，而LJMP 00H则为无效指令。（)分支指令对于LCAL, LJM, AL,JMP， SJMP， MP ADPTR等指令，只要记住这些分支指令的目的地址在程序存储器大小的物理范围（C51程序地址空间为:OOH7FH单元），这些无条件分支指令就会正确执行，超出物理空间的限制会出现不可预知的程序出错. XXCJNE，DJN, JB, , C， ， ， JNZ等这些条件转移指令的使用与上述原则一样，同样，超出物理空间的限制也会

26、引起不可预知的程序出错。至于中断的使用,80C5系列硬件结构中已保留标准中断服务子程序的地址。XX（)与X相关的指令，数据存储器XXAT89C2051包含18字节内部数据存储器,这样，AT8C20的堆栈深度局限于内部RAM的28字节范围内,它既不支持外部数据存储器的访问，也不支持外部程序存储器的执行，因此程序中不应有VX指令.一般的8C51汇编器即使在违反上述指令约束而写入指令时仍对指令进行汇编，用户应了解正在使用的AT89C0微控制器的存储器物理空间和约束范围，适当地调整所使用的指令寻址范围以适应AT9C051.XXAT9C2051可使用对芯片上的两个加密位进行编程(P）或不编程(U）来得到

27、，功能如表.3所示表.3XX空闲模式:XX在空闲模式下，CU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时,片内RM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。P1.0和P11在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0 “,或者在使用上拉电阻的情况下设置为“1”应注意的是:在用硬件复位终止空闲模式时，AT8C201通常从程序停止一直到内部复位获得控制之前的两个机器周期处恢复程序执行。在这种情况下片内硬件禁止对内部R的读写，但允许对端口的访问,要消除硬件复位终止空闲模式对端口意外写入的可能,原则上进入空闲模式指令的下一条指令不应对端口引脚

28、或外部存储器进行访问。XX掉电模式:在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。1。和P。1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0 “，或者在使用外部上拉电阻时应设为“1”。2.2 A/转换器TC9XXLC549是以位开关电容逐次近A/D转换器为基础而构造的CSA/D转换器。它设计成能通过3态数据输出与微处理器或设备串行接口。TLC5

29、49仅用输入/输出时钟和芯片选择输入作数据控制。TLC49的/O CLOCK输入频率最高可达。M。TLC549的使用与较复杂的LC和TLC41非常相似;不过，TC49提供了片内系统时钟,它通常工作在4M且不需要外部元件.片内系统时钟使内部器件的操作于串行输入/输出端的时序并允许C4象许多软件和硬件所要求的那样工作.COCK和内部系统时钟一起可以实现高速数据传送，对于TC54为每秒0,000次的转换速度。TLC5的其他特点包括通用控制逻辑，可自动工作或在微处理器控制下工作的片内采样保持电路，具有差分高阻抗基准电压输入端，易于实现比率转换（ra*er*nvrson）、定标(scang）以及与逻辑和

30、电源噪声隔离的电路。整个开关电容逐次近转换器电路的设计允许在小于17的时间内以最0。5最低有效位（L）的精度实现转换。2. 看门狗监控器的选择X505看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路,但系统需要出让一个定时器*,这在许多系统中很难办到,而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行”，如计数型的看门狗电路通常由55多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。XX1) X4芯片XX2505是ior的生产的标准化8脚集成电路,它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计,提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机芯片。XXX2045引脚24所示。图2.4 X255引脚结构XX其引脚功能如下XXCS:片选择输入;SO:串行输出，数据由此引脚逐位输出;S：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X254；SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；P：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；Vs:地；Vcc：电源电压;RESET：复位输出。XXX25045在读写操作之前，需要先向它发出指令,指令名及指令格式如表