基于AT89C51的远程抄表系统设计本科生毕业设计 精品.docx
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基于AT89C51的远程抄表系统设计本科生毕业设计 精品.docx
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基于AT89C51的远程抄表系统设计本科生毕业设计精品
基于AT89C51的远程抄表系统设计
摘要
介绍了一种崭新的以AT89C51单片机为核心器件,结合外部元件设计的远程抄表系统设计方案。
并介绍了具备远程数据采集功能和数据通信功能的系统的硬件设计和软件设计。
经投入使用,表明该系统的各种功能都能达到预期效果,效果较好。
另外还进行了抗干扰分析,并从硬件和软件上进行了抗干扰设计,对印制电路板的电磁兼容问题给了一些相应的解决措施,并在ansoft中进行了性能仿真。
从而使系统抗干扰性能有了明显的提高。
该课题对电力系统中电能管理有一定的适用价值,同样还可以推广到其他相关的一些行业,有较高的社会推广价值。
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。
该远程抄表系统实现了多用户的电能信息的远程自动抄表,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;AT89C51单片机;RS2485
DesignofremotemeterreadingsystembasedonAT89C51
Abstract
UsingAT89C51single-chipmicrocomputerasthecoredevice,combinedwithexternalcomponents,thedesignofaremotemeterreadingsystemispresentedinthispaper.Thehardwareandsoftwaresystemswhichpossesstheremotedatacollectinganddatecommunicationfunctionsarealsodesignedinthispaper.Thesystemhasbeenusedinpractice,Theresultsshowthatthevariousfeaturesofthesystemachievedthedesiredresultsandgoodeffects.Inaddition,anti-interruptionperformanceandadoptaccordingtheprecautionbasedonthehardwareandthesoftware,toimprovethesystem'sreliability.GivesomemethodstosolvetheEMI/EMCproblemoftheprintedcircuit.EmulatetheEMI/EMCperformanceoftheprintedcircuitintheansoftsoftware.Generally,thestudyonthetopicwilldevelopahighlevelontheelectricalpowersystemmanagement.Anditisveryworthyofgeneralizationandapplication.Thearticlegivesanall-rounddesignofthissystem.Itexpatiatesondetaildesignsofdatacapturingandcollecting,datacommunicationnetworkandmode.Inthisthesis,aboutthehardware,aparticularexplanationofthechoiceofCPU、inspectcircuit、datamemoryetcweregiven.AnditusesasynchronousserialcommunicationtechnologybasedonRS-485electricinterfaceascommunicationmeans.Thesoftware,wegivetheprogramofimpulsecollection、communication、displayandsoon.ThisLong-distancemeterreadingsystemrealizesthemulti-userpowerinformationremoteautomatictranscribing,canrealizeresidentialenergyconsumptionofhighqualityandhighefficiencymetrologymanagement.
Keywords:
remotemeterreading;AT89C51single-chipmicrocomputer;RS2485
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1.绪论
1.1远程抄表系统的国内外概况
远程抄表系统又称自动抄表系统,国外称为AutomaticMeterReadingSystem,通常缩写为AMRS。
它是将终端用户电表单元的数据采集后,通过现代传输通讯技术送到远端管理部门进行数据处理的系统。
采用远程抄表技术,不仅能节约人力资源,更为重要的是可以提高抄表的准确性,减少因估计或誊写而造成账单出错,使供管部门能及时准确获得数据信息。
由于用户因此不再需要与抄表者预约上门抄表时间,还能迅速查询账单,这种技术越来越受到用户的欢迎。
远程抄表系统广泛应用于电力部门。
随着公用事业部门的现代化管理需要,智能化住宅概念的推广,此项技术在近年来在国内外取得了迅猛的发展。
对该项技术的研究也从各个角度展开,从国内外相关技术拓展报道看,市场前景广阔。
九十年代以来,美国在AMR技术的开发和应用上取得了长足的进步。
据资料披露,美国在1990年度,共有791项AMR应用项目,其中约有550万台电表实现了自动抄表;而这个时期主要是采用的EMR(Readingandenteringdataonahand-heldcomputerkeyboard)采用手持计算机的人工抄表:
随后开发了OMR(off-sitemeter-reading)无线方式的户外抄表。
是指通过车载无线电自动抄表。
九十年代以后,随着电子及通信技术的发展,出现了以电力载波、电话网、有线电视网、无线通讯为媒介的AMR技术,并在以美国为代表的西方发达国家广泛的推广应用。
信息化社会在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时,也对一些传统的理念提出了挑战。
随着科技的进步、人民生活水平的提高,在智能化小区的管理系统中,安全自动化、通信自动化和管理自动化是三个主要的特征。
耗能表(冷、热水表、电表、煤气表)数据抄收问题是衡量小区管理水平的一个非常重要的,不可回避的问题。
对于它们的抄收问题解决是否有效将直接影响到居住的安全性、便捷性,也影响到物业管理工作。
以往耗能表的抄收采用人工方式,不能保证数据的准确性和实时性,会造成大量的人力、物力及时间上的浪费,也可能造成错抄、漏抄、估抄的现象,给收费人员和住户带来很大的麻烦,甚至造成很多不必要的纠纷。
因此远程抄表系统既能满足实际要求,又能提高能源管理的自动化水平和现代化水平,是促使人工抄表方式向数字化、自动化方向发展的方式。
这样,远程抄表系统成为了小区“智能化建设”的一个重要的部分,成为新兴智能小区的必备条件。
1.1.1上层星型通信方案
星型通信系统是以安装在供电局管理中心的系统工作站为中心点,以发散形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接,形成一对多的连接形式。
在这种方式下,信道的通信数据量较大,要求有一定的传输速率和带宽。
根据信道的介质可以分为光纤、电话线和无线三种模式。
(1)光纤通信
光纤通信具有带宽、传输速率高、传输距离远以及高抗干扰性等特点,非常适合上层通信网的要求。
因为光纤本身难以实现T型连接,不能实现总线结构(除非采用光纤环网技术),因此特别适合于星型连接。
由于目前星型连接节点造价高,安装费用也比较高,在ARMS系统中无法采用。
随着光纤技术和网络技术的发展,不久以后再ARMS系统中使用光纤通信网进行上层通信将是一种很好的选择。
(2)电话线网
由于电话线网在城镇的迅速普及,利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效的方案。
利用电话通信,只需在数据集中器和管理中心主机加调制解调器(Modem)即可,其通信速率可达2.4kbs,9.6kbs甚至56kbs。
主机对集中器的呼叫主要通过拨号由交换机自动完成。
(3)无线通信网
利用无线电波进行无线通信,对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信是一种较好的选择。
其特点是传输频带较宽,通信容量较大(可达几千台),通信距离较长(一般几十公里,还可以通过中继站延伸到更远)。
在进行通信时,管理中心主机控制无线电台发出呼叫命令,各集中器收到命令后进行地址对比,如正确则发出应答信号,完成数据链接的建立,然后进行数据通信。
使用这种通信方式,安装调试方便,主要缺点是要申请频点使用权,如果频点选择不合理,相邻的两个信道会产生相互的干扰。
一般情况下,小型无线电台的通信速率较低,常用600bs或者1200bs,且设备安装成本较高,所以这种通信方式的使用场合有一定的限制,多用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。
1.1.2底层总线型通信
总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的,这种方式以一条串行总线连接各分散的采集器或电度表,实现各节点的互联。
在这种方式下,信道上节点较多,传输速率不高(与通信介质有关),传输距离短,不超过2000m,因此一般用于底层电能数据的采集。
常用的模式有低压电力线载波通信、RS-485网等。
(1)低压电力线载波通信
利用低压电力线作为AMR系统的底层数据通道其运行成本低,无疑是非常经济的方案。
在发送数据时,发送器先将数据调制到—高频载波上,再经过功率放大后通过耦合电路祸合到电力线上。
信号频带一般为50-300kHz,峰峰值电压不超过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,接收机通过耦合电路将高频信号分离出来,滤去干扰信号后放大,再经过解调电路还原成二进制数字信号。
低压电力载波通信网的系统结构与RS-485系统结构相同,采用总线结构。
在同一变压器区域下,一个集中器采集若千个采集器或电度表的数据,构成一个总线型图。
但是,利用低压电力线作为传输信道还存在许多问题。
首先,低压电力线信号特性决定了电力载波传输的复杂性。
低压电力线的衰减(高频信号)是低压电力线载波通信所遇到的一个问题。
信号的衰减与距离的关系,一般来说,成正比关系,传输的距离越长,信号的衰减程度也就越大、衰减得越厉害。
但是由于电力线是非均匀的、不平衡的传输特性,其接上的负载阻抗也不匹配,所以信号也会遇到反射、驻波等现象:
信号衰减与频率的关系,一般来说,频率越大,则衰减得越厉害;信号衰减与跨相传播的关系,通常的同相传播的信号要比跨相传播衰减要小:
信号衰减与电源相位的关系,有时高频信号在工频电源的每个相位范围时会发生较大的衰减变化,这些电路上通常有大量电容器或大功率电器,会引起高频信号的急剧变化,而开关电源会向电力线上释放大量的高频干扰,从而影响正常的通信工作;信号衰减与负载的关系,信号衰减会随着负载在电力线上的连接和断开而表现出不同的特点,由于负载变化的不可知性,所以信号的衰减也是随之变化的.
其次,电力线上的干扰非常大。
电力线上的用电设备等人为的干扰,以及自然现象中如雷电等非人为的干扰;周期性脉冲干扰和随机产生的突变性千扰,用电设备会在工频交流基波的某个固定的相位释放干扰。
还有大量的用电设备释放出干扰,而这些干扰的瞬动频率、周期、相位、变化很大,即产生连续变化的干扰;高压开关的操作,雷电,较大的负荷变化,以及电力线上的短路故障,通常持续时间较短,强度较大,不可预测性,能量高,频谱宽等。
因此如何抑制干扰,提高通信的可靠性是首要考虑的。
再次,不同地方的线路特性可能完全不同,使用线路的种类及线路上的负荷情况都回对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响。
即使是同一段电力线路,其传输特性也会随着各种电力负荷的投切而改变,所以通信设备的稳定性和适应不同线路的能力也很重要。
输入阻抗是电力线传输特性的一个重要参数,它关系着传输信号的频率,没有任何电力线是一根均匀分布的传输线,由于分布电感和分布电容的影响,很显然输入阻抗将随着频率的变化而变化,不同的时候,电力线上的输入阻抗是不同的,哪怕在同一地点,也会随着负载随机的断开和随机的闭合而不同。
同一电力线,在不同地点的等效阻抗也不完全相同,从戴氏定理可知,不同的等效端口得到的等效输入阻抗是不一样的。
电力线上阻抗的剧烈变化,如果用电力线即电力载波方法传输信号,那么发送机功率放大器的输出阻抗是不等于接收机功率放大器的输入阻抗,并很难在阻抗上匹配。
当前市场上应用于电力线上的调制解调器一般是基于移频键控(FSK)调制方式,由于传输速率低(一般不超过2400bs),而且抗干扰性能差、传输距离短,所以基本上是已经被淘汰,而被广泛使用的是扩频调制解调器。
扩频系统分发送端和接收端两个部分,接收端可简化为调制和扩频两个模块。
在发送端,信号首先对某个载频进行调制,调制器输出的窄带已调信号再送及扩频器进行二次解调,输出的信号为宽带已调信号。
由于扩频器是利用-高速伪随机码(PN)序列对发射信号调制,因此获得的输出信号的频谱密度大大地降低了。
接收端由解扩和解调器构成,在接收端,利用与发送端相同的伪码序列对收到的扩频信号进行解扩(扩频的反变化)处理,还原成窄带已调信号再经过解调器后,原始信号就解调出来。
由于扩频信号带宽与窄带滤波器带宽之比越大,信噪比也就越大,所以扩频通信是以较宽的带宽换取高信噪比,并提高通信的抗干扰能力、增强通信的隐蔽性。
因此这种调制方式将是低压电力线载波通信的发展方向。
(2)RS-485网
EIARS-485是CCITT标准化V.11/X.27兼容的平衡式电器特性标准。
该标准采用集成电路,在一对平衡的互联电缆上传送差分信号,在接收端用差分接收器进行信号判决。
这种接口具有抑制共模干扰的能力,因此抗干扰性能较好,信号发送频率最高可达1OMHZ。
在使用双绞线,信号速率小于100kbs时,传输距离可达1200m。
RS-485接口在一个通道上可以进行半双工通信,所以只需要两根线便可使双向通信,并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络,一般使用双绞线作为网络总线。
总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异,最多可以接128个节点。
对要求较高的系统可以考虑选用带光隔离的、抗雷电及抗静电放电的冲击的收发器,在进行系统设计时应综合考虑这些因素。
1.2本课题研究的背景,目的和意义
长期以来水表,电表,气表的抄收一直采用传统的人工查表方式,它是由抄表员上门逐家逐户的抄录用数据,并将查验结果记录在纸上,然后再由人工进行用量和收费计算。
但是随着城市现代化建设,居民住宅小区大量崛起,使得城市的水,电,气方面的建设规模日益扩大,管理工作也变得越来越复杂。
在这种情况下,传统的管理模式暴露出种种弊端:
一方面,由于用量管理内容多,要处理的数据量大,从用户建立到正常用量后抄表数据的记录,存储,统计,分析查找都十分繁琐和困难。
随着社会经济的发展和生活水的日益提高,人们对家居环境提出了越来越高的要求,安全、舒适、方便、快捷、人性化、智能化已成为新的追求目标,以往的住宅结构及管理方式越来越不能满足人们的需求。
随着电子计算机、网络信息技术和微电子技术的飞速发展给世界的各个领域带来了无限的发展空间,建筑领域也不例外,智能大厦、智能化住宅小区先后出现,也逐渐实现了小区网上物业管理、安防联网报替、宽带上网等,但对于耗能表的计量及其查表出户的解决还处于较低的水平。
本文是基于单片机为主结构搭建一个远程自超标系统,以取代目前广泛使用的人工抄表,并消除其带来的种种弊端,达到实时报表,准确无误,节省人力资源的目的。
本设计中,力求搭建出远程抄表系统的整体框架,利用单片机为主题,结合通信技术,控制技术,网络技术和数字电子技术等设计出一套远程抄表系统并最大限度的提高系统的稳定性,抗干扰性,实时性和经济型。
1.3远程抄表系统
1.3.1抄表系统的选型及其特点
(1)抄表系统的选型,主要考虑以下几个方面的功能
①具有储存功能,在出现特殊情况下,保证以前的所有记录的数据不会丢失。
②具有后备电源,停电时系统能正常工作.
③具有较强的抗干扰能力,工作的稳定性较高
④灵活的系统组成方案,可适用于小区、高层住宅、零散分布的住户及其其他情况的特殊小区,具有较好的扩充性能。
(2)完成功能
完全实现自动抄表功能,电表的读数由安装在电表内部的或者外部的计量、通讯模块、实时功能、数据的上传和下载,通过电话网络将这些数据抄送到管理处或供电管理部门等用电管理功能。
1.3.2远程抄表系统构成
图1.1远程抄表系统的组成
(1)如图1.1所示的自动抄表系统体系。
其中每个采集器要采集十几户到二十几户的电表脉冲,处理后变成抄表数据传输到集中器中。
(2)通过电话线或者其他的接入网络传到传入网络。
考虑到抄表系统的数据传输量不大和易于接入等因素,可使用电话线MODEM实现远程信息传输。
(3)对于整个抄表系统的数据采集,数据传送,以及芯片功能的实现,将会在后面的章节中详细介绍。
1.4本文所做的工作
本文以整个远程抄表系统的设计为研究内容,对国内外现状进行了详细的了解后,结合自己所学知识,以AT89C51为内核,搭建一个远程抄表系统。
这套系统不但能够实现对住户用电情况进行实时监控,而且能对他们进行准确的记录和计算,并根据PC机的要求适时的传送数据以供查阅。
在设计研制过程中主要解决以下几个问题:
(1)根据实际需求完成抄表系统的设计。
包括抄表系统的硬件设计,电路设计,抄表系统主要用来完成对电量的采集和计量工作以及与上位机(PC)之间进行通讯。
在设计过程中为了尽量减少硬件设施,降低功耗,简化电路,选用了功能强大的芯片。
(2)编写实现系统功能的软件。
利用汇编语言编写软件来实现数据采集功能并对数据进行分析,处理和保存。
利用C语言写采集器与PC机的通信程序,实现两者之间的数据交换。
(3)确定通信方式及通信标准,采用串行异步通讯标准RS-485,采集器测量到的数据以及设备状态可以通过RS-485总线传至智能小区的物业管理中心的PC机,有管理中心统一进行处理,真正实现“无人查表”。
(4)设计系统的抗干扰技术。
干扰问题一直是困扰远程抄表方式的难题。
在远程抄表系统中,影响系统计量准确性的因素是脉冲信号是否有效。
由于干扰信号的干扰作用可能会使脉冲信号在产生和传输的过程中发生错误的计数。
本课题为了避免上述现象的出现,在硬件和软件上做了大量的工作,确保计量的准确性和可靠性。
2.抄表系统的模块功能设计
2.1抄表系统的整体结构
在了解国内外现有的AMR产品特点的基础上,为了使抄表器的功能更加完善,设计的抄表器具有脉冲计数、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2.1所示。
图2.1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,并根据设置好的约定,存储于外部的RAM中,等待上位机的查询,并把没反应过来的上位机的号码记录下来,上传给上位机。
(3)上位机操作中,有定时抄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,指在某种特殊的情况下,需要单独的对某个用户进行复查等。
在两种模式下,对没有反应的PC机做备份,并警告等。
2.2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2.1可知,主要由CPU(MCU)、直流稳压、断电控制、显示、系统保护、时钟、外围储存电路、数据的上传、数据的下递、电源、数据采集等组成。
每一个部分的正确选择与设计,及其电路的连接对该系统的硬件电路而言是十分重要的。
2.2.1CPU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,对于本系统中选用的AT89C51单片机,现对其功能引脚,电路特征作一个详细的介绍。
①与MCS-51系列的单片机相容。
②内有4K的可编程ROM和128个字节的RAM.
③在0Hz到24Hz之间可以全静态操作。
④芯片有32条可编程U0引脚。
⑤芯片有2个十六位定时器(计数器)。
⑥共有6个中断源,2个中断优先级。
⑦可编程串口通道。
⑧具有低功耗的工作模式和掉电的工作模式。
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工作在低耗的状态下,内部的RAM的数据不会丢失。
(2)AT89C51芯
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