简析抄表系统远程自动抄表体系设计

论文导读：而具有串行接口输出方式的智能电表则可以通过相关协议将采集的多项数据进行可靠的远程传输。因而本文中采用的电能表为具有串行通信接口的智能电表。3系统硬件电路设计3.1系统供电方式设计由于本模块的使用现场环境相对特殊，故对于电源的设计必须充分考虑到系统供电的稳定性和可靠性。长期以来单片机系统中使用
摘 要：随着我国国民经济和电力事业的迅速发展，实现各种用户仪表的自动抄录具有重要意义。利用本地和远程自动抄表技术，可以实现自动抄表并达到实时监控电能表的目的，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。自动抄表系统成为电力公司解决抄表问题的一种选择。本论文主要介绍了基于单片机的远程自动抄表系统用户终端模块的硬件设计。该模块主要完成数据的采集和发送功能，本文主要解决了下面四个方面的问题：一是供电方式的硬件电路设计；二是掉电数据保护功能的设计；三是RS-23

2、RS-485串行通信设计；四是实时时钟功能的设计。

关键词：单片机 远程自动抄表系统 485总线 232总线
1672-3791（2013）07（c）-0021-02
1 系统功能描述
远程抄表系统主要由主站端数据采集计算机、客户端基于单片机的抄表模块、具有串行数据通信接口的电能计量仪表三部分组成。客户端的自动抄表模块与数据采集计算机通过RS-485串行通信接口相连接，实现数据传输。
远程抄表系统的工作原理是：用户终端的智能电表通过RS-232协议将数据传送给抄表终端模块，抄表终端在收到命令后把存储的数据信息发送给上级数据采集计算机，这样就完成了一次数据交换。本次毕业设计主要是研究客户端基于单片机的电能表远程抄表系统终端的实现方案和硬件设计。
综合考虑各种因素之后，将该终端单片机抄表模块所需实现的主要功能定义如下。
第一，正常情况下采用市电（220 V交流电）供电的方式，即采用交流电源即能维持终端模块的正常工作；系统具有备用电池供电功能以保证在断电情况下的供电。
第

二、具有数据掉电保护功能，能保存用户用电电量等信息。

第三，抄表终端与智能电表、远方数据采集计算机分别通过RS-232和RS-485协议进行通信。
第

四、终端模块具有实时时钟功能，便于实时测量用户用电电量。

2 系统分析
应用于远程自动抄表系统的电能表有脉冲电能表和智能电能表两类。
脉冲电能表：能够输出与转盘数成正比的脉冲串。
智能电能表：可以通过串行口以编码方式进行通信，按照智能表的输出接口通信方式划分，智能电能表可分为串行通行接口型和低压配电线载波接口型两大类。
电能表的两种输出接口比较：输出脉冲方式技术简单但在传输过程中容易发生丢失脉冲或产生多脉冲现象，而且不能重新发送；而具有串行接口输出方式的智能电表则可以通过相关协议将采集的多项数据进行可靠的远程传输。因而本文中采用的电能表为具有串行通信接口的智能电表。
3 系统硬件电路设计

3.1 系统供电方式设计

由于本模块的使用现场环境相对特殊，故对于电源的设计必须充分考虑到系统供电的稳定性和可靠性。长期以来单片机系统中使用的集成电路器件绝大多数在5 V或3 V的典型电压下工作。为了避免采用多电源供电方案带来的供电模块设计过于复杂等问题，在设计本单片机系统时所采用的集成器件的典型工作电压均为5 V。
在本系统中，220 V的单相交流电作为电源输入，输出为稳定的+5 V电压。供电模块用来实现220～5 V的电压转换。设计方案如下：首先220 V的交流电通过防雷抗干扰电路，接着利用220/18 V变压器降压，再经过桥式整流电路得到18 V左右直流电压，再接着通过一系列的隔离滤波进入直流转换稳压器件LM2575最终得到系统正常工作所需要的5 V电压。另外，考虑到现场存在停电的可能性，还应该设计系统的备用电源。备用电源可以采用比较常见的镍氢电池，当系统正常供电时，电池处于充电状态，对于充电的管理可以选用比较常用的电源充电管理芯片MAX713来管理备用电池的充电过程。当现场停电时，自动转为备用电池给抄表终端系统供电[7]。
3.

1.1 正常条件下供电电路

系统在正常运行时采用单相交流电源供电方式，提供给单片机稳定的+5 V电源。可以采用典型的单相桥式整流电路得到18 V直流电压，后通过直流转换稳压器件LM2575转换得到系统正常工作所需的+5 V电压。
3.

1.2 备用电池充电电路

系统在由外部电源正常供电的同时对备用镍氢电池进行充电。备用电池充电电路的功能主要由电源充电管理芯片MAX713来完成。MAX713系列是Maxim公司论文导读：了一组外部寄存器，硬件投入比方案1多，系统稳定性没有方案1好。3.

2.1控制核心W77E58单片机根据上文所述对

生产的快速充电管理芯片，适合1～16节镍氢电池或镍镉电池的充电。它可以通过简单的管脚电压配置进行编程来实现对充电电池数量和最大充电时间的控制。当系统失去外部市电供电电压以后自动切换为由备用电池供电。

3.2 系统基本电路设计

由抄表系统结构原理图可知，抄表终端要使用两个串口分别对上层和下层通信，一个串口用作RS-232，用来和电表进行通信；一个串口用作RS-485，用来和数据采集计算机通信。由于一般的51单片机只有一个串口驱动器，因此主控制器可以直接选用华邦公司的具有两个串口驱动器的W77E58单片机或者采用一般单串口单片机外加串口扩展芯片例如16C550来扩展出第二个串口[5]。
下面对这两种方案做简单的对比。
方案1：采用具有两个串口驱动器的增强型单片机W77E58。
由于串口驱动器在单片机内部，所以不用外部再增加硬件设备就可以实现双串口功能，同时这种方案的稳定性好也比较可靠，而且相对于采用单串口单片机外加串口扩展芯片16C550成本要低摘自：毕业论文www.7ctime.com
一些。
方案2：采用具有一个串口驱动器的单片机外加串口扩展芯片16C550。
这种方案是对单片机扩展了一组外部寄存器，硬件投入比方案1多，系统稳定性没有方案1好。 3.

2.1 控制核心W77E58单片机

根据上文所述对单片机功能的要求以及方案的对比，本设计采用华邦公司的双串口单片机W77E58。W77E58单片机内含2个增强型串口和32 kB大容量Flash存储器，指令集与51系列单片机完全兼容，非常适合在智能化监控系统中使用[6]。
时钟振荡电路是CPU所需要的各种定时控制信号的必备单元，它为单片机提供时钟脉冲序列。复位电路由22uF的电容和1 k的电阻及IN4148二极管组成。在满足单片机可靠复位的前提下，该复位电路的优点在于降低复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力；二极管可以实现快速释放电容电量的功能，满足短时间复位的要求。
3.

2.2 W77E58单片机核心电路

单片机的核心电路包括单片机W77E58、单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373和存储器SRAM6264。
由于单片机的I/O引脚有限，实际应用中常采用地址锁存器进行单片机系统总线的扩展。本设计中地址锁存器74LS373用来扩展单片机的系统总线，以连接单片机和存储容量为8kB的片外随机存储器SRAM6264。SRAM6264采用+5 V的单电源，所有的输入端和输出端都与TTL电路兼容。WE为写信号，CS为片选信号，OE为输出允许信号，D0～D7为8位数据线，A0～A12为13根地址线[3，7，8]。

3.3 掉电数据保护功能的实现

在单片机控制系统中，通常要保证一些重要的数据在系统掉电后不丢失，当系统再次上电后能够正确地读取这些数据。本设计中就需要实现一些通信数据的掉电保护功能。实现掉电数据保护功能的方法有很多，常用的有系统扩展易失性存储器（RAM）外加电池的方法和系统扩展非易失性存储器（ROM）的方法。其中系统扩展非易失性存储器的方法中常使用EEPROM和FLASH作为存储介质。EEPROM也称为可擦除可编程ROM（Electrically Erasable PROM），随着技术的发展，EEPROM的擦写速度将不断加快，容量将不断提高，将可作为非易失性的RAM使用。由于所设计的系统中需要实现掉电数据保护功能的数据不多，所以选用支持IIC总线数据传输协议的串行EEPROM AT24C04作为系统的掉电数据保护介质，它拥有512×8bit的存储容量，具有结构紧凑、存储容量大等特点。它的IIC接口简单、操作方便，特别适合存储单片机控制系统中一些重要参数[7，11]。

3.1 IIC总线简介

IIC（Inter-Integrated Circu论文导读：100kbit/s的速率时可以传送的距离为1.2km，若速率降到9600bit/s则传送距离可达15km。RS-485可以实现多个负载的功能。用一对线便可连接多达32个不同设备。RS-232既是电气标准也是物理标准，而RS-485只是电气标准，没有规定现实其电气特性所必需的物理环境，故可采用RS-232的物理标准。这就为在单片机系统中实现RS-485通信
it）总线是由PHILIPS公司开发的由数据线SDA和时钟线SCL构成的两线式串行总线，用于连接微控制器及其设备。
IIC总线最主要的有点是简单性和有效性。由于接口直接接在组件之上，因此IIC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。但要注意IIC总线的接口一般为开漏或开集电极输出，所以在实际电路连接时需要加上拉电阻[5]。

3.2 掉电数据保护电路设计

由于所选用的W77E58单片机没有IIC总线接口，所以我们要用单片机的I/O口模拟IIC总线的时序来实现芯片的读写功能。用单片机的普通I/O口模拟IIC总线的硬件连接非常简单，只需要使用W77E58单片机的P

1.0口连接SCL，P1口连接SDA即可。

3.4 基于RS-23

2、RS-485串行通信接口电路设计

在实际应用中，单片机很多时候不是作为一个独立的控制单元而存在，它还要与其他单元进行通信。串行接口是单片机应用系统常用的通信接口。在实际应用中，单片机系统使用的是TTL电平，单片机中的串口输出的信号也是如此，但是串行通信中一般使用的是RS-232通信协议，二者的电平并不相同，需要外接接口进行电平匹配。实现这种电平变换可以使用分立元件，也可以采用集成电路芯片，目前较为广泛的是使用集成电路转换芯片[7，8]。
由于抄表终端与数据采集计算机的距离较远，采用RS-232标准进行通信，带负载能力差、通信范围小，传送距离不超过15 m，难以满足远距离的数据传输和控制。长距离通信通常采用RS-485方式。在单片机系统中加入RS-485方式的串行通信，就可以完成抄表终端与远程上位数据采集计算机的数据传送。RS-485总线采用差分信号传输，抗干扰能力强，传输距离远。采用双绞线在100 kbit/s的速率时可以传送的距离为1.2 km，若速率降到9600 bit/s则传送距离可达15 km。RS-485可以实现多个负载的功能。用一对线便可连接多达32个不同设备[13]。
RS-232既是电气标准也是物理标准，而RS-485只是电气标准，没有规定现实其电气特性所必需的物理环境，故可采用RS-232的物理标准。这就为在单片机系统中实现RS-485通信提供了方便。应用时仍使用单片机的串口，但是信号传递过程中使用RS-485协议摘自：毕业论文格式设置www.7ctime.com
，以达到较长的传输距离。本系统中需要使用两个串行通信接口，一个用来和数据采集计算机通信，一个用来和电表通信，分别采用RS-485和RS-232标准。
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