单片机的智能电表的设计方案.docx
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单片机的智能电表的设计方案
基于单片机的智能电表的设计
摘要
近年来,在低碳经济、绿色节能及可持续发展思想的推动下,如何进一步提高电网效率,积极应对环境挑战,提高供电可靠性和电能质量,完善电力用户服务,适应更加开放的能源及电力市场化环境需要,对未来电网的发展提出了更高的要求。
智能电网的概念应运而生并成为全球电力行业共同研究和探讨的热点,支撑中国乃至全球智能电网的将是通信技术、信息处理技术和控制技术。
智能电表作为智能电网建设的重要基础装备,加快智能电表产业链整合,促进其产业化,对于电网实现信息化、自动化和互动化具有支撑作用。
基于以上分析,本文研究旨在基于AT89C51单片机的智能电表的设计。
本次设计基于单片机AT89C51是以微处理器或微控制器芯片为核心的可以存储大量的测量信息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。
一般具有自动测量功能,强大的数据处理能力,进行自动调零和单位换算功能,能进行简单的故障提示,具有操作面板和显示器,有简单的报警功能。
本文主要包括以下三个方面的工作:
(1>智能电表的设计背景、优点及发展现状
本文首先分析智能电表的设计背景,其次讨论智能电表的优点及相关的应用。
(2>智能电表的硬件和软件实现
分析智能电表应该具备的功能,给出该仪表的总体设计框图;详细讨论了该电路的核心芯片选取、数据采集电路的设计、通信电路及输入输出系统的实现并给出了核心芯片.AT89C51的详细参数;使用结构化程序设计手段,利用单片机C语言程序实现按键的扫描并处理程序、数据的采集及后续的算法程序、红外或RS485通信方式的自动抄表程序、CPU卡的读写操作程序以及段式LCD的显示驱动程序。
(3>设计的结论分析、不足及未来的展望
阐述了设计的测试结果并对结论进行了分析,给出了设计中的不足之处,并提出了将来的修改意见及改进之处,最后对智能电表的未来进行了展望。
本设计实现了电能数据的计时计量、自动计费、即时双向通信等功能,能够实现住宅能耗计量的高质量和高效率管理,为居民的优化用电提供了帮助。
论文希望通过对智能电表系统的探索,能对相关工作者提供有益的帮助,智能电表的市场前景十分广阔。
关键词:
智能电表电能计量单片机AT89C51
Abstract
Recentyears,duetothepopulationofideas,likegreeneconomics,energysavingandsustainabledevelopment,higherrequirementsareproposedforfuturepowernetworktofutureimprovetheefficiencyofpowernetwork,copedwiththechallengefromenvironment,elevatethereliabilityofpowersupplyandthequalityofelectricalpower,perfectuserservice,andadapttotherequirementsfromenergysourcesandpowermarkets.Theconceptofsmartgridemergesasthetimesrequire,andbecomesaresearchinganddiscussingfocusinglobalpowerindustry.Itcanbeassumedthatcommunicationtechnology,informationprocessingtechnologyandcontroltechnologywillsupportthesmartgridinChina,eveninthewholeworld.Smartmetersisanimportantfundamentaldevicefortheconstructionofsmartgrid.Itacceleratestheintegrationofsmartmeterindustry,facilitatesitsindustrialization,andsupportstheinformation.automationandinteractionofpowernetwork.Uponaboveanalysis,thispaperrealizesthedesignofthesmartmeterbyAT89C51chip.
Thisdesignbasedonthesingle-chipAT89C51isamicroprocessorormicrocontrollerchipasthecorecanstorelargeamountsofinformationandmeasurementwiththemeasuringresultsreal-timeanalysis,comprehensiveandmakeajudgmentapparatus.Thegeneralautomaticmeasurementfunction,powerfuldataprocessingcapability,automaticzeroadjustmentandunitconversionfunction,cancarryonthesimpletroubleshootingtips,theoperationpanelandtheLCD,asimplealarmfunction.
Thisarticleconsistsofthefollowingthreeareaswork:
(1>Smartmeter’designbackground,advantagesanddevelopmentstatus
Firstly,thispaperanalyzesthedesignbackgroundofsmartmeterfollowedbythediscussionoftheadvantagesofsmartmeterandrelated
application.
(2>Smartmeter’shardwaredesignandsoftwaredesign
Analysisofthefunctionofsmartmetershouldhave,andgivetheoveralldesignblockdiagramoftheinstrument;Detaileddiscussionoftheselectionofthecorechip,thedesignofdataacquisitioncircuit,communicationcircuitandtherealizationofinput—outputsystemandgives
thedetailedparametersofthecorechipAT89C51。
Usingstructuredprogrammingmethods,achievetheswitch’sscanandhandlerprogram,datacollectionandthefollow-upalgorithmprocessprogram,theautomaticmeterreadingprogrambyinfraredorRS485communicationmode,CPUcard’sreadandwriteoperatingproceduresandsegmentLCD’SdisplaydrivercodebasedontheuseofmicrocontrollerCprogramminglanguage.
(3>Theanalysisofthedesign’sconclusions,thedesign’sshortageandtheprospectforthefuture
Describesthetestresultsofthedesignandanalyzetheconclusions,givestheinadequaciesofthedesignandproposedfuturemodificationsandimprovements.Finally,givestheprospectforthefutureofsmartmeter.Thisdesignrealizesthefunctionofpowerdatatimingandmeasurement,automaticcharging,bidirectionalcommunication,etc.Itmanagestheenergy
consumptionofresidenceswithhighqualityandhighefficiency,whichisof
greathelpforourresidents.Thispaperaimstoprovidehelptorelativeworkersthroughtheresearchintothesystemofsmartmeter.Itisofnodoubtthatthemarketprospectiveofsmartmeterisquitebroad.
Keywords:
SmartMeter,PowerMeasurement,single-chip,AT89C51
摘要I
AbstractII
目录III
前言1
1智能电表绪论2
1.1智能电能表的概念2
1.2智能电能表的典型结构2
1.3智能电能表的主要特点3
2智能电能表的设计方法4
2.1智能电能表的硬件设计方法4
2.1.1微处理器或微控制器5
2.1.2传感器5
2.1.3信号调理5
2.1.4A/D转换器5
2.1.5D/A转换器6
2.1.6智能电能表的通信接口6
2.2智能电能表的软件设计方法7
2.3智能电能表的抗干扰方法9
3智能电能表的硬件设计10
3.1电能表概述10
3.2电能表的总体方案设计10
3.3电能表的控制芯片12
3.3.1AT89C51主要特性为:
12
3.3.2AT89C51各主要引脚功能:
13
3.4电能计量专用芯片14
3.4.1CS5460A的性能14
3.4.2CS5460A管脚说明15
3.4.3CS5460A外围电路及供电电路设计17
3.4.4微控制器AT89C51与CS5460A的接口17
3.4.5电源模块18
3.4.6电压电流采样模块18
3.5液晶显示芯片与AT89C51的接口19
3.5.1SMS0601的接口信号说明20
3.5.2SMS0601与AT89C51的接口20
3.6按键组功能及与AT89C51总线口的连接21
3.7SPI接口型EEPROM与AT89C51的接口22
3.7.1X5045管脚分布22
3.7.2X5045功能描述23
3.7.3X5045硬件连接24
3.8时钟模块24
3.8.1DS13O2的引脚分布见图3.10。
25
3.8.2DS1302与AT89C51的硬件连接25
3.9通断电控制电路27
4电能表的软件设计29
4.1电能表的软件实现29
4.1.1CS5460A与单片机的数据交换实现方法29
4.1.2对日历/时钟DS1302的读写操作的软件实现34
4.1.3在电能表中对串行EEPROM的读写34
4.1.4矩阵键盘键功能处理程序37
4.1.5液晶显示器SMS0601在电能表中显示功能实现38
4.1.6打印机驱动程序39
总结41
致谢42
参考文献43
前言
随着国民经济的不断发展,各地对于电能需求量也随之急剧增加,电力已经成为国家最重要的能源。
传统意义上的电力网已经很难满足这样的发展要求。
为此人们提出了智能电网的设想,以实现传统电网的升级换代,作为智能电网终端设备之一的智能电表改造工程正在上演。
智能电表是智能用电的重要组成部分,是实现双向互动智能用电的“末端神经”。
长期以来,我国居民用电的管理过于落后,一直采用的先用电、后抄表、再付费的传统作业模式。
这种管理方式给居民和管理人员带来诸多不便,而且还存在着一些弊端与浪费。
为了适应社会的需求,保证用户安全,方便,合理的用电,需要对传统的电表和用电管理模式进行改造,使之符合社会的发展需要。
基于以上分析,我选择了基于单片机的智能电表的设计。
一、智能电能表概述
1.1智能电能表的概念
智能电能表是一种新型电能表,它由测量单元、数据处理单元等组成,具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能。
相对以往的普通电能表,除具备基本的计量功能外,智能电能表是全电子式电能表,带有硬件时钟和完备的通信接口
智能电表是以微处理器或微控制器芯片(如单片机>为核心的可以存储大量的测量信息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。
智能电能表一般具有自动测量功能,强大的数据处理能力,进行自动调零和单位换算功能,能进行简单的故障提示,具有操作面板和显示器,有简单的报警功能。
此次设计的电表利用微机技术,通讯技术等等,减少了能量的消耗,把采集,处理集中于一体,节省成本和人力资源,提高了工作效率,适应了现代用户的需求
1.2智能电表研究现状及发展前景
中国是电能表生产大国,目前感应式电能表、电子式电能表和智能化电能表等主要产品都已经达到或接近发达国家技术标准,生产和研发能力也已经能够满足国际市场的不同需求,而且价格优势明显,在国际市场上具有较强的竞争力。
随着我国智能电网建设进程的不断推进以及相应的居民递增式阶梯电价改革模式的提出,对电能表等相关电能计量工具的要求也随之提高。
我国的智能电网技术与国外先进水平在技术上差距相对较小,加上其属于低碳经济的重要组成部分,因此具有稳定的高增长前景。
与国外相比,我国智能电能表功能完备、规范,阶梯电价、负荷控制等功能相对领先,更能满足我国智能电网建设工作需要。
我国用电户数众多,截至2009年底,国家电网公司系统服务的电力用户就达2.3亿户之多,推广应用智能电能表需要投入巨额资金,将现有使用的普通电能表全部更换为智能电能表需要一定的过程。
另外,智能电能表的功能和显示内容得到了丰富,可以为用户提供很多用电服务,但更换智能电能表需要得到用户的理解和支持,用户也还需要有一个认识的过程。
中国政府计划未来五年在全国范围内,安装2.4亿块智能电表。
这意味着在2018年到2018年之间的三年内,中国每年新安装的智能电表将高达到8000万块。
从长远来看,考虑到中国13亿人,中国安装智能电表的总量应该是5亿块,中国将成为全球最大智能电表消费市场。
在国家电网公司公布了智能化电网计划后,智能电表行业发展得到极大促进。
未来智能电能表的发展趋势为:
<1)模块化电能表,使电能表更换更加方便,一般非专业人士即可更换电能表,并安全可靠;<2)电能表功能多样化,通过多功能控制器可实现智能家居控制,如可在电费便宜的时段控制洗衣机和空调的开启;<3)可实现用户计算机控制,用户在家中即可控制电能表的一些功能,对家中电器进行能源管理。
事实上,许多国家都已经出台了一系列的经济刺激方案,这也会进一步促进智能计量市场的发展,如在美国政府近期通过的救市计划中,就约有45亿美元的资金将投资到智能电网建设计划中
1.3智能电能表的典型结构
从结构上来说,智能电能表是一个专用的微型计算机系统,它主要由硬件和软件两部分组成。
硬件部分主要包括信号的输入通道,微控制器或微控制器及其外围电路、标准通信接口、人机交换通道,输出通道。
输入通道和输出通道用来输入输出模拟量信号和数字量信号,它们通常由传感器元件、信号调理电路、A/D转换器、D/A转换器等组成。
微控制器及其外围电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理,通常包括程序存储器、数据存储器、输入输出接口电路等组成。
人机交换通道是人与仪器相互沟通的主要渠道,它主要由键盘、数码拨盘、打印机、显示器等组成。
标准通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系,以使仪器可以接受计算机的程控指令,目前用于智能电能表的通信接口主要有GPIB、RS-232C等。
智能电能表的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。
其中监控程序面向仪器面板键盘和显示器,通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数。
通过控制工/0接口电路进行数据采集,对数据进行预定的设置。
对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理。
以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。
接口管理程序主要面向通信接口,其内容是接受并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码,并通过通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果,以响应计算机的远控命令。
1.4智能电能表的主要特点
与传统电能表相比,智能电能表具有以下几个主要特点:
1.测量精度高,可以利用微处理器执行指令的快速性和A/D转换的时间短等特点对被测量进行多次测量,然后求其平均值,就可以排除一些偶然的误差与干扰,还可以通过数字滤波,剔除粗大误差和随机误差的方法提高测量精度。
2.能够进行间接测量,智能电能表可以利用内含的微处理器通过测量几种容易测量的参数,间接地求出某种难以测量的参数。
3.能够自动校准,智能电能表在使用前进行自动校准,在测量过程中进行校准,从而减少误差。
4.具有自动修正误差的能力。
5.具有自诊断的能力,智能电能表若发生了故障,可以自检出来,仪器本身还能协助诊断发生故障的根源。
6.能够实现复杂的控制功能。
7.允许灵活地改变仪器的功能。
8.智能电能表一般都配有GPIB或RS232等接口,使智能电能表具有可程控操作的能力。
从而可以很方便地与计算机和其他仪器组成用户需要的多种功能的自动测量系统,来完成更复杂的测试任务。
2智能电能表的设计方法
2.1智能电能表的硬件设计方法
智能电能表中均含有微处理器或微控制器,在微处理器或微控制器的外围进行设备的扩展如程序存储器ROM、数据存储器RAM、键盘、显示器、报警装置和通信口。
作为一个完整的智能电能表还应包括输入通道和输出通道。
图2.1表述了智能电能表的硬件结构组成原理图。
2.1智能电能表硬件原理图
智能电能表实际上是一个微型计算机系统,它是具有微处理器或微控制器的,并有标准总线接口的新型仪器。
不同功能的智能电能表由不同部件组合而成。
智能电能表的监控程序固化在程序存贮器EPROM、ROM、EEPROM等中,被测参量通过传感器将非电量变换成电量,然后经过信号处理和模数转换后变为微处理器能直接识别的数字信号。
所采集的数据或从键盘上输入的数据以及经过一定的算法运算后的数据均暂存于片内数据存储器RAM中。
智能电能表的控制部分一般分两种情况,一是微处理器接受键盘输入的命令后,不需经过数模转换器,直接由接口输出控制信息和数据信息,去控制一些执行机构。
智能电能表硬件设计各功能环节如下:
2.1.1微处理器或微控制器
微处理器和微控制器在智能电能表中都是智能电能表的心脏,它们的结构、特性对智能电能表的性能影响很大。
微处理器也是一种通用器件,如果给予足够的外部支持电路和处理时间,它几乎可以完成任何任务,数据处理和控制是微处理器的两个主要用途。
根据智能电能表控制功能和测量功能的不同选用合适的单片机作为智能电能表的核心,从而提高智能电能表的整体性能。
2.1.2传感器
传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。
它作为信息获取的工具和手段,在测量控制型智能电能表中占据了极其重要的地位。
传感器能转换信息存在的能量形式,通常是将其他能量形式转换成电量形式,以便进一步加工处理,传感器的输出往往总是电信号。
这主要是电信号较容易地进行放大、反馈、滤波、积分、微分、存储及远距离传送等操作。
2.1.3信号调理
信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理,一般包括放大、滤波、整形、检波、信号转换等功能环节。
信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要,使其输出信号适应A/D转换等环节的工作。
信号调理可以改善信号质量,还可以补偿传感器的非线性,提高信噪比,增强信号的环境抗干扰能力等。
2.1.4A/D转换器
微处理器能处理的信号应是数字信号,因此,在智能电能表的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即A/D转换器。
但并不是所有的输入通道都要加入A/D转换器,而是只有模拟量输入通道,而且输入微处理器的信号不是频率量而是数字码时,才用到A/D转换器。
使用A/D转换器时应先根据输入通道的总误差,选择A/D转换器的精度及分辨率。
根据信号对象的变化率及转换精度要求,确定A/D转换速度,以保证智能电能表的实时性要求,对快速信号必须考虑采样/保持电路。
在选用A/D时还应考虑智能电能表所处的环境选择A/D转换器的环境参数。
不同A/D转换器有不同的输出状态,应根据计算机的接口特性选择输出状态。
2.1.5D/A转换器
微处理器输出的数字控制信号通过D/A转换,将离散时刻输出的控制信号转换成为离散模拟信号,为实现智能控制创造了必要条件。
在D/A转换接口设计中主要考虑的问题是D/A转换芯片的选择、数字量的码输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。
选择D/A芯片时,主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。
在性能上必须满足D/A转换的技术要求:
在结构和应用特性上应满足接口方便,外围电路简单,价格低廉等要求。
2.1.6智能电能表的通信接口
智能电能表一般都设置有通信接口,以便能够实现程控、方便地构成自动测试系统。
目前国际上采用的智能电能表的标准接口有GPIB,RS232等,本设计采用RS232接口。
1.RS-232C标准通信接口
RS-232C总线标准接口是目前最常用的串行通信总线接口,其逻辑电平是对地对称的,与TTL、MOS逻辑电平完全不同。
逻辑0电平规定为+5~+15V之间,逻辑1电平是-5V~-15v之间。
因此,RS-232C驱动器与TTL电路连接必须经过电平转换。
转换芯片有MC1488,75188(从TTL到RS-232C的电平转换>。
MC1489,75189(从RS-232C到TTL的电平转换>。
还有MAXIM的MAXZOZ、MAX232等等。
在当今的信息化时代,用于其他信息装置的通信技术也同样可用于嵌入式智能电能表。
它主要有这样一些通信技术:
2.PCI总线
PCI总线技术为CPU和板上外设之间提供方便的高速通信连接,工作频率为33MHz(rev2.1支持66MHz>。
PCI对于连接到它上面的器件是具有即插即用的高速总线。
从理论上来说,可以有多达256个PCI功能器件同时挂到一个PCI总线上。
但由于总线负载问题,同一个PCI总线上只能挂4到8个器件。
价廉的PCI芯片组和广泛应用的PCI外设可以促使PCI总线成为嵌入式领域的事实上的总线标准。
3.USB总线
通用串行总线(USB>是一种外设总线标准。
它为所有的USB外设提供一种通用的连接,其数据率为12Mbits/S。
USB特别适合于需要高数据率和易于即插即用的应用。
需要保证带宽和有限执行时间的应用包括PC电话和其他语音及视频通信应用。
除了这些新的多媒体设备外,USB也用于传统的I/O设
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