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基于at89c51的远程抄表系统设计本科生毕业设计.doc

上传人:无敌 文档编号:630072 上传时间:2018-04-15 格式:DOC 页数:49 大小:308KB
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1、辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 I 页基于 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

2、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; RS 2485辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 II 页Design of r

3、emote meter reading system based on AT89C51AbstractUsing AT89C51 single-chip microcomputer as the core device, combined with external components , the design of a remote meter reading system is presented in this paper. The hardware and software systems which possess the remote data collecting and da

4、te communication functions are also designed in this paper. The system has been used in practice, The results show that the various features of the system achieved the desired results and good effects. In addition, anti-interruption performance and adopt according the precaution based on the hardwar

5、e and the software, to improve the systems reliability. Give some methods to solve the EMI/EMC problem of the printed circuit. Emulate the EMI/EMC performance of the printed circuit in the ansoft software. Generally, the study on the topic will develop a high level on the electrical power system man

6、agement. And it is very worthy of generalization and application. The article gives an all-round design of this system. It expatiates on detail designs of data capturing and collecting, data communication network and mode. In this thesis, about the hardware, a particular explanation of the choice of

7、 CPU、 inspect circuit、data memory etc were given. And it uses asynchronous serial communication technology based on RS-485 electric interface as communication means. The software, we give the program of impulse collection、communication 、display and so on. This Long-distance meter reading system real

8、izes the multi-user power information remote automatic transcribing, can realize residential energy consumption of high quality and high efficiency metrology management.Key words : remote meter reading ; AT89C51 single-chip microcomputer ; RS2485辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 III 页毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重

9、承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学 历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、

10、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 IV 页学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的

11、复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名: 日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 V 页1. 绪论 .11.1 远程抄表系统的国内外概况 .11.1.1 上层星型通信方案 .21.1.2 底层总线型通信 .31.2 本课题研究的背景,目的和意义 .51.3 远程抄表系统 .61.3.1 抄表系统的选型及其特点 .61.3.2 远程抄表系统构成 .61.4 本文所做的工作 .72. 抄表系统的

12、模块功能设计 .82.1 抄表系统的整体结构 .82.2 抄表系统的各功能模块设计 .92.2.1 CPU 的选型 .92.2.2 外围存储及其监控电路模块 .112.2.3 数据的上传模块 .152.2.4 时钟模块 .192.2.5 电能的采集和计数模块 .212.2.6 显示电路 .232.3 本章小结 .243. 抄表系统的软件设计 .253.1 软件设计要求 .253.3.1 易理解性,易维护性.253.1.2 实时性能 .263.1.3 可测试性 .263.1.4 准确性 .263.1.5 可靠性 .263.2 主程序的软件设计.273.3 子程序设计 .27辽宁科技大学本科生毕业

13、设计(论文) 第 VI 页3.3.1 清零子程序的设计 .293.3.2 接受数据与通信的程序设计 .293.3.3 数据采集子程序 .303.3.4 脉冲采集程序 .313.3.5 显示子程序 .323.3.6 校验子程序 .333.3.7 数据传送子程序 .343.4 硬件电路驱动 .363.4.1 数据存储芯片 X5405.363.4.2 时钟芯片 DS1302 .363.4.3 数据上传 MAX232 芯片 .36结论 .37致谢 .38参考文献 .39辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页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 Automat

14、ic Meter Reading System,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

15、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(Reading and entering data on a hand-held computer keyboard)采用手持计算机的人工抄表:随后开发了 OMR(off -site meter-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

16、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

17、要的纠纷。因此远程抄表系统既能满足实际要求,又能提高能辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页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

18、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

19、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

20、使用场合有一定的限制,多用于大用户电力负荷的无线辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页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

21、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

22、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

23、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,用电设备会在辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页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

24、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

25、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

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