远程自动抄表系统设计

远程自动抄表系统设计

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-232、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

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[1]。

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[1]。

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[1]。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