1.緒論1
1.1課題的研究意義1
1.2智能電度表的發(fā)展情況2
1.2.1機電結合的電度表2
1.2.2全電子式電度表3
1.2.3無線抄表5
1.3本設計電度表的主要特點5

2.智能電度表的硬件設計7
2.1工作原理7
2.2硬件電路設計8
2.2.1本設計核心芯片89C20519
2.2.2A/D轉(zhuǎn)換器TLC54915
2.2.3看門狗監(jiān)控器的選擇X2504515
2.2.4通訊總線的選擇RS-485總線19
2.3本設計電度表的誤差分析27
2.3.1機械表芯測量誤差28
2.3.2電子檢測誤差28

3.軟件設計30
3.1軟件設計的思想和方法30
3.2軟件流程圖31
4.結論33
致謝36

參考文獻：3

1.緒論
1.1課題的研究意義
隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展,電力已經(jīng)成為國家的最重要能源。近年來，我國電力系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，特別是作為基礎自動化的變電站綜合自動化更是方興未艾，其中電度量對電力部門來說是一個非常重要的參數(shù)。就民用電力來說,由于人民物質(zhì)生活的極大豐富,生活質(zhì)量迅速提高,對電力的需求也越來越大。但是,當前居民用電的管理過于落后,居民用電管理收費多年來一直采用先用電、后抄表、再付費的傳統(tǒng)作業(yè)方式。

在社會走向信息化,網(wǎng)絡化,電力系統(tǒng)大踏步現(xiàn)代化的今天,手工抄表更是與無人值班等高度的自動化形成了鮮明對比,成為制約供電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的一大障礙。就系統(tǒng)的完整性而言,電力系統(tǒng)從發(fā)電,配電,傳輸一直到區(qū)域變電所已基本實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理,而唯獨用戶終端沒有和網(wǎng)絡連接上,造成了系統(tǒng)的不完整,直接或間接的影響了系統(tǒng)潛能的發(fā)揮。

居民用電絕大多數(shù)實行“分表制”,即若干集中居住的家庭(一個居住單元或若干居住單元的集合)使用一個總的電表,每戶裝一個分電表,電力部門抄表員抄收總電表的電量,作為居民交付電費的依據(jù)。居委會或物業(yè)管理部門還需去抄取各家電表的讀數(shù),按比例收取電費。
這種用電管理模式,給居民帶來諸多不便,而且增加了管理人員的工作。1998年開始在全國范圍內(nèi)實行電力城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造，使得電度表數(shù)量迅速增大，抄表的工作量就會越來越大，因此在電網(wǎng)改造過程中實現(xiàn)自動抄表是非常必要的，同時也是電能管理進步的要求。據(jù)統(tǒng)計,僅電力部門的抄表隊伍人數(shù)就數(shù)以萬計,且人為方式弊端多,工作效率低,給管理部門造成了人力、物力、時間上的極大浪費。

為了適應社會的需要,保證用戶安全、合理、方便地用電,對傳統(tǒng)的電表和用電的管理模式進行改造,使之符合社會發(fā)展的需要就顯得很有必要。要實現(xiàn)電表集中自動抄表,其前提是電表需首先實現(xiàn)智能化,這樣才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)出戶,以達到集中抄表的目的。要實現(xiàn)自動抄表，就要使電度表具有遠傳功能，而常用的電度表多為感應式機械電度表，這種表具有運行可靠、結構簡單、價格便宜的優(yōu)點，但不具有遠傳功能。

正是由于以上背景,智能電度表應運而生。所謂智能電度表,就是應用計算機技術,通訊技術等,形成以智能芯片(如ＣＰＵ)為核心,具有電功率計量計時、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表。

1.2智能電度表的發(fā)展情況

1.2.1機電結合的電度表
第一類機電結合的電度表,是在原有的機械表的基礎上,加裝電子式計數(shù)裝置和相應的控制、通訊電路,或加上IC卡讀寫接口以實現(xiàn)自動計量計費和控制;其基本結構是在原有機械電度表的轉(zhuǎn)盤上打孔或涂(貼)上能吸收光線的材料,通過光電轉(zhuǎn)換,將機械轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動變換成電脈沖信號,再進行相應的計數(shù)處理。這類電度表由于其計量原理沒有改動,其計量精度和特性與機械表完全一樣,而成本相對較高,其優(yōu)勢在于能充分利用現(xiàn)已安裝使用中的大量的機械電度表,且其計量原理為大眾所熟悉而容易接受。

另一類機電結合的電度表則是采用電子式計量電路在獲得數(shù)字式脈沖信號后,通過微型電機驅(qū)動字碼轉(zhuǎn)輪得到電能計數(shù)值,這種結構是最簡潔可行的電子式電度表的方案,但遺憾的是其對計量電路的要求較高,即要求所有的表都按一個固定的比例將電能值轉(zhuǎn)換為對應數(shù)量的數(shù)字脈沖,才能按正確的速度驅(qū)動微電機以轉(zhuǎn)動字輪。這個比例就是所謂的電表常數(shù)(mp/kwH),由于電路中所用的決定脈沖速度的定時元件大都是參數(shù)離散性較大的阻容元件,為了保證電度表的計量精度和產(chǎn)品的一致性,就必須在生產(chǎn)過程中加強對元件的篩選和對半成品的調(diào)校,也就是說要增加相應的人力物力的投入并要延長生產(chǎn)周期,從而使電度表的生產(chǎn)費用和成本有所增加。另外這種結構的電度表在數(shù)據(jù)收集和用戶繳費方式上與老式的機械表沒什么區(qū)別,應屬淘汰產(chǎn)品。

1.2.2全電子式電度表
全電子式電度表則是當今國內(nèi)最先進的一類電度表,其采用先進的單片機技術和專門設計的電能測量集成電路,具有計量精度高、可防止竊電、自身損耗低和可靠性高等特點。其中的一些型號還具有復式計費功能。由于此類電度表的用電量數(shù)據(jù)已經(jīng)數(shù)字化,可以很方便地與各種數(shù)據(jù)收集傳送電路配合組成自動計量計費的系統(tǒng),是現(xiàn)行家用電度表的換代產(chǎn)品,該類產(chǎn)品的大量使用將節(jié)省供電部門大量的抄表計算工作,并能及時回收電費(先付費后用電),具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

關于抄表方案,國內(nèi)近幾年流行以下幾種模式:
1）總線制集中抄表:電表部分采用智能電表,各戶智能電表信號線并接在一根總線上,總線連接到樓下轉(zhuǎn)接器,各樓轉(zhuǎn)接器與小區(qū)的集中器相連,由集中器集中供電。

2）電力載波抄表:電力載波集中抄表系統(tǒng)是直接利用現(xiàn)有低壓輸電線路進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募谐硐到y(tǒng),省去了鋪線工程,優(yōu)勢明顯。該系統(tǒng)集微電子技術、通訊技術和計算機技術于一體的高新產(chǎn)品,具有高可靠且安裝簡單等顯著特點,廣泛適用于城市及農(nóng)村的電表、氣表抄收、計費和監(jiān)控。但由于電力線是給用電設備傳送電能的,而不是用來傳送數(shù)據(jù)的,所以電力線對數(shù)據(jù)傳輸有許多限制:

(1)配電變壓器對力載波信號有阻隔作用,所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送;

(2)不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同;(3)電力線存在本身固有的脈沖干擾。另外電力線上的高削減、高噪聲、高變形,使電力線成為一個不理想的通信媒介,但由于現(xiàn)代通信技術的發(fā)展,使電力線載波通信成為可能,其中數(shù)據(jù)信號的信噪比決定傳輸距離的遠近。電力線載波通信的關鍵就是選用一個功能強大的電力線載波專用Modem芯片。
系統(tǒng)組成:

(1)遠傳表。具有脈沖輸出的水表、電表、氣表、熱表等計量表為遠傳表,其計量方式與傳統(tǒng)表一樣,不同的是在原基表上增加了脈沖輸出功能,每個脈沖代表一定的計量值。采集器通過遠傳表脈沖輸出端口采集脈沖。

(2)采集器。我公司研制的采集器能同時采集水表、電表、氣表、熱表等輸出的脈沖信息,并將這些脈沖信息轉(zhuǎn)換成計量認可的物理量,存儲在各采集器的存儲器中,通過管理微機,可以查詢系統(tǒng)中任意一戶的耗能信息,并在管理微機的抄表等命令下將用戶信息上傳。

(3)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的主要任務為:完成與采集器的數(shù)據(jù)通信工作,向采集器下達電量數(shù)據(jù)凍結命令,定時循環(huán)接收采集器的電量數(shù)據(jù)或根據(jù)系統(tǒng)要求接收某個電表或某組電表的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)要求完成與主站的通訊,將用戶用電數(shù)據(jù)等主站需要的信息傳送到主站數(shù)據(jù)庫中。下行通道指的是轉(zhuǎn)換器與采集器之間的通信線路,主要有總線抄表系統(tǒng)、載波抄表系統(tǒng)和紅外抄表系統(tǒng)等三種方式。通信信道上行通道指的是轉(zhuǎn)換器與主站之間的通信線路,可以采用電話、無線、專線等通信介質(zhì)。

(4)系統(tǒng)管理軟件功能。系統(tǒng)管理軟件以通訊為基礎,以數(shù)據(jù)庫為核心,提供數(shù)據(jù)處理、查詢、統(tǒng)計、報表、備份等功能;采用面向?qū)ο蠛湍K化相結合的方法,靈活支持不同客戶的要求,如特殊格式報表,權限控制等;持客戶原有的管理系統(tǒng),可與其它管理軟件接口,提供數(shù)據(jù)接口和通訊接口,具有網(wǎng)絡通訊功能;可同時管理多個小區(qū),對各小區(qū)設置通訊參數(shù);電表管理,設置電表的原始參數(shù)、地址、及其狀態(tài);費率管理,可任意設置多種費率,設置能源的單價;用戶管理,管理和控制每戶的用量,管理用戶的結算式;實時抄表功能,系統(tǒng)可抄取各能源表的實時數(shù)據(jù);費用自動計算,實現(xiàn)將公共能源損耗平均分攤或按比例分攤到每戶并根據(jù)查表數(shù)據(jù)和單價,自動計算每產(chǎn)應交費用,以便向用戶收費;打印功能,打印各用戶費用清單;查詢功能,可隨時查詢?nèi)我粦?、任一單元全部住戶及整個小區(qū)內(nèi)所有住戶的耗能信息。

1.2.3無線抄表
無線抄表是利用空間的無線信道實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的,這樣的抄表方式毋須置疑是最為簡單、方便的抄表模式,甚至在最近建設部某通訊規(guī)約的討論稿中也初定了三表無線抄表使用的無線電頻點,但無線數(shù)據(jù)傳輸存在著在建筑物對無線電信號的反射、吸收等作用下,信號傳輸不穩(wěn)定的問題,另外表具安裝位置、空間抗擾等也對其穩(wěn)定工作有較大影響,同時無
線電表產(chǎn)品自身也存在功耗等問題,因此該模式概念上雖然都很好,但真正大面積推廣應用還有相當?shù)臍v程。

舊的事物消亡,新的事物產(chǎn)生,是辯證唯物主義發(fā)展觀中事物發(fā)展規(guī)律必然趨勢,同樣智能電表的發(fā)展是也是隨著科學技術的不斷進步而必然前進的,市場的需求也進一步推動了該產(chǎn)業(yè)的進步,因此,無論各地的用電管理部門還是智能電表生產(chǎn)廠家,都迫切需要有一個規(guī)范化的標準,以使目前的電表行業(yè)早日步入規(guī)范化、標準化的發(fā)展道路。

1.3本設計電度表的主要特點
本設計電度表是在機械式電度表的基礎上加入了微處理單元電子電路，實現(xiàn)了自動抄表，同機械式電度表相比，主要有以下幾個特點：

1）電度表的窗口值完全復制
微處理單元能將電度表的窗口值完全復制，即內(nèi)存單元中的讀數(shù)值與該表計數(shù)器窗口顯示值無差。該特點優(yōu)于任何一種以脈沖式電度表。因為脈沖累計式的產(chǎn)品不可避免地丟漏脈沖而產(chǎn)生誤差。

2）無需設置初值
任何一類脈沖表，開始工作時都不可避免要設置初使值，每當搶修、停電（計算機系統(tǒng)）、核表等都如此，而本產(chǎn)品不需要。因而大大地方便了電度表的安裝與使用。

3）可靠的計量性能
因不改變原基表測量電路及元件，僅對其機械計數(shù)器進行光電編碼，復制計數(shù)器窗口值，這樣就保證了原基表的測量精度。

4）方便的召喚讀出方式
當上位機下發(fā)讀表指令時，微處理單元校核指令正確后讀表，通過RS-485上發(fā)窗口值，這樣即取即讀，節(jié)約了通道資源，同時保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5）功耗少
因采用了召喚讀出方式，且處理單元所用芯片為低功耗CMOS電路，所以未召喚讀表時，編碼器不加電，耗能極低。

2.智能電度表的硬件設計

2.1工作原理
此智能電度表的技術核心部分是對感應式機械電度表的機械計數(shù)器直讀并遠傳，它由以光電器件為核心的偏碼器和以單片機為核心的處理器兩部分組成。

編碼器就是對原有的機械計數(shù)器進行改造，加裝光電編碼裝置，它由底板和垂直插板構成，計數(shù)器的字鼓上開有兩個不同型狀的透光孔，在立板的電路上焊有對稱分布放置的發(fā)射及接收微封裝光電耦合對管。這樣當計數(shù)器的字鼓置于兩個立片之間時，就能根據(jù)發(fā)射接收對管和字鼓上透光孔相對位置的變化編制出不同的二進制碼。

處理器以單片機為核心的電路構成。CPU通過串行接口收到的遠端上位機下發(fā)的讀表命令后，它逐位讀取各位計數(shù)器字鼓對應的接收管的電壓（每個字鼓有五對發(fā)射接收對管），據(jù)電壓的不同按照特定的編碼原則，把每個字鼓上的窗口值轉(zhuǎn)換成相應的BCD碼。并通過RS-485送出讀數(shù)值。

由于選用了具有內(nèi)置程序存貯器和串行通訊口的89C2051單片機，使得外圍電路得到很大的簡化，體積也相對地減小，可以在不改動電度表內(nèi)部結構的基礎上把微處理單元安裝于電度表內(nèi)，達到計量不出表。從而提高了計量的準確性和可靠性。另外，還可用程序追蹤判定讀數(shù)正誤，更提高了計數(shù)器的數(shù)值讀數(shù)的準確度。當CPU通過RS-485收到上位機發(fā)出的讀表命令時，把命令中的地址碼與從X25045中讀出的本表地址碼比較，當其一致時開始讀表；首先把CPU的P1.7置低電平，選通TLC549，使放大的電流加到電度表計數(shù)器中的發(fā)射管；通過P1.0、P1.

1、P1.2和P1.3分時選通每片CD4051，而通過P1.

4、P1.5和P1.6實現(xiàn)CD4051的八選一，這樣就可以把30路接收管的電壓分時加至TLC549的模入端，CPU從TLC549讀入對應的數(shù)字量；然后再置P1.7為高電平，停止讀表。把采集到的值經(jīng)過特定的編碼方式進行編碼、查表，可確定電度表計數(shù)器的示值。通過RS-485把本次的讀表示值上傳給上位機，完成本次的讀表操作。
2.2硬件電路設計
在本設計智能電度表的硬件電路設計部分中，CPU采用了單片機AT89C2051。單片機89C2051是20腳雙列直插且具有2K字節(jié)的FlashMemory作為程序存儲器，128字節(jié)的內(nèi)部RAM，P3口是雙功能端口。
4片CD4051組成輸入信號選擇電路，接收來自30只接收管的電壓信號。
30路信號選通進入A/D轉(zhuǎn)換器TLC549，TLC549是8腳雙列直插的八位串行A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間是17us，I/O時鐘頻率可達1.1MHz。
SN75LBC184是具有瞬變電壓抑制的RS-485收發(fā)器,能防雷電和抗靜電作用,具有熱關斷保護；總線上可掛64個收發(fā)器,傳送數(shù)據(jù)速率在100kbit/S時通信距離可達1200m。
X25045是可編程看門狗監(jiān)控E2PROM，它把可編程看門狗定時器、電壓監(jiān)控和E2PROM組合在單一封裝之內(nèi)；外部I/O采用串行操作，512X8位串行E2PROM，本機用于存放本表的地址號；看門狗定時器有1.4S、60mS、200mS可選。電壓監(jiān)控在電源電壓低至1V時，復位信號有效。

硬件結構框圖如圖2.1

圖2.1微處理單元硬件結構

2.2.1本設計核心芯片89C2051
ATMEL89系列單片機是ATMEL公司的8位Flash單片機系列。這個系列單片機的最大特點就是在片內(nèi)含有Flash存儲器，因此，有著十分廣泛的用途，特別是在便攜式、省電和特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯得尤為適用。
在小型控制系統(tǒng)中，活躍著89C2051單片機這類簡單適用的微處理器。它不僅包括了運算器和控制器，還有小規(guī)模的存儲器以及輸入輸出接口?？梢元毩⒌赝瓿蓴?shù)據(jù)的采集、處理，與儀表或PC機進行串行通訊或接受儀表發(fā)送的數(shù)據(jù)。

89系列單片機是以8031技術為核心構成的器件。所以，它和8051系列單片機是完全兼容的系列產(chǎn)品。這個系列對于以8051為核心的系統(tǒng)來說，是十分容易進行取代和構造的。因此，用89系列單片機取代8051的系統(tǒng)設計是輕而易舉的事。采用89C2051芯片作為中央處理芯片，由于該單片機采用靜態(tài)時鐘方式，所以節(jié)省電能，這對于降低產(chǎn)品的功耗十分有用。

對于一般的OTP產(chǎn)品，一旦錯誤編程就成了廢品。而89C2051芯片內(nèi)部采用了Flash存儲器：89C2051芯片是一個帶有2kBFlash可編程、可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低壓、高性能8位CMOS微型計算機。
因而，在89C2051芯片的使用過程中，錯誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品?？梢苑磸瓦M行系統(tǒng)試驗。每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設計達到最優(yōu)。而且隨著用戶的需要和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，還可以不斷地進行修改，使系統(tǒng)能夠不斷追隨用戶的最新要求，與時俱進。在一般情況下，可以重新使用1000次左右。

它采用了ATMEL的高密非易失存儲技術制造，并且和工業(yè)標準MCS-51指令集和引腳結構兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPL和Flash存儲器，使89C2051成為一款強勁的微型計算機。它為許多嵌入式控制應用提供了高度靈活和成本低的解決辦法。

1)89C2051芯片89C2051芯片除提供以下標準功能：2kBFlash存儲器；128字節(jié)RAM；它還具有15條1/0引線；2個16位定時器/計數(shù)器；1個5向量2級中斷結構；1個全雙工串行口；1個精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。此外，89C2051是用可降到0頻率的靜態(tài)邏輯操作設計的，并支持兩種可選的軟件節(jié)電工作方式?？臻e方式停止CPU工作，但允許RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其他部件的工作直到下一個硬件復位。

主要性能參數(shù)：

·MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容
·2K字節(jié)可重擦寫閃速存儲器
·1000次擦寫周期

·2.7—6V的工作電壓范圍
·全靜態(tài)操作：0HZ—24MHZ
·兩極加密程序存儲器
·128×8字節(jié)內(nèi)部RAM
·15個可編程I/O口線
·兩個16位定時器/計數(shù)器
·6個中斷源
·可編程串行UART通道
·可直接驅(qū)動LED的輸出端口
·內(nèi)置一個模擬比較器

·低功耗空閑和掉電模式

AT89C2051的引腳結構如圖2.2

圖2.289C2051引腳結構

引腳功能:
·VCC電源電壓
·GND地
·P1口：P1口是一組8位雙相I/O口，P1.2—P1.7提供內(nèi)部上拉電阻主要是考慮它們分別是內(nèi)部精密比較器的同相輸入端（AINO）和反相輸入端（AIN1），如果需要應在外部接上拉電阻。Pl口輸出緩沖器可吸收20M電流并可直接驅(qū)動LED。當P1口引腳寫入“1”時可作輸入端，當引腳Pl.2-Pl.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內(nèi)部的上拉電阻而輸出電流。

·P3口接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。
·RST:復位輸入。RST引腳一旦變成兩個機器周期以上高電平，所有的I/O口都將復制到“1"(高電平)狀態(tài)，當振蕩器正在工作時，持續(xù)兩個機器周期以上的高電平便可完成復位，每個機器周期為12個振蕩時鐘周期。
·XTALl:振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。
·XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。

振蕩器特征：
XTAL1,XTAL2為片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如下圖所示。可采用石英晶體或陶瓷振蕩器組成時鐘振蕩器，如需從外部輸入時鐘驅(qū)動AT89C2051，時鐘信號從XTAL1輸入，XTAL2應懸空。由于輸入到內(nèi)部電路是經(jīng)過一個2分頻觸發(fā)器，所以輸入的外部時鐘信號無需特殊要求，但它必須符合電平的最大值和最小值及時序規(guī)范。

2)AT89C2051指令的約束條件：
AT89C2051是經(jīng)濟型低價位的微控制器，它含有2k字節(jié)的Flash閃速程序存儲器，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容，可使用MCS-51指令系統(tǒng)對其進行編程。但是在使用某些有關指令進行編程時，須注意一些事項和跳轉(zhuǎn)或分支有關的指令有一定的空間約束，使目的地址能安全落在AT89C2051的2k字節(jié)的物理程序存儲器空間內(nèi)。對于2k字節(jié)存儲器的AT89C2051來說，LJMP7EOH是一條有效指令，而LJMP900H則為無效指令。

(1)分支指令
對于LCALL,LJMP,ACALL,AJMP,SJMP,JMP@A+DPTR等指令，只要記住這些分支指令的目的地址在程序存儲器大小的物理范圍(AT89C2051程序地址空間為:OOOH-7FFH單元)，這些無條件分支指令就會正確執(zhí)行，超出物理空間的限制會出現(xiàn)不可預知的程序出錯。

CJNE[……],DJNZ[……],JB,JNB,JC,JNC,JBC,JZ,JNZ等這些條件轉(zhuǎn)移指令的使用與上述原則一樣，同樣，超出物理空間的限制也會引起不可預知的程序出錯。至于中斷的使用，80C51系列硬件結構中已保留標準中斷服務子程序的地址。

(2）與MOVX相關的指令，數(shù)據(jù)存儲器
AT89C2051包含128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，這樣，AT89C2051的堆棧深度局限于內(nèi)部RAM的128字節(jié)范圍內(nèi)，它既不支持外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問，也不支持外部程序存儲器的執(zhí)行，因此程序中不應有MOVX[……」指令。一般的80C51匯編器即使在違反上述指令約束而寫入指令時仍對指令進行匯編，用戶應了解正在使用的AT89C2051微控制器的存儲器物理空間和約束范圍，適當?shù)卣{(diào)整所使用的指令尋址范圍以適應AT89C2051。
AT89C2051可使用對芯片上的兩個加密位進行編程(P)或不編程(U)來得到，功能如表2.3所示

表2.3
空閑模式:
在空閑模式下，CPU保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產(chǎn)生。此時，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變?？臻e模式可由任何允許的中斷請求或硬件復位終止。P1.0和P1.1在不使用外部上拉電阻的情況下應設置為“0",或者在使用上拉電阻的情況下設置為“1"應注意的是:在用硬件復位終止空閑模式時，AT89C2051通常從程序停止一直到內(nèi)部復位獲得控制之前的兩個機器周期處恢復程序執(zhí)行。在這種情況下片內(nèi)硬件禁止對內(nèi)部RAM的讀寫，但允許對端口的訪問，要消除硬件復位終止空閑模式對端口意外寫入的可能，原則上進入空閑模式指令的下一條指令不應對端口引腳或外部存儲器進行訪問。

掉電模式:
在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結。退出掉電模式的唯一方法是硬件復位，復位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內(nèi)容，在Vcc恢復到正常工作電平前，復位應無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。P1.0和P1.1在不使用外部上拉電阻的情況下應設置為“0",或者在使用外部上拉電阻時應為“1"。

2.2.2A/D轉(zhuǎn)換器TLC549
TLC549是以8位開關電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器為基礎而構造的CMOSA/D轉(zhuǎn)換器。它設計成能通過3態(tài)數(shù)據(jù)輸出與微處理器或外圍設備串行接口。TLC549僅用輸入/輸出時鐘和芯片選擇輸入作數(shù)據(jù)控制。TLC549的I/OCLOCK輸入頻率最高可達1.1MHz。
TLC549的使用與較復雜的TLC540和TLC541非常相似；不過，TLC549提供了片內(nèi)系統(tǒng)時鐘，它通常工作在4MHz且不需要外部元件。片內(nèi)系統(tǒng)時鐘使內(nèi)部器件的操作獨立于串行輸入/輸出端的時序并允許TLC549象許多軟件和硬件所要求的那樣工作。I/OCLOCK和內(nèi)部系統(tǒng)時鐘一起可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送，對于TLC549為每秒40,000次的轉(zhuǎn)換速度。TLC549的其他特點包括通用控制邏輯，可自動工作或在微處理器控制下工作的片內(nèi)采樣-保持電路，具有差分高阻抗基準電壓輸入端，易于實現(xiàn)比率轉(zhuǎn)換（ratiometricconversion）、定標（scaling）以及與邏輯和電源噪聲隔離的電路。整個開關電容逐次逼近轉(zhuǎn)換器電路的設計允許在小于17μs的時間內(nèi)以最0±0.5最低有效位（LSB）的精度實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。
2.2.3看門狗監(jiān)控器的選擇X25045
看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，
而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復雜，運行不夠可靠。

1)X25045芯片
X25045是美國Xicor公司的生產(chǎn)的標準化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機外圍芯片。
X25045引腳如圖2-4所示。

圖2.4X25045引腳結構

其引腳功能如下
CS：片選擇輸入；SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出；SI：串行輸入，數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入X25045；SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；WP：寫保護輸入。當它低電平時，寫操作被禁止；Vss：地；Vcc：電源電壓；RESET：復位輸出。
X25045在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表2.5所示。

表2.5X25045指令及其含義
指令名指令格式操作
WREN00000110設置寫使能鎖存器（允許寫操作）
WRDI00000100復位寫使能鎖存器（禁止寫操作）
RDSR00000101讀狀態(tài)寄存器
WRSR00000001寫狀態(tài)寄存器
READ0000A8011把開始于所選地址的存儲器中的數(shù)據(jù)讀出
WRITE0000A8010把數(shù)據(jù)寫入開始于所選地址的存儲器

2)X25045看門狗電路設計
X25045芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預置的時間內(nèi)若沒有總線活動，則X25045將從RESET輸出一個高電平信號，經(jīng)過微分電路C
2、R3輸出一個正脈沖，使CPU復位。圖2電路中，CPU的復位信號共有3個：上電復位(C

1、R2)，人工復位(S、R

1、R2)和Watchdog復位(C

2、R3)，通過或門綜合后加到RESET端。C

2、R3的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因為這時CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。
看門狗定時器的預置時間是通過X25045的狀態(tài)寄存器的相應位來設定的。X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD
1、WD0和看門狗電路有關，其余位和EEPROM的工作設置有關。如表2.6所示。

表2.6X25045狀態(tài)寄存器

D7
D6D5D4D3D2D1D0
X
XWD1WD0BL1BL0WELWIP

WD1＝0，WD0=0，預置時間為1.4s。WD1＝0，WD0=1，預置時間為0.6s。WD1＝1，WD0=0，預置時間為0.2s。WD1＝1，WD0=1，禁止看門狗工作。
看門狗電路的定時時間長短可由具體應用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時最大循環(huán)周期的時間略長即可。編程時，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門狗的定時時間永遠達不到預置時間，系統(tǒng)就不會復位而正常工作。當系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等別的方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時時間很快增長到預置時間，迫使系統(tǒng)復位。X25045的看門狗電路使用十分方便。X25045內(nèi)部還集成了512BEEPROM和電壓運行監(jiān)視系統(tǒng)，只需這樣一塊芯片，外加晶振和復位電路就可以組成單片機的應用系統(tǒng)，非常適合于便攜式儀器和嵌入式系統(tǒng)的設計。
3)軟件看門狗技術
我們知道看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。硬件看門狗是利用了一個定時器，來監(jiān)控主程序的運行，也就是說在主程序的運行過程中，我們要在定時時間到之前對定時器進行復位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來。那么定時時間到后就會使單片機復位。
軟件看門狗技術的原理和這差不多，只不過是用軟件的方法實現(xiàn)，我們還是以51系列來講，我們知道在51單片機中有兩個定時器，我們就可以用這兩個定時器來對主程序的運行進行監(jiān)控。我們可以對T0設定一定的定時時間，當產(chǎn)生定時中斷的時候?qū)σ粋€變量進行賦值，而這個變量在主程序運行的開始已經(jīng)有了一個初值，在這里我們要設定的定時值要小于主程序的運行時間，這樣在主程序的尾部對變量的值進行判斷，如果值發(fā)生了預期的變化，就說明T0中斷正常，如果沒有發(fā)生變化則使程序復位。對于T1我們用來監(jiān)控主程序的運行，我們給T1設定一定的定時時間，在主程序中對其進行復位，如果不能在一定的時間里對其進行復位，T1的定時中斷就會使單片機復位。在這里T1的定時時間要設的大于主程序的運行時間，給主程序留有一定的的裕量。而T1的中斷正常與否我們再由T0定時中斷子程序來監(jiān)視。這樣就夠成了一個循環(huán)，T0監(jiān)視T1，T1監(jiān)視
主程序，主程序又來監(jiān)視T0，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
2.2.4通訊總線的選擇RS-485總線
1)RS-485通訊標準
RS-485是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點通訊標準。它采用差分信號進行傳輸，最大傳輸距離可以達到1.2km，最大可連接32個驅(qū)動器和收發(fā)器，接收器最小靈敏度可達士200mV。由此可見，RS-485通訊協(xié)議正是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。
RS-485通訊標準允許在電路中可以有多個發(fā)送器。它允許一個發(fā)送器驅(qū)動多個負載設備，負載設備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器組合單元。RS-485在一對平衡傳輸?shù)膬啥硕寂渲媒K端匹配電阻，其發(fā)送器、接收器、組合收發(fā)器可以掛在平衡傳輸線的任何位置，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸中多個驅(qū)動器和接收器共用同一傳輸線的應用。
在自動化領域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠距離的數(shù)字通信。在RS-422標準的基礎上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線標準。RS-485標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具體規(guī)格要求：
（1）接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ
（2）驅(qū)動器能輸出±7V的共模電壓
（3）輸入端的電容≤50pF
（4）輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關）
（5）接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號“0”（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號“1”）
因為RS-485的遠距離、多節(jié)點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。
2)異步串行通信接口標準與RS—485標準總線
集控器與分機間數(shù)據(jù)通信必然要使用異步串行通信接口，標準的異步串行通信接口主要有(l)RS—232C、RS—232E；(2)RS—449(RS—42
2、RS—42

3、RS—485)；(3)20毫安電流環(huán)(4)USB通用接口。
其中RS—449和20毫安電流環(huán)可用于中長距離通信。為保證可靠數(shù)據(jù)通信，在選用通信接口標準時，須注意兩點；一是通信速度和通信距離，二是抗干擾能力。通常的串行通信接口的電氣特性，都有滿足可靠傳輸時的最大傳輸速率和最大傳輸距離指標，這兩個指標之間具有相關性，適當?shù)亟档蛡鬏斔俾士商岣邆鬏斁嚯x，反之亦然。串行通信接口在保證不超過其使用范圍時都有一定的抗干擾能力，但在某些環(huán)境中，干擾往往十分惡劣，因此在選擇通信介質(zhì)、接口標準時要注意其抗干擾能力，并采取必要的抗干擾措施。
例如，在中遠程傳輸時，使用RS—422能有效抑制共模信號干擾；使用加毫安電流環(huán)技術，可大大降低對噪聲的敏感程度。提高有線基帶傳輸距離的有效技術有:

(l)降低波特率。
信號的衰減與信號頻率有很大關系，降低波特率可減小衰減，使通信距離增大，但卻同時降低了系統(tǒng)控制的反應速度。

(2)加粗通信線直徑。
選用線徑粗的傳輸線可以有效地減小傳輸衰減，但勢必增加成本。

(3)增大發(fā)送端驅(qū)動電壓和電流。
選用輸出電壓和電流較大的驅(qū)動器芯片，可明顯增大通信距離。

(4)提高接收端靈敏度。

(5)采用中繼方式。
對于第一種異步串行通信接口，RS—232C使用廣泛，但缺陷明顯。采用RS—232C標準時，其所用的驅(qū)動器和接收器芯片采用的是單端電路，易引入附加電平：一是來自于干擾，二是由于兩端地電平不同而導致接收器產(chǎn)生錯誤的數(shù)據(jù)輸出。

RS—232C規(guī)定最大負載電容為2500PF，這個電容限制了傳輸距離和傳輸速率，且TTL/RS—232C轉(zhuǎn)換電路屬非平衡電壓型線電路，不具有抗共模干擾特性，如果TTL電平信號直接進行有線傳輸，由于受信號反射波噪聲、信號階躍失真、信號幅度衰減等多種不利因素的影響，其有效傳輸距離非常有限，通常最大不過十幾米。故在一般情況下，RS—232C只用于短距通信(15米內(nèi))。若要遠距通信，需加MODEM。可以看出，要實現(xiàn)中長距離數(shù)據(jù)傳輸，可采用RS—449和20毫安電流環(huán)。20毫安電流環(huán)是將電壓信號通過光耦隔離轉(zhuǎn)換成電流信號，廣泛應用于點對點的通訊中，但是用電流環(huán)實現(xiàn)總線式點對多點的通信卻比較困難，這是因為電流環(huán)是靠電流傳送信號的，輸入阻抗低，線路的損耗也較大，這樣，很難保證最遠端的節(jié)點正確接收到信息。當然，在一定的條件下用電流環(huán)實現(xiàn)點對多點的通信也是可以的，但距離只能限制在2.5公里以內(nèi)，更重要的是若用電流環(huán)來實現(xiàn)總線網(wǎng)，網(wǎng)絡容量非常有限，例如在一個有32個分機節(jié)點的總線網(wǎng)內(nèi)，集控器向所有分機發(fā)送信號時，其信號電流大小至少為32*0.02=0.64安，產(chǎn)生這樣大的電流對系統(tǒng)來說要求過高。

鑒于RS—232C的缺陷，制定了RS—449標準。RS—449標準與RS—232C兼容，但增加了許多內(nèi)容，可支持較高的數(shù)據(jù)傳送速率、較遠的數(shù)據(jù)傳送距離，提供平衡電路改進接口的電氣特性等等。RS—423/422標準是RS—449的子集，RS—422A是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”標準，采用雙絞線傳送信號，通過傳輸線驅(qū)動器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過傳輸線接收器，把電位差變換成邏輯電平，完成終端的信息接收。

而RS—485是RS—422A的變型，同樣使用專用的接收、發(fā)送芯片，這種類型的芯片一般是差分平衡式的，即采用差分式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了抗共模干擾的能力，因此傳輸距離可達1200米左右，非常適合于本系統(tǒng)。RS—485是一種多發(fā)送器的標準，它擴展了RS—422A的性能，允許雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動32個負載設備。負載設備可以是接收器或收發(fā)器。RS—485每個通道要用兩條信號線，如果其中一條是邏輯“1”狀態(tài)，另一條就是邏輯“0”狀態(tài)。RS—485電路由發(fā)送器、平衡連結電纜、電纜終端負載、接收器幾部分組成。驅(qū)動器輸出為±2~12V，接收器可檢測到的輸入信號電平可低到200mV。
平衡驅(qū)動器的兩個輸出端分別為+Vl和—Vl，故差分接收器的輸入信號電壓V2=+VI—(—VI)=2VI，兩者間不共地，這樣既可削弱干擾的影響，又可獲得更長的傳輸距離及允許更大的信號衰減?？捎糜赗S—485總線網(wǎng)差分平衡收發(fā)的芯片有MC3486/MC348

7、MAX48X/49X系列、MAX148OA/1480B等，本系統(tǒng)采用差分平衡收發(fā)芯片MAX489完成集控器與分機間數(shù)據(jù)通信。MAX48X/49X是MAXIM公司生產(chǎn)的適用于RS—422/RS—485標準的差分平衡收發(fā)芯片系列，其中MAX488~491可用于全雙工通信，其余僅能用于半雙工通信。使用MAX489組成的全雙工總線通信網(wǎng)，網(wǎng)絡上最大可掛32個收發(fā)站。
在差分平衡系統(tǒng)中，一般采用雙絞線做為信號傳輸線。由于雙絞線在長度、方向上完全對稱，因此它們受到的外界干擾程度完全相同，干擾信號以共模形式出現(xiàn)。在接收器的輸入端共模干擾受到抑制，所以可實現(xiàn)信號的可靠傳送。
另外，信號在傳輸線上傳送，若遇到阻抗不連續(xù)的情況，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，從而影響信號的遠距離傳送，因此必須采用電阻匹配的方法來消除反射。雙絞線的特性阻抗一般為110~130Ω。通常在傳輸線末端接120Ω的電阻，進行阻抗匹配。

3)影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個因素

(1)在通信電纜中的信號反射
在通信過程中，有兩種信號因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射，如圖1所示。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻。
從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會出現(xiàn)信號反射現(xiàn)象。但是，在實現(xiàn)應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環(huán)境有關。特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號反射還會存在。
引起信號反射的另個原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時，整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)混亂。信號反射對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，歸根結底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數(shù)據(jù)幀錯誤。
在信號分析，衡量反射信號強度的參數(shù)是RAF（RefectionAttenuationFactor反射衰減因子）。
它的計算公式如式（2-1）
RAF=20lg(Vref/Vinc)（2-1）
式中：Vref—反射信號的電壓大?。籚inc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點的入射信號的電壓大小。具體的測量方法如圖3所示。例如，由實驗測得2.5MHz的入射信號正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時，它的反射衰減因子為：
RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB（2-2）
要減弱反射信號對通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實際應用中，對于比較小的反射信號，為簡單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。在通訊線路中，如何通過加偏置電阻提高通訊可靠性的原理，后面將做詳細介紹。

（2）在通訊電纜中的信號衰減
第二個影響信號傳輸?shù)囊蛩厥切盘栐陔娎|的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路。電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導線產(chǎn)生。導線的電阻在這里對信號的影響很小，可以忽略不計。信號的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。
PROFIBUS用的LAN標準型二芯電感（西門子為DP總線選用的標準電纜），在不同波特率時的衰減系數(shù)如表2-7所示。

表2-7電纜的衰減系數(shù)

通訊波特率16MHz4MHz38.4kHz9.6kHz
衰減體系數(shù)（1km)≤42dB≤22dB≤4dB≤2.5dB

（3）在通訊電纜中的純阻負載
影響通訊性能的第三個因素是純阻性負載（也叫直流負載）的大小。這里指的純阻性負載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構成。
在敘述EIARS-485規(guī)范時曾提到過RS-485驅(qū)動器在帶了32個節(jié)點，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個接收器的輸入電阻為12kΩ。按這樣計算，RS-485驅(qū)動器的負載能力為：RL=32個輸入電阻并聯(lián)||2個終端電阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω
現(xiàn)在比較常用的RS-485驅(qū)動器有MAX48
5、DS369

5、MAX1488/1489以及和利時公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅(qū)動器負載能力可以達到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅(qū)動能力和負載的關系計算，一個驅(qū)動器可帶節(jié)點的最大數(shù)量將遠遠大于32個。
在通訊波特率比較高的時候，在線路上偏置電阻是很有必要的。它的作用是在線路進入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時（空閑方式）的電平拉離0電平。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射信號或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會由于這些信號的到來而產(chǎn)生誤動作。通過下面的例子，可以計算出偏置電阻的大?。航K端電阻Rt1=Rr2=120Ω；假設反射信號最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，則負半周的電壓Vref≤0.15V;終端的電阻上由反射信號引起的反射電流Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。
一般RS-485收發(fā)器（包括SN75176）的滯后電壓值為50mV，即：（Ibias-Iref）×（Rt1||Rt2）≥50mV；于是可以計算出偏置電阻產(chǎn)生的偏置電Ibias≥3.33mA+5V=Ibias(R上拉+R下拉+（Rt1||Rt2）)通過式2可以計算出R上拉=R下拉=720Ω在實際應用中，RS-485總線加偏置電阻有兩種方法：

（1）把偏置電阻平衡分配給總線上的每一個收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個收發(fā)器都加了一個偏置電壓。

（2）在一段總線上只用一對偏置電阻。這種方法對總線上存在大的反射信號或干擾信號比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線的負載。

4)RS-485總線的負載能力和通訊電纜長度之間的關系在設計RS-485總線組成的網(wǎng)絡配置（總線長度和帶負載個數(shù)）時，應該考慮到三個參數(shù)：純阻性負載、信號衰減和噪聲容限。純阻性負載、信號衰減這兩個參數(shù)，在前面已經(jīng)討論過，現(xiàn)在要討論的是噪聲容限（NoiseMargin）。RS-485總線接收器的噪聲容限至少應該大于200mV。前面的論述者是在假設噪聲容限為0的情況下進行的。在實際應用中，為了提高總線的抗干擾能力，總希望系統(tǒng)的噪聲容限比EIARS-485標準中規(guī)定的好一些。從下面的公式能看出總線帶負載的多少和通訊電纜長度之間的關系：
Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias)(2-3)
其中：Vend為總線末端的信號電壓，在標準測定時規(guī)定為0.2V；Vdriver為驅(qū)動器的輸出電壓（與負載數(shù)有關。負載數(shù)在5～35個之間，Vdriver=2.4V；當負載數(shù)小于5，Vdriver=2.5V；當負載數(shù)大于35，Vdriver≤2.3V）；Vloss為信號在總線中的傳輸過程中的損耗（與通訊電纜的規(guī)格和長度有關），由表2-7提供的標準電纜的衰減系數(shù)，根據(jù)公式衰減系數(shù)b=20lg(Vout/Vin)可以計算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通訊波特率為9.6kbps，電纜長度1km，如果特率增加，Vloss會相應增大)；Vnoise為噪聲容限，在標準測定時規(guī)定為0.1V；Vbias是由偏置電阻提供的偏置電壓（典型值為0.4V）。

式（2-3）中乘以0.8是為了使通信電纜不進入滿載狀態(tài)。從式（2-3）可以看出，Vdriver的大小和總線上帶負載數(shù)的多少成反比，Vloss的大小和總線長度成反比，其他幾個參數(shù)只和用的驅(qū)動器類型有關。因此，在選定了驅(qū)動器的RS-495總線上，在通信波特率一定的情況下，帶負載數(shù)的多少，與信號能傳輸?shù)淖畲缶嚯x是直接相關的。具體關系是：在總線允許的范圍內(nèi)，帶負載數(shù)越多，信號能傳輸?shù)木嚯x就越?。粠ж撦d數(shù)據(jù)少，信號能傳輸?shù)木嚯x就發(fā)越遠。

5)分布電容對RS-485總線傳輸性能的影響
電纜的分布電容主是由雙絞線的兩條平行導線產(chǎn)生。另外，導線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時也不能忽視。分布電容對總
線傳輸性能的影響，主要是因為總線上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘?，信號的表達方式只有“1”和“0”。在特殊的字節(jié)中，例如0x01，信號“0”使得分布電容有足夠的充電時間，而信號“1”到來時，由于分布電容中的電荷來不及放電，(Vin+)—(Vin-)-還大于200mV，結果使接愛誤認為是“0”，而最終導致CRC校驗錯誤，整個數(shù)據(jù)幀傳輸錯誤。
由于總線上分布影響，導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，從而使整個網(wǎng)絡性能降低。解決這個有兩個辦法：

（1）降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈省?br /> （2）使用分布電容小的電纜，提高傳輸線的質(zhì)量。
RS-485通訊標準的特點是抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠。在采用雙絞線，不用MODEM的情況下，在100kbps的傳輸速率時，可傳送1200m，若速率9600bps，則傳送距離可達1500m。它允許的最大傳輸速率為1OMbps傳輸距離為15m時)。RS485通訊標準允許平衡電纜上連接32個發(fā)送器/接收器對，目前已在許多方面得到應用，尤其是在多點通信系統(tǒng)中，是一個很有發(fā)展前途的串行通信接口標準。

2.3本設計電度表的誤差分析
自九十年代起,智能電度表逐漸進入市場。目前已在電能計量儀表中占有一定的份量,國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家數(shù)目日益增多。由于電度表是計費的依據(jù),關系到供電單位和用電者的權益,所以雙方對于計量誤差都很重視。

電度表的誤差和任何測量工具一樣是在所難免的。在工程設計方面,自然是必須力求其降至最低,但極需配合市場的接受能力劃出一個界限,不能漫無限制地改進。在選用智能電度表時,應注意性能和價格的關系,必要時可以參考前面的表格。對太廉價的產(chǎn)品,應進一步查詢考證其測量準確度的可靠程度。

目前智能電度表依其對電量的檢測方式,可分為全電子式和機電一體式兩類。因此對電度表而言,無論是全電子式、機械式或機電一體式都是在可能的價格范圍內(nèi)對電壓u(t)及電流i(t)作最精密的測量,然后以最精密的時間積分而得到最準確的電量。
全電子式電度表最大的弱點在于當電子線路受到損害之后,所有的資料將完全損失,很容易造成爭議。所以有廠家采用步進電機和CPU控制的脈沖發(fā)生機構相連,以機械方式輔助記錄。但這種做法一方面增加成本,另一方面由于步進電機經(jīng)常發(fā)生遺漏脈沖的現(xiàn)象,常常使得機械記錄和電子記憶有明顯的差異。這種誤差由于其是動態(tài)發(fā)生的,所以無從估計。
機電一體式電度表的測量誤差來源有兩方面,一是機械表芯對電量測量的誤差,另一是電子部份檢測機械表芯時的誤差。

2.3.1機械表芯測量誤差
機械表芯是將被測電量轉(zhuǎn)換成鋁盤的旋轉(zhuǎn)圈數(shù),然后以機械計數(shù)器顯
示。這種測量方式已使用了數(shù)十年之久,所有誤差都有規(guī)范可循,成為一種完全成熟的技術。最重要的是這種計量方法已得到售電和用電雙方廣泛的支持與接受,采用這種單元作為計費基礎完全能被市場認可。由于計數(shù)器不會因為電路的沖擊而變動,所以當發(fā)生異常現(xiàn)象而使電表損毀時，機械表芯仍能維持損毀前的最后記錄,可供參考。
2.3.2電子檢測誤差
在機電一體式結構中,電子電路必須從機械表芯旋轉(zhuǎn)元件(鋁盤)讀取轉(zhuǎn)動量作為計量資料。常用的讀取方式可分為電磁式和光電式兩大類。

(1)電磁式讀頭誤差
電磁式讀頭是基于霍爾效應的原理,在表芯轉(zhuǎn)軸上加裝一永磁轉(zhuǎn)子,和在表芯支架上安置一電磁檢測芯片而成。每當轉(zhuǎn)子通過檢測芯片附近時,將使檢測芯片產(chǎn)生一感應脈沖。計算此脈沖量可測得轉(zhuǎn)動量。由于磁場本身并無明顯的界限,所以脈沖產(chǎn)生的門檻就沒有清晰的界限。在快速旋轉(zhuǎn)時,這種現(xiàn)象造成的影響不大。但由于鋁盤的旋轉(zhuǎn)速度會隨著負載的不同而有很大的差異,可能快至每秒1圈以上,也可能慢到每5分鐘1圈或更低,所以當此模糊界限通過霍爾集成塊時,不論是由于機械振動或電路振蕩,都可能造成多重脈沖而引起誤差。加濾波電路的辦法又因轉(zhuǎn)速覆蓋的范圍太廣,使得適當?shù)臅r間常數(shù)非常難以決定。此外,由于額外的磁元件引入到表芯之中,或多或少會干擾電磁測量部件而使測量誤差進一步增加。

(2)光電式讀頭誤差
光電式讀頭有遮斷式和反射式兩種,它們都是由一個紅外線發(fā)光二極管及一個光敏三極管組成。如果用遮斷式,就必須在表芯內(nèi)增加一個與鋁盤同步同軸轉(zhuǎn)動的扇形盤,來間斷性地遮斷紅外線的通過,在光敏三極管上造成脈沖。反射式則以鋁盤做反射面,只要將適當?shù)纳刃螀^(qū)域涂黑阻止反射,即可產(chǎn)生所需的脈沖。不管是遮斷式還是反射式,其扇形區(qū)的界限都不可能非常的光潔,再加上鋁盤轉(zhuǎn)動速度的范圍極廣,因此與電磁式一樣,在超低速時如何避免誤讀是一個極具挑戰(zhàn)性的技術難題。

3.軟件設計

3.1軟件設計的思想和方法
工業(yè)用智能電度表，主要用于電力部門的發(fā)電廠、變配電站進行電能的收費、計劃、統(tǒng)計電量等。其次用于工業(yè)大用戶，進行電能量的計量，收費和工業(yè)自動化等方面。因此電能的采集一般由集中器或RTU下表發(fā)命令完成。電度表本身收到的命令有兩類：即設置表號（表地址）命令和讀表命令。

軟件主要完成的功能有主程序、串口中斷子程序兩部分。其中主程序完成I/O電平、X25045的設置；看門狗定時常數(shù)設為1.4S，并且在主程序中循環(huán)復位定時常數(shù)。
串口中斷子程序完成設置表號、讀表和上傳計數(shù)值。上位機向電度表發(fā)送的命令格式為：“EB90EB90表地址碼命令碼校驗碼”，“EB90EB90”為同步字節(jié)，命令碼為“00”并且表地址編碼的最高位為“1”時，表示設置表號，而“01”表示讀表。電度表向上位機發(fā)送格式為：“EB90EB90表地址碼表計數(shù)值（六位BCD碼）校驗碼”。

3.2軟件流程圖

圖3-1主程序流程圖

圖3-2串口中斷子程序框圖

4.結論
本論文主要研究了智能電度表的硬件設計，在硬件的研制過程中考慮到了可靠性及實用性。但是由于研究時間和條件上的限制，本設計還有許多需要改進的地方。比如，在軟件的設計中，只是籠統(tǒng)的給出了軟件流程圖，沒有具體的程序，由于時間上的限制，沒有全部完成非常遺憾。希望可以在以后的時間加以完善。智能電度表在我國具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γm然起步較晚，但勢頭非常迅猛。在鑒于我國幅員遼闊，各地、乃至同一城市不同區(qū)域的電網(wǎng)結構、電網(wǎng)布局以及負荷情況都不相同的實際情況下，本著降低成本、提高可靠性的原則，因地制宜地開發(fā)出各種適宜的智能電度表。這樣，一個城市或電業(yè)局可以真正實現(xiàn)電能自動監(jiān)測、調(diào)度管理系統(tǒng)，使我國的電能自動化管理水平向前邁進一大步。
在一些城市住宅建設發(fā)展較快的城市，已經(jīng)有多個智能化小區(qū)安裝了智能電度表。對于電力行業(yè)管理者來說，對各類不同用戶的不同用電負荷可以進行準確地記錄，是智能電度表最吸引他們的地方。業(yè)內(nèi)人士預言，隨著各種智能電度表產(chǎn)品的問世，“人工抄表”退出歷史舞臺，智能抄表系統(tǒng)“一統(tǒng)天下”的日子不遠了。

①社會效益分析
(1)智能電度表為“一戶一表”工程的實施提供了有力支持。
(2)智能電度表能夠使抄表人員從抄抄寫寫中解放出來，投身到“優(yōu)質(zhì)服務”中去。
(3)智能電度表能夠避免抄、核、收環(huán)節(jié)中人為造成的人情電、關系電和抄表差錯等一系列因素，減輕了居民負擔。

②管理效益分析
(l)智能電度表能夠提高抄表質(zhì)量，避免估抄、漏抄和錯抄。
(2)縮短抄表周期，避免因工作量大而導致的“雙月抄表”現(xiàn)象。
(3)智能電度表可實現(xiàn)“同步抄表”。即總表和分表同時抄錄，有利于線損計算。
(4)智能電度表可實現(xiàn)對用戶異常用電的實時監(jiān)控，遏止竊電現(xiàn)象。

③經(jīng)濟效益分析
(l)節(jié)省人力的效益：智能電度表可節(jié)省幾十名至幾百名工作人員，假如
每個抄表員每月抄表1000戶，每人年薪1.5萬元。智能電度表可直接經(jīng)
濟效益達幾十至幾百萬元。
(2)降損效益：智能電度表系統(tǒng)能夠挽回線損損失。它帶來的利益不僅僅
只局限于直接經(jīng)濟效益。實際上，其所帶來的隱含的、間接的經(jīng)濟效益則
遠高于直接帶來的經(jīng)濟效益。
智能電度表的新技術展望主要是電能表和智能抄表技術的新技術展望。各種智能電度表都有其特點，有其相適應的應用環(huán)境和存在條件，我們在現(xiàn)有技術的基礎上，結合各種系統(tǒng)的優(yōu)勢和長處，使其揚長避短發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。

（1）、網(wǎng)絡化電度表
電能計量信息網(wǎng)絡是一個由電能計量與智能抄表系統(tǒng)集成的新概念，其中電度表本身應帶有上網(wǎng)接口并具備通訊能力。設計好網(wǎng)絡的硬件編碼、技術指標與功能、通信規(guī)約、軟件平臺與數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，要做到原有各系統(tǒng)接口統(tǒng)一與兼容。實現(xiàn)實時抄表、實時計量與分析實時管理。

（2）、多用戶智能化電子式電度表
這種模式是多個用電戶共取一個公共電壓，而每個用電戶的電源進線處只需裝一個CT即可，這些采集到的電流、電壓信號就地由微處理器處理。所有用電戶的用電信息都交由設在異地的一臺微機來處理、記錄和存儲，見不到傳統(tǒng)意義上電度表的蹤影了。

1）基于移動無線網(wǎng)絡(GSM)的抄表系統(tǒng)
GSM智能抄表是一種基于智能小區(qū)完善的硬件環(huán)境發(fā)展起來的自動抄表技術。這種完善的硬件環(huán)境主要是指完善的居民住宅小區(qū)智能化管理系統(tǒng)，主要包括住戶信息管理、安防(防盜防入侵系統(tǒng)；電視監(jiān)控；門禁系統(tǒng))和通訊(閉路電視；電話程控交換機；無線基站)等功能模塊。其智能抄表的基本思路是：所有用戶的數(shù)據(jù)通過蜂窩移動無線網(wǎng)GSM以短信息(SMS)的模式上傳到GSM網(wǎng)的SMS中心；SMS中心將接收到的數(shù)據(jù)通過專線傳遞給用電管理部門等的數(shù)據(jù)處理服務器。由于現(xiàn)在GSM網(wǎng)的覆蓋面已幾乎遍及全國，故構建這種智能抄表系統(tǒng)時，完全可以利用現(xiàn)成的GSM無線網(wǎng)而不需再新建基站，而且，這樣的智能抄表系統(tǒng)一旦開發(fā)成功，可直接向有需求的地方推廣，不需因地域的不同而進行改造。

2）INTERNET抄表
現(xiàn)代居民住宅小區(qū)智能化管理系統(tǒng)的一個最新發(fā)展動態(tài)是“一切都上網(wǎng)”，寬帶網(wǎng)線路建設及網(wǎng)絡花費一天天降低，使這一切變得越來越現(xiàn)實，有線電視、IP電話、遠程醫(yī)療、網(wǎng)上購物等全方位服務，可視電話以及電表，水表和防盜/防災探測報警器等都聯(lián)到網(wǎng)上，由居民區(qū)的物業(yè)管理部門完成對本小區(qū)所有居民用戶的生活和消費的網(wǎng)絡化管理。在這樣的網(wǎng)絡化管理模式下，智能抄表只是該系統(tǒng)所具有眾多功能中的一種，隨著這種管理系統(tǒng)的不斷完善和健全，智能抄表在其中所占的成本消耗將會不斷下降。

3）藍牙技術
藍牙技術(1998年出現(xiàn)，是一種采用2.4GHzIMS[Industrial，scientificandMedical]頻譜的短程無線技術，主要用來打破現(xiàn)時一般以紅外線或電纜線聯(lián)系不同產(chǎn)品時受到的限制，能夠在約幾十米的距離內(nèi)無需連接電纜線或紅外接口就可進行數(shù)據(jù)交換。藍牙技術的迅速擴展給我們以新的啟發(fā)：能否將藍牙技術用于自動抄表?有人說，藍牙技術離能真正實用還需一、兩年的時間；還有人認為，藍牙技術不會往自動抄表方向“伸腿”，因為相對于現(xiàn)在的藍牙芯片來講，有些已有抄表技術的成本比較低；但有人想到，對那些利用現(xiàn)有自動抄表技術很難抄到的所謂“死角”處的電度表，利用藍牙技術可能再好不過了。藍牙技術到底能否在智能抄表方面獲得應用無需爭論，但作為從事微機化測量技術與儀器儀表研發(fā)的工程技術人員，應該在每一項新的計算機、網(wǎng)絡、通訊和微電子技術誕生之后就立即著手考慮，它能否給自己所從事的科研帶來革新性的發(fā)展和變化。

致謝
經(jīng)過幾個月的努力，我終于完成了智能電度表的硬件設計，可以說是如釋重負，倍感輕松，在此對老師們的指導和教育表示由衷地感謝。
在此，首先我要向我的指導老師張偉，致以衷心的感謝。他工作認真負責，一絲不茍，及時的詢問我們做課程設計的進度。對同學的幫助不是簡單告訴，而是讓我們用自己掌握的知識進行探索，最后，在一起經(jīng)過激烈的討論，得出結果，使我們能夠形成自己的學習方法。并且督促我們養(yǎng)成良好的學習習慣和嚴謹?shù)目茖W作風。最重要的是，張老師反復強調(diào)對待困難不要輕易放棄，要堅持不懈。這不僅使我順利的完成課題，更培養(yǎng)了自己樂觀向上的科研精神，這種精神也會無形的鞭策我在以后的工作學習中做事認真，精益求精。

另外，我還要感謝在這四年中所有教過我的老師們，正是他們的辛勤工作，使我在這四年之內(nèi)學到了豐富的知識，培養(yǎng)我自學自立的學習風格，在不斷的學習中完善自我，充實自我。在此我再次表達我對所有教導過我的老師們的誠摯謝意！
最后，要感謝我身邊的同學們，在遇到許多自己不懂的問題時，他們給我不小的幫助，是他們不斷的支持我做完最后的工作。在這里對他們表示真心的感謝！

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