智能电表集中管理系统设计

智能电表集中管理系统 随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电 能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程：由最初的感应电 能表，发展到后来的感应系脉冲电能表，直至现在的纯电子式电能表。 随着计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术的交叉和综合发展， 人们进入了高度发达的信息时代。现代化的电能管理模式，需要访问电能 表的很多信息，同时决策还要与电能表进行双向通讯。由于数字型电能表 是以微处理器为核心，所以功能容易扩展，易和配电自动化系统集成，所 以数字型电能表有取代传统感应式电表的趋势。 ：电能表 AT89S52主芯片 无线抄表RS-485 SMART METER CENTRALIZED MANAGEMENT SYSTEM DESIGN Along with the power system and its related industry and energy management system, the structure and properties of the meter has experienced constantly updated and optimization process of development: by the original electric induction, the induction of pulse watt-hour meter, until now the pure electronic watt-hour meter. Along with the computer technology, communication technology, network technology and control technology of cross and comprehensive development, people entered the highly developed information era. Modern power management mode, access to information, and many of the electric meter with decision-making two-way communication. Due to the digital meter is for the core, so the microprocessor to expand, and function of power distribution automation system integration, so the digital meter has replace traditional inductive meter trend. Keywords: electric meter-reading AT89S52 main chip wireless rs-five 485 1 绪论........................................................................................................................................................ 1 1.1电能表的历史及发展趋势 .............................................................................................................. 1 1.2 抄表方式的现状及其特点 ............................................................................................................. 2 1.3 系统方案选择 ................................................................................................................................. 3 1.4 本文主要研究 ......................................................................................................................... 3 2 系统构成及其工作机理 ............................................................................................................................ 4 2.1系统的构成 ...................................................................................................................................... 4 2.2系统的主要功能及特点 .................................................................................................................. 5 2.3系统硬件电路图 .............................................................................................................................. 6 3 硬件电路设计 ............................................................................................................................................ 7 3.1 主芯片控制模块 ............................................................................................................................. 7 3.1.1 AT89S52 引脚功能简介 ..................................................................................................... 8 3.1.2 AT89S52的特殊功能 ....................................................................................................... 9 3.2 时钟模块....................................................................................................................................... 10 3.2.1 DS1302 的基本组成和工作原理 ...................................................................................... 11 3.2.2 DS1302 的功能应用 .................................................................................................. 12 3.2.3 DS1302 的应用要点 .......................................................................................................... 14 3.3 键盘输入模块 ............................................................................................................................... 14 3.4 屏幕显示模块 ............................................................................................................................... 15 3.4.1 AMPIRE 128×64 LCD的外部引脚及其功能 ................................................................... 16 3.4.2 AMPIRE 128×64 LCD 指令操作使用方法 .................................................................... 16 3.4.3 AMPIRE 128×64 LCD 使用要点 .................................................................................... 17 3.5 RS-485通信模块 .......................................................................................................................... 17 3.5.1 RS-485通信技术简介........................................................................................................ 17 3.5.2 多机串行口通信原理简介 ................................................................................................ 19 4 系统仿真调试 .......................................................................................................................................... 20 4.1 仿真环境简介 ............................................................................................................................... 20 4.2 仿真调试步骤 ............................................................................................................................... 20 4.3 仿真结果....................................................................................................................................... 20 5 总结.......................................................................................................................................................... 21 1 1.1 作为测量电能的专用仪表电能表，自诞生至今已有一百多年的历史。随着电力系统 及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断 更新、优化的发展过程：由最初的感应电能表，发展到后来的感应系脉冲电能表，直至 现在的纯电子式电能表。感应系电能表是利用处于交变磁场的金属圆盘中的感应电流与 有关磁场形成力的原理制成的。感应系脉冲电能表仍然采用感应系电能表的测量机构作 为工作元件，由光电传感器完成电能脉冲转换，然后经电子电路对脉冲进行处理，从而 实现对电能的测量。纯电子式电能表的原理是采用电子电路来实现电能计量，所以电子 式电能表的共同特点是采用乘法器，根据所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟 乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。 感应式电能表已经完成它的历史使命。因为感应式电能表有着无法克服的缺陷。首 先，机械磨损是感应式电能表无法克服，磨损的后果是表计越走越慢。其次，偷窃电现 象严重：感应式电能表由于电流、电压接线端子外露，很容易采用改接线或倒表手段进 行偷窃电，这是包括我国在内的发展中国家普遍存在的严重问题。再次，抄表方式单一 落后：感应式电能表采用的是人工登门手工抄表，抄表人员要走家串户上楼、下楼，这 种原始的查表方法不仅造成了人力、物力的浪费，而且在查表时会打扰居民的正常生活， 甚至给居民带来安全隐患，这与现代化用电管理极不适应。 随着计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术的交叉和综合发展，人们进入了 高度发达的信息时代。现代化的电能管理模式，需要访问电能表的很多信息，同时决策 还要与电能表进行双向通讯。由于数字型电能表是以微处理器为核心，所以功能容易扩 展，易和配电自动化系统集成，所以数字型电能表有取代传统感应式电表的趋势。未来 电能表有以下几个发展趋势： 1、电子式电能表全面替代感应表 电子式电能表之所以能取代感应表而成为市场的宠儿，有诸多的优势：?可靠性： 精度长时间不变、无须轮校、无安装、运输影响等；?准确度：宽量程、宽功率因数、 启动灵敏、防潜可靠等；?功能：可实行集中抄表、多费率、预付费、防窃电、多功能 等；?性价比：性价比高、可预留扩展功能、受原材料涨价影响小等。 2、液晶显示器加速替代字轮计度器 液晶显示器之所以能获得越来越多的客户的认可，主要是因为：?液晶显示器的可 靠性和寿命得到行业的普遍认可；?液晶显示器能显示更多信息（汉字提示、多排显示 1 等）；?集中抄表数据和人工读表数据的一致性要求；?液晶显示器功耗低，可以停电 时显示；?液晶显示器在黑暗中还可以采用背光显示。 3、防窃电要求进一步加强 随着窃电方式的更加多样化和隐蔽化，对电能表防窃电的要求也越来越高，机械表 对此已越来越力不从心，电子式电能表则表现出了强大的优势。目前窃电的方式主要有： 干扰计量元件，更改接线方式，打开表盖更改内部线路或数据等。 4、具有通信接口尤其是RS485接口成为趋势 随着抄表到户的逐步实施以及电力部门的体制改革，自动抄表成为用户强烈的需 求，因此越来越多地要求电表配备通信接口。电表配备RS485接口具有成熟和性价比的优势，适合未来采用更新、更好的通信技术，因此成为用户目前较为理想的选择而逐 渐成为配置。 1.2 目前，国内抄表方式有人工抄表、有线远程抄表、无线远程抄表。 有产品生产成本和运行成本低的优点，但是也有很难以克服的缺点： ? 由于人为因数的存在，抄表质量难保证。 ? 不利于大批量数据处理，需要人工输入和校验，增加电力部门人员编制。 ? 入户抄表难度大，而且需要抄表人员爬楼，增加抄表人员的工作量。 是指采用无线通信方式来实现远程抄表的方式。主要有以下有两种实 现方式： 一种方式是大功率无线传输，利用固有的无线服务运营商的网络：如GSM、GPRS、 CDMA网等实现远程抄表，该方式使用范围广，通信成功率高，无须额外申请频段。 另一种方式是手持无线抄表装置或车载无线抄表装置，属于小功率无线传输，这种 方式必须首先向有关部门申请频段，且信号只能在一定的范围内有效，抄收范围较小如 一个生活小区。 用无线自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性、实 时性，使管理部门能及时准确获得数据信息。但是，无线抄表技术投入巨大，在短时间 难以取得明显的经济效益。 可以分为一下几类： 1、基于有线电视宽带的自动抄表 它是将用户的用电数据通过特殊的电视信号，将之转换为能在有线网上传输的信 号，然后进行解调，达到信息通信的目的。但在硬件实现上存在较大难度，可行性差， 有待理论和技术上进一步的突破。 2、基于电力线载波的远程抄表 基于电力线载波的远程抄表技术以低压电力线为通信媒介，用户终端的用电数据与 2 集中器之间的通信通过电力线载波技术来完成。 3、基于总线技术的远程抄表 （1）基于RS485总线技术的远程抄表 用户的电能表通过总线与集中器连接，一个小区安装一个或多个集中器进行数据采 集，数据采集一次性抄读成功率及可靠性较高， （2）基于LONWORKS技术的远程抄表 LONWORKS网络是通过一种或多种通信媒体相互连接的智能化设备或节点构成 的，具有开放的技术标准、较好的互换性及可构造性和优良的可靠性。这种抄表方式的 核心是芯片Neuron，通过该芯片来完成数据的采集、处理以及与上位机的通信等等。 1.3 （1）通信技术选择。 本课题设计的智能电表集中管理系统，主要用于大型小区 和办公楼的电能消耗的计量和管理，因而要求系统拥有远程通信的功能，在比较了上一 节中介绍的几种抄表方式各自的优缺点后的基础上，本设计选择了基于RS485总线技术的远程抄表方案。 （2）主控制芯片的选择。 一般小区或办公楼用户不多，按200户设计，8位总线的系统就可以胜任选片功能；由于中心控制系统要实现的功能较多，初步预计基程序语 句数1000条，加上所要显示的30个汉字的代码，估计内存储空间需要5KB。鉴于以上两点要求，再考虑到产品市场的因数，本设计选择AT89S52做为主控制芯片。 （3）外存储器的选择。 为了保证数据的安全性，本系统选择了主机和从机均存 储有效数据的方案。中心控制系统需要存储全部用户12个月的电表数据和电费数据， 需要约7KB存储空间，6164是2K×8位的静态随机存储器芯片，满足此要求。 1.4 本文在介绍AT89S52的主要参数、功能特性、工作特性，阐述RS485总线的基本概念、应用优势基础上，设计了一种使用AT89S52作为主控制芯片、基于RS485总线的智能电表集中管理系统。 全文共分为---章，各章具体的研究内容为： 第一章：主要介绍电能计量仪表的发展历程，比较常见的几类电能表抄表方式的 优劣之处，探讨系统的发展方向，指出本系统的设计方案。 第二章：主要说明本系统的主要构成、功能特点以及实际电路图 第三章：先后介绍了主控制芯片AT89S52、时钟芯片DS1302、4×4矩阵键盘、128×64 LCD和RS-485串行通信技术的工作原理及其使用方法。 第四章：详述各程序功能模块的的设计思路，并给出详细的程序及图。 第五章：简述仿真环境及仿真调试步骤和结果。 第六章：对本设计进行简单总结。 3 2 2.1 基于51单片机的智能电表集中管理系统是立足于供电部门当前和未来发展的需要 及电能消费者的需求，不仅从用电交易本身考虑，且从整个电力市场管理通用性上考虑。 本系统总体设计如图（1）。分立电表是整个电表集中管理系统的操作对象，主要负责 分立电表数据统计、电能管理及与集中管理系统交换数据；集中管理系统主要负责统计 历史数据、提供管理平台、与手持设备或计算机进行数据交换。数据流向图见图（2）. 集中管理系统的硬件电路主要元器件有：主控制芯片AAT89S52、显示单元AMPIRE 128*64 LCD、扩展存储器6164、时钟芯片DS1302、RS485通信接口及由8255A驱动的4*4键盘。集中管理系统的原理结构框图如图（3）所示。 4 2.2 本系统以AT89S52为控制核心，各程序模块相对独立，主要靠中断方式调用，其 主要功能有： （1） 断电自我保护/通电自启动功能。 断电后自动进入省电模式，只运行主芯 片和时钟芯片，关闭键盘访问功能和显示器，拒绝与其他单片机进行数据交 换；通电或复位后能迅速进入正常模式，开启所有功能。 （2） 通信功能。 基于RS485通信技术，可以与距离主机1200米的从机进行通 信，通信内容主要有：采集电表数据，发送月结账命令，发送电费信息，发 送月份信息，查询从机运行状态。 （3） 按时统计结账功能。 以DS1302的计时为基础，每天采集一次数据，每月 进行一次月结账。 （4） 人机交换功能。通过键盘输入，可以修改系统时间、设定终端号，方便安装 和系统调整。 本系统有以下几大特点： （1） 数据安全。同一数据在主机和从机上都有存储，数据安全性好。 （2） 实际应用方便。正确安装系统，设定终端号、初始时间即可。 （3） 方便数据处理。所有数据以同一格式存储，以手持设备为中介，可以直接 交给计算机处理。 5 2.3 6 3 本设计主要由主芯片控制模块、显示模块、时钟模块、键盘输入模块、存储模块、 通信模块组成，为了满足设计要求主要采用了AT89S52、AMPIRE 128*64 LCD、DS1302、 8255A、6164、RS485等几种元器件。下面就以 各芯片的功能和使用方法为主题介绍主要的几 个模块的设计过程。 3.1 , 与MCS-51单片机产品兼容 , 8K字节在系统可编程Flash存储器 , 1000次擦写周期 , 全静态操作：0Hz～33Hz , 三级加密程序存储器 , 32个可编程I/O口线 , 三个16位定时器/计数器 , 八个中断源 , 全双工UART串行通道 , 低功耗空闲和掉电模式 , 掉电后中断可唤醒 , 看门狗定时器 , 双数据指针 , 掉电标识符 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯 片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作 停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 7 3.1.1 AT89S52 引脚功能简介 P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要 外部上拉电阻。 P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 表1 P1口引脚的第二功能 引脚号 第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 表2 P3口引脚的第二功能 引脚号 第二功能 P3.0 RXD（串行输入） P3.1 TXD（串行输出） P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT1(外部中断1) P3.4 T0（定时器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器写选通) 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看 8 门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而， 特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址 为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数 据存储器时，PSEN将不被激活。 访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 振荡器反相放大器的输出端。 电源 地 3.1.2 AT89S52的特殊功能 为了更有利于访问内部和外部数据存储器，系统提供了两路16位数据指针寄存器：位于SFR中82H~83H的DP0和位于84H～85。特殊寄存器AUXR1中DPS＝0 选择DP0；DPS=1 选择DP1。用户应该在访问数据指针寄存器前先初始化DPS至合理的值。 表 3 AUXR1：辅助寄存器1 AUXR1 地址：A2H 复位值：XXXXXXX0B 不可位寻址 — — — — — — — DPS 7 6 5 4 3 2 1 0 说明：— 预留扩展位 DPS 数据指针选择位 DPS＝0 选择DPTR寄存器DP0L和DP0H DPS＝1 选择DPTR寄存器DP1L和DP1H 在空闲工作模式下，CPU 处于睡眠状态，而所有片上外部设备保持激活状态。这种 状态可以通过软件产生。在这种状态下，片上RAM和特殊功能寄存器的内容保持不变。 空闲模式可以被任一个中断或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲模式只需两个机器周 期有效复位信号，在这种情况下，片上硬件禁止访问内部RAM，而可以访问端口引脚。 空闲模式被硬件复位终止后，为了防止预想不到的写端口，激活空闲模式的那一条指令 的下一条指令不应该是写端口或外部存储器。 在掉电模式下，晶振停止工作，激活掉电模式的指令是最后一条执行指令。片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉电模式终止。掉电模式可以通过硬件复位和外部中 断退出。复位重新定义了SFR 的值，但不改变片上RAM 的值。在VCC未恢复到正常工作电压时，硬件复位不能无效，并且应保持足够长的时间以使晶振重新工作和初始化。 9 表4 空闲模式和掉电模式下的外部引脚状态 模式 程序存储器 ALE PSEN PORT0 PORT1 PORT2 PORT3 空闲 内部 1 1 数据 数据 数据 数据 空闲 外部 1 1 浮空 数据 地址 数据 掉电 内部 0 0 数据 数据 数据 数据 掉电 外部 0 0 浮空 数据 数据 数据 AT89S52 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从 外部时钟源驱动器件的话，XTAL2 可以不接，而从XTAL1 接入，如图5 所示。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没 有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。 内部振荡电路连接图 外部振荡电路连接图 石英晶振C1,C2=30PF?10PF 陶瓷谐振器C1,C2=40PF?10PF 3.2 , 实时时钟具有能计算2100 年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力，还有 闰年调整的能力 , 31 8 位暂存数据存储RAM , 串行 I/O 口方式使得管脚数量最少 , 宽范围工作电压2.0 5.5V , 工作电流 2.0V 时,小于300nA , 读/写时钟或RAM 数据有单字节传送和多字节传送字符组两种传送方式 , 8 脚DIP 封装或可选的8 脚SOIC 封装根据表面装配 10 , 简单 3 线接口 , 与 TTL 兼容Vcc=5V , 可选工业级温度范围-40 +85 , 在 DS1202 基础上增加的特性 --对Vcc1 有可选的涓流充电能力 --双电源管用于主电源和备份电源供应 --备份电源管脚可由电池或大容量电容输入 --附加的7 字节暂存存储器 DS1302 是DALLAS 公司推出的SPI总线涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/ 日历和31 字节静态RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电 路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整， 时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线RST复位、I/O 数据线、SCLK 串行时钟。时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率 小于1mW。 3.2.1 DS1302 的基本组成和工作原理 DS1302 的管脚排列及描述如右图所示 (1)管脚描述 32.768KHz 晶振管脚 地 复位脚 数据输入/输出引脚 串行时钟 电源供电管脚 (2)DS1302 内部寄存器 : 时钟停止位 寄存器2 的第7 位12/24 小时标志 CH=0 振荡器工作允许bit7=1,12 小时模式 CH=1 振荡器停止bit7=0,24 小时模式 : 写保护位 寄存器2 的第5 位:AM/PM 定义 WP=0 寄存器数据能够写入 AP=1 下午模式 WP=1 寄存器数据不能写入 AP=0 上午模式 : 涓流充电选择 : 二极管选择位 TCS=1010 使能涓流充电 DS=01 选择一个二极管 TCS=其它 禁止涓流充电 DS=10 选择两个二极管 DS=00 或11, 即使TCS=1010, 充电功能也被禁止 （3）DS1302命令控制字 命令字格式 11 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 A4 A3 A2 A1 A0 RAM/ RD/ （a）时钟/日历控制部分 （b）RAM控制部分 RAM数据0地址 RAM数据1地址 RAM数据30地址 3.2.2 DS1302 的功能应用方法 DS1302时钟寄存器地址从80H到0BFH，第0位是读写标志位，其值为0时表示写操作地址，为1时表示读操作地址。 当写保护寄存器的最高位为0 时，允许数据写入寄存器。写保护寄存器可以通过 命令字节8E/8F 来规定禁止写入/读出，例如：向8EH写入00H，则允许对DS1302进行写操作；向8EH写入80H时，则禁止对DS1302进行写操作。写保护位不能在多字节传 送模式下写入。 12 （1） 单字节写操作方法（假设数据存储在R0） WRITE:MOV A,R0 ；先将地址输送到DS1302中 MOV R2,#8 CLR SCLK ；先将时钟信号清零 NOP SETB SCLK ；时钟上升沿时发送数据有效 NOP LOP1: RRC A ；DS1302采用的是串行输入方式，一个字节需分8 MOV IO,C ；次输入，此子程序要循环8次 NOP SETB SCLK NOP CLR SCLK DJNZ R2,LOP1 写一个字节的数据到指定时钟存储器中，应先将指定存储器的地址输送到 DS1302中，然后再以同样的方法将数据输送到DS1302。 （2）单字节读操作方法（假设地址存储在R0） WRITE: MOV A,R0 ；先将要读的地址输送到DS1302中 MOV R2,#8 CLR SCLK NOP SETB SCLK NOP LOP1: RRC A MOV IO,C NOP SETB SCLK NOP CLR SCLK DJNZ R2,LOP1 READ: MOV R2,#8 ；真正的读数据程序段 MOV A,#00H ；AAC清零，准备接收数据 LOP2: CLR SCLK NOP SETB SCLK NOP MOV C,IO RRC A SETB SCLK DJNZ R2,LOP2 RET （3） 多字节传送模式 13 当命令字节为0BEH或0BFH时，DS1302工作在多字节传送模式，8个时钟/日期寄存器从寄存器0地址开始连续读写从0位开始的数据。当命令字节为0FFH或0FEH时，DS1302工作在多字节RAM传送模式，31个RAM寄存器从0地址开始连续读写从0位开始的数据。操作方法与单字节读写模式类似，也是先写命令字节，然后连续读写数据。 3.2.3 DS1302 的应用要点 （1）正确区分地址。第0位是读/写地址标志位，第6位是时钟/RAM操作标志位。 （2）注意RST复位信号和时钟总线信号的时序。只有在复位引脚（RST）为高电平时，逻辑控制才有效；只有在时钟上升沿（SCLK引脚）时，发送数据才有效。 （3）本设计中是用P1口P1.0跟DS1302进行数据交换，而P1口因其特殊物理结构的原因，需要先向P1口写“1” ，才能把P1口做为输入口使用。 3.3 下图给出了采用8255A接口芯片构成的4×4键盘的接口电路。 (6) 对于这种非编码键盘来说，识别按键的方法有两种：一是扫描法，二是反转法。 1）扫描法的原理是：CPU逐列（行）线发出低电平信号，如果该列线所连接的键 没有按下的话，则行（列）线所接的端口得到的是全“1”信号；如果有键按下的话， 则得到非全“1”信号。为了防止双键或多键同时按下，往往从第0列（行）一直扫描到最后1列（行），若只发现1个闭合键，则为有效键，否则全部作废。找到闭合键后， 读入相应的键值，再转至相应的键处理程序。 2）线反转法也是识别闭合键的一种常用方法，该法比扫描速度快，但在硬件上要 求行线与列线外接上拉电阻。先将行线作为输出线，列线作为输入线，行线输出全“0” 14 信号，读入列线的值，然后将行线和列线的输入输出关系互换，并且将刚才的列线值从 列线所接的端口输出，再读取行线的输入值。那么在闭合键所在的行线上的值必为0。这样，当一个键被按下时，必定可读到一对一的行列值。 本设计中采用的是线反转法。 图(7)为本设计中键盘的面板示意图，“开始”键为键盘中断启动信号输入按钮，连 接到AT89S52的INT0；0~9为9个数字输入键，其他按键为系统功能选择键。 1 2 3 确认/修改 1 2 3 A 4 5 6 清除/返回 4 5 6 B 7 8 9 C 7 8 9 查询上月 F 0 E D 上翻 0 下翻 查询历史 开始 键盘功能选择键功能说明： ? 确认/修改：一般输入状态下有确认输入内容功能；在显示器显示终端号及时间状态 下，此按钮有修改系统时间功能 ? 清除/返回：一般输入状态下有清除输入内容功能；在查询数据状态下有返回上一级 状态功能。 ? 查询上月：在显示器显示终端号及时间状态下，有选择上月电表数据显示功能。 ? 查询历史：在显示器显示终端号及时间状态下，有选择历史数据显示功能。 ?上翻/下翻：在查询上月数据状态下有自动切换用户编号并显示相关数据的功能；在 查询历史数据状态下有自动切换当前用户的不同月份数据显示的功能。 3.4 AMPIRE 128×64 LCD是一种图形点阵液晶显示器，可以完成图形显示，也可以显 示8×4个（16×16点阵）汉字。 15 3.4.1 AMPIRE 128×64 LCD的外部引脚及其功能 :电源地 :电源正极 ：驱动电压 ：RS＝H表示DB7-DB0为显示数据 RS＝L表示DB7-DB0为显示指令数据 ：RW＝H，E＝H表示数据被读到DB7-DB0 RW＝L，E＝H?L表示数据被写到IR或DR ：RW＝L表示信号下降沿锁存 DB7-DB0 RW＝H，E＝H表示DDRAM数据读到 DB7-DB0 ：数据线 ：CS1＝H选择右半屏 ：CS2＝H选择左半屏 ：复位信号，低电平复位 3.4.2 AMPIRE 128×64 LCD 指令操作使用方法 （1）显示开关控制 代码 RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 形式 0 0 0 0 1 1 1 1 1 D D=1：开显示，表示显示器可以进行各种显示操作 D=0：关显示，表示不能对显示器进行各种显示操作 （2）设置显示起始行 代码 RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 形式 0 0 1 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0 显示起始行是由Z地址计数器控制的，A5~A0的6位地址自动送入Z地址计数器，起始行的地址 可以是0~63的任意一行。起始行与DDRAM行的对应关系如下： DDRAM行：62 63 0 1 2 3„„„„„„28 29 屏幕显示行：1 2 3 4 5 6„„„„„„31 32 （3）设置X地址（页地址） 代码 RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 形式 0 0 1 0 1 1 1 A2 A1 A0 所谓页地址就是DDRAM的行地址，8行为一页，模块共64行即8页，A2~A0表示0~7页。读/写数据对地址没有影响，页地址由本指令或RST信号改变复位后，页地址为0。页地址与DDRAM的对应关系见表3.4.1。 （4）设置Y地址（列地址） 代码 RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 16 形式 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0 此指令的作用是将A5~A0送入Y地址计数器，作为DDRAM的Y地址指针。在对DDRAM进行读/写操作后，Y地址指针自动加1，指向下一个DDRAM单元。 （5）写显示数据 代码 RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 形式 0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DB7-DB0为显示数据，此指令把D7-D0写入相应的DDRAM单元，Y地址指针自动加1。 3.4.3 AMPIRE 128×64 LCD 使用要点 （1）正确地输送X、Y、Z地址，也就是要确定需要刷新的点阵在屏幕上的坐标。这 一点很重要，尤其是在刷新屏幕中间某个16*16点阵的时候。 （2）正确地编排汉字显示代码。每一个16*16点阵的刷新过程是这样的：先刷新第 一页第1列的八个点（八个点对应单字节数据的八个位，高位在上，低位在下），然后 刷新这一列第二页的八个点，再以先第一页再第二页的顺序刷新其他列的点。所以，汉 字显示代码的编排也应该符合这样的编排顺序。 （3）X地址计数器没有记数功能，只能用指令设置；Y地址计数器具有循环记数功 能，各显示数据写入后，Y地址自动加1,Y地址指印从0到63. 3.5 RS-485 3.5.1 RS-485通信技术简介 RS-485是一种平衡传输方式的串行接口标准，它允许有多个发送器，允许一个发送 器驱动负载设备，负载设备可以是驱动发送器、接收器或收发结合器。RS-485的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、收发结合器可 挂在平衡传输线上的任何位置，实现数据传输中多个驱动器和接收器公用同一传输线的 多点应用。 在RS-485传输信号前，先分解成正、负两条线路，到达接收端后，再将信号相减还 原成原来的信号。如果将原始信号标注为（DT），而被分解后的信号分别标注为（D+）、（D-），则原始信号与分解信号在发送端发送出去时的运算关系为（DT）=（D+）-（D-）。同样，接收端在接收到信号后，也按该运算关系到将信号还原成原来的样子。如果此线 路受到干扰，这时在两传输线上的信号会分别成为（D+）+ Noise和（D-）+ Noise。如果接收端接收到此信号，它必须按照一定的方式将其合成，合成方程式为[（D+）+ Noise]-[ （D-）+ Noise]=（DT），此方程式与前述运算关系式的结果一致，所以可有 效防止哭声干扰。 RS-485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需 传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果 17 使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。 RS-485的信号线应考虑阻抗匹配问题，所谓阻抗匹配即信号线的负载应与信号线的 特性阻抗相等。特性阻抗与信号线的宽度、与地线层的距离以及板材的介电常数等物理 因素有关，是信号线的固有特性。阻抗不匹配将引起传输信号的反射，使数字波形产生 振荡，造成逻辑混乱。由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120 Ω左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120 Ω的匹配电阻，如图10所示，以减少线路上传输信号的反射。 (10) RS-485 下列为常用的一些驱动IC： 32个节点：sn75176、sn75276、sn75179、sn75180、max485、max488、max490 64个节点：sn75lbc184 128个节点：max487、max1487 256个节点：max1482、max1483、max3080～max3089 RS-485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。半双工通信的芯片有 sn75176、sn75276、sn75lbc184、max485、max 1487、max3082、max1483等；全双工通信的芯片有sn75179、sn75180、max488~max491、max1482等。 图11展示的是一个三节点RS-485通信应用实例。本设计中最大节点数可达256个，其接线方式与此图大致相同，只是使用的通信芯片不同。 18 3.5.2 多机串行口通信原理简介 以图11为例，假设主机的地址为00H，从机1和2的地址分别为01H、02H。从机系统由初始化程序将串行口编程为方式2或方式3接收，即9位异步通信方式，且置“1”SM2和REN，允许串行口中断。在主机和某一个从机通信之前，先将从机地址发送给各 个从机系统，接着才传送数据命令。主机发出的地址信息的第9位为1,数据（包括）信息的第9位为0. 当主机向各从机发送地址时，各从机的串行口接收到的第9位信息RB8为1,置“1”RI中断标志位，各从机响应中断，执行中断服务程序，判断主机送来的地址是否和本 机地址相符合，若为本机的地址，则置“0”SM2,准备接收主机的数据或命令；若地址 不一致，则保持SM2位为1状态。接着主机发送数据，此时各从机串行口接收到是RB8为0,只有与前面地址相符的从机系统（已清“0”SM2）激活中断标志位RI，转入中断程序，接收主机的数据或命令；其他的从机系统因SM2保持为1,又RB8为0,不激活中断标志，所接收到的数据丢失不作处理。 19 4 4.1 Proteus软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，从1989年问世至今已有20年的历史，在全球得到了广泛的应用。Proteus软件除具有和其他EDA工具软件一样的编辑、印制电路板制作功能外，还具有交互式的仿真功能。它不 仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台，同时也是先进的微处理 器系统的设计与仿真平台，真正实现了在计算机中完成电路原理图设计、电路分析与仿 真。微处理器程序设计与仿真、系统测试与功能验证到形成印制电路板的完整电子设计、 研发过程。 该软件的特点有： ? 实现了单片机仿真和普通数模电路仿真的结合。具胡模拟电路仿真、数字电路 仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS23动态仿真、C调试器、SPI 调试器、键盘和LCD系统仿真等功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析 仪、信号发生器等。 ? 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有6800系列、8051系列、 AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各 种外围芯片。 ? 提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能， 同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该 软件仿真系统中，也 必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。 ? 具有强大的原理图绘制功能和PCB布线编辑功能。它可以在仿真原理图的基础 上绘制PCB，并支持PCB板的三维预览。 4.2 1）根据所需功能在Proteus软件中选择所需元器件，编辑系统电路图，设置基本参 数。 2）在Keil C51 uVision3软件中编写AT89S52的应用程序，编译程序并生成后缀为.hex的文件。 3）在Proteus软件中给AT89S52芯片导入程序代码文件（.hex文件）。 4）在Proteus软件中点击运行按钮，开始系统仿真。 5）检验各种预设功能的实现情况，对不能达到要求的功能对应的程序代码进行修改， 重复第2步到第5步的操作，直到全部达到基本要求。 4.3 程序中涉及多机通信的部分没有子系统及其程序的支持，所以没有进行仿真。所有 20 程序语句（共约1200条）没有编译错误，基本功能能够实现。由于作者水平有限，部 分功能还不能实现，程序设计还有待改进。 5 本课题设计的智能电表集中管理系统从技术选择到设备选择均优先考虑其经济实 用性，因而具有很好的使用价值。主控芯片采用性能稳定、兼容性强、价格低廉的 AT89S52单片机，满足此系统的基本要求，而且具有良好的后续扩展能力。通信技术采 用设备简单、通信距离远、抗干扰能力强的RS-485通信技术，满足一般小区的电能管理远程化要求，适合对现有后付费电表系统进行预付费技术改造。此外，本设计还在数 据保存及处理方面有很出色的设计，数据双备份设计保证了数据的安全性，类似数据库 形态的数据存储方式方便对数据进行科学化、批量化处理，符合现代化设备信息数字化 处理的要求。因此，从用户的需求、系统的性能、供电部门的管理各个方面考虑，该电 表集中管理系统都非常适合市场要求，有远大的市场前景。 本系统在与外界数据交换方式上选择了使用手持中介设备传输的方式，在经济状况 不发达的情况下还算经济实用，因为它能节省成本且能合理利用现有人力资源。但是， 这种方式也有缺点：无法及时地在供电部门和用户终端之间交换数据，作者推荐在后续 改造中使用GSM通信技术改善这一性能。手持设备主要就是51单片机、RS485通信 接口设备和大容量存储芯片，程序和电路设计简单，本设计中省掉了手持设备的相关电 路和程序的设计内容。 本课题在程序设计方面采取了分模块设计的思路，很好地解决了各模块内功能实现 问题。全部程序语句有一千多条，由于作者水平有限，程序还有待优化。 21 致 谢 经过两个多月的努力，作者终于完成了四年大学生活的最后一个学习环节—毕业设计。这次毕 业论文能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师和帮助过我的同学给我教诲、 指导和帮助结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！ 特别是我的指导老师—赵聪慧老师，在设计期间，不仅在论文设计中给我具有关键意义的指导 和帮助，而且在我为工作犯愁时给我指导和鼓励。在此，谨向赵聪慧老师致以诚挚的谢意和崇高的 敬意。 此外，我还要感谢在论文写作过程中，帮助过我、并且共同奋斗四年的大学同学们，能够顺利 完成论文，是因为一路上有你、有你们，再次衷心地感谢所有在我论文写作过程中给予过我帮助的 人们，谢谢！ 22 参考文献 1 贾好来. MCS-51单片机原理及应用.北京：机械工业出版社，2006.199~201,114~115 2 周坚. 单片机程序设计基础. 北京：航空航天大学出版社，1997.25~27 3 ATMEL公司，AT89S52 Manual. 4 沙占友,等. 单片机外围电路设计.北京：电子工业出版社，1995.46~49 5 孙育才,等. 单片机原理及其应用. 北京：电子工业出版社，1995.132~136 6 李朝清. 单片机 & DSP外围数字IC技术手册.北京：航空航天大学出版.2005.33~36 7 王修才. 单片机接口技术.浙江：复旦大学出版社，1995.46~78 8 Chen Yinglin. Digital Watt-hour metering system and verification equipment. Dianli Zidonghua Shebei / Electric Power Automation Equipment, v 29, n 4, p 114-117, April 2009 9 Tan,H,G. Automatic Power Meter Reading System using GSM network. 8th International Power Engineering Conference, IPEC 2007, p 465-469, 2007 10 Zhao,Xu. New fundamental waveform electronic energy meter. Proceedings of the Second International Symposium on Instrumentation Science and Technology, v 1, p 1/384-1/389, 2002 11 Song,H.J. Single chip system for bio-data acquisition, digitization and telemetry. Proceedings - IEEE International Symposium on Circuits and Systems, v 3, p 1848-1851, 1997 12 Zhao,Shutao. Research on remote meter automatic reading based on computer vision. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, v 2005, p 1-4, 2005 23