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1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员1. 设计（论文）题目：数字电度表-具有远程抄表功能2. 学生完成设计（论文）期限：年月日至年月日3. 设计（论文）课题要求：1. 远程抄表系统采用电力载波和电话通信方式相结全的通信方形式，兼 有二者优点，功能齐全，成本低，系统组织灵活，选择性强。2. 电力载波系统直接利用电力网通信，采用FSK载波通信方式，3. 数字电度表采用PIC16C73单片机实现高精度数字式电度表。4. 实验（上机、调研）部分要求内容：利用所学的单片机软件编程，并在实验平台操作其程序，在设计的图 形中必须在实验室中操作将其流程实验成功，在规范处理，把内容和实
2、 践相结合达到统一，在调研过程中要了解远程抄表功能的原理以及一般 数字电度表的结构，这样才能更好的理解具有远程抄表功能的数字电度 表的结构和原理5. 文献查阅要求：郑毛祥单片机原理及应用M.成都:电子科技大学出版社,2001张树笙韩霞电能表自动抄表系统设计方案卩1电力学报,1998,（4）王士政编著.电力系统运行控制与调度自动化南京:河海大学出版 社,19806. 发出日期：年月日7. 学员完成日期：年月日指导教师签名：学生签名：本文介绍了一种具有远程自动抄表功能的数字电路电气表的总体设 计方案，主要由数字电度表，电力载波系统和远程自动抄表系统三部分 组成。数字电度表采用PIC16C73单片机
3、实现高精度数字式电度表的方 案，给出了核心电路，并对其工作原理进行了分析。电力载波系统可以 直接利用电力网通信，采用FSK载波通信方式，通信的成功率高。远程 抄表系统采用电力线载波和电话通信方式相结合的通信方式，兼有二者 优点，与其它抄表系统相比，不仅功能齐全，成本低、系统组织灵活， 对所控区域大小选择性强，而且此方案兼容性强为不同产品提供了开放 式平台。微机通过RS232串行通信口与KQ-100E模块连接进行通信，不 仅可以完成抄表系统数据的采集，还可以对采集得到的数据进行存储和 运算，并对用户的三表进行控制，为用户提供方便、高效的服务。关键词：数字电度表 远程控制 自动抄表摘要i目录ii第
4、1章前言11.1需求分析11.2设计思路2第2章 数字电路表的设计方案72.1 PIC16C73单片机92.2数码管显示器接口电路92.3电压信号取样与处理电路102.4电流取样与处理电路112.5 电流换档与通道自校准电路11第3章 系统结构与工作原理143.1系统结构143.2采集器153.3 集中器153.4多采集器和集中器的连接163.5电力载波与自动抄表173.6载波信号在低压电力线路上的衰减193.7低压电线的干扰性 193.8实现低压电力载波通信的技术分析213.9载波通信电路设计23第4章软件控制254.1软件控制处理滤波问题的方案254.2发送程序294.3接收程序编程30第
5、5章 系统功能测试325.1电气表325.2区域集中中心和抄表交换机325.3电气计费中心的计算机网络335.4系统整体结构335.5电气计量与采集345.6多用户抄表345.7通信控制单元355.8 GSM 模块365.9数据处理系统375. 10远程抄表系统的典型网络结构及实现385.11遇到的问题及解决办法39第6章结 论40致谢41参考文献42第1章前言1.1需求分析在我国很多地区，查抄居民电表、水表和煤气表的方式基本上都是 抄表人员每月逐户查抄。这种落后的方式消耗大量的人力、物力，而且 采集数据的时间跨度大、采集数据的准确度低，而且不利于数据的管理。 随着城乡电网改造工程的深入和电力
6、市场改革的深化，要求用电管理、 配电管理实现智能化、自动化和科学化，配电网的自动抄表系统是用电 营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。通过自动抄表可以实现： 自动、集中、定时地抄录各用户的电量；迅速统计低压实时线损；通过 银行向各用户自动完成转帐收款、电费结算；为供电部门的用电监察提 供服务；当配网电力市场开放时，提供更多的用户信息和市场信息。因 此自动抄表系统是迈向配电自动化网的第一步。作为世界上最大的网络, 电力线网络的主要功能是输送电能，但是，随着信息技术的发展，基于 电力线路的通信成为今年的热门话题，利用电力线来实现通信对于电力 自动化系统设备之间的通信和现代电能计算管理将起重要作用
7、，目前国 内和国外都有一些成功的应用实例，现在应用较多的是基于电力线载波 通信的自动抄表系统，另外，对电能数据的采集和传输，对电力设备的 监控和保护，以及电能的优化调度等也可以借助电力线通信来实现，基 于载波技术的电力线通信已成为目前电力系统智能化通信的发展方向之 一。远程控制的多功能数字电度电气表是一种采用通讯和计算机网络技 术，将安装在用户处的电能表所记录的用电量等数据通过遥测传输汇总 到营业部门，代替人工抄表及后续相关工作的自动化系统。目前，远程 抄表系统主要有三类：有线数字电度电器抄表系统，掌上数字电度电器 抄表系统，无线数字电度电器抄表系统。其中有线系统需要数据传输线, 布线繁杂；掌
8、上抄表系统需抄表部门或用户用掌上抄表器抄取数据，因 此降低了自动化程度；无线抄表系统采用无线收发设备传输数据，不需 专门架线，系统结构简单，采用此方式不仅能节约大量人力资源，更重 要的是可提高抄表准确性，供电管理部门能得到及时准确的数据信息， 如电能需量、分时电量和负荷曲线等，同时电力用户不再需要与抄表者 预约时间。这种系统的实用价值和需求是十分大的。1.2设计思路近几年数字式家用电度表在我国得到了较快的推广应用，并且有着 很大的市场前景。远程自动抄表系统主要包括4个部分：具有抄表功能 的电能表、区域集中中心、抄表交换机和中央主控机房。区域集中中心 是将多台电能表连接成本地网络，并将它们的用电
9、量数据集中汇总，其 本身具有通信功能且含有专用软件。当多台区域集中中心需再联网时所 采用的设备就称为抄表交换机，它可与公共数据网接口。有时区域集中 中心和抄表交换机可合二为一。中央主控机房是利用公用数据网，将所 得电表数据抄回并进行处理的计算机系统。从家用电度表的要求来看， 主要包括以下几个方面：(1)精度要高于原模拟电度表2%的指标；(2) 成本不能太高，家用电度表作为普通民用电器，其成本将直接影响到它 的推广应用；(3)可靠性要高。关于高速数字电路的电气特性，设计重 点大略可分为三项：正时(Timing):由于数字电路大多依据时脉信号来做信号间的同步工作，因此时脉 本身的准确度与各信号间的
10、时间差都需配合才能正确运作，严格的控制 线长，基版材质等都成为重要的工作。信号品质(Signal Quality):高速电路已不能用传统的电路学来解释。随着频率变高，信号线长 已逐渐逼近电磁波长，此时诸如传输线原理(Transmission Line)的分 布电路(Distribute circuit)的概念，需加以引进才能解释并改进信 号量测时所看到的缺陷。电磁干扰(EMI):需防范电路板的电磁波过强而干扰到其它的电路讯号。传输速度的计算：就传输线a点至b点，我们都必须计算讯号在电路板上的传导速度 才行，但这又和许多系数息息相关，包括导体(通常为铜箔)的厚度与宽 度，基板厚度与其材质的电介系
11、数(Permittivity) o尤其以基板的电介 系数的影响最大，一般而言，传导速度与基板电介系数的平方根成反比。以常见的FR-4而言，其电介系数随着频率而改变，其公式如下： =4. 97-0. 257 log以Pentium II的时脉信号为例，其上升或下降缘速率典型值约在 2V/ns,对2. 5V的时脉信号而言，从10%到90%的信号水平约需Ins的时 间，依公式：BW=0. 35/可知频宽为350MHZo代入公式可知电介系数大约是4. 57。如果传导的是两片无穷大的导体所组成的完美传输线，那么传输的 速度应为5. 43 inch/ns o但对电路板这种信号线(Trace)远比接地层要细
12、长的情况，则可以用 微条(Micro strip)或条线(Strip line)的模型来估算。对于走在外层的 信号线，以微条的公式：inch/ns可得知其传输速度约为6. 98 inch/ns对于走内层的信号线，以条线的公式：inch/ns可得知其传输速度约为5. 50 inch/ns除此之外，也不要忽视贯穿孔(Via)的影响。一个贯穿孔会造成24 ps 左右的延迟，举例而言，时脉产生器到芯片A的时脉线长为12 inch, 并打了 4个贯穿孔；到B为7 inch,没有贯穿孔，则两者之间的时脉歪 斜为(12-7)/6.98+(0.024X4)=0.81 ns。信号品质比起模拟信号，数字信号对噪声
13、的抵抗能力较强，只要电位水平在 一定范围，就能正确判断出0与1。随着电路速度愈来愈快，信号品质 愈来愈难以确保。信号的过高(Overshoot),过低(Undershoot)可能造成 目标(Target)芯片的损坏，振铃波(Ring back)与矮化波(Runt) 旦使 电位水平落入0与1之间的灰色地带，便可能造成0与1的误判。阻抗不匹配分布电路高速电路因操作频率的升高，波长相对变短。当波长与线路的长度 接近到相近的数量级之内时，我们开始必须把信号当成电磁波的波动来 看。如传输线原理，在信号上升(下降)缘的变化时间内，信号若未能传 至彼端再反射回来，则需考虑电磁波的效应。以Pentium II
14、时脉产生器 的例子而言，它的上升时间约Ins,在6. 98 incho因此当线长超过3. 49 inch时，不以传输线的角度来看待这条时脉信号线是不行的。信号的输出阻抗为ZG,负载为ZL,传输线特性组特性阻抗 (Intrinsic Impedance)为Z0,则ZG=Z0=ZL便是阻抗匹配。以负载端 而言，当ZO=ZL,所有传输线上的能量与信号会完完全全的送至负载端; 若不然，便会有部份的能量反射回输出端。阻抗的计算在高频的情况下，电阻(R)与电导(G)的因素可被忽略，举例来说， 一般的印而电路板，电感为500nH/m,电容为100PF/m,此时Z0= V500nH/100pF=70. 7 o
15、hm。电流开关噪声现代的芯片所耗的电流都十分惊人，因此在内部的功能或信号的开 关之间，常引起电源的不稳定。而这种不稳定的问题，可分做两方面来 谈：A. 因为开关的速度太快，使得在远方的电流供应器无法及时供给适 当的能量。此时解决之道是在芯片旁边摆上电容来供应及时电流。B. 因为芯片的电源或接地接脚有电感存在，因此在电流突然变化 时，在接脚上将有压差在。在多条资料线从1变为0时，芯片组的接地 脚上瞬间流过大量电流而造成的电位差。此时芯片组接地已不是0伏，而造成信号上出现隆起小丘的现象， 称为触地反弹(Ground bounce) o其解决方式，是减少接脚的电感，如选 择BGA这种接脚极短的包装；并在接地处多用几个贯穿孔连接到地，以 并联减少电感。电容摆设位置以时脉产生器的例子而言，其上升缘时间为Ins,此段时间内信号 行进距离为5. 43 inch。要能及时供应电源，一个大约的估算公式是L/12, 亦即0. 45 inch,或1. 15 cm内的电容才能完全发挥作用。超过这个距 离，则效用将会减弱。例如，距离成为两倍的2.3cm,电容的作用将只 剩 1/8。隔线干扰(Cross Talk)有些讯号，尤其是固定周期讯号的时脉讯号(cloc
