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1、 创新设计与实践课程设计题 目: 脉冲式电表的数据采集器设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计时间： 成绩：指导老师签名： 日期： 摘 要：目前很多小区用户已经改装了新式电能表，新式电能表较老式电能表有一定的优点。这种新式电能表一般是通过脉冲计数的方式来获得用户用电量，然后将电量按通讯规约远程传输到采集终端，实现了自动抄表功能，与老式电能表相比，降低了人工抄表在读取和记录电表数据过程中的误差率，在一定程度上提高了电力部门的管理效率和减少了抄表费用，同时也给居民带来了方便。但改装新式电能表的费用相对比较高， 给用户带来了额外的费用，因此为了充分利用原有
2、的老式电表并达到减少改装费用的目的， 设计了基于STC89C52 单片机的电能表数据采集器，该采集器可以同时对14 户居民的用电量进行计量，然后将用电量远程传输到数据采集终端，达到了现代新式电表的功能需求。关键词：脉冲式电表、数据采集器、1.1设计要求随着电子科技的进步，电能表设计在不断的更新发展，为了满足用户和电力部门的需求，设计了数据采集器，它的主要功能有六点：（1）最少支持14 路脉冲数据同时采集；（2 ）能够准确采集到一定范围内的不同宽度的脉冲个数；（3 ）可以将所有的数据存储到超大容量的非易失性铁片存储器中；（4）具有掉电保护设计，（5）通过485 口将数据传递给采集终端，实现数据的
3、通信；（6 ）通过指令可以对电表数据的设置、修改和校正；数据采集器采集来自多路分线连接的电表信号并进行数据处理、存储，通过远程串口通讯将数据传输于采集终端，再由采集终端将数据发送给计算机。设计结构图如图1 所示，从设计结构图来看，在每个楼盘都可以放置一个数据采集器，来读取14 户居民的用电量，每个数据采集器都可以对电量数据进行存储和处理。根据不同指令发送用户的电量到采集终端，再由采集终端把数据传输给控制中心，完成整个电表自动读取功能。 图一 设计结构图1.2数据采集器设计的意义 数据采集器属于信息科学的一个重要分支，它是以传感器技术、信号检测和处理技术、电子技术、计算机科学等技术为基础形成的一
4、门综合应用技术学科。人发展至今数据采集技术已经成为一种专门的技术，随着现场总线技术和网络技术的发展，数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高，可以更好地实现生产环节的在线实时数据采集与监控。而在本文中，脉冲式电表的数据采集器，依旧有着至关重要得作用。最简单来说，它可以使脉冲式电表的使用变得更加的完善。1.3脉冲式电表（功能、组成、对比其他类型电表优势）脉冲电能表为综合自动化变电站、远程自动化监测提供了采集电能、负荷监控、数据传输等方面的功能。 脉冲电能表主要由电能测量部件和脉冲装置两大部分组成。电能测量部件即为感应式电能表；脉冲装置包括脉冲采样信号发生电路和脉冲输出电路两部
5、分。脉冲电表是通过累积脉冲来计量电能的，脉冲指示灯不会常亮，只会闪烁，而且闪烁快慢根据负荷大小确定。脉冲电表灵敏度很高，家中电器指示灯亮都会计量电能。 2 系统硬件电路设计 电能表数据采集器的硬件电路设计包括脉冲采集电路、时钟电路、外部存储电路、掉电保护电路、电源电路和485 串口通信电路。数据采集器的硬件电路设计主要有4个部分：2.1 脉冲采集脉冲采集模块的硬件设计根据系统的设计要求，每个采集模块完成14 个电表的采集任务，需要占用单片机的 14 个 I/O接口。单个经过光电隔离的脉冲数据采集电路如图所示电能表如DS(T)72 输出的脉冲信号幅值是12V 5% 或24V 5%，脉冲宽度初始值
6、为80ms 20%，如果电表输出的脉冲信号在不处理的情况下，将脉冲输出端口直接与单片机I/O 口相连，一定会将I/O 口损坏，因此系统对脉冲采集设计了处理电路。图中R5 为限流电阻，来保护U1光耦中的发光二极管。C1、C2 和R4 组成RC 低通滤波器，D2 为钳位二极管，处理尖峰类的干扰信号。R1 和R2 为分压电阻。R3 为上拉电阻，起限流作用。 单个脉冲采集处理电路2.2 时钟电路该采集器不仅要满足在特定时间对用电数据的存储还要让采集终端可以通过指令读取或修改某一时间段的电量，因此该采集器采用DS1337 串行实时时钟芯片为数据采集器设计了一个时钟电路，该芯片能提供秒、分、时、日、星期、
7、月和年等信息, 保证了系统时间的准确性。2.3 数据通讯数据采集器的数据通讯包括2 个部分：数据存取模块, 根据电量管理要求，数据采集器应对14 户居民用电量进行每时、每天、每月、每年的存储，并要求达到两年的数据存储功能，这就要求采集器采用较大存储容量的外部存储器。本系统选用了铁电存储器FM1608， 该存储器掉电后数据不丢失，读写速度快，读写次数达到100 亿次、存储时间10 年，存储容量大，完全满足设计需求。数据传输模块,数据采集器具有1 个RS232 通讯接口和1 个MAX485 通讯接口，RS232 主要用于数据采集器程序下载。MAX485 主要用于数据采集器与采集终端的数据通讯。MA
8、X485是一种串行接口标准，它以差分平衡方式传输信号，它具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达2 0 0 m V 的电压， 故数据传输可达千米以外。2.4 掉电保护电路掉电保护分为电源监视和数据存储两部分。为了实现对掉电的过程控制，系统必须有监视电源变化的能力。在本系统中采用芯片MAX813L，做电源低电压检测。具体如图所示。M A X 8 1 3 L 内部有一个独立的掉电比较器。合理选择 R1 和 R2 的值，在掉电的瞬间，通过R1 和R2 的值可以计算出此时PFI 引脚的电压，当PFI 输入电压低于1.25V，则/PFO 输出低电平，此时单片机就会进入外部中断0 服务
9、子程序，将当前所有电表的电量和脉冲个数保存到FM1608 中，以免掉电时丢失。 基于掉电保护硬件电路设计，完成了掉电时的数据保护，待恢复供电后继续进行脉冲计量。 电源监控电路2.5 LED显示模块在显示电路中采用4位共阴极LED静态显示。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。缺点是使用元件多，线路比较复杂。共阴极LED数码管显示电路如图。 LED显示电路第 3页3 系统软件部分设计软件设计主要完成2个方面的工作：（1）按系统的功能要求编制相应的软件；（2）按器件的操作要求
10、编制相应的软件；故设计主要有以下几个部分：3.1 脉冲采集模块的软件设准确采样， 对当前时段的数据做累计处理。软件设计中包括了重复检测及防抖动的抗干扰设计。软件设计流程图如图所示。 脉冲采集软件设计流程3.2 铁电存储器读写铁电存储器FM1608 是并口操作存储器， 通过工业标准并行接口进行访问，F R A M 的内存功能操作与S R A M 器件类似，唯一区别就是在开始每一个内存周期前FM1608 需要一个/CE 的下降沿以锁存地址信息。根据实际要求对14 户的用电量进行每小时的存储，如果不分区存储这些数据，将导致电表数据在操作和读取上的不方便，所以系统将FM1608 的地址划分为五个部分，
11、如表1 ：表1 FM1608 地址划分 地址功能0x00H-0x37H存储掉电保护数据0X400H-0x87H存储14个脉冲表24小时电量0x880H-0XA67H存储14个脉冲表的每天电量0XA68H-0XD07H存储14个脉冲表的每月电量电量0XD08H-0XF8FH存储14个脉冲表的每年电量电量电表数据与时间是一一对应，第一部分是专门为每次掉电时所存储的有效数据区。其他四个部分是对14 个脉冲表的固定时段存储。依据FM1608 的读写操作时序图实现了数据的存储和读取，3.3 中断程序系统采用了两个中断服务程序，一是串口中断，串口中断子程序主要是用来接收采集终端的指令和发送电表数据，采集器
12、接收到的每条指令都进行校验比较，如果指令正确，则根据指令要求采集器对电表进行参数修改或者发送电表数据。否则数据采集器则不响应，丢弃当前指令等待新指令。二是掉电外部中断，掉电外部中断子程序主要实现采集器在掉电的瞬间对当前电量和脉冲个数的存储，确保再次供电时电表数据的连续性和准确性。两个中断流程图如图所示：通过多次测试，串口中断服务子程序能很好的进行指令的校验和比较，根据采集终端的指令可以对14 块电表的任何一块进行参数的设定， 或读取用户的用电量。掉电中断服务子程序在掉电瞬间也实现了有效数据的存储，降低了数据采集的误差率。 中断流程方框图4 结语基于STC89S52 的数据采集器的设计，融入了自
13、动抄表系统，实现了14 户电表的电量的自动读取，并采用LED数码管显示。在这个系统设计中用到了并行的铁电存储器和长距离串口数据传输的MAX485， 充分发挥了系统的低功耗、低成本、高速度、高质量的特点。在系统软件设计方面，采用中断方式完成了数据采集和数据传输。该系统在信息传输的安全性、准确性和实时性、可靠性方面都达到了较高要求，没有出现脉冲丢失、干扰误差现象。5 设计心得 在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在做单片机课程设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。 其次，在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题，虽然课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在
