基于ATmega64单片机的防窃电控制器设计

行明涛 吴华芹

摘要：这里介绍一种新型的防窃电控制器，采用AVR单片机ATmega64作为主控芯片，实时检测防窃电能计量箱的门状态，使用电子钥匙进行权限管理，根据门状态产生报警事件，将事件通过GSM/GPRS模块上报到远程服务器。以此为基础的防窃电控制器具有实时性强，性能稳定、消耗电能少、抗干扰能力强和适用恶劣工作环境等优点。具有一定的推广价值。

关键词：AVR ATMega64；防窃电；电子钥匙；GSM/GPRS模块；串口通信

中图分类号：TN402文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012) 05-1180-03

Controller of Preventing Electric Larceny Based on ATmega64 Microcontroller

XING Ming-tao1, WU Hua-qin2

(1.Zhengzhou Huali Information Technology CO..Ltd, Zhengzhou 450006, China; 2.Henan Vocation College of Chemical Technology, Zhengzhou 450042, China)

Abstract: A newfashioned controller of preventing electric larceny is introduced here. This controller adopts AVR microcontroller AT? mega64 as master chip and is managed for purview by electron key. It produces a alarm event based on gate state and send the event to ro? mote server by GSM/GPRS module. The controller of preventing electric larceny deserves to generalize because of strong real-time char? acter ,stabilization, cost less electricity, anti-jamming, working in bad environment. Have certain expansion value.

Key words: VR ATMega64; preventing electric larceny; electron key; GSM/GPRS module; serial communication

在科技日益发展的今天，电能已成为国民经济和人民生活必不可少的绿色环保能源，随着社会生产力的快速发展和经济的不断增长，各行各业对电力的供应需求也越来越多。但是，电能作为电力工业的一种商品，在市场经济条件下，也滋生出形形色色的窃电行为。电力供应部门为了维护正常的供电秩序，运用科技手段、将以往以罚为主的管理方式转变为现在以防为主的管理方式，防窃电电能计量箱（俗称防窃电表箱）是在这样的需求环境下应运而生的。它适合对中小型用户的管理。

目前，防窃电表箱防窃电方法有很多种，其中以行程开关和防窃电控制器组成的防窃电表箱的应用最普遍、最有效。本文主要讨论基于ATmega64单片机的防窃电控制器的方案设计。

1防窃电表箱架构原理及防窃电控制器的总体设计

防窃电表箱主要由系统控制断路器、防窃电控制器、电表和用户断路器等部件组成。

图1防窃电表箱结构图

系统控制断路器控制电网下行的用电；防窃电控制器用于监控表箱门的开关状态，根据实际的情况发出报警信息、抄表信息、对系统控制断路器的进行控制和上行（管理后台）数据通讯等；电表是用来计量用户所使用的电能；用户断路器是用户自用控制断路器，实现一些常用的断电需求功能。防窃电表箱的架构原理如图1所示。

防窃电控制器作为防窃电表箱的核心部件，其功能要求：具有正确门状态判断功能、具有用户信息的识别功能、具有数据信息的存储功能、具有远程通信功能、具有电表数据采集功能、报警指示功能、断路器控制能力和在断电后一定时间内能正常工作等功能。其性能要求：工作稳定、具有可靠的自恢复能力、能抗强烈的电磁干扰、具有较小的电能消耗和适应高低温的工作环境。

防窃电控制器总体设计如图2所示。MCU模块通过表箱门检测电路判断表箱门所处的状态，当表箱门处于打开时，MCU通过钥匙读取电路与电子钥匙进行数据通讯，判断用户的合法性，同时MCU读取I2C模块的时钟信息，获得状态变化时的时间点，再将数据和时间存储到数据存储电路中，然后将数据通过GSM/GPRS模块采用GPRS上网的方式传输到管理平台，完成表箱门状态的报警和数据通信工作。MCU模块通过断路器控制电路完成对下行电路的断电控制，通过抄表通讯电路实现读取电表数据。

图2防窃电控制器设计方案

2硬件实现

2.1 MCU模块

MCU模块采用Atmel公司基于AVR RISC结构的高性能、低功耗的8位微处理器ATmega64[1]。它具有64K字节的系统内可编程Flash程序存储器、2K字节的EEPROM非易失性程序、4K字节片内SRAM、53个可编程的I/O口、2个8位和2个16位定时器/计数器、2个UASRT口、1个I2C口、一个SPI接口、8路10位ADC、JTAG片上调试和编程接口、8个外部中断接口、6种可以通过软件选择的省电模式以及2.7- 5.5V宽范围的工作电压[2-3]。基于将AVR RISC结构的8位CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，AT? mega64为许多嵌入式控制应用提供了易学、灵活、好用且成本低的方案[4]。

ATmega64采用两个中断信号交替检测门的状态、一个I2C口用于采集时间和读取钥匙信息、一个SPI口存储数据、一个串口专用读取电表数据信息、一个串口专用于GSM/GPRS通讯、一路ADC通道采集电池电量信息作为控制电池的通断和充电的依据，采用其中一种省电运行模式延长设备的工作时间和节约电能。

2.2电源模块

电源模块由交流转直流降压电路、主备电源切换和电池充电电路组成。

交流转直流降压电路采用AC转DC的电源模块，将交流220V转变为直流5V，作为控制器的主电源，为整个防窃电控制器供电；并再次降压为直流3.3V，为系统电路供电，提高系统的抗干扰能力。

主备电源切换电路是由电压检测电路和MOS管及外围元器件组成，当外部电源断电时，经主备电源切换电路，会自动打开电池电源为系统供电；当外部电源上电后，经主备电源切换电路，会自动切换到外部电源供电，并断开电池电源。

电池充电电路是由MOS管、电池充电管理芯片和一个通道的ADC转换电路组成。当ADC检测到电池容量不足时，经MOS管和电池充电管理芯片完成对电池的充电。

2.3表箱门检测电路

表箱门检测电路由微动行程开关及周围元器件组成。能产生两路中断信号，分别连接到MCU模块的外部中断引脚上，完成对表箱门开门和关门两种状态的检测。

2.4钥匙读取电路

钥匙读取电路由钥匙供电电路和I2C通信保护电路组成。在开始读取钥匙信息前，先通过供电电路给电子钥匙供电，再对电子钥匙的数据进行读取校验，判断用户的身份和级别，在通讯完成后切断电子钥匙的电源，保护电子钥匙和接口电路的安全。

2.5 I2C时钟模块

I2C时钟模块由芯片RX8025及外围元器件组成，它内置32.768KHz的时钟晶体，提供I2C协议的对外接口。它有两路外接中断端口，能产生月、小时、分钟、秒等形式的中断方式，为本系统提供实时的时间数据，和定时信号。

2.6数据存储电路

数据存储电路由芯片AT45DB081D及外围元器件组成，它是8M位FLSAH存储器，内部带有两个264个字节可独立读写数据缓冲区[5]。AT45DB081D通过SPI接口与MCU模块通讯，按照一定的方式存储系统各种的报警信息、数据和参数。

2.7 GSM/GPRS通讯模块

GPRS网络是基于IP地址的数据分组通信网络，远程监控端部分的上位主机配置固定的IP地址，防窃电控制器采WAVECOM公司的Q39 GSM/GPRS模块，以GPRS的通信协议方式完成与后台上位机之间各种信息之间的传递[6]。Q39与MCU模块接口电路如图3所示。管脚1到5是+4.2V电源的接口、管脚4到6是接地信号、管脚15是GPRS模块的启动信号输入脚、管脚17是来电振铃信号、管脚18是GPRS模块的串口输入口（RXD）、管脚19是GPRS模块的串口输出口（TXD）、管脚24到28是SIM卡与GPRS模块连接接口、管脚31是GPRS模块复位输入电路、管脚32是GPRS模块的指示状态接口。在GPRS模块启动时，MCU模块向GPRS模块的15脚发出启动信号，当GPRS模块硬件启动完成后，分别通过18脚和19脚与MCU的TXD0、RXD0进行数据通信。

图3模块接口电路图

2.8断路器控制电路

断路器控制电路由5VDC小功率继电器及继电器驱动电路组成。当MCU模块根据实时情况，下发断电指令脉冲时，继电器驱动电路驱动继电器动作，给系统断路器提供跳闸电能，由于断路器的跳闸会产生很大的电磁冲击的电磁干扰，因此在系统电路的设计中最好加入防电磁干扰电路有利于提高系统的抗干扰能力和系统稳定性。

2.9抄表通讯电路

抄表电路是由MAX3485及周围元器件组成，使用RS485通讯方式与电表连接，及时读取相关的电表数据信息，方便系统对此用户核查、巡检和安全分析。

2.10报警及指示电路

报警指示电路是用来显示系统的运行状况、通信状况、操作步骤提醒和本地报警等功能。

3软件实现

系统软件设计包括上位机后台接口程序设计、后台数据库设计、前端信息浏览软件设计和防窃电控制器中ATmega64的程序设计四部分。

上位机后台接口程序完成将移动互联网获得的数据信息进行缓冲预处理，翻译成后台处理系统可识别数据，然后传送到后台数据处理程序。

后台数据库程序主要完成将后台接口程序送过来的预处理数据进行分析处理，完成用户信息的判别、数据类型的判别，最后再将数据按用户的索引进行分类存储。

前端信息浏览软件主要采用网页的形式进行展现，采用轮循查询的方式查询数据库的数据信息，将有报警信息的用户及时的反映到网页中，并发出报警声提醒监控人员。

ATmega64的程序主要包括模块底层的驱动设计和软件的主控设计。驱动设计完成与模块之间的通信如与数据存储器通讯、I2C时钟模块、电子钥匙、GPRS模块等等的通信。主控程序负责完成系统的初始化、各模块之间的连接控制、主电源和备用电源的转换控制、通信数据的处理，循环查询表箱门的状态，并根据门状态的变化，完成钥匙的读取和校验、信息的记录存储、告警信息和数据的发送和断电的控制等等操作。主控程序单元设计流程如图4所示。

图4主控单元程序流程

4结束语

本文提出的基于ATmega64单片机的防窃电控制器的设计方案现在已经是成型的产品，现已应用于很多中小型供电用户。由于该设计系统工作稳定、抗干扰能力强、使用方便，防窃电效果好，已经得到当地供电公司的认可。

参考文献：

[1] Atmel Corp.tmega64(L)使用手册[Z].2008.

[2]陈杰.基于VxWorks的智能电表网络通信模块设计与实现[J].电脑知识与技术,2011(8):1910-1911.

[3]陈冬云,杜敬仓,任柯燕,等.ATmega128单片机原理与开发指导[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4]刘明亮,孙来军,叶光忠.基于双ATmega128的安检力学试验机设计[J],电子设计工程,2010(11):95-98,105.

[5] Atmel Corp.AT45DB081D使用手册[Z].2007.

[6]张占龙,李德文,郭祥书,等.线路检修及接地线状态监视预警系统[J],电力系统自动化,2009(8):112-115.