基于农村电能表的经济型抄表系统设计

陈梨芳

(福建经济学校，福建福州 350003)

基于农村电能表的经济型抄表系统设计

陈梨芳

(福建经济学校，福建福州 350003)

根据农村电网实际情况，在借鉴各种电能表抄表系统的基础上，提出适用于农村电能表的抄表系统.并在分析抄表系统总体需求的基础上，针对抄表系统中是应用于农村民用电能表抄表这一实际情况，设计出一款适用于农村电能表抄表的经济型抄表系统，给出了系统的整体设计方案及硬件与软件设计.

农村；电能表；采集模块；红外传输；抄表仪

0 引 言

随着农村建设步伐的加快，当前农村电网中广泛采用的人工纸笔抄表收费方式已经不能满足农村建设规模不断扩大的需求.这种传统的抄表方式存在效率低、错误率高、管理不科学、抄表时间跨度长等弊端.同时，伴随着农村家庭电器智能化时代的到来，其用电量也不断地膨胀.如何将农村这样一个庞大且分散的用户群体的用电量准确、有效、及时地收集、统计出来，成为电力部门迫切需要解决的难题.

目前，国内电能表抄表采用的方式主要有以下几种:传统的人工纸笔抄表方式，这种人工读表—计费—收费—催费的用户电能表管理模式，在全国范围内的电能表管理模式中占80%的比例；预付费方式，由于农村电力设施还不完善，无法采用这种智能卡式的抄表方式；有线自动化抄表方式，该方式普遍存在着布线复杂，安装和维护困难、成本高等问题；无线抄表方式，由于其投资规模大，直接影响了它的推广应用，无线抄表方式在我国目前只处于起步阶段[1].在借鉴各种电能表抄表系统的基础上，针对传统抄表方式存在的诸多问题，本研究提出了新的抄表思路——利用手持抄表仪采集电能表用电数据.

1 系统整体设计

抄表系统由电能表数据采集模块和手持红外抄表仪组成，这2个终端设备之间的信息交换是通过红外传输技术来实现的.系统功能模块设计框架如图1所示.

图1 抄表系统功能模块框架图

2 系统硬件设计

抄表系统采用AT89C51单片机作为微控制器核心芯片，通过红外收发电路采集10 m范围以内的电能表电量数据，并把采集到的电量数据显示在LCD液晶显示屏上，同时将采集的结果存储在EEPROM存储器中.存储器中的数据经USB接口传送至本地计算机中，以待进一步处理，也可以通过抄表仪上的按键查询并显示出来.系统硬件部分由7部分构成，主控电路设计图如图2所示.

1)微控制器.统一管理外围其他功能模块及接口电路，以实现命令发送、数据接收、数据显示、数据查询、数据存储、数据上传等功能.干电池提供+5 V直流电源给VCC端供电，由12 MHz的晶振和2个起稳定作用的电容构成晶体振荡电路，产生12 MHz的时钟信号供单片机使用.复位电路实现单片机从任一工作状态恢复到起始工作状态，由上电复位和手动复位混合构成，复位电路输出的高电平信号通过RESET端输入到单片机中实现芯片的“重启”.

图2 系统主控电路设计图

2)按键模块.实现数据读取命令的发送，上翻、下翻显示采集到的电能表电量信息.AT89C51的P1.0口连接按键S1，实现向电能表发送读取数据的请求信号；P1.1、P1.2口分别与按键S2、S3相连接，完成向下和向上翻屏动作，并在显示屏上显示下一个电能表的地址及电量数据和上一个电能表的地址和及电量数据.

3)显示模块.显示模块采用每行显示16个字符，分 2行显示的字符式液晶显示器，其芯片LCD1602构成抄表仪的数据显示模块.LCD1602芯片自带有控制器，无需额外的控制/驱动芯片来驱动电路.该芯片的寄存器选择信号线RS、读写信号线R/W、片选信号线 EN和数据口分别受单片机AT89C51的 P1.4、P1.5、P1.6、P2 口控制，驱动程序由单片机软件部分提供.

4)存储模块.存储模块采用CATALYST公司生产的64 K-bit串行CMOS EEPROM存储芯片CAT24WC64.该芯片采用串行I2C总线协议工作方式，与单片机AT89C51之间的连接是通过一根数据线SDA和一根时钟信号线SCL来实现的，I2C总线上数据传送的起始、终止和有效性都由SCL、SDA决定[3].这2条总线都需要通过上拉电阻连接到正电源上，串行数据线SDA连接微控制器的P3.5端，串行时钟线SCL连接微控制器的P3.4端.

5)红外收发模块.红外收发模块采用ZiLOG公司生产的红外收发芯片ZHX1010，该芯片符合IrDA SIR串行红外通信协议，通过串口和使能控制端实现与微控制器的连接[4].红外收发模块电路设计如图3所示.直流电源通过一个外接限流电阻给LEDA端提供工作电流，P3.1口控制收发器数据的发送，当收发器接收到数据时，数据经过P3.0口输入到微控制器中进行处理.

图3 红外收发模块电路设计图

6)数据上传模块.数据上传模块采用专用的USB接口芯片，通过微控制器来控制USB控制器的数据交换[5].选择Philips公司生产的PDIUSBD12芯片作为USB接口芯片.数据上传模块电路设计如图4所示.PDIUSBD12芯片采用基本的晶振电路产生6 MHz的时钟信号，GL N 引脚与GOODLINK发光二极管之间的连接电阻值取为470 Ω.

图4 PDIUSBD12芯片电路设计图

7)电源模块.除了PDIUSBD12芯片供电电源是+3.3 V外，手持红外抄表仪的主控芯片AT89C51和其他外围功能模块电路所需的电源都是+5 V.为了方便抄表员随身携带抄表仪到现场作业，抄表仪需要的直流电源由5节1.5 V干电池提供[6].直流电源电路设计如图5所示.电路提供+5 V和+3.3

图5 手持红外抄表仪直流电源电路设计图

V的直流电源，LED指示灯用于显示直流电源是否工作正常，集成稳压器7805用于输出+5V电源，所需的+3.3 V电源是由+5 V电源经过三端可调电压稳压器LM117调整输出.

3 系统软件设计

3.1 总体设计

系统软件的主要功能是检测是否有按键操作.若有，则判断是发送读取电能表电量数据的命令还是查询用户电量信息的操作.读取电量数据的命令通过红外收发模块发送，并把接收到的数据存储在EEPROM中；查询操作则在EEPROM中查找相应的数据，并在抄表仪的液晶显示屏上显示户号和电量数据.

图6 抄表仪读取电能表数据采集模块流程图

手持红外抄表仪读取电能表数据采集模块流程图如图6所示.程序运行时，首先进行液晶显示屏和串口初始化，检测是否有按键按下.无按键操作时，显示上次读取的电量数据.若有按键按下时，延时去抖，并判断是发送请求还是查询操作.若是查询操作，则显示上一组数据或下一组数据；若是发送请求，则通过红外收发模块发送2 B的密码数据:“Oxaa，Oxbb”，等待电能表回复，当电能表回复“Oxcc”时，可以接收电量数据.在接收电量数据时如发生错误，电能表要重发数据，抄表仪重新接收，直到接收到正确的数据，接收的电量数据存储在存储芯片CAT24WC64中.

3.2 软件抗干扰设计

抄表仪操作过程中主要干扰是按键抖动，对此本研究采用软件措施来消除因抖动引起的干扰.按键输出的高低电平是由其机械触点的闭合和断开作用产生的，因按键受弹簧支撑，有弹性作用，会出现时间长短不等的抖动过程，该过程持续时间长短跟按键的机械特性有很大的关系，一般持续时间为5～10 ms[7].当有按键按下时，程序检测到按键闭合状态后，先延时20ms避开抖动过程，再检测按键的状态.如果读取按键的状态仍为闭合状态，则确认此按键已按下，从而判断是何按键并执行相应的功能；如果读取按键状态为断开状态，则视为外部干扰信号.这样，微控制器就可以避开按键发生抖动的那段时间，从而可靠地读取按键的状态，不会出现误读和重读现象.软件抗干扰措施程序设计流程如图7所示.

图7 软件抗干扰措施程序设计流程

4 结 论

本研究在分析和借鉴各种抄表技术相关研究成果的基础上，结合农村居民居住较分散、农村电力设施自动化程度较低的实际情况，设计出以单片机为核心的手持红外抄表仪抄表系统.虽然所设计的系统在应用上仍存在一定的局限性，但抄表员手持抄表仪采集电能表用电量这种抄表方式，对解决当前农村因人工纸笔抄表方式产生的一系列问题有实际的帮助，降低了因人为读取电能表数据产生的误差，提高了抄表的准确性，增加了用户的可信度，可以考虑将其应用于实际的抄表工作中.

:

[1]谭志强，黄赘.自动抄表技术的发展[J].电测与仪表，2009，46(1):1-5.

[2]赵伟，庞海波，刘灿涛.电能表技术的发展历程[J].电测与仪表，1999，36(6):4-7.

[3]张胜利，安连祥，尚丽辉.I2C总线技术的应用[J].电气时代 ，2003，23(2):80-83.

[4]孙戈.短距离无线通信及组网技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2008.

[5]艾柯尔逊.USB大全(美)[M].陈逸等译.北京:中国电力出版社，2011.

[6]赵志宏，李小珉，陈冬.基于C8051F系列单片机的低功耗设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2006，6(8):128-130.

[7]任杰.基于彩信的无线红外防盗报警系统的硬件设计[D].天津:河北工业大学，2007.

Design of Economical Meter Reading System Based on Rural Electric Power Meter

CHEN Lifang
(Department of Computer，Fujian Economic School，Fuzhou 350003，China)

According to actual situation of rural power grid，based on a variety of electric power meter reading systems，a meter reading system is proposed for rural electric power meter.Based on analysis of the overall demand of the meter reading system，the economical handheld meter reading system is designed.This paper presents the overall design scheme of the system，the hardware and software design.

rural area ；electric power meter；acquisition module ；infrared transmission ；meter reading system

TP391

A

1004-5422(2013)02-0165-04

2013-03-16.

陈梨芳(1981—)，女，硕士，讲师，从事计算机电子信息技术研究.