基于单片机的电集中抄表设计

白宇 文若涛 孙双辰 郭烜博

摘  要：本文阐述了基于单片机的电集中抄表系统，系统是在感应式电能表的基础上将其改装成为具有自动抄表和远程数据传输的新型的抄表形式。基于这种技术，文中将详细地介绍该电集中抄表系统的可行性，市场前景，硬件设计，软件设计，以及调试方法等。整个系统包括抄表模块和数据传输模块两大部分电路。抄表模块完成的是脉冲转换，电流检测，报警和自动断电的功能。数据传输模块负责抄表系统与PC机控制中心的连接，实现控制中心对用电户进行同一抄表和统一收费的管理模式。应用该系统可以改变传统的抄表模式节省了人力，实现小区的智能化管理。文章的最后还总结了一些设计过程中遇到的问题以及解决方法。

关键词：AT89C51单片机;光电转换;电能表;防盗电;CAN总线

1电集中抄表系统

自动抄表（Automatic Meter Reading-AMR）是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。发展电能自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。在用电管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成帐单出错，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。由于电力用户因此不再需要与抄表者预约上门抄表时间，还能迅速查询帐单，故这种技术越来越受到用户欢迎。

2  设计方案

2.1 抄表部分

针对现阶段大多数用电户所使用的感应式电能表的情况，采用AT89C51单片机为核心加入光电转换电路实现脉冲转换并利用霍儿传感器UGN30T51进行电流检测具有报警和自动断电的功能。改装起来比较方便，设计该电路所需成本较低。

2.2 数据传输部分

从设计方面，成本问题，现阶段经济情况，用电户接受程度以及在改装过程中安装是否方便等方面综合考虑得出以下电集中抄表系统。该系统主要包括的电路有光电转换电路，电流检测电路，报警断电电路和CAN总线通信电路。

3  系统硬件设计

3.1.1AT89C51介绍

单片机概述

自单片机出现至今，它已走过近20年的发展路程。纵观20年来单片机的发展历程，单片机技术的发展以微处理器MPU技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域表现出微处理器更具有个性的发展趋势。现代单片机具有寿命长、速度越来越快、低电压、低功耗、低噪声与高可靠性技术等许多优点。

3.2.1CAN总线概况

控制器局部网（CAN——Controller Area Network）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。CAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。

现场总线领域中，CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，他们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。带有CAN的MCU芯片总量已经达到1亿3千万片（不一定全部用于CAN总线）;因此在接口芯片技术方面，CAN已经遥遥领先于FF、PROFIBUS、LONWORKS等其它所有现场总线。

4.软件设计

软件设计可以分为抄表的记数存储报警断电和CAN总线发送数据两大部分设计这样可以便于程序的编写和在接下来的调试过程的调试。

程序主要实现的功能是对外来脉冲进行记数，采集3个脉冲为一组判断是否有盗电情况发生，当有盗电情况发生时实现自动断电。通信部分是当上位机给出一个中断，单片机响应中断请求从存储器中提出数据并进行发送。

4.2 抄表模块软件设计

该系统的软件设计主要完成对 端输入信号的捕捉、信号脉冲宽度的记录以及对相连3个脉冲信号的宽度进行比较。其信号捕捉与脉冲计算程序流程框图如图所示。该电能表工作时，可根据上述比较结果和T1口电平的高低来判定是否有盗电情况发生，若检测到T1端为高电平，而定时/计数器T0的捕捉结果为零（表盘不转）或脉冲宽度逐渐递减（3个脉冲为1组）即表盘反转，则表明有盗电情况发生，此时，单片机P20端会输出继电器控制信号，以使供电线路断开，同时输出1KHz的报警信号，并将其放大后驱动蜂鸣器发出报警声。

5  系统调试

电路通电前检查

系统组装完毕后，不要急于通电，首先要根据电路原理图认真检查电路连接是否正确，主要检查是否有错线、多线和短路的情况。接着检查各个元件引脚的连接是否与原理图相符，这一点非常重要，如果芯片引脚连接错误，芯片就不能正常工作，有时甚至烧毁芯片。查线时用数字万用表的蜂鸣器来测量，要尽可能直接测量元件引脚，这样可以发现接触不良的地方。

电路通电观察

在电路连接正确的情况下接通电源。注意，在接通电源后不要急于测量，首先要观察整个电路有无异常现象发生（包括有无冒烟，是否有异常气味，是否有异声，芯片是否发烫，电源是否有短路或开路等现象）。如果出现异常，应该立即关掉电源，待故障排除后方可重新通电。

功能模块调试

根据各个模块的功能，对其进行调试。调试顺序按信号流向进行，这样可以把前面调试好的单元电路的输出信号作为下一级的输入信号。如在调光电转换电路要确定有符合单片机的脉冲信号输入而电流检测电路则要在有电流输入的时候有高电平信号输入到单片机里。

（1）光电转换电路：当电流输入时表盘的转动便能够产生脉冲，调节施密特触发器中的两个电阻值可以得到满足单片机的脉冲电压输入。

（2）电流检测电路：确定传感器线圈能够产生磁场这样才有高电平输入到单片机中，要注意放大器中电阻的调节。

（3）CAN总线部分里要注意的是芯片PCA82C250的5腳Vref脚1/2的Vcc即为2.5V的电压才能够实现通信功能。

6  总结

本次课题是基于单片机的电集中抄表的设计，设计面向的是感应式电能表的集中抄表的改装。系统采用的是价格较便宜的单片机以及其它元器件，设计思路是基于感应式电能表的基础上进行简单的改装。所以对用电户而言该系统可以为其节约经济而且改装起来也比较方便。而且系统中加入了仿盗电和断电的功能，这样可以防止了不法分子的盗电行为。然而每个设计都会有它的缺点存在，该系统由于采用的是便宜的元器件和较为简单的电路设计所以精确度的问题不能很高的程度。

参考文献

[1]  马忠梅等编.单片机的C语言应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，1998.

[2]  李东生.Protel 99SE 电路设计技术入门与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2002

[3]  将力培 编著 单片微机系统实用教程  北京：机械工业出版社 2004.1

[4]  沈宏卫 编著 单片机应用系统设计实例与分析 北京：北京航天大学出版社 2003.1