新型智能电表的设计

摘要：电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品，随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流。智能电表具有数据的保护，报警功能，断电的显示，负荷的控制，防窃电功能，远程抄表系统等功能，从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件，随着智能化电表的发展，将最终取代传统电表在用户中的实用。本文主要应用手持单元，87C51单片机，232通讯与485通讯等各个单元来完成数据的传输,费率的计算，数据的显示，报警，远程抄表控制，使电表实现智能化。

关键词：电能表；智能电表；智能化

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湖南工程学院毕业设计（论文） Design on New Intelligent Electric Meter

Abstract：The electrical energy meter is in our country electrician measuring appliance profession the output biggest product, along with the high technology and new technology electronic information technology's fast development, the electronic formula, multi-purpose, the high accuracy, the multi-tariffs, copies product and so on table superiority to underline automatically particularly, and already gradually became the electrical energy table development the mainstream. The intelligent electric instrument has the data protection, the warning function, the power failure demonstration, the load control, against steals the electric work energy, long-distance copies functions and so on table system, uses take the integrated circuit from the measurement to the data processing as the core electronic device, thus has cancelled on the electric instrument the long-term use mechanical part, along with the intellectualized electric instrument's development, will substitute for traditional electric instrument in user practical finally. In this dissert the hand-hold unit, the 87C51 monolithic integrated circuit and 232 communications are used and so on each unit completes the data with 485 communications the transmission, the tariff computation, the data demonstration, the warning, long-distance copies the table control, causes the electric instrument to realize the intellectualization.

Keywords: electrical energy meter; intelligence electrometer；intellectualization

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新型智能电表的设计 第1章 绪 论

1.1 概述

电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。近几年，国家连续出台的多项与电能表行业发展相关的以及房地产产业的迅速发展，为电能表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。

随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。城乡电网改造，使电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品。因此研究本课题具有重要的实用意义。

1.2 智能电表的发展及现状

1880年电能表诞生。19世纪末感应系电能表的制造理论就已基本形成。后来，为适应工业化和电能管理现代化发展的需求，电子式电能表应运而生。最初的电子式电能表仍基于感应系测量机构，只是表盘的旋转变成了电脉冲；随后出现了基于各种乘法器原理的电子式电能表。电能管理现代化需要访问多种信息并要求决策与电价器具之间能双向通信。数字乘法器型电子式电能表扩展功能方便，适合与配电自动化系统集成，将成为电子式电能表的主要发展方向。

经过多年的发展，电力已经成为国家最重要能源之一，并逐步满足了工业用电和居民用电需求，解决了电力能源的供需矛盾。同时，电子技术、计算机技术和网络技术的发展，给供电部门和用电部门、居委会或物业管理部门在供用电管理的规范化、自动化和收费网络化方面提供了可能。在电度表改造或研制方面，出现了磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表、全电子电表、带有通信接口的电度表等多种类型的表计。在抄表方式上，使用远程自动抄表系统，解决了传统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程度低等问题。经过几年的实际应用，收到了较好的效果，已成为我国用电管理的主流。

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湖南工程学院毕业设计（论文） 1.3 电表的工作原理：

(1)“机械电度表基本原理”

传统电度表指感应式的机械电度表(简称感应表或机械表)，它利用的是电磁感应原理，主要由电压线圈、电流线圈、铝盘、永久磁铁、计度器等器件构成。其工作原理为：根据电磁感应原理，电表通电时，在电流线圈和电压线圈产生电磁场，在铝盘上形成转动力矩，通过传动齿轮带动计度器计数，电流电压越大，转矩越大，计数越快，用电越多。铝盘的转动力矩与负载的有功功率成正比。电表常数，指计量每单位电能值（度或千瓦·小时）时对应铝盘转过的圈数，单位是转/千瓦·小时。

(2)“电子电度表基本原理”

电子式电度表是利用电子电路/芯片来测量电能；用分压电阻或电压互感器将电压信号变成可用于电子测量的小信号，用分流器或电流互感器将电流信号变成可用于电子测量的小信号，利用专用的电能测量芯片将变换好的电压、电流信号进行模拟或数字乘法，并对电能进行累计，然后输出频率与电能成正比的脉冲信号；脉冲信号驱动步进马达带动机械计度器显示，或送微计算机处理后进行数码显示。

1.4 智能电表的发展趋势

智能化电表，大体上可分为两种类型：带有微处理器的机电式和全电子式。机电式借用原感应式电度表的机芯，通过光电传感器读取转盘转数来测量用户的用电量，如磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表等；而全电子式电度表则采用电压电流隔离方式，进行A／D转换，将采样值相乘并累计计算用户的用电量。机电式智能电表成本较低，主要用于单相电度表，适合于居民用户使用。全电子式电表主要用于三相电计费，针对企业应用。为了实现远程自动抄表，应选择配有通信接口的智能电表，通常有RS—485、RS—232、CAN总线收发器或红外等几种接口形式。

通信方式远程自动抄表系统的核心是利用计算机网络与通信技术，通过双绞线、电话线、电力线、无线电或红外线等通信方式，自动统计各个用户的用电量，并送传到远程监控中心，实现抄表自动化。电话线方式，电力线载波方式电力线载波

(PowerLineCarrier，PLC)方式自动抄表系统，ASK(幅频键控)电力载波方式，SC(扩展频谱电力载波)方式的集成电路方案，无线通信方式，基于LonWorks技术的抄表方式等。

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新型智能电表的设计 1.5 研究方法

要研究智能电表，首先必须搞清楚这个产品的工作原理，当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。这就是电能表工作的简单过程。在设计中我们应该对它的功能有一个初步的定位，智能电表，顾名思义是应该在实现电表的基础功能外更加体现它的智能化，它应该具有数据的保护，报警功能，断电的显示，负荷的控制，防窃电功能，远程抄表系统等功能，在后面的设计中会详细的介绍每个功能实现的方法与步骤。电度表作为电费收取的计量依据，涉及到一个抄表问题，智能电表应该在这一方面显示出它的优越性，在设计中，也应该花大气力解决这个问题，在远程自动抄表系统中，有总线和载波抄表等几种方式，在设计终，更多的用到的是载波方式的抄表，现在国内外厂家使用的电力线载波技术主要有： 窄带载波技术及扩频技术。窄带技术成本低，易于实现，但缺点也比 较明显，即抗干扰能力较差。扩频技术具有突出的抗干扰能力和保密性。

1.6 研究措施、步骤

这次所设计的智能电表属机电式智能电表，它由硬件电路、相应软件及发行系统三部分构成。因此应该分别对智能电表的各个模块分开研究。在硬件电路方面包括接口卡，手持单元及电表费率系统三部分，通过插在微机扩展槽的接口卡，可用手持单元实现与普通微机的连接。电力公司通过普通微机串口输入用户购电信息到手持单元部分，用户再将购电信息用手持单元发送到电表费率系统，由费率系统根据用户购电信息来监视用户用电情况，完成计费，并在适当时候提醒用户购电。手持单元主要完成完成以下功能：（1）通过串口接收由微机程序输出的用户购电信息，并将该用户购电信息存储并加密。（2）准确无误地将用户购电信息用红外方式发送到费率系统。（3）在发送完用户的购电信息后，系统将自动清除购电信息。电表费率系统需要完成的功能主要如下:接收手持单元发送的用户购电信息；将新收到的用户购电信息与费率系统的自有用户用电信息进行合并计算以得到新的信息；动态计算以得出剩余电量，并在剩余电量到达警戒值时点燃LED管，以提醒用户购电，并在超额用量电达到一定值时切断电源。

软件系统包括微机串口通信，内部工作和数据的传送。微机串口通信部分主要完成将用

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湖南工程学院毕业设计（论文） 户购电信息通过串口异步通讯适配器UART输出到手持单元部分的单片机中，手持单元数据发射程序主要完成将加密后的用户购电信息发送到电表费率系统。并在确定用户购电信息已无误地被电表费率接收后自动清零。

显示单元 采集单元 数据存储单元 CPU处理单元 负荷控制单元 电源单元 输入输出单元

图1.1 基本原理图

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新型智能电表的设计 第2章 电表硬件装置

本电表装置的硬件包括接口卡、手持单元及电表费率系统三部分。通过插在微机扩展槽的接口卡,可用手持单元实现与普通微机的连接。电力公司通过普通微机串口输入用户购电信息到手持单元部分,用户再将购电信息用手持单元发送到电表费率系统,由费率系统根据用户购电信息来监视用户用电情况,完成计费,并在适当时候提醒用户购电。

2.1手持单元

手持单元部分的电路原理图如图2-1所示。

图2.1 手持单元电路原理图

它主要完成以下功能:

(1)通过串口接收由微机程序输出的用户购电信息,并将该用户购电信息存储并加密。 (2)准确无误地将用户购电信息用红外方式发送到费率系统。 (3)在发送完用户的购电信息后,系统将自动清除购电信息。

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湖南工程学院毕业设计（论文） 在图1中,Intel公司的单片机87C51为完成该部分功能的主体器件,手持单元部分的功能由存储在87C51内的软件程序完成。 需用的87C51的主要引脚功能说明如下:

1） 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2可与87C51片内的反相放大器构成振荡电路,用于为单片机提供时钟信号，如图所示。

2） RST/VPP是单片机的复位输入端,也是掉电方式下内部RAM的VPP供电端。 3） P1引脚为输入/输出口,它内部带有上拉电阻,为8位I/O口。在EEPROM编程和程序验证时,该引脚用于接收低8位地址。

4） RXD(P3.0)引脚为串行输入口。 5） TXD(P3.1)引脚为串行输出口。

87C51的RST引脚外接复位电路, P1.2引脚外接发射电路, P1.3引脚外接接收电路。24C01A为美国ATMEL公司生产的EEPROM,是一个容量为1k比特(128×8)的双线串行接口CMOS存储器。用于存放软件程序运行时所必需的信息。其中SDA为串行数据线,SCL为串行时钟线。

图2.2 时钟电路

2.2电表费率系统

电表费率系统需要完成的功能主要如下: 1） 接收手持单元发送的用户购电信息;

2） 将新收到的用户购电信息与费率系统的自有用户用电信息进行合并计算以得到新的

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新型智能电表的设计 信息;

3） 动态计算以得出剩余电量,并在剩余电量到达警戒值时点燃LED管,以提醒用户购电,并在超额用电量达到一定值时切断电源。数据抄录采用查询方式，每个前端单片机对应一个全系统唯一的地址编码，当主机要抄录某个单片机中的电表数据时，只需将其地址向通信网中进行广播，前端单片机接收地址后，与本机地址编码比较(本机地址编码己写入24COlA芯片[[34]中对应的存储单元)，从而决定是否发出本机记录的所有电表数据。采用这种查询的数据抄录方式，抄表人员可随时打开计算机，根据需要进行抄表。

2 .3抄表系统结构设计

抄表系统结构框图如图2.3所示。

数据抄录采用查询方式，每个前端单片机对应一个全系统唯一的地址编码，当主机要抄录某个单片机中的电表数据时，只需将其地址向通信网中进行广播，前端单片机接收地址后，与本机地址编码比较(本机地址编码己写入24COlA芯片[[34]中对应的存储单元)，从而决定是否发出本机记录的所有电表数据。采用这种查询的数据抄录方式，抄表人员可随时打开计算机，根据需要进行抄表。

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湖南工程学院毕业设计（论文）

图2.3 抄表系统结构框图

其中PHILIPS SEMICONDUCTORS公司的高性价比单片机P87LPC7为完成该部分功能的主体器件。单片机P87LPC7自带内部6MHz的RC振荡器、内部看门狗电路和内部复位电路,具有较强的抗电磁干扰能力和较小的工作电流。PCF8583为PHILIPS SEMICONDUCTORS公司的自带240×8位RAM的时钟/日历芯片。用来提供时间信息,以供电力公司实行分时电价策略。它可存储4年的日历时间信息,也可通过编程设置它的日历时间信息功能。CAT 24WC02是一种真正的0功耗EEPROM芯片,采用I2C总线接口,具有100万次擦写寿命。

2.3.1 EEPROM存储器

EEPROM是一种可在线电擦除和再编程的存储器。它具有EPROM掉电后仍然保持

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新型智能电表的设计 程序的优点，又具有RAM的随机读，写数据的特性，只是写的过程需要较长的时间，所存的数据在常温下至少可以保存十年，擦除、写入寿命可以有10万次。 EEPROM芯片按接口分量类：并行接口芯片和串行接口芯片。

并行接口EEPROM一般容量较大、读取速度快、读、写操作方便、功耗大、价格昂贵，适用于程序存储器。常用的并行接口EEPROM芯片有2816（2K*8bit）、2817（2K*8bit）、28（8K*8bit）等.

串口接口EEPROM芯片体积小、功耗低、占用系统放入信号线少、电路简单。工作速度慢。读、写的方法复杂，常被用作单片机系统的非易失性数据存储器。串行EEPROM常用的芯片有24WCXX系列（二线制IIC）、93LCXX系列（三线制）、59CXX系列（四线制）、5LCXXX系列（SPI总线）。

2.3.2 LED显示器

常用的显示器分为LED发光二极管显示器，是一种当外加电压加在发光二极管上可产生可见光的器件，具有体积小、重量轻、工作电压低、稳定、寿命长、响应时间短、发光均匀、清晰、亮度高等优点。于液晶显示器相比，它更适用于在光线暗的环境中使用，主要缺点是工作电流大。

2.3.3 显示控制方式

显示器接口按驱动方式可分为静态显示和动态显示两种方式，动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成；按CPU向显示器接口传送数据的方式则分为并行传送和串行传送两种方式；按显示器接口是否带译码器可分为译码和非译码两种显示数据方式。

静态显示时，除变更显示数据期间外，各显示器均处于通电显示状态，每个显示器的通电占空比约为100%，优点是显示稳定，亮度高，缺点是占用硬件电路多。动态显示时多个显示器共占用一个显示数据驱动器，每个显示器通电占空比时间为1/N。动态显示的优点是节省硬件电路；缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多，亮度会受到影响。

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湖南工程学院毕业设计（论文） 第3章 智能电表的软件设计

手持单元部分的软件程序包括微机串口通信、87C51内部工作和手持单元数据发射三部分。微机串口通信部分主要完成将用户购电信息通过串口异步通讯适配器UART输出到手持单元部分的单片机87C51中。87C51内部工作部分主要完成将用户购电信息进行加密工作。手持单元数据发射程序主要完成将加密后的用户购电信息发送到电表费率系统,并在确定用户购电信息已无误地被电表费率系统接收后自动清零。它的程序流程图如图3所示。单片机P87LPC7工作程序主要用来完成接收加密后的用户购电信息,并解密用户购电信息,再将用户购电信息与EEPROM外围存储器CAT24WC02中所存储的上次用电剩余信息相加,以得到用户本次购电后的最新用电信息,并结合24WC02中的本次购电后新存储的日历时间信息来动态计算用户的用电信息,以完成在剩余电量到达警戒值时向用户报警和在超出设定值时切断电源,同时将此用户用电信息存入到外围EEPROM芯片CAT 24WC02中。

软件总体模块如图。本软件系统是由初始化程序、键盘中断程序、时钟程序、显示程序、电度计量中断程序、通信程序共六大程序块组成。

（1）初始化程序 其中含单片机中断初始化，缓冲区初始化。

（2）键盘中断程序 该部分属于系统软件范畴，它的作用扫描键盘进行相应的处理。 （3）电度计量中断程序 该程序是核心程序，它实际含有电度脉冲计量分时段统计累加存储。

（4）显示程序 它的作用显示电度数和时钟的具体时间。

（5）通信程序 该程序用来实现复费率智能电度表的抄表或参数整定工作。也可以实现电度表的连网管理信息的提供。

（6）时钟程序 完成秒脉冲的累计，实现时钟的时、分、秒的功能，它为分段计费提供时间标准，它的精度直接影响记费精度

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新型智能电表的设计 初始化 时钟程序 键盘程序 显示程序 电度计量 通信程序

图3.1 软件总体设计框图

显示程序为

DIR:SETB P3.3; // 开放显示器传送控制 MOV R7,#04H;

MOV R0,#79H; // 79H-7CH为显示缓冲器 DL0:MOV A,@R0; // 取出要显示的数 ADD A,#0DH; // 加上查表偏移量 MOVC A,@A+PC; // 取出字形 MOV SBUF,A; //送出显示 DL1:JNB T1,DL1; //输出完否 CLR T1 //完，清中断标志 INC R0; // 再取下一个数 DJNZ R7,DL0;

CLR P3.3 // 关闭显示器传送 RET 返回

SEGTAB:DB C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H; DB 82H,0F8H,80H,90H,88H,83H; DB 0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH

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湖南工程学院毕业设计（论文） 电度统计程序 ORG 0700H DDTJ:CLR EA

PUSH ACC ； // 保护现场 PUSH B PUSH PSW SETB EA

MOV A,34H ；ADD A,#01H DA A MOV 34H,A CLR C SUBB A,#10H

JNZ LLD ； // CLR A ； // MOV 34H,A ；MOV A,35H ；ADD A,#01H DA A MOV 35H,A CLR C SUBB A,#10H

JNZ LLD ； // CLR A

MOV 35H,A ；MOV A,36H

ADD A,#01H ；DA A MOV 36H,A CLR C

电度个位加“1” 不够10W 够10W W单元清“0” 10W单元加“1” 不够0.1kW 够百W 10W单元清“0” 0.1kW单元加“1” 12

// // // // // 新型智能电表的设计 SUBB A,#10H

JNZ LLD ； //不够kW CLR A

MOV 36H,A ； // 够千W，0.1kW单元清“0” MOV A,37H

ADD A,#01H ； //够kW kW单元加“1” DA A MOV 37H,A CLR C SUBB A,#10H

JNZ LLD ； //CLR A

MOV 37H,A； //MOV A,38H

ADD A,#01H ； //DA A MOV 38H,A CLR C SUBB A,#10H

JNZ LLD ； //SETB P1.1 ； //LLD: MOV A,33H MOV B,#AH DIV AB

MOV 20H,A； //MOV A,B

MOV 33H,A ； //MOV 21H,34H ；MOV 22H,35H MOV 23H,36H

不够10kW 够10kW , kW单元清“0” 10kW单元加“1” 不够100kW 表满报警 小数点后第一位BCD送显示缓冲区保留小数点后第二位值 电度数送显示缓冲区 13

湖南工程学院毕业设计（论文） MOV 24H,37H MOV 25H,38H CLR EA POP PSW POP B POP ACC SETB EA RET

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新型智能电表的设计 第4章 监控电路

为防止CPU 在上下电的过程中出现程序混乱而破坏计量数据, 通常CPU 必须外加专用的电源监控电路, 如Ti 公司的TL7705 , IMP 公司的IMP705、IMP706、IMP708 等, 都是常用的品种。

CPU 电源监控电路主要提供以下功能:

1) 低电压复位。主要是要求在电源低于某一电压(如4～415V) 时提供复位信号, 保证电路在上下电过程中电源电压不能使CPU 正常工作时, 使CPU 保持在复位状态。

2) 掉电报警。主要功能是要在电源掉电时发出掉电报警信号, 提醒CPU 保存计量数据。

3) 看门狗电路。现在许多CPU 都内嵌看门狗电路, 所以并非必须。

图4.1 看门狗电路

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湖南工程学院毕业设计（论文）

图4.2 复位电路

图4.3 复位芯片

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新型智能电表的设计 第5章 智能电表的各个功能以及设计方法

5.1数据的抄录方式

电表数据的抄录方式，要与抄表人员的实际工作要求相适应。一个月、一个季度抄录一次或者针对网上用电情况对波峰和波谷分开抄录，无论哪种情况，何时进行抄表工作都由计算机集中进行控制。那么数据抄录采用查询的工作方式适应了抄表系统的这种工作模式。

数据抄录采用查询方式，每个前端单片机对应一个全系统唯一的地址编码，当主机要抄录某个单片机中的电表数据时，只需将其地址向通信网中进行广播，前端单片机接收地址后，与本机地址编码比较(本机地址编码己写入24COlA芯片[34]中对应的存储单元)，从而决定是否发出本机记录的所有电表数据。采用这种查询的数据抄录方式，抄表人员可随时打开计算机，根据需要进行抄表。

5.2抄表系统结构设计

抄表系统结构框图如图5-1所示。

用户电表数据采集

数据通信接口

数据通信线路

数据通信接口

单位计算机管理系统

供电部门计算机信息管理

图5.1系统结构框图

电表自动抄录系统具有人工抄表所完成的所有功能，还具有系统本身和用户所要求的其它功能。具体来说，有如下几个方面:

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湖南工程学院毕业设计（论文） (1)普通机械电表的数字化转换。 (2)自动抄录所有电表的数据。 (3)用电量的计算与收费计算。 （4)系统测试与出错指示。

（5)统计报表和向上级主管单位提交报表。 (6)查询与维护。

(7)对用电信息、具有长期存储保护功能，以便于分类或分阶段进行统计。

5.3数据传输方式

一般数据传输有有线和无线两种方式，无线方式在此不作讨论。有线方式可拉专线，也可以利用现存的220伏的电力线、电话线、闭路电视线以及其它线路。当然利用电力线进行数据传输比较经济和受用户欢迎，在国外己经得到普遍使用，由于国外公共电力网想当纯净，有专用滤波系统，可以保证数据在传输过程中不会受外界干扰。但是在我国，电网在传输数据过程中，经常会受无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输数据错码、丢码的情况。在电器启动时，瞬间会产生极大的电压，产生许多尖脉冲 信号，频谱覆盖整个电力线载波频率范围，这些干扰信号都叠加在电网上，造成数据传输结果与真实数据间的误差。而且不同电网干扰特性差别较大，难以消除它对数据传输所带来的影响。根据我们的实况调查，并查阅有关资料得知:由于各种原因，各单位的电网分布比较复杂，要研制一个通用性较强的、数据传输可靠性高的系统，采用电力线传输还有许多暂时难以解决的工作要做。如何在抄表系统中有效利用电力线进行数据的可靠传输，后面将进行专门设计。采用拉专线的方式的优点是:一方面数据传输稳定可靠，减少以后应用过程中的麻烦;另一方面，也可为将来各种仪表的数据抄录准备一个数据传输通路。综合分析各自的优缺点，可以采用电力线和拉专线相结合的方式，既能降低系统成本，也可以在一定程度上减少因电力线的不稳定造成的数据传输错误。

通信是两个设备之间的数据交换，串行通信方式特点是通信线路只要一对传输线就

可以实现通信，从而大大地降低了成本，特别适用于远距离通信。

在串行数据通信中，发送端发出的是一系列二进制脉冲，而接收端必须能够正确的识别处每个字符和字符内的每一位。串行通信双方是为了有效地交换信息必须建立一些约定，即对数据的编码，同步方式，传输速度，传输控制步骤，效验方式，报文方式等问题给予统一的规定，这些规定称为通信协议。

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新型智能电表的设计 异步串行通信常用的波特率有50bit/s，75 bit/s，110 bit/s，150 bit/s，300 bit/s，600 bit/s，1200 bit/s，2400 bit/s，4800 bit/s，9600 bit/s等。

通信过程中，接收方按约定的格式接收数据，并进行检验，一般可以查出以下三种错误提示用户处理：

1）奇偶错。在约定奇偶检查的情况下，接收到的字符奇偶状态和约定不符。 2）帧格式错。一个字符从起始位到停止位的总位数不对。

3）溢出错。若先接收的字符尚未被微机读取，后面的字符又传送过来，则产生溢出错。

5.3.1异步串行I/O接口

通用的串行I/O接口标准有很多种，最常见的是RS-232和RS-485两种各有其应用领域，使用的范畴也不尽相同。

（1）EIA RS-232C通信 这是美国电子工业协会推荐的一种标准，它在一种25针接插件（DB-25）上定义了串行通信的有关信号。新一代的计算机均有9针接头（DB-9）接出所有的RS-232通信端口，它们在计算机和连线上的位置和定义如5-2图所示

图5.2 RS-232的9针接头

1脚： CD——载波检查 2脚： RXD——数据接收 3脚： TXD——数据传输 4脚： DTR——数据端待命 5脚： GND——地线 6脚： DSR——传输端待命 7脚： RTS——要求传输 8脚： CTS——清除并传输 9脚： RI——响铃指示

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湖南工程学院毕业设计（论文） 1) RS-232的通信连接。在实际异步串行通信中，并不要求全部的RS-232型号，一般通信线有三条（TXD,RXD和信号地）就能工作了。

TXD/RXD：是一对数据线，TXD称发送数据输出，RXD称接收数据输入。当两台微机以全双工方式直接通信时，双方的这两根线应交叉连接。 信号地：所有的信号都要通过i信号地线构成耦合回路。

其余信号主要用于双方设备通过过程中的联络，而且有些信号仅用于和MODEM的联络。

RS-232的信号传输模式如图所示

图5.3 RS-232的信号传输模式

由图中可见，RS-232的信号标准电位是参考地线而来的，传输端参考接地端1来传送数据；接收端则参考接地端2来还原出传送端的信号；在两个接地端同电位的前提下，传送端与接收端的信号会呈现出相同的结果。如果有噪声进入到传输线路中的话，可能会产生干扰。干扰信号在地线和信号上均会产生影响，原始信号在加上干扰信号后依然传送到接收端；而地线部分的信号则被地电位给抵消掉了，因此信号便发生了扭曲，当然整个信号就不对了。

2）RS-232信号电平规定。RS-232规定了双极性的信号逻辑电平。其中，-3—-15V之间的电平表示逻辑“1”；+3—+15V之间的电平表示逻辑“0”。因此这是一套负逻辑定义。

以上标准称为EIA电平。PC/XT系列使用的信号电平是-12V和+12V，符合EIA标准。但在计算机内部信号是TTL电平，因此这中间需要用电平转换电路。常用芯片

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新型智能电表的设计 MC1488或SN75150将TTL电子转换成EIA电平。MC14或 SN75150将EIA电平转换为TTL电平。PC/XT系列以这种方式进行串口通信时，在波特率不高于9600bps的情况下，理论上通信线的长度约为15m. （2）RS-485通信

由于串口通信的简单易用，在工业上也使用了串行通信作为数据交换的手段；可是工业环境通常会有噪声干扰传输线路，在用RS-232作传输时经常会受到外界的电气干扰而使信号发生错误。

RS-485采用差动式工作驱动器与接收器，无论在抗干扰，传输距离。传输速率等方面都较RS-232有很大提高。RS-485性能的提高是基于以下两方面的改进：首先，将信号的幅值从RS-232的25—30V降低为12V；其次。RS-485为发送回路及接收回路分别提供的地线，而不再共用一条公共地线，两项措施有力地减少了线间干扰，从而也提高了传输距离，传输速率。 RS-485的信号传输方式如图所示

图5.4 RS-485的信号传输方式

RS-485的信号在传送出去之前会先分解成正负的两条线路，当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。如果将原始的信号标注为(DT)，而被分解后的信号分别标注为(D+)和(D-)。则原始信号与分解后的信号在由传送端送出去时的运算关系如下： (DT)=(D+)-(D-) （5.1）

同样的，接收端在接收到信号后，也按上式的关系将信号还原成原来的样子。而如果此线路受到干扰这时候在两条传输线路上的信号会分别成为（D+）+NOISE和（D-）+NOISE，如果接收端接收此信号，它必须按照一定的方式将其合成，合成的方程式如

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湖南工程学院毕业设计（论文） 下：

(DT)=[(D+)+NOISE]-[(D-)+NOISE] （5.2） 两式的结果是一样的，所以使用RS-485网络可以有效的防止噪声干扰，也正因为这种特性，工业上比较适合使用这种串行通信。

5.3.2 MX202和MAX485与单片机的连接

为了增大传输距离，可在串行接口电路与外部设备之间增加信号转换电路。目前常用的转换电路有RS-232收发器，RS-485收发器。RS-232收发器将微型计算机的TTL电平转换为15V电压进行传送。RS-485收发器将微型计算机的TTL电平转换为差分信号进行传送，最大的通信距离为1.2千米（在100kb/s传输速率以下）。

（1） RS-232收发器——电平转换电路

1）RS-232发送器1488和RS-232接收器14。其引线排列和逻辑功能如图所示

图5.5 RS-232发送器1488

图5.6 RS-232发送器14

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新型智能电表的设计

2) RS232收发器MAX202。 MAX202是使用+5V单电源供电的RS232收发器。片内

包括2个驱动器和2个接收器以及1个将+5V变换成RS-232所需的10V输出电压的双充电泵电压变换器。

图5.7 RS232收发器MAX202

（2）RS-485

RS-485是一种多发送器的电路标准，最小型采用一对信号电缆，可支持32个发送

-接收器对。RS-485只支持主从结构网络，一般为半双工工作方式，任何时候只能允许一点发送，发送端驱动电路必须具有使能信号。因此非常适合多点互连，在工业控制中得到了广泛应用。

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湖南工程学院毕业设计（论文） RS-485收发器基本采用美国MAXIN公司生产的MAX48X/MAX49X系列差分平衡

型线转发器芯片。两芯片之间构成的网络最大通信距离为1.2千米。若需要增大传输距离，可使用该系列的任意一种现转发器芯片作为中间连接器。

RS-485标准要求采用平衡差分电路传输信息，有效的消除了RS-232-C中收发端地

电位间的电位差。它采用半双工工作方式，最高传输速率与电缆长度有关，传输速率为100Kbps时，电缆长度不超过1.2千米：传输速率1 Mbps时，电缆长度120m：传输速率为10Mbps时，电缆长度仅允许12 m 。RS-485输入电平与TTL兼容，输出电平与CMOS兼容。因此，当现场监控设备采用RS-485作为网络物理接口，又必须与上位采用RS-232-C的微机连接时，应当采用一个转换器，把RS-485电平与RS-232-C电平相互转换。通常要求电平转换通过光电隔离来隔离RS-485信号与RS-232-C信号的地电位。

5.3.3 传输介质

传输介质是连接通信网络中收发双方的物理通道，也是被传送信息的载体。电表一般选用的通信介质是有线方式。主要有以下几大类：

1 ）双绞线

双绞线TP是两条绞在一起的相互绝缘的导线，也是目前使用最广、价格相对最便宜的一种有线介质。用它传输数字信号时，传输速率与传输距离有关。在几千米范围内，传输速率在10—100Mbps。

用双绞线可做成双绞线电缆。双绞线电缆有非屏蔽和屏蔽两种，其标准分别由美国电子工业协会下属的远程通信工业分会和IBM公司负责制定，还定义了双绞线专用连接器，如DB9连接器。

2 ）同轴电缆

同轴电缆也是一种常用的传输介质。在数字信号传输系统中最常见的是阻抗为50欧的基带电缆，基带同轴电缆带宽取决于电缆长度。

同轴电缆低频工作时的抗干扰性不如双绞线，但抗干扰能力随传输信号频率的增加而提高，因此特别适用于高频信号输出。同轴电缆有寿命长、频带宽、特性稳定。可靠性高、维护方便、技术成熟等优点，其费用高于双绞线，低于光钎。

3） 光纤

把数字通信系统中用电量表示的1和0转换为光脉冲信号，有脉冲时代表1，无脉冲时代表0，就可以采用光纤来传输数据了。光纤传输信道的带宽非常宽，数字信号传输速率非常高。由于受到电-光、光-电转换器变换时间的，目前实际使用的传输速

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新型智能电表的设计 率约为10Gbps，近距离传输速率甚至可达100Gbps.采用频分多路复用技术，光纤的传输速率还可以提高。

光纤通信的优点是带频宽，传输容量大，重量轻，完全不受电磁干扰和静电干扰的影响，光纤中各条光纤间也无串音干扰，保密性好，光纤本身成本不高。但光传输系统需要光源和光脉冲产生及检测设备，光纤制造成本也高于双绞线和同轴电缆，因此整体成本价格高，目前多用于搞传输速率、高可靠性以及远距离传输的数字通信系统。随着数字通信系统传输性能的提高，由多条光纤构成的光缆必将成为数字通信网络的主要传输介质。

5.4 用电量计算与电表读数转换

有功电度测量是电力系统监控和测量的重要参数。目前仍在大量使用的感应式电度表因其测量精度低，灵敏度差和易受电磁干扰等缺点必将被电子式电度测量仪表所取代，尤其是电子式测量仪表能够很方便地构成集中自动抄表系统、IC 卡预付费电表等智能化系统，因而发展迅猛。但目前使用的大多数仪表对有功电度的测量都是以50HZ 正弦波为测量对象而设计的。而目前电力系统运行的实际情况是：由于大量非线性元件的使用，电网高次谐波增加，其电压电流并非标准正弦波，因而导致测量精度下降，误差增大。尤其当波形畸变较大时甚至无法正常工作。为此本文设计的以8751 微控制器和AD7750 乘积频率转换器构成的数字式有功电度测量系统较好地解决了上述问题。它可用于任意波形实际有功电度的测量，同时构成了集中自动抄表系统，提高了测量精度，实现了电度计量的自动化和智能化。其基本工作原理是：将待测负载的电压、电流通过变换器经模拟取样后送入乘积频率转换器AD7750 变换成与该负载电压、电流乘积。（ 负载瞬时功率）成正比的输出频率信号；再通过微控制器对该频率信号进行计数即 反映了实际消耗的有功电度；利用单片机的显示和通讯功能即可完成对有功电度的计量显示和集中自动抄表。其系统框图如图5-8所示。

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湖南工程学院毕业设计（论文） 显示电路 87C51AD7750 乘积频率转换器 单片机 上位 PC机

图5.8 系统框图

本系统由四部分组成：

（1）由AD7750 乘积频率转换电路组成的瞬时功率频率转换电路。 （2）由8751 微控制器组成的基本控制电路。 （3）五位LED 显示电路。

（4）通过串行通讯与上位PC 机构成的自动抄表系统。 系统硬件组成如图5-9 所示。

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新型智能电表的设计

图5.9 系统硬件结构

1） AD7750 组成的瞬时功率频率转换电路

AD7750 集成电路是美国模拟器件公司1997 年推出的一种功能很强的高性能的乘积频率转换器件（PFC）。它能将两个输入模拟信号的乘积转换成与其成正比的输出频率，是一种数字化的模拟乘法器，其数字化输出可直接送入微处理器进行处理。由此可以看出：AD7750 的输出频率仅正比于该瞬时输入模拟信号的乘积而与输入波形无关，因而可以用于任意波形瞬时功率的测量。设u（t）、i（t）为某一线性定常无源负载的端口电压、电流，则u（t）、i（t）为同一周期的时间函数，负载的瞬时功率p（t）=u（t）i（t），若将u（t）、i（t）作为两个模拟信号输入AD7750，根据AD7750 的转换特性，其输出频率Fm 与负载的瞬时功率成正比：Fm=Ku（t）i（t）=Kp（t）。由于负载在任意时间T 内所消耗的有功电度为瞬时功率在时间T内的积分：

t01p(t)dtFdt0k （5.3）

t，若将该式离散化可表示为：

1Fm1k， （5.4）

由此可见，要测量任意时间T 内负载消耗的有功电度，只要对AD7750 的输出频率在时间T 内进行计数即可。式中K 为与AD7750 的设置和调节有关的常数。 2） AD7750 的结构和设置

AD7750 的基本结构主要包括两个模数转换器（ADC），一个数字乘法器，一个数字频率转换器（ DFC ）， 一个基准源(2.5 ± 0.25V,温漂50ppm / c)和其它信号调节电路。

AD7750 输入级采用独特的开关电容结构，在+5V 单电源情况下允许双极性模拟输入，它有四个模拟输入端：V 1(+)，V 1(−)，V 2(+)，V 2(−)，可组成两个差动输入或单端输入通道，其中1 通道差动放大器的增益可选择1（当控制端G1=0，低电平时）或16（当G1=1，高电平时），2 通道的增益固定为2。输入带有保护电路，额定输入电压为± 6V 。当两路模拟输入信号经过滤波处理将两个数字量在数字乘法器中相乘之后，再送入数字频率转换器DFC。它将数字量转换成同步脉冲串，其频率与两个瞬时模拟输入信号u（t），i（t）的乘积成正比。

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湖南工程学院毕业设计（论文） AD7750 输入电路的设置：在本系统中，将负载端口电压信号u（t）经电压互感器取样后以单端输入方式送入AD7750 的1 通道，设置控制端G1=1，则增益G=16。负载端口电流信号i（t）经电流互感器取样后以单端输入方式送入2 通道，此时AD7750 的输出频率Fout 正比于u（t）i（t）。即正比于负载的瞬时功率。

AD7750 输出频率的设置：AD7750 提供三种输出频率F1，F2，和Fout。F1 和F2 是两个交流负脉冲，Fout 可对F1 或F2 倍频，输出正脉冲串。三种输出的最高频率由Fs，S1 和S2 的设置所决定，本系统选择功率测量方式，单极性频率标度，设置Fs=1、S1=0、S2=1。此时输出最高Fout=32K1F2max，F2max=13.6HZ。由此可以计算当输入最大功率时的最高输出频率。

本系统调节R2、R4，使当输入瞬时功率1000W 时输出频率Fout=100HZ。 3） 8751 单片机控制电路

本系统以8751 单片机为控制核心。外接6MHZ 晶振，8751 片内4KBEPROM， 用于存放有功电度计量程序、LED 显示程序、集中抄表通讯程序等程序模块。 由AD7750 输出的与负载瞬时功率成正比的脉冲串送入8751 的T0 计数器计数，T0工作于工作方式1。如前所述，当输入瞬时功率为1000W 时，AD7750 的输出频率设置为100HZ，则有功电度1 千瓦时（1 度）的脉冲数为：100×60×60=360000 即T0 计360000 个脉冲为1 度电，36000 个脉冲为0.1 度，由于设计为五位LED 显示，其最低位为0.1 度,故T0 每计36000 个脉冲溢出使RAM 单元中五位十进制计数器加1 。T0 计数器预置数为：

2163600029536D7360H （5.5）

LED 显示电路由硬件译码器实现，五位LED 通过MC14495 七段十六进制锁存、译码驱动芯片与8751 的P1.0~P1.3 接口,完成BCD 码至十六进制数的锁存和译码,驱动LED显示。MC14495 的位选通信号通过74LS138 译码器由P1.4~P1.7 提供。利用硬件译码器实现的显示系统的软件设计比较简单，只要选通显示位将要显示的BCD 码输出即可。单片机8751 与上位PC机通过异步串行通讯方式完成集中自动抄表功能。本系统中，下位单片机部分使用RS-485 传输标准利用传输标准转换器转换成RS-232 标准输入上位机串行口。其传输距离可达4KM 左右,可完成一个住宅小区或一个单位的集中自动抄表 通过以上方法，完成了系统抄录数据到电表实际读数的转换。在用电量计算过程中，有可能发现数据异常:用电量过大或者用电量过少，可依据用户的实际情况和电表的实际读数进行判决，确认数据不合理的用户，有针对性地进行检查，如果前端出现故障，

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新型智能电表的设计 要进行排除，然后对单个站点重新抄录和计算，直到确认所有数据有效后，将结果存入相应的数据表中。

收费计算是根据不同用户的用电量和收费标准进行的，将二者的乘积作为收费计算的结果，写入数据表的用电收费字段中。

抄录数据表是根据抄录工作的时间由系统自动进行命名的。用电量数据表是根据参与计算的抄录数据表的时间信息由系统自动命名，它反应了用电量对应的时间段。在进行统计报表和查询的时候，就可以由表名中所包含的时间信息决定所要参与的数据表。同时也给数据库的管理与维护带来了很大的方便。人工抄表时，总的用电收费标准一般是物价管理部门核准的，具体到单个用户的用电收费标准是由电管部门制定的，缺乏科学性与合理性。自动抄表系统的实现，使用电收费标准能够根据电网损耗、供电成本、管理费用、用电情况等各方面的因素，由系统动态制定。按照我国的用电收费分级管理 模式，收费标准也应分级制定，下级部门的收费标准要在上级部门的收费标准基础上制定。以最前沿抄表部门收费标准的制定为例，给出了家庭用户用电收费标准的计算模型. 设上级部门制定的收费标准为:Fo;单位总表抄录的用电量为:Wo;统计所有用户电表的用电总量为:W:本部门管理费用为:G那么本部门的用电收费标准F的计算公式为:

F(F0*W0G)/W （5.6）

事实上，各级主管部门收费标准的制定也是按照上述模式制定的，这样就形成了收费标准制定的多级体系。收费标准的制定如实反应了供电成本、电网损耗和管理费用。而且收费标准在每次收费计算之前，由系统重新制定，填入数据库表中的收费标准字段。收费标准的动态制定，减少了人为因素，更加科学，更加合理。

报表是抄表工作的最后一个环节，用电与收费情况最终要以报表的形式提供给用户和上级主管部门。不同的用电单位，对报表的形式有着不同的要求，那么对于报表模块的软件设计要体现灵活性与通用性。可以设计多种报表模式，由操作人员根据需要进行选择。报表模式可以设计为如下几种形式:按照不同字段的索引顺序报表、按不同字段的索引分段报表、按不同字段的索引分组报表。根据需要还可以将报表转换为HTML格式。

报表的数据内容包括用户基本资料、用电数据、收费数据、用电总量的统计、总表用电总量与统计用电总量的比较结果(电网损耗)、当前收费标准等等。

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湖南工程学院毕业设计（论文） 结束语

目前，电力网系统的发电、输电、配电环节已基本实现网络化管理，惟独用户终端网络之外，造成了系统的不完整，直接或间接地影响了系统的不完整，直接或间接地影响了系统的不完整。因此，对智能电表的期望是巨大的。集中远传自动抄表系统代表了智能化电表的发展方向，可以预测，随着社会的进步、科技的发展，集中远传自动抄表系统定会从高档居民小区走向大众，实现它的价格平民化过程。因此，供电部门对智能电表的期待不仅停留在网络化管理这一层次上，还希望其能具有谐波监测等电能质量监测管理的功能。随着DSP技术的发展，智能电表的在线监测、在线管理功能将得到进一步的完善。这次所设计的智能电表属机电式智能电表，它由硬件电路、相应软件及发行系统三部分构成。具有数据的保护，报警功能，断电的显示，负荷的控制，防窃电功能，远程抄表系统等功能，从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件。智能化电表的发展，将最终取代传统电表在用户中的实用，

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新型智能电表的设计 参考文献

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湖南工程学院毕业设计（论文） 致 谢

经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验和匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。这次是给我一个学习和锻炼的好机会，让我重新在巩固一遍，对所学的知识再综合学习，系统的结合起来。

本文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有导师的指引和赠予，没有父母和朋友的帮助和支持，我在大学的学术成长肯定会大打折扣。当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。

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