住宅小區(qū)自動(dòng)電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的研制

 摘要：介紹采用多級(jí)分級(jí)通信模式組成的住宅小區(qū)自動(dòng)電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)；重點(diǎn)介紹電能數(shù)據(jù)采集的硬件組成和提高電量計(jì)量精度的方法。

    關(guān)鍵詞：電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng) 分級(jí)通信 通信中繼器 電能數(shù)據(jù)采集器

長(zhǎng)期以來(lái)，供電管理部門對(duì)用戶電量的統(tǒng)計(jì)一直是在人工抄表的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，工作量大，直接影響供電部門的工作效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。小區(qū)內(nèi)的住戶數(shù)量較多，甚至成千上尤，因此數(shù)據(jù)采集單元數(shù)目較多，它們與計(jì)算機(jī)之間的通信必須采用多級(jí)分級(jí)通信模式。本文介紹基于分級(jí)通信模式的住宅小區(qū)自動(dòng)電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的實(shí)施方案。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用分級(jí)通信方式，計(jì)算機(jī)和32個(gè)89C51單片機(jī)之間采用RS-485半雙工接口。MAX232實(shí)現(xiàn)將RS-232接口信號(hào)電平轉(zhuǎn)化為TTL電平。MAX483為+5V供電的RS-485接口的差分信號(hào)收發(fā)器，可以將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-485的差分接口信號(hào)形式或進(jìn)行相反方向的轉(zhuǎn)換。每一個(gè)89C51單片機(jī)承擔(dān)計(jì)算機(jī)和32個(gè)數(shù)據(jù)采集器89C52之間通信的中繼任務(wù)。采用不同的口線分別控制89C51與計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器之間的通信。89C51和數(shù)據(jù)采集器89C52之間也采用RS-485半雙工接口，由MAX483實(shí)現(xiàn)兩種信號(hào)格式的轉(zhuǎn)換。89C52單片機(jī)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)T0和T1完成1個(gè)住宅單元2戶脈沖電度表的脈沖量的采集，從而進(jìn)行電度量的換算。RS-485接口支持多級(jí)通信，允許總線上掛接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器，因此通過(guò)分級(jí)管理，計(jì)算機(jī)可連接32×32=1024個(gè)數(shù)據(jù)采集器，也就是1024×2=2048個(gè)用戶的用電量的采集。如果在中間再增加1級(jí)89C51作為中繼器，可以將用戶數(shù)目擴(kuò)大32倍，滿足一般住宅小區(qū)的實(shí)際應(yīng)用要求。

二、硬件連接電路

1.RS-232與RS-485之間的電路連接

RS-232接口信號(hào)格式轉(zhuǎn)換成RS-485差分接口信號(hào)格式的電路連接如圖2所示；通信中繼器的電路連接如圖3所示。

圖3所示通信中繼器的連接電路中，89C51和計(jì)算機(jī)之間、89C51和數(shù)據(jù)采集之間用1根雙絞線進(jìn)行半雙工通信，分時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收。由于使用1個(gè)串行口進(jìn)行通信，為了避免發(fā)信號(hào)混亂，用P1.6控制1#MAX483的發(fā)數(shù)據(jù)允許位DE；用P1.7控制2#MAX483的發(fā)數(shù)據(jù)允許位DE。接收數(shù)據(jù)總是不同時(shí)進(jìn)行，按先接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的地址，再發(fā)送地址給數(shù)據(jù)采集器，最后接收數(shù)據(jù)采集器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)順序進(jìn)行。采用多級(jí)通信方式，數(shù)據(jù)格式為11位，按先后順序分別是：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、第9位用于識(shí)別發(fā)送或接收的是地址還是數(shù)據(jù)。每個(gè)通信中繼單元有一個(gè)惟一的地址，分別為0～31，由接在P1口的撥動(dòng)開關(guān)的設(shè)置來(lái)惟一確定。

    2.電能數(shù)據(jù)采集器的組成

連接電路如圖4所示。電能數(shù)據(jù)采集器計(jì)量電度的脈沖信號(hào)來(lái)自電能計(jì)量的專用集成電路芯片的脈沖輸出端，通過(guò)光電耦合和施密特觸發(fā)器整形后送至單片機(jī)89C52計(jì)數(shù)輸入端T0和T1，采集每個(gè)住宅單元的2戶脈沖電度表輸出的脈沖量。T0和T1設(shè)置為方式2，初值為0FFFFH。當(dāng)T0中斷申請(qǐng)，在溢出中斷服務(wù)程序中完成脈沖的計(jì)數(shù)和電量的遞增。為了配合用電收費(fèi)制度的改革（即用電為高峰用電期、低峰用電期和正常用電期），須對(duì)用電量進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)（而不是定時(shí)的計(jì)算）；同時(shí)為了保證電量采集和顯示的精度，在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)用電量的計(jì)算分為1度位和0.1度位，采取了分別遞增的措施，原因如下：

當(dāng)電度表常數(shù)和脈沖常數(shù)確定后，通過(guò)計(jì)算可得1度電對(duì)應(yīng)電度表輸出的脈沖數(shù)K為常數(shù)，則0.1度電對(duì)應(yīng)電度表輸出的脈沖數(shù)為K/10，即有K/10個(gè)脈沖到來(lái)，因K/10不一定正好為整數(shù)，若舍去小數(shù)或?qū)π?shù)進(jìn)行進(jìn)位取整，必然產(chǎn)生累計(jì)誤差。

分別遞增的方法如下：T0（或T1）每檢測(cè)到1個(gè)脈沖的下跳沿，TL0（或TL1）溢出中斷1次，在中斷服務(wù)程序中對(duì)K/10值寄存器和K值寄存器分別減1。K/10值寄存器減到0時(shí)，0.1度值寄存器遞增0.1度，并對(duì)K/10值寄存器重新置初值；K值寄存器減到0時(shí)，度值寄存器遞增1度，并對(duì)K值寄存器和K/10值寄存器重新置初值。這樣在電量為整度時(shí)，累計(jì)誤差將為0。

    為了讓用戶及時(shí)了解自己的用電情況，數(shù)據(jù)采集器采用六位LED顯示器顯示總用電量，顯示的量程為99999.9，顯示的分辨率為0.1度。

TL7705CP為電源檢測(cè)電路。數(shù)據(jù)采集器使用住戶220V電源供電，當(dāng)線路停電采集器工作電壓由+5V降到4.75V以下時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，即由原來(lái)的高電平變?yōu)榈碗娖?，在外部中?輸入端產(chǎn)生下降沿即外部中斷請(qǐng)求信號(hào)；在中斷服務(wù)程序中將89C52內(nèi)部RAM中的總電量和K/10值寄存器、K值寄存器內(nèi)容在電源電壓消失前的一段很短時(shí)間內(nèi)存入串行EEPROM 24C02中，以備重新來(lái)電時(shí)將總電量和脈沖量取出。89C52的P1口外接撥動(dòng)開關(guān)，用于惟一確定電能數(shù)據(jù)采集器的地址。設(shè)置外部中斷0的中斷優(yōu)先級(jí)為高優(yōu)先級(jí)。

三、通信工作流程及部分程序框圖

1.通信工作流程

（1）計(jì)算機(jī)首先發(fā)送通信中繼單元的地址0。

（2）32個(gè)通信中繼器均接收這個(gè)地址，然后和自己的地址（由P1口的撥動(dòng)開關(guān)惟一確定）比較，只有地址相等的通信中繼器，發(fā)送數(shù)據(jù)采集器的地址才為0。

（3）地址為0的數(shù)據(jù)采集器將T0和T1采集的總電量先后發(fā)送給通信中繼單元，通信中繼單元再將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

（4）重復(fù)第（3）步，直到將32個(gè)數(shù)據(jù)采集器的64個(gè)數(shù)據(jù)全部發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

（5）計(jì)算機(jī)發(fā)送通信中繼器的地址1。重復(fù)第（2）、（3）、（4）步，直到將32通信中繼器的32×32×2=2048個(gè)數(shù)據(jù)全部發(fā)送給計(jì)算機(jī)，本次通信結(jié)束。

2.程序框圖

（1）電能數(shù)據(jù)采集器

在數(shù)據(jù)采集器中，分為主程序和4個(gè)中斷服務(wù)程序。4個(gè)中斷源分別是電源掉電引起的外部中斷0、T0和T1的溢出中斷、串行中斷。4個(gè)中斷源中，外部中斷0設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)中斷，其余3個(gè)為同級(jí)的低優(yōu)先級(jí)中斷。當(dāng)這3個(gè)中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷時(shí)，中斷的貴州省順序是：定時(shí)器0溢出中斷、定時(shí)器1溢出中斷和串行口中斷。

主程序主要完成T0、T1和串行口的初始化，從24C02串行EEPROM中讀取在電源電壓消失前的一段很短時(shí)間內(nèi)存入的總電量和K/10值寄存器、K值寄存器的計(jì)數(shù)值。

T0和T1中斷服務(wù)程序中完成脈沖的計(jì)數(shù)和電量的遞增。詳細(xì)內(nèi)容在上面已作詳述。

外部中斷0中斷服務(wù)程序中將89C52內(nèi)部RAM中的總電量和K/10值寄存器、K值寄存器在電源電壓消失前的一段很短時(shí)間內(nèi)存入串行EEPROM中，以備重新來(lái)電時(shí)將總電量和脈沖量取出。如圖5所示為數(shù)據(jù)采集器串行通信的框圖。

    （2）通信中繼器

主程序比較簡(jiǎn)單，主要進(jìn)行串行口的初始化、開中斷、等待串行口中斷有產(chǎn)生。中斷服務(wù)程序框圖如圖6所示。

結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案不僅適用于住宅小區(qū)自動(dòng)電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)思想同樣適用于賓館、糧倉(cāng)、工業(yè)過(guò)程檢測(cè)等多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。