1、課程：計算機組成原理智能電表分析設計報告院系：安徽工程大學機電學院專業：計算機與軟件工程系班級：軟件1402組長：李和林組員： 秦偉 劉宣 楊佳 伯轉轉 許展 邵明時間： 姓名職責目錄第一章 系統整體方案設計11.1智能電表系統設計思路11.2方案論證11.2.1三相電參數的測試與計量方案論證與比較11.2.2多功能化模塊的方案論證與比較21.2.3電壓電流采樣方案論證與比較21.3通信標準的選擇31.4系統總體方案確定4第二章 系統硬件設計42.1硬件整體系統設計42.2電源電路設計62.2.1工作原理62.2.2變壓模塊72.2.3穩壓模塊72.3電壓電流采樣處理單元82.3.1 ATT7

2、030A簡介82.3.2 ATT7030A結構框圖92.3.3電能輸出脈沖電路92.4 CPU中央處理單元102.4.1 CPU功能102.4.2 CPU選擇102.4.3數據存儲模塊112.4.4顯示模塊132.4.6鍵盤模塊172.4.7 485通訊模塊18第三章 系統軟件設計193.1軟件設計的基本原則193.2系統軟件設計203.2.1接收數據與通信的程序設計20第四章 總結24第一章 系統整體方案設計1.1智能電表系統設計思路將智能電表系統整體分為電量測量和智能管理兩部分。電量測量部分選用高精度、高可靠性的電量測量ASIC實現，能夠完成三相電量的準確計量。該部分是設計的關鍵和基礎。智

3、能管理部分除核心元件微處理器外，還需要人機交互模塊、數據存儲模塊及通訊模塊。該部分是實現電表“多功能化”的重要組成部分，對其要求是智能化程度高，易于功能擴展。1.2方案論證1.2.1三相電參數的測試與計量方案論證與比較該部分是本系統設計的關鍵部分，要求電路結構簡單、可靠、功能全面，能夠完成預定功能。目前，關于三相電參數的測試與計量主要有兩種技術方案。傳統的模數轉換和相位檢測技術被測三相電壓、三相電流通過相應互感器轉變為能被后端電路接收的電信號，變化之后的信號需要做兩方面的處理，一方面檢測電壓電流的相位差，確定功率因數，另一方面線性調整信號，傳輸給后端的A/D轉換器。電壓、電流轉換后的數字量和功

4、率因數值傳輸給CPU處理器，根據三相功率、三相能量等電參數的計算公式計算相應的各個電參數，并對計算數據做相應處理。該方案存在電路結構復雜，參數測試誤差大，編程復雜、故障排除復雜等缺點。該技術方案已不再適用于工業環境中三相電能表的電參數測量。專用的三相電參數測試與計量技術隨著大規模集成電路的迅速發展，有關電參數測量的集成電路市場上出現了多種專用產品，針對不同的電參量可以選用不同的產品。目前，在我們國內比較流行的電量測試與計量芯片主要有美國ADI公司生產的ADE7755，美國CIRRUS LOGIC公司生產的CS5460，美國炬力公司生產的ATT7021、ATT7030、ATT7026等，國內上海

5、貝嶺公司也生產了相應的電量計量芯片。以上IC芯片在國內電能表行業中得到了廣泛的推廣應用，多年來的應用表明，這些IC芯片在電參數的測試與計量的應用比較穩定，計量精度滿足了國家標準。采用專用的IC測試電參數已成為目前各種電能表制造廠商的首選技術方案。其中，ATT7026、ATT7030是專用于三相電參數測量的IC芯片，外圍電路配置簡單，可方便地與CPU連接。綜合考慮本電能表所要實現的功能，我們選用第二種方案。ATT7030A測試計量的電參數能滿足本次設計題目提出的技術要求，是一款高精度的三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線。 ATT7030A提供有功電能計量輸出脈沖，微處理器可方便的對電

6、能實現計量。1.2.2多功能化模塊的方案論證與比較多功能化模塊應包括以下幾個組成部分：CPU中央處理器、外部存儲器、鍵盤、顯示、485通信接口、紅外收發電路、報警電路、負荷控制電路等八部分組成。CPU中央處理器的選擇方案有兩種，方案一：選用DSP處理器；方案二：選用單片機。DSP處理器具有運算速度快，處理能力強等優點，但存在價格相對較高，參考資料相對較少等缺點。單片機是目前電能表行業中普遍選用的中央處理器。比較以上兩種方案，我們選用ATMEL公司的AT89S52單片機作為中央處理單元，該單片機具有較強的數據處理功能，與MCS-51完全兼容，設計使用方便。外部存儲器選擇方案主要有兩種。方案一：選

7、擇RAM存儲器；方案二：選擇FLASH存儲器。RAM存儲器速度快，可讀寫操作，但存在掉電數據丟失的缺點，為了保證數據不丟失，一般需要設計電池供電，增加了設備的體積，成本等。外部FLASH存儲器具有掉電數據不丟失的優點，速度相對較慢，可以進行讀寫操作。由于電能表對數據存儲的速度較低，數據量較少，因此，FLASH存儲器是電能表行業中選擇的主流芯片。我們選用X5045作為外部數據存儲器，選用該型號的存儲器不僅可以方便數據的存儲，而且具有看門狗功能，監視CPU的運行狀態和系統的電壓，保證系統的安全運行。負荷控制電路設計具有預付費功能，即用戶應先購電，后用電，用戶購剩余電量達到報警值或剩余電量為零時，都

8、要操作繼電控制裝置，提醒用戶及時購電。1.2.3電壓電流采樣方案論證與比較目前，電能表行業中，關于電源電壓、電流的采樣方案主要有三種：第一種是采用電流互感器、電壓互感器采樣；第二種電壓采用電阻分壓網絡采樣，電流采用錳銅電阻采樣；第三種方案以上兩種方案的交叉組成。電流取樣使用電流互感器具有過載能力強，精度高，抗干擾能力強的優點，但存在成本高，體積大的缺點；電壓取樣采用電壓互感器同樣具有過載能力強，精度高，抗干擾能力強的優點，存在成本高，體積大，校表難度高的缺點；與采用互感器取樣比較電流采用錳銅電阻具有取樣方便，成本低的優點，但存在過載能力弱，抗干擾能力差的缺點；電壓采用電阻分壓網絡取樣具有取樣容

9、易，校表方便、成本低的優點，但存在過載能力弱的缺點。比較以上幾種方案，結合本表的計量精度要求，電流取樣采用高精度（0.1級）的電流互感器，電壓取樣采用電阻分壓網絡。該方案既提高了本系統的抗干擾能力，又方便了電能表的校驗。 根據上述方案論證，智能電表系統的實現方案如下：AT89S52(CPU)+ATT7030A(電量測量IC)+X5045（Flash存儲器）+MAX7219 (LED顯示IC)+獨立式鍵盤+75LBC184（485通訊IC）+紅外調制管+MC7805(DC穩壓電源IC)。1.3通信標準的選擇本系統的一個重要的問題就是通信問題。要根據系統的通信距離來選擇合適 的通信標準。如果通信距

10、離要求太高的話，可以采用電話線公網或者無線 GPS 等方式來進行通信。 在通信方式中，大多數采用串行通信方式。這里先對常見的串行總線標準作 一個比較。常用的總線標準有 RS-232、RS-422 和 RS-485 等等6，RS-232 是異步 串行通信中應用最廣泛的一種標準總線，其單向數據傳輸最大速率為了 20Kbps， 最大傳送距離為 15m，顯然這種總線標準是無法滿足本系統的技術要求的，且其 數據傳輸速率較慢，易產生干擾。RS-422 傳輸距離較遠，最短為 12m，數據傳輸 最大速率為 10Mbps；當速率為 1Mbps 時，傳輸距離可達 120m；當速率為 100Kbps 時，傳輸距離可

11、達 1200m；RS-422 抗干擾能力強，傳輸速率快，且為全雙工的。 RS-232 和 RS-422 有一個顯著特點，即 RS-232 接口與 RS-422 接 口通常吸用于點對點通信系統中，若系統中需要相互通信的節點數超過兩個時， 他們都無法直接滿足要求。 因此，EIA 制定了新的接口標準 RS-485，它能支持一點對多點的通信，RS-485 電氣標準與 RS-422 完全一樣，只是 RS-485 工作于半雙工方式。RS-485 標準總線是一種平衡傳輸方式的串行口接口標準，它允許在電路中 有多個發送器，且允許一個發送器驅動多個負載設備，負載設備可以是被動發送 器、接收器或收發器的組合單元。

12、RS-485 的共線電路結構是一對平衡傳輸的兩 端都配置終端電阻，其發送器、接收器、組合收發器可以掛在平衡傳輸線上任何 位置，在數據傳輸中實現多個驅動器與接收器通用同一傳輸線的多點應用。 RS-485 通信接口的信號傳輸是用兩根線之間的電壓差來表示邏輯“1”或“0” 的，因為發送端僅需兩根傳送線，而接收端也只需要兩根傳送線，這樣，RS-485 接收端與發送端公需兩根線就能完成信號傳輸。RS-485 標準總線的特點是：抗 干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠，在采用雙絞線，不用 Modem 的情況下， 在 100Kbps 的傳輸速率時可傳送 1200m，若速率為 960Kbps 時，可以傳送 15

13、00m， 甚至更遠。由于 RS-485 具有上述優點，能夠支持一點對多點的通信，便于組網通信距 離也能滿足本系統的設計要求；且電表聯網遠程抄表系統對實時性要求不高，能 耗的抄取也是不經常發生的，一般情況下僅需要每月抄一次。所以本系統選擇了半雙工的 RS-485 的通信標準。1.4系統總體方案確定在我們確定了通信標準之后，就可以對整個系統進行設計了。既要充分考慮 RS-485 通信標準中對傳輸距離和波特率的限制，又要兼顧到系統的帶載能力， 來確保系統運行的可靠性，在基表與上層管理微機之間，采用了采集器、集中器 兩級結構形式，系統的總體分布結構如下圖1-1-系統總體結構圖上位微機與集中器之間可通過

14、 RS-485總線進行數據傳輸，采集器通過屏蔽雙絞線采集用戶各種遠傳能耗基表的信息，并進行換算和存儲；采集器對電量的采集可以直接通過DF型電能表上的 RS-485 接口接受用戶的電量信息，也可以通過采集器上的紅外接口，利用專用紅外抄表器對采集器進行各種能耗信息的讀取等 第二章 系統硬件設計2.1硬件整體系統設計根據方案比較與論證，三相智能電度表的整體電路主要包括：電源電路、電壓電流采樣處理單元、CPU中央處理單元等三部分組成。其中采樣電路又分為電壓采樣模塊、電流采樣模塊；CPU中央處理器單元又分為CPU中央處理器、鍵盤、顯示、外部存儲器、485接口、紅外收發、負荷控制、報警模塊。整體設計方案見

15、圖1-2-系統整體電路原理圖系統工作原理： 第一步接通電源電路，CPU中央處理單元上電，系統進入待機狀態。此狀態下，CPU取出存于外部存儲器中的剩余電量數據和本電表機號并顯示于顯示模塊上。當按下鍵盤“設置鍵”時，系統進入功能設置狀態，按“確定鍵”則退出該狀態。第二步采樣單元發出電量計量脈沖信號，系統進入工作狀態。次狀態下，CPU對脈沖進行計數及計算電量，經過一段時間運算后得到這段時間中用戶消耗的電量。用戶上次預購電量減去剩余電量，得到用戶新的預購電量剩余值。如果該值小于某一值時，通過報警模塊通知用戶及時購電。有兩種事件是隨機發生的：485通信和紅外通信事件。當上位機向電表發出通信請求時，系統進

16、入485通信狀態，通信結束退出該狀態。當紅外抄表器向電表發出通信請求時，系統進入紅外通信狀態，通信結束退出該狀態。系統狀態轉換圖如圖：2-1-系統狀態轉換圖2.2電源電路設計三相電壓、電流采集處理電路與CPU中央處理單元均需要5V直流電源供電，為提高系統工作可靠性及適應現場電壓波動范圍大的情況，本系統采用三相電源變壓-整流-濾波-穩壓方式。具體設計電路見圖2-2-系統電源電路圖2.2.1工作原理系統直流電源AVCC直接由三相交流電源轉換而來。以A相位例，A相220V交流電經變壓器變壓得到交流電V1，V1經過整流橋整流得到含有較大紋波系數的直流電V2，V2經C13、C14濾除紋波后進入三端穩壓器

17、件LM7805穩壓處理得到V3，V3經C15、C16濾波得到系統需要的直流電源AVCC。B相、C相原理于A相相同。由Multisim軟件仿真得到V1、V2、V3波形如圖系統電源部分電壓波形圖2.2.2變壓模塊由220V交流電得到5V直流電第一步需要選用變壓器進行降壓處理，變壓器兩端的匝數比決定著降壓系數。三端穩壓電源LM7805最大輸入電壓為30V，正常范圍為518V，所以變壓器副邊輸出電壓V1可以選擇15V。根據變壓器兩側電壓比，可計算出變壓器的原副邊匝數比：N1:N2=VA:V1=220:152.2.3穩壓模塊 穩壓電源分為線性穩壓電源和開關穩壓電源兩類，其中：線性穩壓電壓優點是穩定性高、

18、波紋小、電路簡單，缺點是體積大、效率低、驅動電流小；開關電源優點是體積小、效率高、驅動能力強；缺點是波紋系數大，穩定性不如線性穩壓電源好。本系統電源直接供給IC，對驅動電流要求不大，且ATT7030A對電源穩定性要求較高，所以這里我們選擇線性穩壓電源。三端穩壓集成電路LM7805所需的外圍元件極少，電路內部有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜，所以被廣泛應用。LM7805如圖3-6所示，1腳為輸入端，2腳為輸出端，3腳為接地端。2-3-LM7805引腳圖V2經過電容濾波進入LM7805，輸出電壓V3穩定為5V，LM7805后仍需接大小兩個電容輸出電壓才能真正穩定。其

19、中，大電容的作用是增強負載特性（輸出阻抗隨頻率增加基本保持不變）和瞬變響應（利用電容電壓不能瞬間改變特性），小電容的作用則是濾除高頻干擾，兩者耐壓值選擇15V。2.3電壓電流采樣處理單元系統電壓電流采樣處理單元采用ATT7030A作為核心處理芯片，外圍輔以電源、電壓電流模擬輸入、脈沖輸出等電路。2.3.1 ATT7030A簡介ATT7030A是一款對三相有功電能進行高精度測量的芯片，其特點如下：·高精度，在1000到1的動態范圍內誤差小于0.1%；·電能測量符合1S、0.5S級，支持IEC 687/1036標準，GB/T 17215-1988； ·提供有功電能測量

20、 ·當任意一相功率反向時，提供功率反向指示信號 REVP； ·當三相合功率為負時提供反相指示信號NEGP，可以用于止逆場合； ·提供缺相指示PA/PB/PC； ·提供有功電能校準輸出脈沖：CF1； ·提供輸出脈沖F1/F2，用于驅動電量計度器和步進電機； ·三相合電能計算模式是可選擇的； ·提供校準電阻網絡； ·+5V單電源供電2.3.2 ATT7030A結構框圖2-4- ATT7030A內部結構框圖2-5-ATT7030A信號處理流程圖2.3.3電能輸出脈沖電路ATT7030A 提供兩種輸出脈沖：高頻輸出脈沖CF

21、1和低頻輸出脈沖F1/F2。在功率測量信號處理電路中，開關電壓和電流信號相乘得到瞬時功率，瞬時功率對時間積分轉換為電能。A/B/C相電能根據代數和模式或者絕對值和模式相加，通過改變頻率信號和分頻信號，我們得到高頻電能脈沖輸出信號，該信號可以用來進行校正。在此基礎上，分頻信號也可以得到低頻輸出脈沖信號用于驅動步進電機。2.4 CPU中央處理單元2.4.1 CPU功能CPU中央處理單元由于需要實現數據存儲、顯示、鍵盤、通信等功能，因此電路較為復雜，元件較多。CPU選用AT89S52，外部存儲器選用X5045，一方面存儲數據滿足掉電數據不丟失，其次X5045具有看門狗功能，監視CPU運行狀態及電源電

22、壓，保證系統可靠運行。485通信選用75LBC184集成電路，具有帶載能力強，傳輸距離遠的特點。紅外采用38KHz調制方式，傳輸距離超過5米，誤碼率低。CPU有功電量采樣使用光電耦合器隔離，提高其采樣的可靠性。校表通過光電耦合器輸出校表脈沖，方便與校表試驗臺連接。2-5-CPU中央處理單元設計原理2.4.2 CPU選擇AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU

23、 和在系統可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。AT89S52主要功能特點：·與MCS-51產品兼容；·8K字節在系統可編程Flash存儲器；·1000次擦寫周期；·全靜態操作：0Hz-33MHz;·三級加密程序存儲器；·32個可編程I/O口線；·三個16位定時器/計數器；·八個中斷源；·全雙工UART串行通道；·低功耗空閑和掉電模式；·掉電后中斷可喚醒；·看門狗定時器；·雙數據指針；·掉電標識符。AT89S52引腳圖

24、如圖：2.4.3數據存儲模塊因本系統需要存儲用戶電量等數據，且要求掉電數據不丟失，該系統選擇X5045器件。X5045是一種集看門狗、電壓監控和串行EEPROM三種功能于一身的可編程電路。這種組合設計減少了電路對電路板空間的需求。X5045中的看門狗對系統提供了保護功能。當系統發生故障而超過設置時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU作出反應。X5045 提供了三個時間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監控功能還可以保護系統免受低電壓的影響，當電源電壓降到允許范圍以下時，系統將復位，直到電源電壓返回到穩定值為止。X5045的存儲器與CPU可通過串行通信方式接口，共有4096個位，可以按

25、512×8個字節來放置數據。2.4.3.1引腳介紹X5045采用DIP8封裝形式，其管腳排列如圖3-20所示，共有8個引腳，各引腳功能如下：電路選擇端，低電平有效；SO：串行數據輸出端；SI：串行數據輸入端；SCK:串行時鐘輸入端；：寫保護輸入端，低電平有效；RESET：復位輸出端；VCC：電源端；VSS：接地端。2.4.3.2工作原理（1）上電復位 向X5045加電時會激活其內部的上電復位電路，從而使RESET引腳有效。該信號可避免系統微處理器在電壓不足或振蕩器未穩定的情況下工作。當Vcc超過器件的Vtrip門限值時，電路將在200ms（典型）延時后釋放RESET以允許系統開始工作

26、。（2）低電壓監視 工作時X5045對Vcc電平進行監測，若電源電壓跌落至預置的最小Vtrip一下時，系統及確認RESET，從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況下工作。當RESET被確認后，該RESET信號將一直保持有效，知道電壓跌到低于1V。當Vcc返回并超過Vtrip達到200ms時，系統重新開始工作。（3）看門狗定時器 看門狗定時器的作用是通過監視WDI輸入來監視微處理器是否激活。由于微處理器必須周期性的觸發/WDI引腳以避免RESET信號激活而使電路復位，所以/WDI引腳必須在看門狗超時時間終止之前受到由高到低信號的觸發。（4）重新設置Vcc門限 X5045出廠時設置的Vcc門限電壓

27、為Vtrip，但在應用時，如果標準值不恰當，用戶可以重新調整。（5）SPI穿行存儲器 器件存儲器部分是帶塊保護的CMOS串行EEPROM陣列，陣列的內部組織是×8位。X5045可提供最少為1000000次擦寫和100年的數據保存期，并具有穿行外圍接口（SPI）和軟件協議的特點，允許工作在簡單的四總線。 X5045主要通過一個8位的指令寄存器來控制器件的工作，其指令代碼通過SI輸入端（MSB在前）寫入寄存器。表3-4所列為X5045的指令格式及其操作。（6）時鐘和數據時序當變低以后，SI線上的輸入數據在SCK的第一個上升沿時被鎖存。而SO上的數據則有SCK的下降沿輸出。用戶可以停止時鐘

28、，然后再啟動它，以便在它停止的地方恢復操作。在整個工作期間，必須為低。2.4.4顯示模塊本智能電表系統需要顯示電表機號、電流互感器系數、電量等數據，無需文字顯示，八位LED數碼管即可完成顯示任務，故我們選擇8位LED數碼管驅動器MAX7219。2.4.4.1 MAX7219概述MAX7219是MAXIM公司生產的串行輸入/輸出共陰極數碼管顯示驅動芯片，一片MAX7219可驅動8個7段（包括小數點共8段）數字LED、LED條線圖形顯示器、或64個分立的LED發光二級管。該芯片具有10MHz傳輸率的三線串行接口可與任何微處理器相連，只需一個外接電阻即可設置所有LED的段電流。它的操作很簡單，MCU

29、只需通過模擬SPI三線接口就可以將相關的指令寫入MAX7219的內部指令和數據寄存器，同時它還允許用戶選擇多種譯碼方式和譯碼位。此外它還支持多片7219串聯方式，這樣MCU就可以通過3根線（即串行數據線、串行時鐘線和芯片選通線）控制更多的數碼管顯示。2.4.4.2 功能特點·10MHz連續串行口·獨立的LED段控制·數字的譯碼和非譯碼選擇·150uA的低功耗關閉模式·亮度的數字和模擬控制·高電壓中斷顯示·共陰極LED驅動·24腳的DIP和SO封裝2.4.4.3寄存器介紹（1）數據寄存器和控制寄存器MAX7219內部

30、的寄存器主要有：譯碼控制寄存器、亮度控制寄存器、掃描界限寄存器、關斷模式寄存器、測試控制寄存器。編程時只有正確操作這些寄存器，MAX7219才可工作。（4）亮度控制寄存器（0AH）MAX7219通過加在V+和ISET之間的外部電阻來控制顯示亮度。段驅動電流一般是流入ISET端電流的100倍。這個電阻可以是固定的，也可以是可變電阻，通過前面板控制以選擇合適的亮度：其最小值為9.53Kohm。它設定段電流為40mA。顯示亮度可以通過亮度寄存器來控制。數字控制顯示亮度是通過亮度寄存器的低四位來控制的脈寬調制器來控制。調制器將段電流平均分為16個階次，最大值為由Rset設置的最大電流為31/32，最小

31、值為電流峰值的1/32。2.4.4.4 MAX7219與單片機連接電路MAX7219與單片機連接如下圖，單片機通過P2.0（CLK）、P2.1（LOAD）、P2.2（DIN）三根控制線完成顯示操作。2-6-MAX7219與單片機連接圖2.4.5 紅外通信模塊本智能電表系統需要完成與抄表器數據傳輸功能，紅外通信具有控制簡單、實施方便、傳輸可靠性高的特點，是一種較為常用的通信方式。使用手持紅外抄表器通過遙控的方式，來完成電度表用電量的抄錄、設置表電流互感器系數等工作。實現單片機系統紅外通信的關鍵在于紅外接口電路的設計以及接口驅動程序的設計。2.4.5.1紅外通信的基本原理紅外通信是利用950nm近

32、紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發送端采用脈時調制（PPM）方式，將二進制數字信號調制成某一頻率的脈沖序列，并驅動紅外發射管以光脈沖的形式發送出去；接收端將接收到的光脈轉換成電信號，再經過放大、濾波等處理后送給解調電路進行解調，還原為二進制數字信號后輸出。簡而言之，紅外通信的實質就是對二進制數字信號進行調制與解調，以便利用紅外信道進行傳輸；紅外通信接口就是針對紅外信道的調制解調器。2.4.5.2紅外通信接口的硬件電路設計單片機本身并不具備紅外通信接口，但可以利用單片機的串行接口與片外的紅外發射和接收電路，組成一個應用于單片機系統的紅外串行通信接口。紅外發射模塊的實現紅外發射模塊

33、主要包括脈沖振蕩器、與非門、驅動三極管、紅外發射管等。其中脈沖振蕩器選用38K晶振，用于產生載波信號；紅外發射管用來發射950nm的紅外光束。發射模塊工作方塊圖如下圖所示。2-7-紅外發射模塊方塊圖本系統采用基于UART口的紅外發射電路，此模式是紅外通信原理與串口通信原理的有機結合。紅外發射器的原理：串行數據由單片機的串行輸出端TXD送出，經兩級與非門驅動PNP三極管,數位0使三極管導通。38K晶振與電阻、電容及與非門組成振蕩器以產生38KHz頻率載波，并通過與非門對串行數據進行調制。調制出的信號經過三極管基極的紅外發射管以光脈沖形式向外發送信號。數位1時三極管截止，紅外發射管不發光。其設計電

34、路如圖：2-8-紅外發射模塊電路圖（2）紅外接收模塊的實現 如圖為紅外接收的工作方塊圖，其主要控制組件為紅外接收模塊，其內部含有高頻載波電路，專門用來濾除紅外線合成信號的載波信號（38KHz）而送出發射器的控制信號。當紅外線合成信號進入紅外接收模塊，在其輸出端便可以得到原先的數字控制編碼，只要經過單片機譯碼程序譯碼即可。2-9-紅外接收模塊方塊圖紅外接收器部分我們采用紅外專用接收集成電路HS0038來完成紅外信號的光電轉換及接收。HS0038 是塑封一體化紅外線接收器，它是一種集紅外線接收、放大、整形于一體的集成電路，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與TTL 電平信號兼容的所有工

35、作，沒有紅外遙控信號時為高電平，收到紅外信號時為低電平,它適合于各種紅外線遙控和紅外線數據傳輸。 系統中我們將紅外接收器輸出數據直接連接到單片機的串口接收RXD端，單片機讀取串口接收緩沖寄存器并譯碼即可還原信息。其電路如圖：2-9-紅外接收模塊電路圖2.4.6鍵盤模塊設計中鍵盤作用主要用來設置電表號和電流互感器系數，有功能選擇鍵（MENU）和數字鍵（0-9）采用行列式鍵盤，與單片機連接，如圖：2-10-系統鍵盤與CPU連接圖2.4.7 485通訊模塊本智能電表系統采用RS-485差分總線收發器75LBC184進行485通信，它性能優于MAX485。75LBC184采用單一電源+5 V工作，額定

36、電流為300 A，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉換為RS485電平的功能。MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單,內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發送的使能端，當/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態；當DE為邏輯1時，器件處于發送狀態，因為MAX485工作在半雙工狀態，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發送的差分信號端,當A引腳的電平高于B時，代表發送的數據為1；當A的電平低于B端時，代表發送的數據為0。在與單片機連接時接線非常

37、簡單，75LBC184與單片機連接圖如圖2-11-系統半雙工通訊第三章 系統軟件設計在微機測量和控制系統中，軟件的重要性與硬件同樣重要。系統的硬件電路 一旦確定以后，系統的主要功能還需要通過軟件來實現。如果說硬件是軀體，那 么軟件則是靈魂；如果說硬件決定了產品的造價，那么在硬件設計合理的前提下， 軟件在很大程度上就決定了產品的性能。因此，智能儀表的設計很大程度上可以 說是軟件的設計，系統使用的方便性和靈活性主要體現在計算機的軟件設計上。 對高可靠性要求的遠程抄表系統的設計就更是如此。3.1軟件設計的基本原則為了滿足遠程抄表系統的設計要求，應根據以下基本原則進行軟件的編制： 1.易讀性和易維護性

38、。這通常是指軟件系統容易被發現和糾正錯誤，容易修 改和補充。由于生產過程自動化程度越來越高，測控系統的結構也日趨復雜，設 計人員很難在短時間內就能對整個系統理解得準確無誤，軟件的設計與調試也不 可能一揮而就，在發現問題時又要便于修改和完善。在軟件的設計方法中，結構化程序設計就是最好的設計方法之一，這種設計方法是由整體到局部，再由局部到細節;先考慮整個系統所要實現的功能，確定整體目標，然后把這個目標逐步分解成一個個任務，任務又可以進一步分解成若干個子任務，這樣逐層細分、逐個實現。在此過程中可能會有一些問題逐步暴露，這就要求軟件易被修改，那么， 結構化設計就是最好的設計方法。智能電表系統的軟件設計

39、就是采用上述模塊化設計方法。這樣，不但使得設計目標明確、思路清晰，而且在檢錯和系統聯機調試時也較為方便。如果每個子程序都能單獨運行，那么，像搭積木一樣，把他們聯合起來的時候，只要安排恰當，一般來說不會有太大的問題。即使有問題也可以根據問題的種類和現象來進 一步判斷是哪一部分出了問題，也為系統功能的擴充和移植提供了很大的方便。 2.可測試性。系統軟件的可測試性有兩方面含義:其一是較容易制定出測試，并據此對軟件進行測試;其二是軟件設計工作完成后，首先在模擬環境下運行，經過靜態分析和動態仿真運行，證明準確無誤后才可投入實際使用。 3.準確性。這對整個系統具有重要意義，對遠程抄表系統而言就更具有實際意

40、義，其結果的準確程度直接關系到千家萬戶的切身利益。因此，在算法選擇和位數選擇方面要滿足實際要求、運算結構要符合國家相關的技術標準。 4.實時性。它是檢測系統的普遍要求，即要求系統及時響應外部時間的發生， 并及時給出處理結果。近年來，由于硬件高度集成化和速度的提高，配合相應的 軟件，系統實時性的要求較容易得到滿足，特別是對于使用匯編語言編制的軟件。5.可靠性。它是系統軟件最重要的指標之一，該要求有兩層意義:第一是運 行參數環境改變時，軟件能可靠地運行并給出正確的結果，即要求軟件具有自適 應性;第二是在環境惡劣、干擾嚴重的情況下，軟件必須保證系統也能可靠地運 行，這對系統的整體可靠運行尤為重要。3.2系統軟件設計3.2.1接收數據與通信的程序設計主程序中的串行中斷打開，使它處于 PC 機的接收狀態，還要用中斷的模式來定時的收集數據采集模塊中的能量數據。這里的主程序就該處于接收等待狀 態，且一直與上位 PC 機處于通信狀態，當 PC 機發送命令時，主程序就中斷，去 接收數據采集模塊中的能量數據，且在接收 PC 機命令成功時，設置接收成功的 標志。這個時候主程序就處于延遲狀態，等待采集程序處理，如圖 所示：3-1-接收數據與通信程序3.2.