基于单片机的电表功率报警器设计

 2022-01-17 11:01

论文总字数:20325字

目 录

第一章 绪论 6

1.1 课题研究背景及意义 6

1.2 单片机的概述及选型 6

1.3 电能表通信方式的发展 6

第二章 总体方案设计 7

2.1设计目标 7

2.2总体设计方案 7

2.2.1系统整体结构 7

2.2.2系统程序流程 8

第三章 DL/T645-2007通信规约的解读 9

3.1 DL/T645(07版本)规约简介 9

3.2 DL/T645(07版本)通信解析配置 9

第四章 系统模块电路设计 11

4.1 单片机工作系统 11

4.1.1 主控芯片 11

4.1.2 时钟电路 13

4.1.3 复位电路 13

4.2 RS-485通讯模块 14

4.2.1 RS-485接口标准 14

4.2.2 MAX-485芯片说明 14

4.2.3 MAX-485流向控制电路 15

4.3 数码管实时显示电路 17

4.4 蜂鸣器报警电路 18

第五章 系统软件设计 18

5.1 通讯程序设计 18

5.1.1 串口设置 18

5.1.2 发送函数 19

5.1.3 接受函数 19

5.2数据解析程序设计 20

5.3显示报警程序设计 21

第六章 实物调试与总结 22

6.1 实物调试 22

6.2 总结展望 24

致谢 26

参考文献: 27

附录 28

基于单片机的电表功率报警器设计

吴浩然

摘要:串口通信是多数智能设备自动控制中广泛采用的通信方式之一,其中,RS485串口通信协议适用于远距离数据通讯,常用于远程控制与调试功能的实现。本设计利用电能表的RS485通讯接口,成功实现了51单片机与电表间的实时双向通信,可获取电路瞬时负载,并在超负荷时及时发出警报。设计的主要模块包括:主控芯片模块、RS485串口通讯模块、数码管实时显示模块和蜂鸣器功率报警模块。

系统主要优点包括:成本低廉,无人值守,易于拓展,实用方便。本设计可以作为电表智能应用的拓展模块,供业界和用户的参考。

关键字:电能表;RS485协议;单片机;串行通讯;功率过载警报。

Abstract: Serial communication is one of the most widely used communication methods in automatic control of most smart devices. Among them, RS485 serial communication protocol is suitable for long-distance data communication and is often used for remote control and debugging functions. This design utilizes the RS485 communication interface of the electric energy meter and successfully realizes real-time two-way communication between the 51 microcomputer and the electric meter, which can obtain the instantaneous load of the circuit and timely issue an alarm when overloaded. The main modules of the design include: master chip module, RS485 serial port communication module, digital tube real-time display module and buzzer power alarm module.

The main advantages of the system include: low cost, unattended, easy to expand, practical and convenient. This design can be used as an extension module for smart meter applications for reference by industry and users.

Key words: energy meter; RS485 protocol; microcontroller; serial communication;overloading alarm.

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着现代化经济的发展,集体宿舍已经成为很多人的暂时居所。虽然我国的电力设备及系统已经有了非常可观的发展,但是集体宿舍由于人数与用电设备极多,电路老化的原因,且仍旧有大部分电表没有过载断电模块设计,存在较大的用电安全隐患。

本设计的目的,是出于对人员及集体财产安全的考虑,设计了一种功率报警器,来警示用户不用或者少用大功率电器,减轻用电管理压力,保障生命及财产安全。现阶段大多数宿舍的电能表采用了RS485通讯技术来进行抄表及用电统计,本设计利用了这一方便的通讯接口,采用了造价低廉的51单片机与电表通讯来获取电功率数据。

本设计可以作为业界与用户的参考,且可以考虑移植并封装到厂商的电能表内部,提高用户的用电安全水平,增强用电安全意识。同时本设计的通讯模块可以应用到其它电表智能通讯领域,推动预付费电表余电智能提示领域的发展。

1.2 单片机的概述及选型

单片机是由各个不可缺的功能部件封装在一起的集成芯片,是一个低性能却又功能完备的微型计算机,它能够进行基础的数学及逻辑运算,配合开发者合理的外围硬件电路与相应的功能程序,可以实现非常多的控制任务,在智能设备领域有着非常突出的作用。SCM始于1971年,最初是在1974年开发的,它最早由英特尔公司提出,并由起初的MCS-48系列发展到具有更完备功能的的MCS-51,这其中的8051是最具有代表性的产品。本设计采用了ATMEL公司的STC-89C52RC单片机作为主控单元,它是一款8位的51单片机,封装了512byte的RAM,8KB的FALSH存储,功能完备,成本低廉,性能与功耗相对平衡,对于本次设计,是非常合适的选择。

1.3 电能表通信方式的发展

在现阶段的电能表通讯领域,我国的电力管理部门已经淘汰了现场纸笔手工抄表这种费时费力的方式,而且依靠无线,红外通讯的手持抄表设备也渐渐地淡出了人们的视野。随着经济与通讯技术的发展,在我国电力部门的努力下,带有预留通讯接口的电子式智能电能表已经基本覆盖了整个国家的人口密集地区,为远程电力管理铺下了非常良好的基础。现阶段的电能表通讯方式基本分为三种:电力载波系统[1],RS-232接口技术与RS-485接口技术。其中电力载波通讯碍于我国电网参差不齐的电力传输线路,通讯干扰信号源多且杂,通讯质量非常不理想,尤其在电力高峰期,通讯会发生严重的拥堵,对相关部门的管控造成非常大的麻烦。而相较于RS-232的15米传输距离,RS-485具有更远的千米级通信传输距离[2],且支持点对多的总线型通讯,往往一个集中器便可以采集至少32个电表,大大节省了电力采集系统的布线成本,因此RS-485占据了智能电表通讯的大半领域,在我国的用电信息采集与管控领域有不可替代的作用,这也是本设计采用此接口通信的原因。

第二章 总体方案设计

2.1设计目标

本设计采用STC89C52RC型号单片机作为主站发送读取命令帧并解读数据,电子式智能电能表作为从站返回电功率数据,实现实时的电功率监测报警功能。

预期的效果如下:

  1. RS485通讯模块按照所设计程序工作,主站正确发送读取命令,接受从站的返回数据并正确处理,成功采集到电功率数值。
  2. 数码管实时功率显示正常运作。
  3. 蜂鸣器按照所设定的功率值工作,仅在超出限制的情况下报警。

2.2总体设计方案

2.2.1系统整体结构

本系统的整体结构如图2-1所示:

图2-1系统模块总示意图

该系统使用主控芯片STC89C52RC型单片机,各外部电路及数据的解读处理都由其完成;通讯电路主要由MAX-485芯片负责,转换ttl电平与485电平,控制数据收发流向,保证单片机与电能表的通信正常;数码管显示电路主要用来实时显示电功率数值;蜂鸣器电路遵循主程序实现报警功效。

2.2.2系统程序流程

此系统的程序设计流程如图2-2:

主程序

初始化串口,

定时器,I/O口

发送读数据命令帧

接受电表返回数据并解析

存储数值并

写入数码管

判断是否大于预定值

不启动蜂鸣器

启动蜂鸣器

循环

图2-2 系统总程序逻辑图

该系统由主控芯片依照DL/T645—2007通信规约通过串口经由MAX-485芯片与电能表通讯,将请求到的数据帧在芯片内部解读并将电功率数值实时地显示在数码管上,当电功率数值高于报警设定值,蜂鸣器。此系统单片机作为主站,采用半双工通信制与电能表通讯,整个系统在硬件寿命内持续循环工作,具有实时性,一经启动无需人工操作。

第三章 DL/T645-2007通信规约的解读

3.1 DL/T645(07版本)规约简介

DL/T645(07版本) 规约是目前我国广泛使用的电能表通信规约,它规定了电表设备之间的通讯方案[3]。其对多功能电能表的费率装置和相应的手持抄表单元作出了规范要求,多适用于电能表与其它终端设备的点对点数据交换或是终端采集器这样挂载多个从节点的主站通讯。07规约相较于97规约进一步对通讯设备之间的物理连接、通信链路与应用技术规范进行了详细的规定,使各厂商上市的电能表设备更易于统计管理。

07规约相较于97规约,以下特性在本设计中需要特别注意:

(1)97规约规定了通信过程中的地址高位需要补AA,而07规约高位需要补0。

(2)97规约并未要求广播地址是否进行回复及是否要求一切命令都生效,而07规约只对广播校时与冻结等生效,而且其并不对从站的应答有要求。

(3)07规约约定进行读表时高位需要补上AA用作通配符,此时从站会返回实际的表地址.

(4)控制码有所变更,传输通信帧时需要变更控制码。

(5)97规约约定初始的通讯速度为1200bps,而07规约约定的标准通信速率大多遵循2400bps。

3.2 DL/T645(07版本)通信解析配置

07规约在97规约的基础上增加了一定的功能协议[4],因此在数据域长度的规定上也做了相应改变,请求数据的命令由两个字节变成了4个字节长度,下面取一详例来进行解读:

例如:数据帧发送:

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