住宅小區自動(dòng)電能計費系統的研制

關(guān)鍵詞：電能計費系統 分級通信 通信中繼器 電能數據采集器

長(cháng)期以來(lái)，供電管理部門(mén)對用戶(hù)電量的統計一直是在人工抄表的基礎上進(jìn)行的，工作量大，直接影響供電部門(mén)的工作效率。隨著(zhù)計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)電能計費系統應運而生。小區內的住戶(hù)數量較多，甚至成千上尤，因此數據采集單元數目較多，它們與計算機之間的通信必須采用多級分級通信模式。本文介紹基于分級通信模式的住宅小區自動(dòng)電能計費系統的實(shí)施方案。

一、系統構成

系統的結構如圖1所示。系統采用分級通信方式，計算機和32個(gè)89C51單片機之間采用RS-485半雙工接口。MAX232實(shí)現將RS-232接口信號電平轉化為T(mén)TL電平。MAX483為+5V供電的RS-485接口的差分信號收發(fā)器，可以將TTL電平轉化為RS-485的差分接口信號形式或進(jìn)行相反方向的轉換。每一個(gè)89C51單片機承擔計算機和32個(gè)數據采集器89C52之間通信的中繼任務(wù)。采用不同的口線(xiàn)分別控制89C51與計算機、數據采集器之間的通信。89C51和數據采集器89C52之間也采用RS-485半雙工接口，由MAX483實(shí)現兩種信號格式的轉換。89C52單片機構成數據采集器，通過(guò)T0和T1完成1個(gè)住宅單元2戶(hù)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接口支持多級通信，允許總線(xiàn)上掛接32個(gè)驅動(dòng)器，因此通過(guò)分級管理，計算機可連接3232=1024個(gè)數據采集器，也就是10242=2048個(gè)用戶(hù)的用電量的采集。如果在中間再增加1級89C51作為中繼器，可以將用戶(hù)數目擴大32倍，滿(mǎn)足一般住宅小區的實(shí)際應用要求。

二、硬件連接電路

1.RS-232與RS-485之間的電路連接

RS-232接口信號格式轉換成RS-485差分接口信號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和計算機之間、89C51和數據采集之間用1根雙絞線(xiàn)進(jìn)行半雙工通信，分時(shí)實(shí)現發(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)信號混亂，用P1.6控制1#MAX483的發(fā)數據允許位DE；用P1.7控制2#MAX483的發(fā)數據允許位DE。接收數據總是不同時(shí)進(jìn)行，按先接收計算機發(fā)送的地址，再發(fā)送地址給數據采集器，最后接收數據采集器發(fā)送過(guò)來(lái)的數據順序進(jìn)行。采用多級通信方式，數據格式為11位，按先后順序分別是：1位起始位、8位數據位、第9位用于識別發(fā)送或接收的是地址還是數據。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(kāi)關(guān)的設置來(lái)惟一確定。

2.電能數據采集器的組成

連接電路如圖4所示。電能數據采集器計量電度的脈沖信號來(lái)自電能計量的專(zhuān)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89C52計數輸入端T0和T1，采集每個(gè)住宅單元的2戶(hù)脈沖電度表輸出的脈沖量。T0和T1設置為方式2，初值為0FFFFH。當T0中斷申請，在溢出中斷服務(wù)程序中完成脈沖的計數和電量的遞增。為了配合用電收費制度的改革（即用電為高峰用電期、低峰用電期和正常用電期），須對用電量進(jìn)行實(shí)時(shí)統計（而不是定時(shí)的計算）；同時(shí)為了保證電量采集和顯示的精度，在軟件設計中對用電量的計算分為1度位和0.1度位，采取了分別遞增的措施，原因如下：

當電度表常數和脈沖常數確定后，通過(guò)計算可得1度電對應電度表輸出的脈沖數K為常數，則0.1度電對應電度表輸出的脈沖數為K/10，即有K/10個(gè)脈沖到來(lái)，因K/10不一定正好為整數，若舍去小數或對小數進(jìn)行進(jìn)位取整，必然產(chǎn)生累計誤差。

分別遞增的方法如下：T0（或T1）每檢測到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)，累計誤差將為0。

為了讓用戶(hù)及時(shí)了解自己的用電情況，數據采集器采用六位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為電源檢測電路。數據采集器使用住戶(hù)220V電源供電，當線(xiàn)路停電采集器工作電壓由+5V降到4.75V以下時(shí)，系統復位，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求信號；在中斷服務(wù)程序中將89C52內部RAM中的總電量和K/10值寄存器、K值寄存器內容在電源電壓消失前的一段很短時(shí)間內存入串行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(kāi)關(guān)，用于惟一確定電能數據采集器的地址。設置外部中斷0的中斷優(yōu)先級為高優(yōu)先級。

三、通信工作流程及部分程序框圖

1.通信工作流程

（1）計算機首先發(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(kāi)關(guān)惟一確定）比較，只有地址相等的通信中繼器，發(fā)送數據采集器的地址才為0。

（3）地址為0的數據采集器將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據發(fā)送給計算機。

（4）重復第（3）步，直到將32個(gè)數據采集器的64個(gè)數據全部發(fā)送給計算機。

（5）計算機發(fā)送通信中繼器的地址1。重復第（2）、（3）、（4）步，直到將32通信中繼器的32322=2048個(gè)數據全部發(fā)送給計算機，本次通信結束。

2.程序框圖

（1）電能數據采集器

在數據采集器中，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設置為高優(yōu)先級中斷，其余3個(gè)為同級的低優(yōu)先級中斷。當這3個(gè)中斷源同時(shí)申請中斷時(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)間內存入的總電量和K/10值寄存器、K值寄存器的計數值。

T0和T1中斷服務(wù)程序中完成脈沖的計數和電量的遞增。詳細內容在上面已作詳述。

外部中斷0中斷服務(wù)程序中將89C52內部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所示為數據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(kāi)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。

結束語(yǔ)

本設計方案不僅適用于住宅小區自動(dòng)電能計費系統，其設計思想同樣適用于賓館、糧倉、工業(yè)過(guò)程檢測等多點(diǎn)數據采集的系統，具有廣闊的應用前景。