住宅小區(qū)自動電能計費(fèi)系統(tǒng)的研制

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

長期以來，供電管理部門對用戶電量的統(tǒng)計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。隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，自動電能計費(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，它們與計算機(jī)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(qū)自動電能計費(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)采用分級通信方式，計算機(jī)和32個89C51單片機(jī)之間采用RS-485半雙工接口。MAX232實(shí)現(xiàn)將RS-232接口信號電平轉(zhuǎn)化為TTL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(zhuǎn)化為RS-485的差分接口信號形式或進(jìn)行相反方向的轉(zhuǎn)換。每一個89C51單片機(jī)承擔(dān)計算機(jī)和32個數(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)兩種信號格式的轉(zhuǎn)換。89C52單片機(jī)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集器，通過T0和T1完成1個住宅單元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接口支持多級通信，允許總線上掛接32個驅(qū)動器，因此通過分級管理，計算機(jī)可連接3232=1024個數(shù)據(jù)采集器，也就是10242=2048個用戶的用電量的采集。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接口信號格式轉(zhuǎn)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(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，分時實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收。由于使用1個串行口進(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(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)總是不同時進(jìn)行，按先接收計算機(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)送過來的數(shù)據(jù)順序進(jìn)行。采用多級通信方式，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位用于識別發(fā)送或接收的是地址還是數(shù)據(jù)。每個通信中繼單元有一個惟一的地址，分別為0～31，由接在P1口的撥動開關(guān)的設(shè)置來惟一確定。

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)采集器計量電度的脈沖信號來自電能計量的專用集成電路芯片的脈沖輸出端，通過光電耦合和施密特觸發(fā)器整形后送至單片機(jī)89C52計數(shù)輸入端T0和T1，采集每個住宅單元的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，在溢出中斷服務(wù)程序中完成脈沖的計數(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），須對用電量進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計（而不是定時的計算）；同時為了保證電量采集和顯示的精度，在軟件設(shè)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(dāng)電度表常數(shù)和脈沖常數(shù)確定后，通過計算可得1度電對應(yīng)電度表輸出的脈沖數(shù)K為常數(shù)，則0.1度電對應(yīng)電度表輸出的脈沖數(shù)為K/10，即有K/10個脈沖到來，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)生累計誤差。

分別遞增的方法如下：T0（或T1）每檢測到1個脈沖的下跳沿，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，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，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，累計誤差將為0。

為了讓用戶及時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，系統(tǒng)復(fù)位，即由原來的高電平變?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(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間內(nèi)存入串行EEPROM 24C02中，以備重新來電時將總電量和脈沖量取出。89C52的P1口外接撥動開關(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(jī)首先發(fā)送通信中繼單元的地址0。

（2）32個通信中繼器均接收這個地址，然后和自己的地址（由P1口的撥動開關(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)送給計算機(jī)。

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

（5）計算機(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32322=2048個數(shù)據(jù)全部發(fā)送給計算機(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個中斷服務(wù)程序。4個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個中斷源中，外部中斷0設(shè)置為高優(yōu)先級中斷，其余3個為同級的低優(yōu)先級中斷。當(dāng)這3個中斷源同時申請中斷時，中斷的貴州省順序是：定時器0溢出中斷、定時器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間內(nèi)存入的總電量和K/10值寄存器、K值寄存器的計數(shù)值。

T0和T1中斷服務(wù)程序中完成脈沖的計數(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間內(nèi)存入串行EEPROM中，以備重新來電時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

本設(shè)計方案不僅適用于住宅小區(qū)自動電能計費(fèi)系統(tǒng)，其設(shè)計思想同樣適用于賓館、糧倉、工業(yè)過程檢測等多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。