基于单片机控制的智能电表抄表系统毕业设计论文.docx
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基于单片机控制的智能电表抄表系统毕业设计论文
基于单片机控制的智能电表抄表系统
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摘要
近年来，随着单片机成本的降低、通信技术的快速发展以及通信技术的多样化，单片机控制结合通信技术，被越来越频繁的运用到人们的生活中。
随着我国电网建设不断的深入进行，家用电表数量急剧上升，传统的人力抄表方式费时效率低，而且准确性不高，这个传统的方式已经不符合当今电力改革的要求，研究出智能电表抄表系统是必然的趋势。
本论文研究的是“基于单片机控制的智能电表抄表系统”。
电表抄表系统采用ST意法半导体单片机STM32F103C8T6和电力载波通信芯片ST7540，以及电力载波电路和电平转换电路等外围电路。
在单片机控制下，结合FSK调制解调通信技术的电表抄表系统的硬件和软件实现，绘制对应的电路原理图并且实现、编写单片机代码和反复进行软硬件调试等一系列的相关工作，最终做成抄表电路板和软件管理系统。
该系统具有可靠性高、可扩展性强、成本费用低、计量准确等特点。
主要用于电能信息的自动抄录，实现了居民住宅的电量自动检测、收费和管理。
关键词：
智能电表抄表系统；单片机STM32F103C8T6；ST7540；MAX232
Abstract
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofcommunicationtechnology,thediversificationtoreducechipcostandcommunicationtechnology,microprocessorcontrolwithcommunicationtechnology,ismoreandmorefrequentlyusedinpeople'slives.WiththedeepeningofChina'spowergridconstructionhasbeenasharpriseinthenumberofhouseholdelectricmeter,meterreading,humantraditionaltime-consuminglowefficiency,andtheaccuracyisnothigh,thetraditionalwaycannotmeettherequirementsofthereformofelectricpower,smartmeterreadingsystemistheinevitabletrendof.
Theresearchofthispaperisthe"smartmeterreadingsystembasedonsinglechipmicrocomputer".AutomaticmeterreadingsystembasedonSTsinglechipmicrocomputerSTM32F103C8T6andmeaninglawsemiconductorpowerloadandpowerlinecarriercommunicationchipSTM7540,circuitandvoltageconversioncircuitandsoon.Underthecontrolofthemicrocontroller,combinedwiththeautomaticmeterreadingsystemB-PSKmodulationanddemodulationofcommunicationtechnology,therealizationofhardwareandsoftware,circuitschematicdrawing,andthecorrespondingprogramandrepeateddebuggingofhardwareandsoftwareofaseriesofrelatedwork,andultimatelymakethemeterreadingcircuitboardandsoftwaremanagementsystem.Thesystemhashighreliability,scalability,lowcost,accuratemeasurementetc..Mainlyusedinautomatictranscribingelectricityinformation,theautomaticdetection,residentialelectricitychargeandmanagement.
KeyWords：
Thesmartmeter readingsystem; STM32F103C8T6MCU; ST7540;
MAX232
1绪论
电力线载波通信是电力系统特有的通信手电，它以电力线作传输媒介，不需另外架设通信线路，电力线结构坚固，作为通信媒介使用可靠性很高、能与电力网建设同步等独有的有点。
通过电力线载波通信方式传送信息，其历史可追溯到20世纪初期；到20世纪中期，低频高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程指示、设备保护以及语音传输等领域；我国从50年代开始引进苏联和捷克的载波设备，主要是满足生产调度的需要。
20世纪50年代后至90年代早期的三十多年，电力线载波通信开始应用在中压和低压电网上，其开发工作主要集中在电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理等领域；值得注意的是，在70年代期间，半导体技术迅速普及，在各个电子应用领域已经逐渐取代了体积大，功耗高的电子管，电力线载波机从电子管式向晶体管式转化也势在必行。
20世纪90年代后期至今，电力线载波通信开始研发Internet应用产品，并取得试验应用【1】。
八九十年代以来，我国在电力事业方面，不管是理论研究，或者是操作实践都在不断地取得突破，电网的规模越做越大，各种电站、机组、超高压线路不断增加。
我国研究技术虽然起步比较晚，但是发展的速度还是非常可观，有如下几方面：
（1）我国建设拥有全世界长度排名第二的电力输电线路，为将来发展电信互联网提供了坚实的基础。
（2）可实现载波电路长达1053km的两换流站的运行数据控制信息的传输。
（3）电力载波通信部分实现了“五化”，即频谱标准化、产品系列化、功能模块化、器件集成化、监测微机化。
（4）数字式电力线载波机（DPLC——DigitalPowerLineCarrier）的开发研制也取得了实质性的进展。
传统低压电力线载波通信一般采用频带传输，利用载波调制将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上。
基本的调制方式分为幅值键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
对于低压电力线载波通信而言，FSK系统要求传输带宽比较大，一般用于低速数据传输，PSK系统的综合性能最好，因此在载波通信技术中得到了广泛的应用。
但ASK系统由于误码率指标很差，在实际中应用较少。
电力线载波通信技术发展现状存在的问题【5】：
（1）电力线对数据传输的限制表现在配电变压器对信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。
（2）三相电力线间有非常大的信号损失（大约在10dB-30dB），但一般只能在单相电力线上传送。
（3）电力线信道本身存在严重的频率选择和噪声干扰。
电力线如今所表现出来的高衰减，高噪声，高失真等缺点，对于现今电网复杂程度越来越高、对载波通信质量的标准也不断提升，传统的技术已经没办法适应高速路、大容量的要求。
在国外，智能抄表系统技术起步的比较早并且研究深入，技术已经成熟，而我国的国情不同，不能照葫芦画瓢。
虽然也有不少这方面的研究，但是技术限制还是非常大的。
鉴于电力线载波通信存在的问题比较严重和复杂，本文研究的智能电表抄表系统是基于电力线载波通信技术上，加上相应的软件程序开发设计，使系统运行相对稳定，更重要的是电表计量的准确性方面的提高。
本文设计的系统优点：
（1）系统采用一对多的通信模式，PC管理平台作为主节点,其他终端节点为从节点,多，所有的控制命令都是通过主节点发出，相应的节点回应映，避免了通信冲突的问题，同时简化了复杂通信中的侦听冲突等问题。
（2）本系统按照一定的格式定义了PC和主板卡，以及主板卡和从板卡间通信数据帧，大大提高了通信可靠性，也为日后功能扩展提供了方便。
社会在发展，技术在更新，想象一下现在只要在控制中心电脑里，敲入一指令，就能将某个小区或者某一栋楼里用户家中的电表读数传回来，这是一个多么方便的事情。
电力的抄表工人不用顶着太阳或冒着大雨在恶列的环境中挨家挨户去抄表,同时杜绝错抄，故意抄少抄多等个人行为。
也为企业节省成本,提高效率。
所以本论文正是研究基于单片机控制抄表系统的设计与制作，希望这一研究能使实际生活变的更加便利和工作更有效率。
2总体方案设计
2.1电表抄表系统功能介绍
图2.1功能实现框图
抄表系统所具备的基本功能（见图2.1），详细功能介绍如下：
（1）调制解调：
通过ST7540芯片将单片机传过来的数据调制成B-PSK制式,并传到电力载波模块中或将电力载波传过来的数据解调，解调后传到单片机。
（2）电力载波：
首先电力载波是指以电力线为传输媒介载体,并在其上进行数据信息传输的一种通信方式,这里我们通过ST7540调制后的数据放到电力线上以及从电力线上接收数据信息通过ST7540进行解调。
（3）终端（电表）:
将当前的数据保存到EEPROM中，便于单片机读数，且掉电不会丢闪。
（4）抄表管理系统：
安装在PC机上的管理软件，是抄表中心用来管理用户电表数据和发送指令的统一管理平台,管理平台是一个比较复杂的系统，这里使用串口助手来代替，可以在串口助手写入发送数据以及显示接收到的数据。
2.2电路模块设计
根据图2-1的功能框图，可制定出相应的电路模块（见图2.2）。
图2.2电路模块设计框图
以上各个电路模块介绍如下：
（1）5V电源电路：
为单片机、和ST7540提供所需的稳定5V工作电压。
（2）外部8M晶振电路：
给单片机提供工作频率，频率越高执行速度越快，但是这也是有上限的，当然也可以去掉这部分的电路，使用用单片机内部晶振。
（3）复位电路：
产生reset信号，单片机收到该信号之后，重新初始化，从头开始运行，相当PC机的的重启。
（4）单片机烧录电路：
将编译好的二进制程序通过烧录器写到单片机中。
（5）ST单片机：
运行烧录的程序，是整个系统的控制中心。
（6）电平转换电路：
将单片机串口输出CMOS/TTL电平转为R232电平。
（7）PC机:
通过串口与单片机连接，接爱单片机传过来的数据，并向单片机发送指令。
（8）EEPROM读写电路：
单片机通过i2C协议将eeprom里电表数据读回来,这里假设终端（电表）将数据存放在eeprom中。
2.3电路所涉主要元器件的功能介绍
2.3.1STM32F103C8T6单片机芯片
一、STM32F103C8T6介绍
电路中MCU采用ST（意法半导体）单片机芯片STM32F103C8T6（见图2.3）。
图2.3STM32F103C8T6
STM32F103C8T6【2】是ST公司103系列中的一个成员，使用LQFP48封装，顾名思义只有48只pin脚,它的内核使用的是ARM的Cortex™-M3内核，该内核ARM最新一代的嵌入式微处理器，它进一步降低了MCU的功耗和缩减的引脚数目,同时提供选择低成本的平台，与此同时拥有了卓越的计算性能和先进的中断系统响应。
STM32F103C8T6是32位的ARMRISC处理器，它提供高效的代码效率，在8和16位系统的存储空间上充分发挥了ARM内核的高性能。
STM32F103C8T6最大工作频率72MHz,片内集成了20kSRAM,比起51单片机速度上快了很多,同时它具有64K片内flash非易失性存储器，一般将重要的数据保存到flash中，就算突然断电，数据也不会丢失。
STM32F103C8T6具下以下的标准功能：
3个USART、3个16位定时器和1个高级定时器、2个SPI、2个I2C、1个USB、1个CAN、1个PWM定时器、1个ADC。
另外STM32F103C8T6支持三种低功耗模式:
如睡眠模式、停机模式、待机模式。
同时支持DMA,允许存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输,通常运用于SPI、I2C、USART等。
2、STM32F103C8T6各引脚介绍
图2.4STM32F103C8T6引脚排列
STM32F103C8T6引脚排列、芯片采用LQFP48（见图2.4）
（1）VDD_x:
2.0～3.6V直流电源。
注:
x是指芯片多个VDD分别用1,2,3.....来区分。
（2）VSS_x：
接地或者电源负极。
（3）VDDA：
模拟电源,电压在2.0～3.6V之间，主要作用是为ADC、复位模块、RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。
使用ADC时，VDDA不得小于2.4V。
VDDA和VSSA必须分别连接到VDD和VSS。
（4）PD0_OSC_IN,PD1_OSC_OUT:
即OSC_IN和OSC_OUT分别连接外部晶振和输入端和输出端。
当使用内部晶振，因为该MCU使用的是48脚，所以这两个PIN脚各连接10K电阻接地（此方法可提高EMC性能）或者分别重映射OSC_IN和OSC_OUT至PD0和PD1，再配置PD0和PD1为推挽输出并输出'0'。
此方法可以减小功耗并节省2个外部电阻。
（5）NRST:
异步复位脚,NRST输入低电平的时，MCU处于复位状态，重设所有的内部寄存器，及片内几十KB的SRAM,NRST从低电平变高时，PC指针从0地址开始。
（6）BOOT0和PB2（BOOT1）:
启动运行模式,有三种：
1.在片内的flash中运行。
2.在片内的SRAM中启动运行。
3.外部flash启动运行。
这里直接将BOOT0连接电阻接高，也就是在片内的flash中动启动运行。
（7）RST：
复位脚,高电平有效。
单片机上电时，晶振向RST脚连续提供2个机器周期高电平复位单片机。
另外看门狗计时溢出后，连续向RST脚输出高电平,复位单片机。
（8）PA2:
1.作为USART2_TX同步/异步发送器，接口的通信速率可达2.25兆位/秒。
USART接口具有硬件的CTS和RTS信号管理、支持IrDASIRENDEC传输编解码、兼容ISO7816的智能卡并提供LIN主/从功能。
2.作为ADC12_IN2，表示表示这个引脚可以是ADC1_IN2或ADC2_IN2的模数转换器3.它也可以作为TIM2_CH3，定时器2的第三通道。
（9）PA3:
1.作为USART2_RX同步/异步收接器，与PA2一起组合成完整的一对串口通信。
2.作为ADC12_IN3，表示表示这个引脚可以是ADC1_IN3或ADC2_IN3的模数转换器3.它也可以作为TIM2_CH4，定时器2的第四通道。
（10）PA9:
同PA2,不同的地方是，它作为USART1_TX通信速率达到4.5兆位，但不具有ADC功能。
（11）PA10:
同PA3一样，与PA9一样不具有ADC功能。
（12）PB6：
1.I2C1_SCL作为I2C的时钟控制线。
2.TIM4_CH1作为定时器4的第一通道。
（13）PB7:
I2C1_SDA可作为I2C的数据线。
TIM4_CH2作为定时器4的第二通道。
（14）PA13:
带上拉的输入1.JTMS作为JTAG烧录数据输入脚，配合JTCK可实现调式，程序烧录到单片机。
2.SWDIO功能和JTMS相同，它主要用于SWD模式下。
SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠。
在大数据量的情况下面JTAG下载程序会失败,但是SWD发生的几率会小很多。
所以一般建义用SWD模式。
（15）PA14:
带下拉的输入1.JTCK作为JTAG的时钟输入线,需要和JTMS一起使用2.SWCLK作为SWD模式下的时钟输入线，同样需要配置SWDIO才能使用。
（16）Pxx:
默认作为普通的I/O，电平为CMOS,但兼容TTL电平。
注：
xx是指A~~E。
2.3.2ST7540电力线载波modem芯片的使用
ST7540【3】由意法半导体简称ST,设计生产的新型电力线通信收发芯片,它向上兼容了上一代的芯片ST7538,并且它支持EHS和KONNEX（EN50090）等多种独有或开放的FSK调制技术通信协议。
ST7540主要应用于家庭和工业等领域。
例如供电公司集中式远程智能抄表业务以及家电控制等。
该芯片内包括输出电流和电压控制回路,用来保证数据能够安全和可靠地传输。
同时ST7540芯片内部集成了功率放大器和可选的多种附加功能,功能非常强大。
其实物图见图2.5。
图2.5ST7540实物图
1、引脚说明（见图2.6和表格2.1）：
图2.6ST7540引脚排列
序号
名称
类型
描述
1
CD_PD
数字输出
载波信号侦头检测输出、
1没有载波信号或者侦头检测输出
0有载波信号或者侦头检测输出
2
REG_DATA
内部断开下的数字输入
1 为控制寄存器
0为主控制器
3
GND
供给
数字接地
4
RxD
数字输出
RX数据输出
5
RxTx
内部打开时的数字输出
1为RX session 0DX session
6
TX
内部断开下的数字输入
TX 数据输出
7
BU/THERM
数字输出
1为信号编程
0在TX模式下没有信号编程
8
CLR/T
数字输出
同步主存取时钟或者控制寄存器时钟
9
VDD
电源供给
数字供给电压或者3.3V电压控制输出
10
MCLK
数字输出
主时钟输出
11
RSTO
数字输出
电压打开或者 检测器复位输出
12
UART/SPI
内部断开下的数字输入
接口类型 串行外围接口
0 通用异步接收器/发送器接口
13
WD
内部断开下的数字输入
检测器输入。
内部检测计数器在下界电压线是清零
14
PA-IN
模拟输入
电力线放大器反相输出
15
PA-OUT
电压输出
电力线放大器输出
16
VSS
供给
电压模拟接地
17
VCC
供给
电压源
18
PA_IN
模拟输入
电力线放大器无反相输出
19
TX_OUT
模拟输出
小信号模拟传送输出
20
SVSS
模拟输出
模拟信号接地
21
X1
模拟输出
晶体震荡器输出
22
X2
模拟输入
晶体震荡器输入或者内部时钟输入
23
VSENSE
24
CL
电流限制反馈在CL和SV之间的电阻来设置当前的电流值在这个引脚上为综合80pf滤波输入电容
25
RX_IN
模拟输入
模拟输入接收端
26
VDC
5V电压调节器
27
TEST1
测试投入时必须接地
28
TEST2
模拟输入
测试投入时必须接SV端
表2.1引脚说明
二、ST7540的特征：
（1）采用单电源：
工作在7.5～12.5V,内部集成线路驱动器和5V,3.3V两个线性调整器,电流高达50mA,数字电压为3.3V或5.0V。
（2）ST7540具有非常低的功耗,静态电流5mA。
（3）控制方面：
ST7540芯片工作通过内部寄存器控制和同步串行接口来编程。
（4）ST7540带有看门狗定时器、时钟输出、输出电压和电流控制、载波或前同步检测、可暂停工作和使用等功能。
（5）除了（4）提到的功能之外，ST7540还带有8个可编程发送频率,可编程
波特速率最高为4800B/s,接收灵敏度可达500μV（rms）,同时具有UART/SPI主接
口,并且向下兼容前期的电力线收发芯片ST7538和ST7537,大大方便了用户的使用和升级。
（6）ST7540内置了很多模块，如：
自动电平控制、电压及电流控制模块、振荡器模块、串行接口模块、滤波器、FSK调制解调模块等等。
三、应用范围：
电力抄表，城市
升级会员 