住宅小區自動電能計費系統的研制
摘要：介紹采用多級分級通信模式組成的住宅小區自動電能計費系統的硬件構成和軟件設計；重點介紹電能數據采集的硬件組成和提高電量計量精度的方法。長期以來，供電管理部門對用戶電量的統計一直是在人工抄表的基礎上進行的，工作量大，直接影響供電部門的工作效率。隨著計算機技術和網絡技術的發展，自動電能計費系統應運而生。小區內的住戶數量較多，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電能計費系統的實施方案。
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89C51單片機之間采用RS-485半雙工接口。MAX232實現將RS-232接口信號電平轉化為TTL電平。MAX483為 5V供電的RS-485接口的差分信號收發器，可以將TTL電平轉化為RS-485的差分接口信號形式或進行相反方向的轉換。每一個89C51單片機承擔計算機和32個數據采集器89C52之間通信的中繼任務。采用不同的口線分別控制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實現兩種信號格式的轉換。89C52單片機構成數據采集器，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個驅動器，因此通過分級管理，計算機可連接32×32=1024個數據采集器，也就是1024×2=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，可以將用戶數目擴大32倍，滿足一般住宅小區的實際應用要求。
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根雙絞線進行半雙工通信，分時實現發送和接收。由于使用1個串行口進行通信，為了避免發信號混亂，用P1.6控制1#MAX483的發數據允許位DE；用P1.7控制2#MAX483的發數據允許位DE。接收數據總是不同時進行，按先接收計算機發送的地址，再發送地址給數據采集器，最后接收數據采集器發送過來的數據順序進行。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位用于識別發送或接收的是地址還是數據。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口的撥動開關的設置來惟一確定。
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器整形后送至單片機89C52計數輸入端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設置為方式2，初值為0FFFFH。當T0中斷申請，在溢出中斷服務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），須對用電量進行實時統計（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個脈沖到來，因K/10不一定正好為整數，若舍去小數或對小數進行進位取整，必然產生累計誤差。
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220V電源供電，當線路停電采集器工作電壓由 5V降到4.75V以下時，系統復位，即由原來的高電平變為低電平，在外部中斷0輸入端產生下降沿即外部中斷請求信號；在中斷服務程序中將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間內存入串行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，用于惟一確定電能數據采集器的地址。設置外部中斷0的中斷優先級為高優先級。
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