基于单片机的电集中抄表设计

Motorola单片机：Motorola公司是世界上最大的单片机厂商。在8位机中68HC05、68CH08有30多个系列，200多个品种。还有8位增强型68HC11，16位68HC16、32位机683XXX等。近年来以FOWER PC Coldtirc等为CPU，将DSP作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。
Microship单片机：是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品有16C系列8位机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，低价位，全部是DTP器件。
8051类单片机：由Inter公司推出，是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Inter公司在嵌入式应用方面，将重点放在186、386、奔腾等与PC机兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都保持在与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性，提高了速度、降低了时钟频率、放宽了电源电压的动态范围、降低了产品价格。此外，还有Scenix单片机、NEC单片机、东芝单片机、富士通单片机、EPSON单片机、三星单片机、华邦单片机等。
3.1.2固态继电器
固态继电器（Solid State Relay）简称SSR，它是一种新型的无触点电子继电器，其输入端仅要求输入很小的控制电流，能与TTL、HTL、CMOS等集成电路具有较好的兼容性，而其输出则用双向晶闸管来接通和断开负载电源。它与普通电磁式继电器和磁力开关相比，具有开关速度、工作频率高、体积小、重量轻、寿命长、无机械噪声、工作可靠、耐冲击等一系列优点。由于无机械触点，当其用在需抗腐蚀、抗潮湿、抗振动和防爆的场合，更能体现出有机械触点继电器无法比拟的优点。另外，其输入控制端与输出控制端用光电耦合隔离所需控制驱动电压低、电流小，易于与计算机控制输出接口。所以在计算机控制系统中，已越来越多地用固态继电器取代传统的电磁式继电器和磁力开关作开关量输出控制。在这里，计算机将控制信号送给D/O板，D/O板再将控制信号经过继电器去控制电动机、开门电机的启动和停止，这里我们选用的继电器也是固态继电器。
固态继电器是一种四端器件，两端输入、两端输出，他们之间用光电耦合器隔离。它可以有不同的分类方法。
（1）负载电源类型分类：可分为直流型（DC-SSR）和交流型（AC－SSR）两种。直流型是用功率晶体管作开关器件；交流型是用双向晶闸管作开关器件，分别用来接通和断开直流或交流负载电源。
（2）以开关触点形式分类：可分为常开式和常闭式。目前市场上以常开式为多。
（3）以控制触发信号的形式分类：可分为过零型和非过零型。它们的区别在于负载交流电流导通的条件。非过零型在输入信号时，不管负载电源电压接近零且输入控制信号有效时，输出端负载电源才导通。其关断条件是在输入端的控制电压撤销后，流过双向晶闸管的负载电流为零时，SSR关断。
固态继电器有如下一些主要优点：
① 输入功率小：出于其输入端采用光电耦合器件，其驱动电流仅需几毫安便能可靠地控制，所以可以直接用TTL、HTL、CMOS等集成驱动电路控制。
② 高可靠性：由于其结构上无可动接触部件，且采用全塑密闭式封装，所以SSR开关时无抖动和回跳现象，无机械噪声，同时能耐潮、耐振、耐腐蚀；由于无触点火花，可用在易燃易爆介质的场合。
③ 低电磁噪声：交流型SSR在采用了过零触发技术后，电路具有零电压开启、零电流关断的特性，可使对外界和本系统的射频干扰减低到最低程序。
④ 能承受的浪涌电流大：其数值可为SSR额定值的6-10倍。
⑤ 抗干扰能力强：由于输入与输出之间采用了光电隔离，割断了两者的电器联系避免了输出功率负载电路对输入电路的影响。另外，又在输出端附加了干扰网络，有效地抑制了线路中dv/di和di/dt的影响。
结合以上固态继电器的优点，根据实际需要，我们采用了常开式和常闭式的、交流型的固态继电器。这类交流型的固态继电器的输入和输出端是通过光电耦合器隔离，这样可以割断外部输出负载电路对计算机的干扰。另外，它是用双向晶闸管作开关器件。晶闸管习惯上又称可控硅，它是一种大功率半导体器件，它既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。这里利用它可以控制的开关作用。其工作原理是：当输入端有输入电压时，经过光电耦合器的耦合作用，与双向晶闸管控制极（门极）相连的电路接通，晶闸管控制极加上电压，则晶闸管导通，此时若该固态继电器是常开式的，则接通负载电源；若是常闭式的继电器，则断开负载电源。当输入端电压是零时，继电器内部的晶闸管的控制极没有控制信号，由于与继电器相连的电路是交流回路，电流过零或者进入负半周时，晶闸管自动关断。为了使固态继电器再次响应，必须重加控制信号。其内部结构如下输入部分是一个砷化镓发光二极管（也可是别的发光二极管），该二极管在5－15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控硅，在红外线作用下，可双向导通。如下图3.3所示：

3.1.3光电转换电路设计
光电转换电路主要将铝盘的旋转转换为电脉冲，以此来作为单片机的一个检测信号。它以感应式电能表的电磁系统为工作元件，并在电能表的铝盘表面印上黑色的分度线进行分度。为了区分铝盘的正反转，分度线间隔宽度应按顺时针方向逐渐增加，然后用反射式光电头发射光束来采集分度线标记，再经光电转换电路变换，最后输出与铝盘旋转速度和分度线宽度成正比的电脉冲以给单片机提供一路检测信号。其电路图如图3.4所示。图中，D1为发光管HG410，D2为接收管3DU31，它们按一定的角度被固定在旋转铝盘的上方，当铝盘的黑色分度线到达光线区时，D2接收管的集电极输出一正脉冲，并经CD4069的两个非门和R3构成的施密特触发器整形后加到单片机的定时／计数器T0的输入端口（），作为捕捉信号。

3.1.4电流检测电路
电流检测电路主要由线性霍尔磁敏传感器UGN3501T、钳形冷轧硅钢片和信号处理电路组成。其电路如图3.5所示。

该电路将霍尔元件置于钳形冷轧硅钢片的空隙中，当有电流流过导线时，就会在钳形圆环中产生磁场，其大小正比于流过导线的电流，这个磁场作用于霍尔元件上并感应出相应的霍尔电势，该电势经过运算放大器μA741放大，这样，当电路中有电流流过时，放大器输出的高电平将作为单片机的一个检测信号加到单片机的定时/计数器T1。调整放大器中两个电阻RW和R5可以得到满足输入到单片机高电平信号。为了是电路更加稳定也可以在放大器的输入端加入一个二极管D1作为开关用当有足够大的电平信号D1便导通，在输出端加入电容C和二极管D2为稳压管用。
3.1.5单片机系统电路
单片机系统电路主要完成对光电检测信号、电流检测信号的比较计算，同时输出控制报警信号。该电路由单片机AT89C51、固体继电器，蜂鸣器报警电路等组成，电路如图3.6所示

该电路将光电信号加到单片机的输入捕捉端的目的是利用定时／计数器Ｔ0的输入捕捉功能来检测光电转换电路输出的脉冲及脉冲宽度的变化情况，以确定铝盘的旋转状态。将电流检测电路的输出信号加到定时/计数器T1端，然后通过读取T1的电平值和T0对光电信号的捕捉结果，就可以判断是否有盗电情况发生。设计时应将P2.0端接继电器驱动电路和蜂鸣器报警电路。
3.2 CAN总线接口电路的设计
3.2.1CAN总线概况
控制器局部网（CAN——Controller Area Network）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。CAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。
现场总线领域中，CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，他们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。带有CAN的MCU芯片总量已经达到1亿3千万片（不一定全部用于CAN总线）；因此在接口芯片技术方面，CAN已经遥遥领先于FF、PROFIBUS、LONWORKS等其它所有现场总线。
现场总线标准及其技术日益成为国际自动控制领域关注的一大焦点，其原因是它改变了传统控制系统的结构，形成了全新的网络集成分布式控制系统。在我国，现场总线已经发展到推广应用阶段，中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要战场。因此研究现场总线技术及其产品就显得尤为重要。
3.2.2SJA1000介绍
SJA1000是一种独立控制器，用于汽车和一般工业环境中的局部网络控制。它是Phlips公司的PCA82C200CAN控制器（basic CAN）的代替产品。而且，它增强了一种新的工作模式（peli CAN）,这种模式支持具有很多新特点的CAN2.0B协议，SJA1000具有如下特点：
与PCA82C200独立CAN控制器引脚和电器兼容。
PCA82C200模式（既默认basic CAN模式）。
扩展的接收缓冲器（64B、先进先出FIFO）。
与CAN2.0B协议兼容（PCA82C200兼容模式中的无源扩展结构）。
同时支持11位和29位标识符。
位速率可达1Mbit/s。
Peli CAN模式扩展功能：
可读/写访问的错误计数器；
可编程的错误报警限制；
最近一次错误代码寄存器；
对每一个CAN总线错误的中断；
具有详细位号（Bit position）的仲裁丢失中断；
单次发送（无重发）；
只听模式（无确认、无激活的错误标志）；
支持热插拔（软件位速率检测）；
接收过滤器扩展（4B代码，4B屏蔽）；
自身信息接收（自接收请求）。
24MHz时钟频率。
可以和不同微处理器接口。
可编程的CAN输出驱动器配置。
增强的温度范围（-40到+50度）。
（1）内部结构
SJA1000 CAN控制器主要由以下几个部分构成：
接口管理逻辑（IML）
接口管理逻辑解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主控制器提供中断信息和状态信息。
发送缓冲器（TXB）
发送缓冲器是CPU和BSP（位流处理器）之间的接口，能够存储发送到CAN网络上的完整报文。缓冲器长13B，由CPU写入，BSP读出。
接收缓冲器（RXB，RXFIFO）
接收缓冲器是接收过滤器和CPU接口，用来接收CAN总线上的报文，并存储接收到的报文。接收缓冲器（RXB，13B）作为接收FIFO（RXFIFO，长64B）的一个窗口，可被CPU访问。
CPU在此FIFO的支持下，可以在处理报文的时候接收其他报文。
接收过滤器（ACF）
接收过滤器把它其中的数据和接收的标识符相比较，以决定是否接收报文。在纯粹的饿接收测试中所以的报文都保存在RXFIFO中。
位流处理器（BSP）
位流处理器是一个在发送缓冲器、RXFIFO和CAN总线之间控制数据流的序列发生器。它还执行错误检测、仲裁、总线填充和错误处理。
位时序逻辑（EML）
位时序逻辑监视串行CAN总线，并处理与总线有关的定时器。
错误管理逻辑（EML）
EML负责传送层中调制器的错误界定。它接收BSP的错误报告，并将错误统计数字通知BSP和IML。
（2）引脚介绍
SJA1000为28脚DIP和SO封装，引脚如图3.7所示：

3.2.7CAN总线接口电路
&emspSJA1000在电路中是一个总线接口芯片，通过它实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。该电路的主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析。AT89C51是CAN总线接口电路的核心，其承担CAN控制器的初始化、CAN的收发控制等任务。CAN总线接口框图见图3.11和3.12