住宅小区自动计费系统设计 - 图文

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文）

住宅小区自动计费系统设计

RESIDENTIAL AUTOMATIC BILLING SYSTEM

年 级:2007级 学 号:20077829 姓 名:傅 杰

专 业:电子信息工程 指导老师:关海川

2011 年 6 月

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院 系 电气工程系 专 业 电子信息工程 年 级 2007级 姓 名 傅杰 题 目 住宅小区自动计费系统设计 指导教师 关海川

评 语

指导教师 (签章)

评 阅 人

评 语

评 阅 人 (签章)

成 绩 答辩委员会主任 (签章)

年 月 日

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毕业设计（论文）任务书

班 级 2007级电子一班 学生姓名 傅杰 学 号 20077829 发题日期： 2011 年 2 月 28 日 完成日期：毕业当年的6 月 24 日

题 目 住宅小区自动计费系统设计

1、本论文的目的、意义 传统的进户人工抄表方式已不能满足各方面的要求，用现代化的管理手段来改造传统的管理方式已迫在眉睫，随着计算机技术的迅速发展，在线集中式抄表收费系统悄然兴起，传统的进户验表将逐步为新兴的计算机网络验表系统所替代。采用自动计费抄表系统不但可以解决人工查表的缺点和不足，大大提高查表的准确性，避免入户查表的不安全，也方便水、电、气管理部门的经营管理，大大减少国家和单位的损失。 2、学生应完成的任务 研究的目的和意义：现有的计费系统分析，在此基础上设计一套远程自动抄表及防火、防盗系统；给出设计方案并展开具体的分析，介绍系统每一组成部分的特点和应用。结合智能小区住宅工程实践，介绍自动计费系统在智能小区住宅中的应用情况。针对远程采集与计费管理系统的特点，对系统的硬件结构和软件流程图进行设计。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 17 周）

第一部分 资料收集、整理和方案提出 ( 4 周) 第二部分 总体方案和组成框图分析 ( 3 周) 第三部分 系统的硬件设计和分析 ( 4 周) 第四部分 系统的软件流程图设计和结论 ( 3 周) 第五部分 论文书写、整理和装订 ( 2 周) 评阅及答辩

( 2 周)

论文整改 ( 1 周)

备 注 指导教师： 审 批 人：

2011 年 2 月 28 日

2011 年 2 月 28 日

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摘 要

随着科技的发展，小区住宅除了满足人们最基本的居住要求，还要将方便、省时的物业管理带给住户。实现住宅的三表(水、电、煤气)出户自动抄表、自动计费，防火自动报警、防盗自动报警，已成为新型智能小区的必备条件。

本系统是利用单片机及RS-232全双工通信网构成现代化住宅的自动抄表计费系统的前端数据采集模块和通信控制模块。通过对LM7805提供的稳定+5V电压供应整个系统电源，以89C51为核心，通过现场采集器，集中采集器，传输线路，信息管理中心完成对小区一个单元的用户进行2个脉冲量信号（水表、电表）和2个开关量信号（防盗信息、防火信息）的采集，传输与信号集中器，最后交于信息管理中心进行水表、电表的计费，防火、防盗的监控。

本文首先介绍了自动抄表系统的发展情况，接着对本自动抄表系统进行了简要的描述。然后阐述了数据采集模块和通信控制模块的通信方式及使用的通信介质。通过主要对对硬件系统的设计，以及软件系统的流程图，系统功能框图，整体个设计的总电路图完成论文的论证，以实现住在小区自动计费系统。

关键词 单片机；自动抄表系统；串行通信；数据采集

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Abstract

With the development of technology, residential district in addition to meet basic living requirements, but also the convenience, time-saving household to bring the property management. To achieve the three tables of residential (water, electricity, gas) a household automatic meter reading, automatic billing, automatic fire alarm, burglar alarm, has become a prerequisite for the new intelligent community.

This system is the use of microcontroller and RS-232 full duplex communication network consisting of modern residential automatic meter reading billing system front-end data acquisition module and communication control module. Through the LM7805 provides a stable +5 V voltage power supply system to 89C51 as the core, through on-site collector, focus on the collection, transmission lines, information management center to complete a unit of residential users 2 pulse signals (water, meter) and two digital signals (anti-theft information, fire information) of the collection, transmission and signal concentrator, and finally to pay for information management center meter, meter billing, fire, theft monitoring.

This thesis first introduce the current development status of automatic recording and charging system, then simply introduce this automatic recording and charging system. Mainly by the hardware system design, and software flow chart, the system block diagram of the overall design of the overall circuit to complete a thesis of the argument, in order to achieve the automatic billing system live in the district.

Key words single chip computer; automatic recording system; data collect module

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目 录

第1章 绪 论 ............................................................. 1 1.1 本课题的研究意义 ..................................................... 1 1.2 国内外智能小区发展概述 ............................................... 2 1.3 研究内容及论文的总体结构 ............................................. 3

1.3.1 研究内容 ........................................................ 3 1.3.2 论文的总体结构 .................................................. 4 第2章 总体方案及系统概述 ................................................ 5 2.1 总体设计 ............................................................. 5 2.2 方案论证 ............................................................. 6

2.2.1 采集数据量的选择 ................................................ 6 2.2.2 表的选择 ........................................................ 6 2.2.3 抄表方式的选择 .................................................. 7 2.2.4 整体设计方案论述 ................................................ 7 2.3 系统概述 ............................................................. 9

2.3.1 前端数据采集处理装置 ........................................... 10 2.3.2 传输线路 ....................................................... 11 2.3.3 信息管理中心 ................................................... 16 第3章 系统硬件设计 ..................................................... 17 3.1系统面板设计及功能框图 ............................................... 17

3.1.1面板设计 ....................................................... 17 3.1.2 系统功能框图 ................................................... 18 3.2 微处理器 ............................................................ 18

3.2.1 89C51性能特点 ................................................. 19 3.2.2 AT89C51硬件结构及引脚 ......................................... 19 3.2.3 控制器 ......................................................... 20 3.3 数据采集系统设计 .................................................... 21

3.3.1 电表 ........................................................... 21 3.3.2 水表 ........................................................... 21

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3.3.3 防盗报警 ....................................................... 22 3.3.4 防火报警 ....................................................... 22 3.3.5 8选1转换开关74LS151 .......................................... 23 3.3.6 8255A并行I/O接口芯片 ......................................... 24 3.4 数据存储 ............................................................ 27

3.4.1 28C64的引脚 ................................................... 27 3.4.2 28C64的工作方式的特点 ......................................... 28 3.4.3 28C64与CPU的接口 ............................................. 28 3.5 显示系统设计 ........................................................ 29

3.5.1 8279可编程键盘/显示器接口芯片 ................................. 29 3.5.2 显示电路 ....................................................... 32 3.6 传输部分 ............................................................ 33

3.6.1串行通信 ....................................................... 33 3.6.2 接口电路 ....................................................... 36 3.7 电源 ................................................................ 36 第4章 系统软件设计 ..................................................... 38 4.1 软件构思 ............................................................ 38 4.2 数据流程 ............................................................ 38 4.3 程序流程图 .......................................................... 40

4.3.1 主程序 ......................................................... 40 4.3.2 键盘子程序 ..................................................... 41 4.3.3 显示子程序 ..................................................... 42 结 论 ................................................................... 43 致 谢 ................................................................... 44 参考文献 ................................................................ 45 附 录 ................................................................... 46

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第1章 绪 论

1.1 本课题的研究意义

随着我国国民经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，城市居民的生活逐渐从温饱型向小康型迈进，生活在安全、舒适、恬静、信息传递快捷的居住环境是很多人的梦想。21世纪的到来，我们正处在一个信息革命和知识经济的时代，住宅应朝着满足生活、办公、教育、娱乐、会客、健身、停车等诸多功能要求发展人们对生活的舒适性、便利性和安全性提出了更高的要求，由此智能化住宅小区应运而生。中国近30年来的住宅产业发展可以用这样的话来描述:70年代解决有无房间的问题；80年代解决住房大小的问题；90年代是追求房型和环境优美；21世纪应是智能化的时代。

我国改革开发推动国民经济的发展以及计算机普及和信息产业的发展，人们对居住环境要求的不断提高，“智能化”逐渐被引入了住宅小区和家庭建设中。因为同传统的住宅相比，智能小区在安全防范设施、家居管理设施、家居办公娱乐设施等三方面的优势非常明显。智能住宅小区的自动化系统结构的重点在于以下几个方面：安全防范、物业管理及社区服务、信息通信。传统的住宅小区的弱电配套系统包括电话网和有线电视系统(CATV)，在安全防范方面也可采用电视监控系统以及门铃对讲等等。智能住宅小区的系统结构有这样的特点：首先采用先进的、符合标准的技术和设备；同时所有的系统均采用集散式的构造方式，既具有分散于各个住户的终端或设备，又通过网络集中到一个管理或控制中心，中心提供公共信息资源，或者对各个住户提供集中安全监控；最后，所有的智能系统既可独立，又可以在计算机网络的基础上实现集中管理。这是传统住宅无法比拟的。

小区物业管理系统是小区管理实现规范化、科学化、程序化的重要手段。远程智能抄表系统是小区物业管理系统的重要组成部分。该系统对纳入小区收费管理的收费项目进行电子收费管理(主要是指对电表、水表、煤气表、热表的自动抄表与电子收费)，提供网上应缴费用的查询、定期催缴，对没有上网的住户提供电话查询或者到物业管理中心进行查询，具有收费的登记、转账、统计功能，及收费项目、计费方式

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的变更登记等功能，同时将其他各子系统相应的收费信息递交到收费信息系统后进行统一结算，居民可通过小区电子银行或IC卡缴费远程智能抄表系统是智能小区应具有的最基本的系统，它的发展必将影响到小区智能的发展，因此将会有更多的系统集成商、发展商看中这个项目，对它进行进一步开发是极重要的。

小区智能化是一个综合性系统工程，要从其功能、性能、成本、扩充能力及与现代相关技术的应用等多方面来考虑。不仅要考虑到系统初期建设的投资成本，更要考虑到系统在未来运行的实用性、可操作性，以及系统的运行与维护的成本。所以，在小区各项系统的设计选型时要全面考虑各个方面的因素，选用技术成熟，可靠性高并且有较好性价比的产品是至关重要。

住宅小区智能化系统由如下几个子系统组成：楼宇设备监控管理系统；安全防范系统；物业管理系统；信息自动化系统；计算机网络系统；布线系统等。

其中本论文所涉及的三表远传系统就是属于物业管理系统的一部分，但是就目前国内实际情况而言，对于智能小区住宅所必须提供的三表自动抄表收费功能， 真正能做到水／电／气等远程抄表的并不多见，比例为15.9％。而据1998年统计我国城市人口约4亿人，城市家庭约1.4亿户，居民家用水表、电表各约1亿只，煤气表约4000万只。这三种表分属三个部门管理，目前基本上都是靠人工每月入户抄表进行计费。这二亿四千万只表按每个抄表员每月抄3000只表，共需80万名抄表员，按每个抄表员一年费用1万员计，则每年仅抄表一项费用就达到80亿元。人工抄表不仅浪费的巨大的人力资源，而且随着高层建筑的不断增加，居民家中有人时间的不确定，使抄表员的工作变得非常繁重，用户对抄表员入室抄表干扰正常生活意见较大，同时因抄表入室现象也引发了一些不安全社会问题。随着计算机技术和网络技术的发展，自动抄表记费系统就是在这一背景应运而生。自动抄表记费系统是一种把多个分散单元信息（电表，水表，气表等）准确传送到一个基站（数据处理中心）的通讯技术。它的出现将替代长期以来供电，供水，及煤气公司对水，电，气用户的使用量的统计一直沿用的人工抄表的工作方式。可以预见，在智能小区即将大力推广的21世纪，自动抄表记费系统将会拥有广阔的市场空间和良好的市场前景。

1.2 国内外智能小区发展概述

80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始称之为住宅电子化，

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(HE，Home Electronics)；80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后， 形成了住宅自动化概念(HA，Home Automation)。80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为智慧屋( WH，WiseHouse)，在欧洲称为时髦屋( SH，Smart Home)。 当时日本正处于住宅建造过剩，房产市场低迷的时期，日本建设省在推进智能建筑概念时，抓住用于住宅的总线技术为契机，提出了家庭总线系统概念( HBS，Home Bus System)，邮政省与通产省于1986年组织曰本电子机械工业协会与电波技术协会共同组建HBS标准委员在1988年9月制定了 HBS标准。1988年初又在通产省邮政省和建设省三个部的支持下成立了日本住宅信息化推进协会，并提出对住宅区内所有住宅的信息管理采用超级家庭总线技术(S-HBS，Super-HomeBus System)。

1990年左右，日本在幕张建立了一个高水平示范性的智能住宅区，美国、新加坡也都建有基于EIA在1988年制定的智能化住宅系统(IHS)及其通信标准——家庭总线( H D S，Home Distrubution System)的智能化住宅。

在中国，虽然还未能象美国、日本那样对住宅智能化系统的技术制定标准，但已经借助智能建筑的概念与技术开始推行智能化住宅小区的建设了。尽管我们现在还难以给智能化住宅小区作出确切的定义，但是无论是国外还是国内号称智能化的住宅小区都具有共同的功能特征：

1. 住宅内部具备完善的综合了安保防灾措施与生活服务的智能控制器、 住宅与小区和社会之间具有高度的信息交互能力。

2. 小区内部具备完善的安保措施、全面的公用设施监控管理和信息化的社区服务管理。

3. 为小区内住户提供多媒体的多种信息服务。

1.3 研究内容及论文的总体结构

1.3.1 研究内容

本设计的课题：住宅小区自动计费系统设计及相关的课题：三表数据远程传输系统(通信及控制模块)，一起构成了自动抄表系统的数据采集单元。

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设计的主要内容为：在实际生活中水表和电表大多数的用户中都在使用，而气表还不普及。因此本设计中我们采用了采集水表、电表2个脉冲信号和防盗信息、防火信息2个开关量信号，并对采集信号进行分析计算。要求：完成系统的设计，完整的系统框图，数据采集器的电路原理图，软件流程图。

1.3.2 论文的总体结构

第1章简要介绍课题的背景，综述课题研究的目的、意义，国内外小区自动计费的发展，介绍本文的主要研究内容及总体结构。

第2章提住宅小区自动计费的几种实现方案，从系统的性能指标，经济成本及实际现实生活中的实现进行比较，对这些方案的可行性就行比较分析，选择了一种实际可行的方案，并对信号的采集及传输方式阐述。

第3章详细阐述了硬件结构，包括面板设计、功能框图、单片机的简介与各部位的相关电路图。

第4章主要介绍软件系统流程图。

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第2章 总体方案及系统概述

2.1 总体设计

随着科技的发展，小区住宅除了满足人们最基本的居住要求，还要将方便、省时的物业管理带给住户。实现住宅的三表(水、电、煤气)出户自动抄表、自动计费，防火自动报警、防盗自动报警，已成为新型智能小区的必备条件。

传统的三表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后，再到各家索取，误差大、统计工作量大，人为的错误给物业管理和用户带来极大不便。现在有许多地区改为插卡式买电装置，这虽然减少了人为因素，但是买电时要到银行，费时费力，且水、电、气表分别交费，也有许多不便之处。

小区数据采集系统节省时间、人力、物力，提高工作效率，降低物业成本，准确及时地将住户所使用的三表数据显示出来，并且及时的显示防盗报警信息和火灾报警信息，为实现小区科学、系统的、安全的物业管理提供了有效的解决方法。

该系统要求功能完善可靠，安装调试操作简单易行。系统准确率高，能做到准确显示三表信息，随时监控防火和防盗报警信息，防止事故发生。有长时间断电应急备用电源保障。中心控制室能实时监控系统的状况，并做出相应的反应。人机界面简单、直观。

小区数据采集系统可采用四层次结构:现场采集器、信号集中器、传输线路、信息管理中心。

1. 现场采集器：每小时对2000户住户的水、电、煤气表的脉冲数采集一次并且随时接收防火、防盗的开关量的报警信号。

2. 信号集中器：将各信号采集器的信息进行存储并且每天向信息管理中心传送这些信息。

3. 传输线路：利用总线、电力线等方式将数据从信号集中器传送到信息管理中心。

4. 信息管理中心：处理各信号集中器的测量信息，并计算每个用户的水、电、煤气的使用费用，实时观察、记录、保存2000户用户的使用情况和相关数据。在每月月底（或自定时间）自动生成各用户的水、电、煤气使用量报表及计费报表，并可

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以打印出来。

小区的数据采集系统只是小区智能化的很小的一部分，但是它是实现小区智能化的必备条件，同时也为用户提供了大量的方便和安全。因此要把小区的数据采集系统设计成具有稳定性好、实用性强、可靠性高、造价低的系统。

2.2 方案论证

2.2.1 采集数据量的选择

在住宅小区自动抄表计费系统中需要采集的数据量有：水表、电表、气表、热力表的脉冲信号和防盗信息、防火信息等开关量信号。在本设计中采集的数据量可分为3层：

1. 采集3个脉冲量信号（水表、电表、气表）和2个开关量信号（防盗信息、防火信息防盗信息、防火信息）。

2. 采集2个脉冲量信号（水表、电表）和2个开关量信号（防盗信息、防火信息）。

3. 采集1个脉冲量信号（电表）和2个开关量信号（防盗信息、防火信息）。 在实际生活中水表和电表大多数的用户中都在使用，而气表还不普及。因此本设计中我们采用了第2种方案，即采集水表、电表2个脉冲信号和防盗信息、防火信息2个开关量信号。

2.2.2 表的选择

1. 电表 我们采用脉冲电度表，它具有数据精确性高、抗干扰能力强的特点。 2. 水表 可以采用脉冲开关量远传水表，它价位低廉，应用广泛、计数准确工作稳定、可靠性高。

3. 防火报警器 可以采用感温火灾报警传感器、离子感烟传感器、火焰传感器。因为冬天和夏天的温度差别很大，可能导致感温火灾报警传感器工作不可靠。而离子感烟传感器在防火报警系统中广泛使用，尤其适合室内使用。离子感烟传感器的工作可靠性高、技术成熟，所以我们在本设计中采用了离子感烟传感器作为防火报警器。

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4. 防盗报警器 我们采用的是红外线传感器，红外线不受周围可见光的影响，可以在昼夜使用。由于待测对象自身可发射红外线，不用设光源。所以我们采用红外线传感器作为防盗报警器。

2.2.3 抄表方式的选择

目前，通行的两种抄表方式为总线式和电力载波式。载波式的优点是借电力线作通讯线路，省去布线的麻烦；但是电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制。

1. 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，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. 三相电力线间有很大信号损失（10dB-30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号，一般电力载波信号只能在单相电力线上传输；

3. 不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同；

4. 电力线存在本身固有的脉冲干扰，对我们采集的电表和水表的脉冲信号有干扰。

总线式的优点是性能可靠、抗干扰能力强，费用低廉；缺点是需要布线。考虑新建小区设计中有管线铺设，布线与否不作为主要因素。系统的可靠性、稳定性决定了我们选用总线方式。

2.2.4 整体设计方案论述

方案一：

在单元适当位置设计安装一个抄表箱，抄表箱内安装两个单元抄表采集器， 分别抄收水、电，还有防火报警器和防盗报警器，箱内安装一个延时备用电源，为系统提供电源。

现场采集器系统设计如图2-1所示：

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0 水表 7 水表 0 电表 7 电表 0 防火 7 防火 0 防盗 7 防盗 8 水表 15 水表 8 电表 15 电表 8 防火 15 防火 8 防盗 15 防盗 水 表 采集器 电 表 采集器 防 火 报警器 防 盗 报警器 备用电源 信号集中器 图2-1 现场采集器

在此方案中水表放置于户内，通过预埋管线与单元抄表箱相连；电表全部装在单元电表箱内，电表箱留有穿线孔，通过管线与抄表器箱相连。防火传感器和防盗传感器通过预埋管线与防火报警箱和防盗报警箱相连。实现自动抄表和报警。

虽然几种表可以混抄，技术上没有问题，但考虑到水、电实际行业管理分属不同部门，为避免设备维护、保密性要求等问题引起争议，水、电的抄表采集系统相对独立，即不采用混抄的方式，各自使用专用的抄表采集器，水表采集器只抄水表，电表采集器只抄电表。

优点：扩展性强，为将来系统的扩充留有充分余地。灵活性好，易于系统的改造和易于系统的重新配置。安全性高，利于防窃电、防雷击、防破坏。可靠性好，强抗干扰设计，系统运行更可靠。而且在满足应用需求的基础上尽可能降低了造价。

缺点：水表传输线比较长，容易产生干扰。 方案二：

我们在每一户中设置一个采集箱负责采集本住户的数据信息，一般小区低于8层的楼可以不安装电梯，因此在每一单元中设置一个采集器负责采集16个住户的数据信息。每一户的采集箱与单元的采集器之间采用双绞线连接，采集箱采集到的一组信息通过双绞线送至采集器中。

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现场采集器系统设计如图2-2所示。

0户 水表 采 电表 集 防火 采 集 器 信号集中器 箱 防盗 15户 水表 电表 采 集 防火 箱 防盗 图 2-2 现场采集器

优点：系统结构简单、层次分明、系统走线较短不容易产生错误信息、抗干扰性强、便于维护。管理器易于查找用户的一组信息，便于管理。

缺点：每一户均要安装采集箱，成本较高。施工比较复杂。系统的可扩充性不好，不利于重新配置。

经过对比以上两种方案，我们认为无论从方案的可行性还是成本来考虑，第一种方案都要优于第二种方案，较适合这个设计，因此我选用第一种方案。

2.3 系统概述

自动抄表技术是一种把多个分散单元信息（电表，水表，气表等）准确传送到一个基站（信息管理中心）的通讯技术。它一般分为三个部分：前端数据采集处理装置、传输线路、信息管理中心。

在这里分别对它们进行大体介绍。

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2.3.1 前端数据采集处理装置

前端数据采集处理装置指的是从现场采集器到信号集中器的部分。 目前，远传三表基本上是在原有机械基表上加装传感电路形成的。 下面对几种远传电路进行阐述：

1. 光电转换型 这种传感形式一般是在基表的旋转部件上加装一面反射镜面，在与反射镜面相对应的部位固定安装一只光电传感器，当旋转部件上镜面转至传感器位置时，传感器就产生光感应，发出一次脉冲信号。这种传感形式有四个缺点：a、传感器本身要耗电，不利于后备电池的微耗供电。b、反射面污染退色后反射失灵。c、在反射面的边缘上颤动产生误信号。d、至少4条引线。

2. 霍尔传感型 在基表旋转部件上加装感应磁钢，在与感应磁钢相对应的位置上固定安装一只霍尔元件。

3. 干簧管传感型 是目前应用最多的一种形式，其最大优点在于无需耗电。但仍存在感应点颤动误发信号和外磁人为干扰问题，外加一只防磁报警干簧管也解决不了不发信号的问题，且常常引发“是系统不可靠误报警还是磁干扰偷水”的纠纷。 这种传感器虽在目前应用最多，但从现场使用情况看，也是出问题最多的。

4. 自保持开关型 具有A、B两个感应头，若A头感应使开关打开了，开关就一直打开着。直到B头转来后开关才闭合，再到A头转来再打开，以此周而复始.这种形式成功的克服了颤动、磁干扰、耗电、引线多的所有缺点，仅用两条线就可实现信号开、信号关、断线、短线四种状态的检测，是目前最为理想的远传传感方式。

在电表、水表、气表数据的远程抄录方面，电表在技术上较为成熟，通常是采用专用的电能数据采集模块计量电度的脉冲信号(来自电能计量的专用集成电路芯片)，而这个电能数据采集器通常就是采用的单片机系统，将脉冲信号通过光电耦合和斯迷特触发器整形后送入51单片机的记数输入端T0或T1进行采集。但技术无法移植到气表、水表抄收系统中。水表和气表的户外抄表工作难度较大，主要用于水表和气表本身没有供电电源， 如采用传统的脉冲累计法，则要连续不断地读取数据，还要额外增加供电线路。如供电中断或出现读数故障，则会造成数据丢失。而且只要是采用对脉冲信号的积累计量来采集用户的水、电、气用量有两个无法避免的缺陷。第一必须使用电子水表，电子电表，电子煤气表，以上三种表均为电子脉冲输出，对表的计

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量只需累计电子表输出的脉冲数即可，在抄表节点中只需用数字I/O口即可实现脉冲计数。固而它的缺陷是很明显的，就是必须进行实时统计，这对供电系统的依赖性高，一旦出现如供电中断或出现读数故障，则会造成数据丢失，而且丢失的数据无法恢复，会出现用户读表数与系统读数产生误差。尤其是水，电的计量，在停电是用户仍然可以用水用气，而数据采集模块却无法对其使用量进行计量，从而会使水，气经营公司无可避免的蒙受损失。第二个缺陷就是目前所有的脉冲表均有一定的误差（0.1%-1%），这是因为当电度表的常数和脉冲常数确定后，通过计算可得一度电，一吨水，一方气对应输出的脉冲数K为常数，则0.1度电，0.1方气，0.1吨水对应输出得脉冲常数为K/10，既有K/10个脉冲到来，水、电、气得用量递增0.1个单位值。若对0.1个单位值进行进位递增，因为K/10不一定正好为整数，若舍去小数或者对小数进行进位取整，必然产生累计误差。长时间后累计误差较大， 传统的做法是在PC机中进行修改，这将导致系统内数据不统一，且差别会越来越大。因而传统得脉冲计量精度是有很大得不可靠性，促使我们想要选择其它得采集计量方式，以提高计量精度。

2.3.2 传输线路

在这里，传输线路有两部分，一部分是从信息集中器到信息管理中心的上层传输线路，另外一部分是从表头到数据集中器的底层传输线路。 2.3.2.1 上层传输线路

在这里简要介绍目前投入实用的几种传输技术：电力线载波通讯、卫星通讯、电话线通讯、无线数据传输等。 1. 电力线载波通讯

电力线载波抄表已经使用了较长时间，其间也经历了一些反复。其远抄远控系统的关键技术之一为数据的传远，通过电力线载波通信传远有着无可比拟的优势，比如，采用原有的电力线作为通信媒质，节省大量的人力、物力和财力资源；电力线遍布城乡，组网方便；所采用的扩频技术具有很强的抗干扰和抗衰减能力等等。高频载波在高压输电线上对继电控制信号和声音信息传送方面的应用十分成功。高压输电线输送距离长、系统结构简单、被很好的维护，所以高频载波在其上应用效果非常好。用电力线传输优点是比较节省开支，用于自动抄表的集中器位置固定，不必移动抄表。但是电力载波系统在配电线上的传输可能会遇到诸多困难。由于支线和分接头、线路从

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高架到地下的过渡、电容箱、甚至负荷自身大小等都将或多或少改变网络阻抗，从而引起高频波的偏离。所有上述偏离在一些地方有增强的倾向，而另一些地方会抵消，这都使高频电力载波在经常变化的配电线上非常难以预料和控制。为了解决这一问题，配电线上的电力载波系统逐渐向低频方向发展，频率已从100kHz范围降到10kHz范围。100Hz范围的纹波控制系统已经被极好地普及，曾经成功地应用在大负荷管理方面许多年。这都曾使电力载波技术的应用更容易，但一个一直未被解决的问题就是输送距离还不够长。固而载波通讯的缺点也是很突出的: 噪音大，受电网干扰误码较严重；低压载波只能局限在一个变压器的范围内，无法跨越变压器通讯；如果不同的用户的三表安装在不同的相线上，隔相信号衰减大于40db，通信质量很差。如安装电缆到煤气表和水表会带来附加的安全问题。目前已有几种用于电力线载波通信的模块或产品，但总的来说通信的可靠性较差。 2. 电话线通讯

基于电话的自动抄表技术的应用已超过25年了。电表脉冲或编码信号通过安装在现场的遥测接口单元（TIU）采集。电话线允许双向通讯，用电数据可从现场到接收器及客户之间来回传送，因此在程序控制的访问时间里能够通过电话传送信号或先记录然后传送信号。当传送抄表数据时，可以提供新的访问时间表给TIU数据，传送次数可以在现场重新编程，也可以在远方重新编程。

因为电话线早已存在，电话拨入抄表系统（从电表端到目的地）是最经济的和使用面最广泛的。这意味着电话系统的运行和维护由当地的电话公司负责，因此安装费用和每月的服务费用可以节省下来，对于住宅、商业及工业客户，电话拨入通信是适宜的。

（1）请求式电话抄表

有两种请求抄表方法，如果本地公共交换电话网（PSTN）已经使用了“无铃”（或UTS）技术，不需电话振铃，抄表请求电话能够直接与现场通信。如果没有使用UTS，则在预定振铃数响起的时候，要求客户不要拿起电话听筒，这个特定的振铃数即是向TIU发出开始传送抄表数据的信号。

此拨出抄表系统（从数据接收器到电表端）限制了用途，并买断了电话专线。当大量信息在工作期间按要求被汇集时，这种技术是优选的。此拨出抄表系统运行和客户电话使用没有冲突，并且与“非测试”及公用遥测中继（UTT）交换技术兼容。在

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这些情况下，都能良好运行。

（2）一种无干扰的系统

基于电话的自动抄表系统通讯是相互无干扰的。即他们运行时，与客户使用电话没有冲突。使用电话检查器来识别电话是否占线或客户是否拿起电话听筒，如果系统传送数据时，客户电话占线，系统自动停止传送，稍后重新联系传送。一个合理安排的基于电话的自动抄表系统节省成本之处，可以通过许多方面说明，首先一点就是避免了无线电、光缆、电缆及其他系统的高成本大规模基本的建设，因为基于电话的系统使用了现存的通信网络。

基于电话的自动抄表系统诸多重要的优点之一是能在任意场所安装自动抄表装置，而不必在邻近现场安装。此系统还避免了为支撑大量电表群体的基础建设（一项造价昂贵的远程抄表方式）。

但是这种造价相对低廉，而且性能良好的自动抄表系统在国内却尚未得到过推广，甚至知道的人也很少，究其原因，应该和中国电信的长期垄断经营，以及我国特殊的水、电、气经营管理体制不无关系。因为它出现的时期正是我国改革之初。所以没有得到发展也就不足为怪了。在今天网络化时代，利用电话进行自动抄表技术对智能小区是不太适应了，但是可以广泛利用于旧式住宅的抄表系统的改造。

（3）无线数据传输技术

无线抄表在发达国家和地区早已盛行，抄表车在用户电表附近行走一遍，电表的各种数据就抄入抄表车电脑中。然而无线抄表在国内才刚起步，在集抄过程中数据传输的通讯规约，也是多种多样。虽然电力部在1998年发布了其行业标准——多功能电能规约，但由于各种原因，到目前普及并不理想。主要原因是实现无线数传的包容性和开放透明还有待加强。我国运行的众多电能表通信规约，固而必须有一个统一的，与当前社会经济相适应的标准。而且收费汽车在行走中通过无线信号抄表，缺点是相当明显的：准确度不高，准确性可低到70%。而这是抄表系统最为重要的性能指标，而且占用无线电资源，设备投资也大。

无线抄表还有一种方式，既近距离红外线抄表。而这种方式对表的要求高，投资大，尤其对用户来讲，他们是很不原接受这种昂贵的电表。所以使用的更不广泛。

对于无线抄表技术，成熟的是对于用电的计量。对于水表、气表的无线抄送技术并不成熟，所以应用于智能小区暂不可行的。

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2.3.2.2 底层传输线路

底层传输线路即表头到集中器的一段线路，通常使用的装置是单片机。 IBM-PC机和MCS-51单片机是我国目前应用最广泛的两种微型计算机。MCS-51单片机功能强、价格低廉、开发应用方便， 尤其是单片机网络系统的出现，使单片机的应用水平达到了一个新的高度。在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、家用电器等方面都得到了广泛的应用。由于单片机应用系统人机对话和外围设备比较薄弱，没有像磁盘一样永久保存大量信息的存储设备，因此，由多个单片机构成的网络一般都使用IBM-PC机作为上位机，网络结构一般采用总线分布式结构。

标准通信总线又称为外总线，用于控制机和各终端设备，仪器或其他设备间通信，主要分为并行总线和串行总线两种。并行总线数据传输速率高，适用于短距离传输，缺点是与串行总线相比要用较多的导线或电缆，成本较高。而串行总线适合远距离通信，缺点是速率比并行总线满，但成本底。考虑到本抄表系统的通信控制模块与采集模块距离较远，以及现在的单片机在结构、性能和经济上为实现远程串行通信特别是多机系统提供了很好的条件，所以我们决定采用串行通信总线作为本系统的通信方式。

1. 串行通行总线标准接口

标准异步串行通信接口有以下几类:RS-232C，RS-232E；RS-449(RS-422，RS-423，RS-485)；20mA电流环。

所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化，通用化，借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信设备可以很容易的实现它们之间的串行通信连接。

RS-232C是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的，在异步串行通信中应用的最广泛的标准总线。它包括了按位串行传输的电器和机械方面的规定。适合于短距离或带调制解调器的通信场合，为了提高数据的传输速度和通信距离，EIA又公布了RS-422，RS-423，RS-485串行总线接口标准。20mA电流环是一种非标准的串行接口电路，但由于它具有简单，对电器噪声不敏感的优点，因而在串行通信领域也得到了广泛使用，但是该总线标准不适用于多站互联，故不选用。为了保证可靠性高的通信要求，在选择接口标准时，必须注意两点：1)通信速度和通信距离。2)抗干扰能力。同时出于本系统的需要还要考虑该接口标准是否适合于多站互联。下面将简要分析

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RS-232总线标准。 2. RS-232C标准接口

目前最常用的串行通信总线接口是EIA于1969年推荐的RS-232C。

RS-232C标准接口的全称是：使用二进制进行交换的数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口。计算机，外设，显示等都属于数据终端设备，而调制解调器则是数据通信设备。常用的连接方式如图2-3所示。

DTE RS-232 DCE 电话线 DCE RS-232C DTE

25线 25线 25线 图 2-3 RS-232C接口电路

RS-232C定义了20根信号线，通常使用25芯的接插件(DB25插头和插座)来实现RS-232C的标准接口的连接。 3. RS-232C的电气特性

表 2-1 RS-232C主要电气特性

不带负载时驱动器输出电平V0 负载电阻Rl范围 负载电容(包括线间电容)Cl <25V(-25～+25V) 3～7KΩ <2500pF 空号(space)或逻辑“0”时驱动器输出电平 +15V～+5V 在负载端 >+3V 传号(mark)或逻辑“1”时驱动器输出电平 -5～-15V 在负载端 输出短路电流 驱动器转换速率 驱动器输出电阻R0 <-3V <0.5A <30V/μS <300Ω(断电条件下) 由于RS-232C是早期(1969年)为了促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电平对地是对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平规定为+5V～+15V之间，逻辑1电平为-5V～-15V 之间，因此RS-232C与TTL电平连接必须经过电平转换。RS-232C由于发送器和接受器之间有公共信号地，不能使用双端信

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号，因而共模噪声会耦合到信号系统中，这是迫使RS-232C使用较高传输电压的原因。即使如此，该标准的信号传输速率也只能达到20Kb/s。而且最大距离仅15m。只有在这种条件下才可能可靠的进行数据传输。上表2-1列出RS-232C的主要电气性能。

2.3.3 信息管理中心

系统的信息管理中心就是通常所指的物业管理中心计算机。物业中心计算机控制各单元的数据集中器，经过某种传输线路把数据传送到小区物业管理的计算机，由能耗管理软件作处理，输出计量结果，实现读表、计费、银行交费的一条龙服务。

整个系统的结构图如下：

信息管理中心 上层传输底层信号集中器1# 底层传输底层信号集中器n# 传输线路现场采集器1# 现场采集器n# 现场采集器1# 现场采集器n# 图2-4 总系统结构

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第3章 系统硬件设计

3.1系统面板设计及功能框图

3.1.1面板设计

在此系统中，每一个单元要设置一个抄表箱，我们在抄表箱上设置了一个面板，方便住宅用户随时查看自己家的用电量和用水量，减少了用户要去管理中心查看的麻烦，增加了实用性。

户 红 绿 电表、水表的计量显示 水表 电表 YES 图3-1 面板

如图 3-1所示，面板中设置了四个按键（分别是水表按键、电表按键、设置按键和确认键）、两个发光二极管（分别发红光、绿光）、七位数码管显示（前两位显示是哪一户，后五位显示电表和水表信息）。

当某一住户需要查询时，首先，按设置键选择所要查询哪一户的信息，按一下则为第一户（即一楼101号），按两下即为第二户（一楼102号），依次类推，按十六下即为第十六户的信息（八楼802号）。当选择好户信息时，按下YES键（确认键）确认，用来显示户的两位数码管显示所选择的户。然后，按水表键或电表键选择需要查询哪一个数据，当按下水表键时，红色的发光二极管亮，当按下电表键时，绿色的发光二极管发光，并且五位数码管显示相应的数据信息。

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3.1.2 系统功能框图

在本系统设计的抄表箱中要对整个单元16户的水表、电表两个脉冲量以及防盗自动报警信号、防火自动报警信号两个开关量进行采集，因此，在采集部分要用的2个8选1的转换开关74LS151。每两个合用作一个16选1的转换开关，对16户的信息进行采集。由于采用的74LS151较多，而每两个74LS151至少要有4个输入输出口，因此，89C51的输入输出口是不够用的，要用一片8255A扩展输入输出口。系统功能框图如图3-2所示。

74LS151 8255A A0 A1 P1.6 P1.7 P0 P2.0 74LS373 28C64 74LS151 8279 数码管 89C51 键盘 P1.0 P1.3 P1.4 P1.5 TXD 74LS 138 MAX232 发光二极管 图 3-2 系统功能框图

本系统要每天每个小时对数据采集一次，并将采集到的数据保存三天。因此，需要存储的数据量比较大，我们外扩了数据存储器28C64，它为8K的E2PROM，具有掉电保护的功能，使得存储的数据不会因为突然断电而丢失。

显示部分我们要用到7位显示，显示的位数比较多，我们采用了可编程的键盘/显示器接口芯片8279。它可以带64个键，8个数码管显示。由于每个数码管需要有位选，我们采用3－8译码器74LS138的输出线作为位选线。

3.2 微处理器

AT89C51是一种低功耗\\高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除置读存储器的8位CMOS微控制器，使用字密度，非易失存储技术制造，并且与89C51引脚和指令系

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统完全兼容。芯片上的EPROM 允许线程序或采用通用的非易失存储器对程序存储器重复编程。

AT89C51简称89C51，将具有多种功能的8位CPU与EPROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式或控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比远高于8751。由于片内带EPROM的8751价格偏高，而片内带有EPROM的89C51价格与INTEL80C51兼容，这就显示了89C51的优越性。

3.2.1 89C51性能特点

89C51的主要性能包括:

? 与MCS—51位控制器产品系列兼容。

? 片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器。 ? 存储器可循环写入/擦除1000次。 ? 存储器数据保存时间为10年。 ? 宽工作电压范围，VCC可为2.7V～6V。 ? 全静态工作，可从0Hz 至16Hz。 ? 程序存储器具有3级加密保护。 ? 128×8位内部RAM。 ? 32条可编程I/O线。 ? 两个16位定时器/计数器。

? 中断结构具有5个中断源和2个优先级。

? 可编程三双I串行通道，空闲状态维持低功耗和掉电保护。

3.2.2 AT89C51硬件结构及引脚

89C51的内部硬件结构如下所示。除程序存储器由FPEROM取代了78C51的EPROM外，其余部分完全相同。引脚如图3-3所示。

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1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 19 18 9 17 16 P10 P00 38 P11 P01 P12 P02 P13 P03 P14 P04 P15 P05 P16 P06 P17 P07 INTI P20 INT0 P21 P22 T1 P23 T2 P24 P25 EA/VP P26 P27 X1 X2 RESET RXD TXD RD ALE/P 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 30 29 39 89C51 、图 3-3 89C51引脚

3.2.3 控制器

控制器是用来控制计算机工作的部件，它包括程序计数器、指令寄存器、指令寄存器、堆栈指针、数据指针、指令译码器、时钟发生器和定时控制逻辑等。控制器的功能是接受来自存储器的指令，进行译码，并通过定时和控制电路，在规定时刻发出指令操作所需的各种控制指令和CPU外部所需的各种控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。

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3.3 数据采集系统设计

在本系统中需要采集的参数为水表量、电表量、以及防火自动报警、防盗自动报警两个开关量。我们要选择电表、水表以及防火、防盗中需要用到的传感器。

3.3.1 电表

FD95系统脉冲电度表是测量交流有功电能的感应仪表，并能把电能转换成与之成正比的脉冲数，用于本系统。其通用技术指标：

额定电压：220伏交流 额定频率：50赫兹

标定电流：5（20）安培 10（40）安培 20（80）安培 30（100）安培 精度等级：±2%

工作环境：-10摄氏度～+50摄氏度 脉冲比率：2imp/r（每盘转数为2个脉冲） 脉冲宽度：80毫秒

额定脉冲输出容量：20毫安 直流输入电压：5伏直流

3.3.2 水表

LXSC系列旋翼式水表主要用于记录流径管道内的自来水量，并能将自来水使用量转换成脉冲信号，进行远程抄表和计量。

最大流量：3～-30立方米/小时 最小流量：0.045～0.3立方米/小时 口 径：15～50毫米 水 温：小于40摄氏度 公称压力：小于1兆帕

示值误差：从包括最小流量至不包括分界流量的低区为：±5%； 从包括分界流量至包括最大流量的高区为：±2%

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3.3.3 防盗报警

采用8～10μm波长的双元件热释电红外线传感器，它可以检测人体发射的红外线，与穿的衣服多少无关。采用双元件的传感器可以消除环境温度变化引起的误操作。为提供高检测距离，采用焦距为15～20mm的菲涅耳透镜，这样可检测距离为10～12m视野约700。

当有人进入该视野时就会产生一个交流电压，这电压的频率与移动的速度有关。在正常行走速度下，其频率约为6Hz左右。

人体检测电路的框图如图3-4所示。

传感器 放大滤波 比较器 基准电压 驱动电路 延时电路 蜂鸣器 继电器

图3-4 人体检测电路框图

3.3.4 防火报警

在防火报警电路中我们采用了离子感烟传感器UD－02。采用放射同位素组成的离子感烟传感器在60年代开始推广应用，到现在已发展有20多个品种，并且大多已系列化、标准化。随着对火灾预防的重视，数量日益增加，如英国年产量在80年代已超过300万只。有些国家已将火灾自动报警器列为国家标准，纳入建筑设计规范。采用单片机或微机组成的火灾报警系统也得到广泛的应用，其传感器主要是红外及感烟传感器（特别适用于室内）。 1. 工作原理

离子感烟传感器由内外两个电离室组成。外电离室有孔与外界相通，烟雾可进入电离室，而内电离室是密封的，烟雾不能进入。由于烟雾进入外电离室，使两者离子电流不同，输出与烟雾成比例的信号。

在电离室有P1和P2一对电极，在这对电极之间放有放射性同位素镅－241的α放射源。由于这个放射源能连续地发出α射线，使极间空气电离为正离子即电子。这样两电极间就具有导电性。当在这对电极上加电压E时，则正负离子就向极性相反

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的方向移动。离子移动称为离子电流（IP），离子电流与外加电压E的大小有关：电压E愈高，则离子电流愈大；到电压高到一定值时呈饱和状态，这饱和离子电流为IS。

当电离室进入燃烧生成物和烟雾时，部分正离子和负离子被吸附到燃烧生成物和烟雾颗粒上（燃烧生成物、烟雾比离子大一千倍左右），因此它们在电场中的移动速度就比原来的慢，并且在移动中有正负离子中和，这样到达电极的离子数相对减少，即离子电流减小了。烟雾数量越多，则离子电流越小，相当于等效电阻增加了。内电离室是密封的，由于无烟雾颗粒进入，离子电流是恒定的。内电离室与外电离室是串连的。

2. UD－02型离子感烟传感器

在本设计中我们采用UD－02型离子感烟传感器。它灵敏度高，可靠性好。它具有两个离子室及一个放射源（镅－241，0.9μCi）装置简单，安装方便。它有三个电极：A电极（接＋9V），B电极（接地），C电极（收集电极）。在20o±5oC，在近海平面清洁空气条件下的特性为：

收集电极的平衡电位为5.0～5.6V；在有烟时，收集电极的电位变化为1.1～1.2V（4%阴暗度/英尺）；极间电容为4pF；镅－241放射源为0.81～0.99μCi；重量为12g；主要材料为不锈钢及塑料。

3.3.5 8选1转换开关74LS151

由于我们要检测一个单元16户的4种信息量，我们选用了8选1的转换开关。每两个成为一组构成16选1的转换开关用来传送1种信息量。如图3-5所示。

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图3-5 转换开关74LS151

假设四根地址线接在CPU的I/O上，如果我们要采集第1户到第8户的数据，则地址范围为0000H～0111H；如果要采集第9户到第16户的数据，则地址范围为1000H～1111H。数据从Z口通过一个或门输入到CPU中。这样就完成了对一户的一种数据的采集过程。

3.3.6 8255A并行I/O接口芯片

由于我们采集的数据量较多，因此CPU的I/O口线不够用，所以我们使用8255A来扩展I/O口，以满足系统的要求。

8255A是Intel公司生产的通用可编程并行I/O接口芯片。89C51和8255A相连可为外设提供三个8位I/O端口，允许采用同步、异步和中断方式传送I/O数据。 1. 内部结构和引脚功能

（1）内部结构

8255A内部由四部分电路组成。它们是A口、B口和C口，A组控制器和B控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑，如图3-6所示。

数据总线缓冲器。它是一个8位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连。

读/写控制逻辑。根据单片机的地址信息（A1、A0）与控制信息（RD、WR、RESET），控制片内数据、CPU控制字、外设状态信息的传送。

控制电路。根据CPU送来的控制字使所管I/O接口按一定方式工作。对C口甚至可按位实现“置位”或“复位”。

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有A、B两组控制电路。A组控制电路控制A口及C口的高4位（PC7～PC4），B组控制电路控制B口及C口的低4位（PC3～PC0）。

双向数据总线 数据 总线 缓冲器 D7～D0 内部数据总线 RDWRA组 C口 A组 控制 A组 A口 I/O PA7～PA0 I/O PC7～PC4 I/O PC3～PC0 读/写控制逻辑 B组控制 B组 C口 A1 A0 RESET CS B组 B口 I/O PB7～PB0 图3-6 8255A芯片的内部结构图

并行I/O接口。有A、B、C三个端口。

A口：可编程为8位输入，或8位输出，或双向传送。 B口：可编程为8位输入，或8位输出，但不能双向传送。

C口：可分为两个4位口，用于输入或输出；也可用作A口、B口的状态控制信号。

（2）引脚功能

8255A有40条引脚，采用双列直插式封装。如图3-7所示。

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34 33 32 31 30 29 28 27 5 36 9 8 35 6 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 D0 PA0 D1 PA1 D2 PA2 D3 PA3 D4 PA4 D5 PA5 D6 PA6 D7 PA7 RD PB0 WR PB1 A0 PB2 A1 PB3 8255A RESET PB4 CS PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 图 3-7 8255A引脚

2.8255A与CPU的接口

8255A与单片机间有3组连线：D7～D0 8根数据线依次与P0口的P0.7～P0.0一一对应连接：RD、WR、RESET等3根控制线与单片机的同名引脚互连；片选端CS则与P2.7相连；A1、A0两根地址线与单片机的两个I/O引脚连接。8255与CPU的接口连线如图3-8所示。

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图3-8 8255与CPU的接口

3.4 数据存储

由于我们需要保存一定的数据，根据保存的数据量，我们选用了28C64为外扩的数据存储器。

3.4.1 28C64的引脚

28C64属于E2PROM，它可以在线擦写，不需要专门的设备，擦写电压为＋5V，与单片机的电压相同，另外可以以字节为单元擦写，不能整片擦写。它的引脚如图3-9所示。

28C64为8K×8的数据存储器，它有13根地址线A0～A12，有8根数据线D0～D7，用于传送数据。还具有四个控制线，分别为读信号线CE、写信号线WE以及两根片选线CS2和CS1。

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10 9 8 7 6 5 4 3 25 24 21 23 2 22 27 26 20 11 12 13 15 16 17 18 19 A0 D0 A1 D1 A2 D2 A3 D3 A4 D4 A5 D5 A6 D6 A7 D7 A8 A9 A10 A11 A12 CE WE CS2 CS1 28C64

图 3-9 28C64的引脚

3.4.2 28C64的工作方式的特点

写入方式为字节写入和页面写入两种。页面写入方式是为了提高写入的速度而设置的。28C64的整个存储阵列分为512页，每页16个字。页地址由A4～A12确定。每页中的某一单元由A0～A32选定。页面写入方式分两步进行。第一步是加载，由CPU向页缓冲器写入一页数据。第二步是页存储，在芯片内部电路控制下，擦除所选中的内容，并将页缓冲器中的数据写入指定的存储单元。

在28C64编程过程中，允许CPU读取当前写入最后一个单元的内容。若当前页缓冲器中的数据没有全部写入存储单元，则读出数据的最高位是写入字节最高位的反码。若读出的数据和写入的相同，表示当前页缓冲器中的数据已经完成写入，CPU可继续输入下一页数据。

3.4.3 28C64与CPU的接口

28C64为8K×8的数据存储器，因此它有13根地址线。CPU的P0口通过地址锁

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存器74LS373与28C64的地址线A0～A7相连，剩余的五根地址线A8～A12与P2口的P2.0～P2.4相连。28C64的数据线D0～D7与P0口相连。CE、WE分别与CPU的RD、WR相连。CS作为片选与P2.5相连，通过对P2.5的置位和复位来确定是否选通数据存储器。系统如图3-10所示。

图3-10 28C64与CPU的接口

3.5 显示系统设计

在本设计中，由于显示的位数比较多，我们采用一种专门的键盘/显示器接口芯片8279。用它与LED数码管相连构成一个动态显示的显示电路。所谓动态显示就是动态扫描各数码管式轮流点亮的，由于视觉的暂留现象，却好像都点亮着。实际控制数码管点亮的位选信号是依次逐一送出的，而每数码管应显示数码的比划信息则与其位选信号同时送给，于是各管将按序一一亮出自己的数码；待各管都轮到后，又再从头轮起，反复不已。对于动态扫描，轮到某管、等待该管点亮必须留给一段恰当的时间。时间过短，数码管来不及点亮；时间过长，其他数码管将熄灭，不能显示。

3.5.1 8279可编程键盘/显示器接口芯片

INTEL8279是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单片器件就能够完成键盘输入和显示控制两种功能。

键盘部分提供一种扫描的工作方式，可以和具有64个按键的矩阵键盘相连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别按下的键并给出编码，能对双键或n键同时

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按下实行保护。

显示部分为发光二极管、荧光管及其它显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号，可以显示多达16位的字符或数字。 1. 8279的组成和基本工作原理

（1）输入/输出控制及数据缓冲器

数据缓冲器是双向缓冲器，用于传送CPU和8279之间的命令或数据。 A0用于区别信息的状态。

A0=1，输入：指令 输出：状态字 A0=0，输入：数据 输出：数据 （2）控制与定时寄存器及定时控制

控制与定时寄存器用于寄存键盘及显示的工作方式，以及由CPU编程的其它操作方式。

定时控制包括基本的计数链。首级计数器是一个可编程的N级计数器，N可在2-31之间由软件控制，以便从外部时钟CLK得到内部所需要的100KHZ时钟信号。然后经过分频为键盘提供适当的逐行扫描频率和显示的扫描时间。

（3）扫描计数器

扫描计数器有两种工作方式。按编码方式工作时，计数器作二进制计数。四位计数状态从扫描线SL0-SL3输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描线。按译码方式工作时，扫描计数器的最低二位被译码后，从SL0-SL3输出。

（4）回复缓冲器、键盘消抖及控制

来自RL0-RL78根回复线的回复信号，由回复缓冲器缓冲并储存。

在键盘工作方式中，这些线被接到键盘矩阵的列线。在逐行扫描时，回复线用来搜索一行中闭合的键。当某一键闭合时，消振电路就被置位，延时等待100mS之后，再检验该键是否是连续保持闭合。若闭合，则该键的地址和附加的位移、控制状态一起形成键盘数据被送入8279内部的FIFO存储器。键盘的数据格式如下：

D7 控制 D6 移位 D5D4D3 扫描 D2D1D0 回复 控制和位移（D7和D6）的状态由两个独立的附加开关决定，而扫描（D5、D4、D3）和回复（D2、D1、D0）则是被按键的位置数据。D5、D4、D3三位来自扫描计数

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器，是按键的行编码，而D2、D1、D0三位则是来自列计数器，它们是根据回复信号而确定的列编码。

在传感器矩阵方式中，回复线的内容直接被送往相应的传感器RAM（即FIFO存储器）。

在选通输入方式时，回复线的内容在CNTL/STB线的脉冲上升沿时，被送入FIFO存储器。

（5）FIFO/传感器RAM及其状态

FIFO/传感器RAM是一个双重功能的8X8RAM。在键盘或选通工作方式时，它是FIFO存储器。每次新的输入都顺序写入到RAM 单元，而每次读出时，总是按输入的顺序，将最先输入的数据读出。FIFO状态寄存器用来存放FIFORAM的工作状态。例如：RAM是满还是空；其中存有多少字符；是否操作出错等等。当FIFO存储器不空时，状态逻辑将产生IRQ=1信号，向CPU申请中断。

在传感器矩阵方式时，这个存储器又是传感器RAM。它存放着传感器矩阵中每一个传感器的状态。在此方式中，若检索出传感器的变化，IRQ信号便变为高电平，向CPU请求中断。

（6）显示RAM和显示地址寄存器

显示RAM用来存储显示数据。该区具有16个字节，也就是最多可以存储16个字节的显示信息。显示地址寄存器用来积存由CPU进行读/写的显示RAM的地址，它可以由命令设定，也可以设置成每次读出或写入之后自动递增。 2. 8279的引脚

8279的引脚图如图3-11所示。 8279采用40引脚，双列只插式封装。

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27 26 25 24 12 13 14 15 16 17 18 19 4 22 10 11 21 3 9 31 30 29 28 23 32 33 34 35 38 39 1 2 5 6 7 8 36 37 OUIA0 OUIB0 OUIA1 OUIB1 OUIA2 OUIB2 OUIA3 OUIB3 DB0 BD DB1 DB2 SL0 DB3 SL1 DB4 SL2 DB5 SL3 DB6 DB7 RL0 RL1 IRQ RL2 RL3 CS RL4 RD RL5 WT RL6 A0 RL7 CLK SHIFT RESET CNTL/STB 8279

图3-11 8279的引脚

3.5.2 显示电路

由8279构成的显示电路如图3-12所示。

因为我们的显示位数比较多，所以我们选择了专用的显示芯片8279来完成显示任务。

8279的数据线DB0～DB7与CPU的P0口相连，用于数据的传送。8279的OUTA0～OUTA3与OUTB0～OUTB3共8根线，通过驱动芯片7406与数码管LED相连，作为数码管显示的段选线。8279的SL0～SL2通过3－8译码器74LS138再经驱动与数码管相连作为数码显示的位选。

SL0～SL2可以用作编码方式也可以用作译码方式，在本系统中我们采用译码方式。

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图3-12显示电路

3.6 传输部分

在本系统中，我们采集的数据要每天向管理中心传送一次，便于对数据的统计、汇总、核算以及处理。在方案论证部分我们介绍了两种方式即电力线载波方式和总线方式。在本设计中，我们采用总线方式进行传输即串行异步通信方式，因此我们需要采用RS－232C标准。

3.6.1串行通信

数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。通常根据信息传送距离决定采用哪种通信方式。

并行数据通信是指数据的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式。其优点是传送速度快；缺点是数据有多少位，就须要多少根传送线。

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串行数据通信指数据是一位一位顺序传送的通信方式，它的突出优点是只需一对传送线（利用电话线就可作为传送线），这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信；其缺点是传送速度较低。假设并行传送n位数据所需时间为t，那么串行传送的时间至少为nt，实际上总是大于nt的。

串行通信的传送方式通常有三种：一种为单向（或单工）配置，只允许数据向一个方向传送；另一种是半双向（或半双工）配置，允许数据向两个方向中的任一方向传送，但每次只能有一个站发送；第三种传送方式是全双向（全双工）配置，允许同时双向传送数据，因此，全双工配置是一对单向配置，它要求两端的通信设备都具有完整和独立的发送和接收能力。

串行通信有两种基本通信方式，即异步通信和同步通信。 1. 异步通信

在异步通信中，数据是一帧一帧（包含一个字符代码和一个字节数据）传送的。 在帧格式中，一个字符由四个部分组成：起始位，数据位，奇偶校验位和停止位。首先是一个起始位“0”，然后是5～8位数据位（规定低位在前，高位在后），接下来是奇偶校验位（可省略），最后是停止位“1”。起始位“0”信号只占一位，用来通知接收设备一个待接收的字符开始到来。线路上在不传送字符时应保持为“1”。接收端不断检测线路的状态，若连续为“1”以后又测到一个“0”就知道发来一个新字符，应马上准备接收。字符的起始位还被用作同步接收端的时钟，以保证以后的接收能正确进行。

起始位后面紧接着是数据位，它可以是5位（D0～D4），6位，7位或8位（D0～D7）。

奇偶校验（D8）只占一位，但在字符中也可以规定不同奇偶校验位，则这时这一位就可省去。也可用这一位（1/0）来确定这一帧中的字符所代表信息的性质（地址/数据等）。

停止位用来表征字符的结束，它一定是高电位（逻辑“1”）。停止位可以是1位，1.5位或2位。接收端收到停止位后，知道上一字符已传送完毕，同时，也为接收下一个字符作好准备——只要再收到“0”就是新的字符起始位。若停止位以后不是紧接着传送下一个字符，则让线路上保持为“1”。例如，规定用ASCII编码，字符为七位，加一个奇偶校验位，一个起始位，一个停止位，则一帧共十位。

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在一帧信息中，每一位的传送时间（位宽）是固定的，用位传送时间Td表示。Td的倒数称为波特率（Baud rate），波特率表示每秒传送的位数。 2. 同步通信

同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示（常约定1～2个），并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示。

同步字符的插入可以是单同步字符方式或双同步字符方式，然后是连续的数据块。同步字符可以由用户约定，当然也可以采用ASCII码中规定的SYN代码，即16H。按同步方式通信时，先发送同步字符，接收方检测到同步字符后，即准备接收数据。

在同步传送时，要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步。为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要把时钟信号同时传送。

同步传送的优点是可以提高传送速率（达56kb/s或更高）但硬件比较复杂。

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3.6.2 接口电路

1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 19 18 9 17 16 P10 P00 P11 P01 P12 P02 P13 P03 P14 P04 P15 P05 P16 P06 P17 P07 INTI P20 INT0 P21 P22 T1 P23 T2 P24 P25 EA/VP P26 P27 X1 X2 RESET RXD TXD PD ALE/P WR RSEN 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 30 29 + C1 15 C2 + 13 8 11 10 1 3 2 6 16 +5 由于89C51与RS232不能直接接口，他们之间需要用到一个接口芯片MAX232，MAX232是MAXIM公司生产的，包含两路接收器和驱动器的IC芯片，其内部有一个电源电压变换器，可以把输出的＋5V电压变换成RS232输出电平所需要的±10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需要＋5V电源就可以了。电路图如图3-12所示。

89C51 MAX232 12 9 14 7 4 5 R1 IN V+ V- VCC R1 OUT R2 IN R2 OUT T1 IN T1 OUT T2 IN T2 OUT C1+ C2+ C1- GND C2- 图3-12 传输电路

3.7 电源

由于我们的系统只用到了一个＋5V的电源，所以我们选择了LM7805三端稳压器

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产生一个＋5V的电源。其电路如图 3-13 所示。

图 3-13 电源电路

三端固定输出集成稳压器，它是一种串连调整式稳压器。它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入、输出和公共三个引出端，使用非常方便。典型的有78××正电压输出系列，79××负电压输出系列。

当输入的电压VI、输出电流IO或温度变化时，输出电压VO可保持不变；另外，当输出短路。可使输出电流IO限制为一定值；若稳压器过热，则它就停止工作，以免稳压器遭到损坏。

三端固定输出电压集成稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良、可靠性高。有因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以我们选用了这种芯片。

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第4章 系统软件设计

4.1 软件构思

我们的智能小区数据采集系统主要是对电表和水表的计量，还有防火和防盗报警。其中对电表和水表的计量是系统的主要内容。

我们对电表和水表的计量是采用检测到的脉冲的个数来进行计算和存储的。对于电表，当检测到2000个脉冲，即电表转2000转就算作一度电。水表的计量与此类似。由于我们检测的脉冲宽度大概为80ms，我们同时对16户家庭的电表和水表进行检测，所以检测周期应设为5ms，大于这个周期就有可能漏掉某一户的脉冲没有检测到，小于这个周期有可能某一户的一个脉冲检测了两遍，造成计数不准。

在检测电表和水表数据的同时，可能有按键产生的中断，系统会去执行中断程序，会漏掉检测某个脉冲。但是在我们的系统中，这种误差可以忽略不计。

整个系统的软件用模块化结构的设计思想，它主要由主程序和若干功能子程序及内部中断处理程序构成，结构简单、实用性强。

4.2 数据流程

系统上电后首先对系统进行初始化，然后就要执行主程序即对数据进行采集。 第一步对8255A进行初始化。 第二步选择通道即选中一户。

第三步读取这一户的水表、电表信息，如果有脉冲即表示水表、电表转了一圈，就在相应的寄存器中加一。因为电表转2000转就表示用了一度电，水表转2000转就表示用了一吨水，所以在此时要查看寄存器中的数据是否到了2000，如果为2000就要将数据存储到外扩的数据存储器当中去，否则继续执行主程序。

第四步就要读防火、防盗报警信息两个开关量信息，查看这一户是否有报警。如果有高低电平的变化，则表示有报警，就要去执行报警子程序，采取必要的措施，否则就继续执行主程序。

到这里，系统已经把一户的四个信息量全部读完了。第五步就要查询是否已经读

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完16户的信息了。如果还没有读完，就把通道数加一，继续读下一户的数据，返回第三步重复执行上述步骤。如果已经读完16户的信息了，接下来就要扫描键盘了，看是否有键按下，则进入键盘扫描程序执行。按照所按下的键的指示，来显示用户所需要的信息。

执行完以上步骤后，程序返回到第二步，进行下一轮的采集。如此反复执行。

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4.3 程序流程图

4.3.1 主程序

开始 系统初始化 初始化8255 通道选择第1户 读取水电数据 是否有脉冲？ Y T0、T1加1 N 是否为2000？ Y 存储到数据存储器 N 读报警信息 Y 是否有报警？ 报警子程序 N Y 键盘子程序 是第16户吗？ N 户加1 延时 图4-1 主程序流程图

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4.3.2 键盘子程序

开始 是P1.2吗？ Y R0加1 N 延时 N 是P1.3吗？ Y 是P1.0吗？ Y LED亮，调显示子程序 是P1.1吗？ Y LED亮，调显示子程序 N 返回 N 图4-2 键盘子程序流程图

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4.3.3 显示子程序

开始 延时 置8279工作方式 清除LED显示 保护现场 恢复现场 设定显示位置 返回 查显示常数表 输出数据 显示时间到？ N Y 切换位数 N 是第7位吗？ Y 显示数据 图4-3 显示子程序流程图

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结 论

本论文首先介绍了国内外自动抄表计费系统的发展情况，接着对本自动抄表计费系统进行了简要的描述。然后阐述了数据采集模块和通信控制模块的通信方式及使用的通信介质。着重讲述了传输系统的概述以及对系统的设计。在系统的概述中重点讲解了传输线路和硬件结构。在系统设计方面重点讲述了数据采集模块、通信控制模块。

本论文主要通过对数据采样，信号传输的介绍分析，对经济，环保，抗干扰，稳定，准确，可实施性的考虑，详细讲述了采集2个脉冲量信号（水表、电表）和2个开关量信号（防盗信息、防火信息），通过方案一构成了自动抄表系统的数据采集单元。硬件方面通过以单片机AT89C51（以8255A拓展接口）为核心，28C64为存储器，8279芯片与译码器74LS138为主体来完成显示功能，LM7805三端稳压器稳定+5V电源等构成了自动抄表系统，并通过串行通信RS-232C总线传输与信息管理中心连接；软件方面通过逻辑的循环，完成了用户选择，水表、电表的选择，进行对某户某表进行查找，并保持有防火、防盗的报警时刻检测的流程图。来完成整个自动抄表计费的整个流程，以达到对整个设计是否达到住宅小区自动计费系统设计的论证。

本论文中采用自动计费抄表系统不但可以解决人工查表的缺点和不足，大大提高查表的准确性，避免入户查表的不安全，也方便水、电、气管理部门的经营管理，大大减少国家和单位的损失，同时防火、防盗对小区住户的居住，出入安全也有了一定的保障。

通过这次设计和制作,我感触很深，既体验了作为一个工程技术人员工作时的艰辛,又感受到了毕业设计完成时才能体会到的感觉。使我懂得了进行具体产品设计时所要经历的各个不同环节和其中应该注意的具体问题。并通过这一段对专业课知识的复习和巩固,使自己对以前所学过的知识有了一个整体的认识,并加深了对他们的理解,丰富了自己的知识体系，这也证明，理论只有和实践结合起来才是最有成果的。

这次毕业设计的过程,培养了我们严谨认真,注重实践的习惯，为今后我们能够更好的适应这个多变的社会,打下坚实的基础。

在设计中我们尽量做到完善。但在这次毕业设计中还存在很多不能令人满意的地方，这些地方也暴露了我们在以前学习过程中的疏漏之处。我一定会在以后的工作中逐步的改正。

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