电能计量装置的无线抄表系统的设计

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY

毕业设计（论文）

题目： 电能计量装置的无线抄表系统

学生姓名： 王晓聪 学 号： 200857050105 班 级: 055710801 专 业： 电子信息工程 指导教师： 唐国红

2012 年4月

电能计量装置的无线抄表系统

学生姓名： 王晓聪 学 号： 200857050105 班 级： 055710801 所在院(系): 电气与信息工程学院 指导教师： 唐国红 完成日期: 2012年6月15日

电能计量装置的无线抄表系统

电能计量装置的无线抄表系统的设计

摘要

随着社会信息化的发展，电能计量、电费核算及收缴的及时性和准确性已成为生产和生活的重要课题。传统的抄表方式是人工登门抄表，人工核算，人工收费，带来的是手续繁琐，统计工作量大，抄表不准确等问题。随着人们生活质量的提高，以及建设部关于建立全国住宅小区智能化技术示范工程文件的下发，抄表方式正逐渐向IC卡预付费和远程抄表方式转变。随着现代电子技术的发展，通讯技术和计算机网络技术都有了飞速进步，而二者的结合又进一步演化出许多新的通讯方式和通讯系统，为自动抄表即自动抄表系统的实现提供了更多的现实可能。在行业信息化过程之中，户表数据的自动化抄送具有非常重大的意义。本设计从硬件设计和软件设计两方面提出无线抄表技术的解决方案。

无线抄表系统由单片机、电源电路、串行通信电路、显示电路、键盘设置电路、存储器等组成。本设计中介绍了一种利用87C51单片机和nRF401无线通讯芯片构成的手持无线抄表终端和电能控制终端。nRF401无线传输模块是无线抄表系统中的核心部分，它的主要任务是采集电子式电度表的数据。这样抄表数据就可以准确快捷地通过无线通讯传输到手持抄表终端上，这就大大降低了抄表人员的劳动强度，提高了工作效率，优化了工作流程。

关键词：单片机；无线抄表；nRF401无线传输模块；无线串行通信

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电能计量装置的无线抄表系统

THE DESIGNING OF WIRELESS METER READIND SYSTEM

0F ENERGY METERING DEVICES

ABSTRACT

With the development of information society, the timeliness and accuracy of energy metering, electricity accounts and the collection has become an important subject of production and life. The Traditional method of meter reading is manual door meter reading, artificial accounting, labor charges, there is some problem of cumbersome, large amount of statistical work, the meter is not accurate and so on. With the improvement of the quality of life, as well as the Ministry of Construction issued on the establishment of a nationwide residential intelligent technology demonstration project file, the meter reading is gradually changes to the IC card pre-paid and remote meter reading. With the development of modern electronic technology, communication technology and computer network technology has made rapid progress, while the combination of the two further evolved many new means of communication and communication systems,

providing more realistic chances to the

implementation of automatic meter reading system.In the information—based industries process，It is of great significance for table households automation to copy data. The design apply proposed solutions from two aspect of hardware and software for wireless meter reading technology.

This wireless meter reading system is consisted by microcontroller，power supply circuit，serial communication，display circuits，circuit keyboard settings，memory and other components The design introduces handheld wireless meter reading terminal and Power control terminal use of SCM and wireless communication chip microcontroller of nRF401. The nRF401-based witless network meter reading technology is the core part of the system, Its main task is to collect electronic meter data. So that the meter reading data can be transported through the wireless communication to the handheld meter reading terminal

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accurately and quickly, which greatly reduces the labor intensity of the meter reading staff, improve the work efficiency, and optimize the workflow.

Key words：SCM；Wireless Meter Reading；nRF401 wireless transmission module;

Wireless Serial Communication.

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电能计量装置的无线抄表系统

目录

1 绪论 ........................................................................................................................................ 1

1.1设计的现状和发展趋势 ............................................................................................... 2 1.2 课题简介 ...................................................................................................................... 3 2 方案的设计与论证 ................................................................................................................ 4

2.1各种无线传输技术的比较 ........................................................................................... 4 2.2系统原理图 ................................................................................................................... 6 3 硬件设计 ................................................................................................................................ 9

3.1无线传输系统 ............................................................................................................... 9

3.1.1 应用电路及设计应注意问题 .......................................................................... 11 3.1.2 通信协议的设计 .............................................................................................. 15 3.2手持终端版设计 ......................................................................................................... 16

3.2.1手持抄表终端的功能及结构 ........................................................................... 16 3.2.2 手持终端板电路图 .......................................................................................... 19 3.2.3抄表流程 ........................................................................................................... 20 3.2.4数据记录 ........................................................................................................... 21 3.3电能控制板设计 ......................................................................................................... 21 4 软件设计 .............................................................................................................................. 24

4.1手持抄表终端软件设计 ............................................................................................. 24 4.2电能控制板软件设计 ................................................................................................. 26 5 总结 ...................................................................................................................................... 28 参考文献 .................................................................................................................................. 29 致谢 .......................................................................................................................................... 30 附录A 手持终端板电路图 ...................................................................................................... 1 附录B 电能控制板电路图 ...................................................................................................... 2

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电能计量装置的无线抄表系统

1 绪论

长期以来，水电供应部门对用户电表、水表、煤气计量都采用传统的手工抄表方式，该方法费时、费力，缺乏准确性和及时性，不利于供应部门进行更深层次的分析和管理决策，在行业信息化过程之中，户表数据的 自动化抄送具有非常重大的意义。准确的计量用电关系到用电户和电力公司双方的利益，因而越来越受到重视。特别是在城乡电网改造实现“一户一表”后，抄表的数量和工作量爆炸性增长，电力信息系统的建设和完善愈显重要。

经济改革的深入，电能计量、电费核算及收缴的及时性和准确性已成为用电企业的重要课题；而且目前我国电能数据的采集基本上为手工抄表，需要抄表人员走家串户，每月或每两月抄一次，再通过微机或手工制作的电费单催缴用户缴费，存在着错抄、漏抄、估抄等问题。自动抄表系统的研制与应用时解决上述问题的有效途径之一，而无线抄表系统则是自动抄表系统中一种较优的方式。该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的水平。

随着经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，长期以来，电表数据抄送问题都是相关供应部门非常想解决的问题。因此，在行业信息化过程中，用户电表数据的自动化抄表具有非常重大的意义。况且，水、电、气等已经成为人们社会生活中必不可少的生活之需。因此，研发一款能适应于当今社会、人们生活需要的无线抄表系统其意义不言而喻！能否解决好现实生活中的抄表问题至少具有以下的现实意义：

第一，节省供电部门的人力资源，提高其经济效益。传统的手动抄表是要由劳动力挨家挨户的去抄写，这样的抄表方式不但需要大量的劳动力资源，工作效率低下，而且还时常会出现抄表错误，漏抄的情况，造成供应部门亏损。无线抄表系统则可以节省相当一部分的劳动力资源，工作效率特别高，

第二，给用户带来方便。传统的手动抄表系统由人力抄写，难免有抄错、误抄的情况，这样用户和供应部门之间常常会因抄错数字或错抄而产生误会或带来不便。无线抄表系统的应用则不会出现这样的情况。

第三，实现的需要。目前应用于实际生活中的无线抄表系统还没有完全普及，随着无线抄表系统应用潜能的不断提高，许多国家都在致力于研发这样的抄表系统，无线抄

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表系统的研发与应用对于我们国家这样一个拥有13亿人口的发展中国家而言的现实意义更加重要[1]。

1.1设计的现状和发展趋势

抄表机是1985年以后才在我国开始流行起来的新名词，当年前能源部组派的访美供电考察团在他们所到过的尼亚加拉一莫哈克、休斯敦、达拉斯、洛杉矶、南加利福尼亚等地都看到了用抄表微机抄表，取消了原有的手抄写和光电输入计算机的落后方式并废弃了抄表卡簿，促进了用户信息系统的发展。

1986年我同各地电力基层电力营销管理部门开始试用抄表机来解决因用户数量迅速增加及电价日益复杂引起的抄表、计算机管理人手严重不足的矛盾；并且在其它领域的应用也有所尝试。上海木材公司于1987年进口一批美国MSI公司的PD—II抄表微机，用于码头上圆木的清点入库管理工作；国内某供电公司也进口了一小批PD-IIT型抄表微机，试用于用户用电量的抄表工作。

国内对进口抄表微机的试用，发现不能完全适应我国的抄表需要，主要原因是： (1)引进的抄表微机都只能作57点阵西文字符显示，不能显示汉字信息，不便于我国现场抄表工作。

(2)引进的抄表微机绝大部分抄表程序及格式均固化于ROM中，这在国外电价项目及类别固定的情况是适用的。而我国在20世纪80年代末期正处于经济改革阶段，不但电价项目与类别经常改变，而且电力营销管理的和方式也在逐渐变革中。因此，采用固化于ROM中的抄表程序和格式就很不放便了。

(3)引进的设备功能复杂，体积较大，不便于现场操作。

(4)国外产品价格较贵，例如ITRON的DATACAPH每台售价2000美元，在国内难以普及推广。

我国自1986年开始自行研制并推广抄表机的应用。在此后的七八年中，由于抄表机与纸卡抄表相比具有明显的优势，国内对抄表机的需求大幅度增加，抄表机在这期间获得了迅速的推广。

准确的计量用电关系到用电户和电力公司双方的利益，因而越来越受到重视。特别是在城乡电网改造实现“一户一表”后，抄表的数量和工作量爆炸性增长，电力信息系统的建设和完善愈显重要，这一切都为无线抄表系统的发展提供了有利的外部环境。随着科学技术的不断发展，社会生产生活的日益繁荣，传统的人工抄表正在逐渐的被无线手

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持抄表系统所替代，这也正是国内外一种普遍的发展趋势。无线抄表系统比之传统的老式抄表方式有许多优点，弥补了人工抄表的不方便、工作量低下以及供电部门管理困难、效率低的弊端。

无线抄表技术从研发到应用于实际不过区区光阴，目前社会上从事无线抄表系统研发和生产的企业非常之多。无线抄表系统的巨大优越性已被社会和人们广泛认同。随着我国现代化进程的不断加快，无线抄表技术在城市建设和规划，智能楼宇，大型厂矿中得到了普遍应用和推广。相信在不远的将来，这一新型技术也一定会被在广大的农村得到普及，真正为基层电力部门和电力工作者带去效益和便利！无线抄表系统可以在一定距离内无线收发数据，误码率低，它是由电能控制板和手持终端板构成，一个控制板可以读取多个电能表的数据，手持终端版可以基于不同技术．目前，主流的无线抄表系统主要有基于GPRS技术的无线抄表系统、基于Zigbee技术的无线抄表系统、基于DSP的无线抄表系统、基于GSM模块的无线抄表系统、基于蓝牙技术的无线抄表系统以及基于各种无线通信芯片的抄表系统[2]。

1.2 课题简介

根据题目要求，本设计中采用MCS-51系列单片机87C5l。以87C51单片机为核心，手持终端器通过以蓝牙技术为核心的nRF401无线收发模块接收用户的电能表数据，由单片机程序实现电能表数据采集和读取。

87C51是INTEL公司MCS-5l系列单片机中的基本型产品(能与80C5l、83C51完全兼容)。它是采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-5l的体系结构和指令系统。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，具有电改写光擦除的片内4KB EPROM[3]。

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2 方案的设计与论证

目前，无线抄表技术已经比较成熟。虽然在功能上都能实现电能计量的无线抄表，但它们的内部结构不大相同，基于的原理也不尽相同。无线抄表系统基于的无线技术也各不相同，大致有基于GPRS技术的无线抄表系统、基于Zigbee技术的无线抄表系统、基于GSM模块的无线抄表系统、基于蓝牙技术的无线抄表系统以及基于红外线技术的无线抄表系统和基于nRF401模块的无线抄表系统等等。

2.1各种无线传输技术的比较

(1)GPRS(General Packet Radio service)为通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。作为一种新的无线数据传输技术被广泛地应用到各种领域，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，同时也适用于偶尔的大量数据传输。

(2)Zigbee 技术是种基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE仅处理低级MAC层(数据链路控制层)和物理层协议，Zigbee 联盟对其网络层协议和API(应用编程接口)进行了标准化。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可以形成一个网络，对路由传输的数目则没有。Zigbee 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，完整的Zigbee 协议套件由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE 802.15.4负责物理层和链路层标准。

(3)GSM远程抄表系统由测量端和被测端两部分组成。测量端可以是一部可收发GSM短信的手机，也可以是电脑与手机的组合。受控端则是一套或多套GSM调制解调器与被测设备的组合。其中，测量端的电脑及手机完成测量期参数的设置与发送，被测端的GSM调制解调器模块接收控制参数并传送给被测设备。同时将受测设备的状态信息回送给测量端。基于GSM模块的无线抄表系统是由监控中心计算机系统、远程抄表终端和GSM无线通讯移动网三部分构成。监控中心计算机系统的主要功能是：定时向下位机发送读表指令，接收下位机发来的电度数，算出电费，然后发送短消息到用户手

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机，并生成和打印报表等。远程抄表终端的主要功能是：当接收到监控中心发来的指令时读取电度表。并发送到监控中心计算机。若存在偷电，漏电现象自动切断电源。并发送报警短信到监控中心计算机。GSM无线通讯移动网通过GSM调制解调器，建立起监控中心计算机和远程监测终端的通讯联络。

(4)蓝牙(Bluetooth)技术是一种近距离无线通信的标准，可以实现多种智能设备的无

线互连，支持数据传输和语音通讯，已成为世界上人们普遍关注的热门通信技术。蓝牙使用2.4GHz ISM(IT业、科学、医疗)全球通自由波段，最高数据传输速率1Mb/s，传输距离为10m，在增加发射功率的情况下，可以达到100m。蓝牙技术与其它类似技术相比较，更具有低成本、低功耗、体积小、点对多点连接、语音与数据混合传输以及高抗干扰能力等优点。

(5)红外无线通信利用950mm近红外段的红外线作为通信信道来实现两点间近距离

的信息传输。它一般由红外发射器、红外信道、红外接收器三部分组成。红外发射器将基带二进制数字信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外通信一般选择38KHz频率的红外信号，红外发射管发射该频率的信号，接收管收到后，输出端的电平发生改变。常用的调制方式有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制(PWM)和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制(PPM)两种方法。红外接收器接收红外信号，并实现信号的解调，完成数据通信。一般的红外抄表系统是在现场用PDA对用户电子式表计逐个进行数据的抄收，虽然这种方式实现了无纸化过程，提高了工作效率和准确性，同时也防止了抄表过程中的人为因素，但由于针对每个表具进行抄收，工作量比较大，对用户存在一定的安全隐患。红外抄表系统在此基础上增加了采集模块，通过PDA和采集模块之间的红外数据传输来实现抄表[4]。

(6)无线收发芯片CCl000是Chipcon公司推出的单片可编程RF收发芯片，它基于

Chipcon’s Smart RF技术，可工作在ISM频段(300～1000MHz)。CC1000集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。CCl000采用锁相环技术，发射频率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为300～1000MHz，适合应用跳频协议，一般可配出10或20个频点，该芯片灵敏度为-109dBm，并可自动校准，可编程输出功率为-20dBm到+10dBm，通信速率可达78.6Kbps。CC1000的主要工作参数可由一个串行接口编程设定，使用非常方便并且具有灵活性。CC1000芯片的外围元件较少，且对精度要求不高，并提供三种编码方式与微控制器接口。所以CC1000与一个微控制器和少数几个外接元件便可组成个完整的RF收发系统[5]。

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各种无线通信技术的参数比较如下表表示：

表2-1各种无线通信的比较

无线通信技术 蓝牙 Zigbee GPRS GSM 红外 基于nRF401

频段 2.4MHz 480MHZ 0～960MHz 38KHz 300～1000MHz 距离 10米左右 1米左右 1000米左右 功耗 低 低 高 低 低 低 成本 高 低 低 高 高 低 速率 1Mb/s 250Kb/s 171Kb/s 9.6Kb/s 115.5Kb/s 78.6Kb/s 2.4GHz/868MHz/915MHz 10米—100米 2.2系统原理图

这套电能计量装置无线抄表系统包括2块射频收发模块和1片INTEL公司MCS-51

系列单片机87C51，构成抄表系统的两大部分：手持终端板和电能控制板。射频收发模块采用nRF401无线通信芯片，用来实现无线数据传输；单片机用来进行数据采集后作一些相应的处理。系统硬件框图如图2.1所示。

图2.1中，4路脉冲输入信号来自4个单利脉冲电能表。工作时，单片机需定时测量

输入的脉冲，再根据脉冲数与用电量之间的比例关系即可得到用户的用电量。图中虚线框内的单片机数据采集部分是整个系统的核心部分，通过软件的编辑可实现数据采集、数据保存、数据发送和控制命令的接收以及其他数据掉电保护等重要功能。本系统采用的87C5l单片机构成图1中虚线框内所有功能模块。它内置处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时／计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信，片内时钟振荡电路。快速脉冲编程，如编写4kB片内ROM仅需12秒。在本系统中，

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电源T0PCEEPROM转换开关掉 交电 流检 供测 电模拟比较器CPUWatch DogCPU串行口显示模块四路脉冲输入接收发射模块接收发射模块串行口

图2.1 系统结构框图

单片机的资源分配为：T1作为定时器，实现单片机对脉冲量的定时采集。模拟比较器检测系统交换电源工作是否正常。一旦发生掉电情况，模拟比较器中断标志位就被置1，在主程序中不断检测这位；一旦检测到该位为1，则立即将数据写入EEPROM中保存。从掉电到保存时间很短，在这段时间内靠滤波大电容储能供电。在储能放完之前，将保存数据工作完成即可。EEPROM存储器用来保存单片机所测的脉冲数和单片机的地址等一些重要数据。Watch Dog定时器防止单片机“死机”或“跑飞”。串行口UART实现单片机发射/接收模块之间的数据交换。在本系统中，数据的无线传递是通过无线数传模块实现的。为了使模块与单片机、计算机之间的数据传送正确，必须严格按照计算机(单片机)与模块间的传输格式进行数据传送。模块的输出电平为TTL电平，它可与87C51单片机直接连接。与计算机连接时需接一个转换模块。模块与单片机、计算机之间的通信速率为9600b/s，采用1个起始位、8个数据位、1个停止位的格式，与87C51单片机的通信接口方式完全相同。计算机和模块之间的数据传输格式为：

标志字节D7H

控制字节M 数据或参数字节 第一字节为标志字节，其值为十六进制数D7，作用是标志数据传送的开始。第二字

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节为控制字节，当第二字节小于等于48（30H）时，其值代表传送数据长度。后面字节为数据，当第二字节大于48（30H）时为控制字，后面不再跟数据和参数。模块传给计算机时带CRC校验字节防误措施[6]。

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3 硬件设计

无线抄表系统的硬件构成主要包括电能控制板和手持终端板两部分。电能控制板主要用来通过定时测量输入的脉冲，再根据脉冲数与电量之间的比例关系采集用户的用电量；手持终端板则用来通过无线通信技术接收从电能控制板传输来的电能表数据。这两部分都包含有核心部件87C51单片机。由它实现电能控制板和手持终端板的数据后续处理。而连接这两个板块的则是射频收发模块，主要由nRF401无线收发芯片构成。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O口、定时/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。射频收发模块主要考虑信号发送和接收频率对晶体的要求，数据收发对天线的要求以及PCB布局等等。下面分别对各部分硬件构成做详细的介绍。

3.1无线传输系统

基于对各种无线传输技术的分析论证，本设计中决定采用无线射频模块来实现数据收发(原理图如图3.1所示)。其核心为nRF401无线收发芯片，该芯片是北欧集成电路公司(NORDIC)的产品，是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准(ETSI)EN300 200-1V1.2.1，它采用FSK 调制解调技术，最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。nRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件(约10个)，无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行编码，有两个工作频宽（433.92/434.33HZ），工作电压范围可以从2.7—5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在车辆监控、无线抄表、无线232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用[7]。

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其主要特性如下：

(1) 工作频率为国际通用的数传频段；

(2) FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合； (3) 采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好； (4) 灵敏度高，达到105dBM（nRF401）；

(5) 功耗小，接收状态250A，待机状态仅为8A（nRF401）； (6) 最大发射功率达+10dBm；

(7) 低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求； (8) 具有多个频道，可方便地切换工作频率； (9) 工作速率最高可达20Kbit/s(nRF401)；

(10)仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试；

(11)因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米(与具体使用环境及元件参数有关)。

图 3.1 无线射频模块原理图

在nRF401内部结构中，LNA是低噪声放大器。当nRF401工作在接收方式时，它

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接收来自天线的RF信号，然后通过DEM解调后从DOUT端输往控制器，从而实现无线接收数据。PA是功率放大器。当nRF401工作在发送方式时，来自DIN端的准备以无线方式输出的数据经调制后通过PA成为RF信号 然后在天线上发射从而实现无线发送数据。DIN和DOUT可以连接到控制器的位数据输入，输出端(例如RxD和TxD等)。 nRF401频率源由来自OSC的基频通过PLL和VCO频率合成器产生，晶体谐振频率取4.0MHz。合成环形滤波器外接。VCO外接电感可选22nH。

3.1.1 应用电路及设计应注意问题

在实际应用中，微控制器采用Atmel公司的AT87C51，分別用单片机的P1口各管脚控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。

接口芯片采用美信公司的RS232转换芯片MAX3316，完成单片机和计算机RS232接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能。在nRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送/接收数据或进行状态转换。在实际的设计应用中，需要注意以下几个问题： (1)天线的接入

ANT1和ANT2是接收时LNA的输入，以及发送时功率放大器的输出。连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的。在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆。射频功率放大器输出是两个开路输出三极管，配制成差分配对方式，功率放大器的VDD必须通过集电极负载，当采用差分环形天线时，VDD必须通过环形天线的中心输入。一个50欧姆的单端天线或测试仪器也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401，如图3.2所示。

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图 3.2采用单端天线时匹配网络的设计

为了获得最好的RF性能，发送和接收频率误差不能超过7010-6 (30 Hz)，这就要求晶体的稳定度不能低于±3510-6，频率的差异将会导致接收灵敏度产生-12dB/倍程的损失。例如，一个±2010-6频率精度和在温度范围内±2510-6 稳定度的晶体，最大的频率误差将会超过±4510-6。如果发送端和接收端工作在不同的温度环境，在最糟糕的情况下两方的误差将会超过9010-6，结果导致接收端灵敏度下降大约5dB。

ANT1和ANT2是接收LNA的输入及发送时的输出。nRF401的天线是以差分方式

连接到nRF401的。在天线端推荐的负载阻抗是400Q。本系统采用PCB环行天线。PCB环行天线的几何结构如图3.3所示。其中天线的物理参数为：a1——天线长度(mm)，a2一一天线宽度(mm)，b1一一环行导体宽度(mm)，b2——环行导体厚度(mm)．

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图3.3 环形天线几何结构

环行天线通过C1、C2将谐振频率调整到433MHz，其中电阻R用于控制天线的Q值，天线的环行导体宽度b1为1mm。与天线相关的电容、电阻、电感须满足精度和温度系数的要求．环行天线的等效电路如图3.4所示。根据接收和发送距离的不同要求，可调整天线几何尺寸，具体计算方法下面描述。

图 3.4 环形天线等效电路

在系统中，a1=30mm，a2=50mm，铜层厚度b2=35m，Q=50。天线的工作频率为f0设计中，发射电平S为10dBm(10mW)，接收灵敏RRF=103dBm(0.05012pW)，可以计算

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出天线的效率η以及信号理想传输距离D。如下：

aa1a20.03m0.05m0.03873mb0.35b20.24b10.350.000035m0.240.001m0.00025m

环形天线等效电路各电感值:

aaLA20[Ln()0.774]132.27nHbaL1024.33nH2

环形天线等效电路电阻值:

cRR31171(A4)，，RR0.30710f0Ala1a2f00RLRS0.42008pb1b22f0(LAL1)RXRRRL7.81222Q

无线传输效率为：

2RR0.03596(14.4dB)RRRLRX D4系统的理想通信距离大约为：

S884m

2PRF（2）与单片机公用一个晶振

nRF401 可以与单片机共用一个晶振，图3.5 表示了这种应用的连接方式。需要注意从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。

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图 3.5 nRF401 与单片机共用一个晶振

3.1.2 通信协议的设计

nRF401在很多时候用在便携及移动式设备，在这种应用中需要尽可能长时间的工作，考虑到电池的能耗，往往需要考虑节能和低功耗设计的问题．为了节能，nRF401平时大多数情况下应处于关闭状态，由于无线部分硬件上是不具备自动唤醒功能的，为了达到节能的目的，必须通过软件方式采用合理的通信协议以保证节能同时不丢失数据。

(1)首先每次发送应该有一个前置码，通常可采用101010101010……，持续一个给定的周期(比如1秒)，这个前置码是节能的基础。

(2)接收端平时可以开启接收几个毫秒，如果没有收到规定的前置101010101010…，然后关闭约1秒，通过检测前置码而获得同步。开关的时间比也就是工作的占空比，增加前置码的周期可以减少工作的时间，从而减少平均工作电流；需要注意的是增加前置码的长度虽然可以降低功耗，但是会降低系统的响应速度，需要根据系统的要求进行确定[9][10]。 软件设计

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在设计程序吋，要注意各状态转换的时延。nRF401的通讯速率最高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式：接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式吋，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。

3.2手持终端版设计

3.2.1手持抄表终端的功能及结构

(1)手持抄表终端应具备无线通讯功能，考虑到它不应该占用国家管理的频谱，以及

不对其它设备产生干扰，它应该工作在ISM范围内；其次，发射功率在满足通讯要求的条件下应足够小，有效通讯距离一般在10m范围内；通讯的可靠性应较高，且具有检错和纠错的能力。

(2)手持抄表终端可以按操作人员指定的目标抄收某特定数据，也可对指定的某栋建筑的所有用户按顺序抄收全部数据。手持抄表终端应具有相当容量的数据记录和存储能力。记录的内容包括用户的基本情况和实际抄收的数据，数据的记录要绝对可靠。 (3)手持抄表终端应具有汉字显示，抄表人员可以检查用户的情况，观察抄收的数据是否正常，抄收是否完成等。

(4)手持抄表终端应有与PC机进行通讯的串行接口。我们设计的工作模式是：抄表人员出门前，先从管理部门的PC机中下载他即将去抄收的小区用户的有关基本数据，到达小区后手持抄表终端即自动发出信号，实现数据的抄收，工作人员无须干预，但可从手持抄表终端的显示器上观察抄收的有关情况。抄收结束后，通过串行接口将抄收的数据上传到PC机中，然后进行相应的处理。整个过程无须抄收人员的介入，保证了数据的正确可靠，杜绝了一些可能出现的漏洞。

(5)手持抄表终端应具有很低的功耗和较小的体积，以便携带使用。

根据上述考虑，我们设计的手持无线抄表终端的结构如图3.8所示。使用可低电压工作、低功耗的87C51单片机，它是手持终端版的核心部件。利用nRF401装置接收用户电能表数据后，通过单片机程序适当处理后，即能由手持终端板读取出来。其结构图如下所示。手持终端外部扩展有128的点阵液晶显示器、无线通讯接口、实时时钟、按键，下面分别给予介绍。

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按键 语音播报 语音播报 PB4-7 PB0-2 PB3 87C51 DAC1 Rx、Tx 显示模块 串行口 接收/发射 模块 转 换 开 关 PC 图3.8手持终端版结构图

(1）手持抄表终端应具有较强的汉字显示能力，为此使用了128的点阵液晶显示器，它最多可以显示4行、每行8个汉字。这里使用的是内部带有T6963A控制器的MLS128T，它与单片机之间通过并行接口连接。每个显示点对应一位二进制数，1表示亮，0表示灭。要显示某个图形或汉字就是将相应的点阵信息写入到相应的存储单元中。液晶显示器需要的负电压利用单片机的ALE脉冲变换后得到，电路简单实用。 (2)无线通讯接口使用单片收发芯片nRF401，这是一片为433MHz ISM频段设计的单片UHF无线收发芯片，采用FSK调制解调技术，最大发射功率+10dBm且可以调整。最大通讯速率可以达到20KB/s。天线接口采用差分天线，因此可以使用低成本的PCB天线。nRF401的工作电压为2.7V一5V，功耗很低而且还可以工作在待机模式以进一步降低功耗，十分适于用在手持设备用电池供电的场合。nRF401通过串行接口与单片机连接。无须复杂的编码，使用非常简单。但要保证数据通讯有较高的可靠性，除了在PCB板的设计、nRF401的供电等方面加以考虑以外，还需要采用合适的通讯协议。本机的通讯有两个对象，抄表时通过无线采集数据和PC机连接时通过RS2232通讯，但一般的单片机只有一个串行接口，通过切换的方式使用。nRF401的DI和DO通过三态门与单片机的TxD、RxD连接，RS2232接口也通过三态门与单片机的串行口连接，分别用P3.4、P3.5切换共享串口。另外用单片机的P1.5作为nRF401的收发转换控制，nRF401的PWR为电源控制，将其置为低可以使其进入节电状态，也可直接将其接为高电平。nRF401的频率选择CS端根据具体情况接为固定高电平或低电平。

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(3)为使手持抄表终端的体积小、结构简单，系统中所使用的存储器全部采用具有串行接口的Flash存储器，这里使用的是ATMEL公司的45DXXX系列。所用的存储器主要有两种用途，一是用作数据存储，即存储用户信息和抄表数据。数据在Flash存储器中按文件方式管理，可以在手持抄表终端上进行查询等，也可以通过RS2232串行接口进入PC机的数据处理系统。Flash存储器的第二个用途是存放汉字字库，即字模．因为手持抄表终端需要显示用户的姓名、住址等有关信息，所以完善的汉字显示是不可缺少的，这就需要有汉字字模库，包括一、二级汉字的16点阵字库所需的存储容量约为256KB。显示汉字时通过汉字的区位码查找字库，获得字模数据从而实现在点阵液晶显示器上的汉字显示。一般常常使用具有并行接口的EEPROM存储器，如27C020等。由于MCS—51单片机仅能访问KB的数据空间，故一般通过某种方式对其分页管理，这就会使软硬件结构复杂、印刷电路板体积增大、成本上升。串行接口的Flash存储器作为字库的使用方法与一般EEPROM基本相同，只不过读字模数据的操作要复杂一些。为简单起见，可以在单片机内部的RAM中设置一个缓冲区，一次将一个汉字字模的32个字节全部读入到内部RAM中。显示程序直接在内部RAM中读取字模数据。手持抄表终端使用了2片Flash存储器芯片AT45D041，该系列的芯片使用SPI串行口与CPU之间实现数据传输，无论其容量多大，均只需要4根信号线，即CS(片选)、SCK(时钟)、SDI(数据输入)、SDO(数据输出)，用相同的方法访问，所以对系统的存储容量扩展时无须改动软硬件。同时，由于它使用串行接口，对其中数据误写的可能性非常小，保证了数据的可靠。如需要更大的存储容量可将存放数据的芯片换为AT45D080。两片AT45D041的SCK、SDO共用，在使用中存放汉字库的芯片不用写操作，事先将字库写入芯片中即可，故该芯片的SDI线不用连接。两芯片的片选分别用单片机的P1.0、P1.1选择。

(4)手持抄表终端在使用时需要有一个准确的日历、时钟，为此釆用时钟芯片P8563。该芯片具有I2C接口，内有完善的年、月、日、时、分、秒等数据，非常适合用在这些场合。

(5)手持抄表终端设有功能按键，用来进行一般的操作，如“抄表”、“上传数 据”、“查询”、“前翻页”、“后翻页”、“翻页加速”等，实际使用中如有需要还可以增加按键，按键通过单片机的数据总线连接。

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3.2.2 手持终端板电路图

图3.9手持终端版电路图

手持终端板以单片机作为控制核心，板上设置合适的按键数以及液晶显示器，可以显示用户的电能表读数。由无线收发芯片实现与电能控制板的连接。手持终端板硬件电路图主要包括一片87C51单片机，一片无线收发芯片nRF401，一片128点阵液晶显示模块，一片实时时钟芯片PCF8563，二片Flash存储芯片AT45D041，一片ICL232芯片和一片74LS245。

ICL232是一个仅RS-232发送器/接收器采用的单+5V电源供应器，符合所有RS232C规格，该驱动器能兼容具有真正的TTL/CMOS输入功能；74LS245是我们常用的芯片，用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向传输数据，手持终端版的硬件电路图如上图3.9所示。

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3.2.3抄表流程

使用手持终端板对用户进行电能表数据抄取时，对一个用户的抄表过程如图3.10所示一般总是由手持抄表终端对某一用户发出抄表命令开始，然后等待用户返回数据。为防止出现故障时的长时间等待，在系统中安装了一个软件定时器，以确定等待是否超时。抄表过程图示如下：

图3.10抄表流程

手持抄表终端在和PC机通讯时通过转换开关实现，这一部分和PC机上运行的软件有密切关系，编写程序时参照有关行业标准进行。手持抄表终端在抄表时通过无线通讯采集数据，由于无线通讯的特点是需要有较好的协议才能实现可靠的通讯，在发送方没有发送数据时接收方的信号线上呈现的是杂乱无章的波形，因此，在发送正式的数据前需要先发送一个字节的“无关”数据，目的是让接收方处于正常工作状态；其次，需要让接收方能够正确地识别一个数据包的开始，可以采用0XAA、0X55作为引导字节实现[11]。

综合上述考虑包的格式如下：

0XFF 0XAA 0X55 命令 地址 地址 长度 数据 数据 数据 检查和 其中的0XFF即是上述的无关数据。发送和接收均在中断服务程序里完成，接收程序完成数据包的识别，当收到一个正确的数据包后交给主程序进行处理。抄收数据程序流程图如下：

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发送数据包 收到数据吗？ Y 数据正确吗？ N 超时吗？ N N Y 重发数据 Y 抄收成功

图3.11抄收数据程序流程图

3.2.4数据记录

主要包括串行Flash存储访问和存储数据的组织。AT45D041内部存储单元按页组织，每页为2个字节，多出的8个字节可以存放一些附加信息。AT45D041内部还有两页的RAM，并且，在内部RAM向Flash中写时，外部还可以向另一页RAM中写入。用这种方法可以实现向它的连续写操作。AT45D041的接口可以工作在SPI的模式0、模式3，并有多种操作模式，这里仅用到了“主存储器页读”、“页擦除”、“通过RAM缓冲区的主存储器写”等。我们把这些操作封装在几个接口函数里对上层软件提供服务。为简单起见，表数据不适用复杂的文件结构，直接按“记录”组织，每个记录包括“用户标识”、“用户姓名”、“住址”、“电能表型号”、“抄表数据”等，至于在PC机的数据库管理系统里，则可以根据具体情况安排[12]。

3.3电能控制板设计

电能控制板是用户端装置，同样是以87C51单片机为核心部件。由单片机接收4路电能单相脉冲，通过比较得出电能表读数，再由无线收发采集装置发送给手持终端板。

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其结构如下所示：

单相脉冲电能表 单相脉冲电能表 单相脉冲电能表 单相脉冲电能表 PB0 PB1 87C51 PB2 PB3 Rx、Tx 串行口 接收/发射模块

图3.12电能控制板结构图

电能控制板硬件电路图中包括一片87C51单片机，一片无线收发芯片nRF401和一片实时时钟芯片PCF8563。PCF8563是PHILIPS公司生产的低功耗CMOS实时时钟/日历芯片，芯片最大总线速度为400kbit/s，每次读写数据后，其内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563可广泛应用于移动电话、便携仪器、传真机、电池电源等产品中。PCF8563有16个8位寄存器，其中包括：可自动增量的地址寄存器、内置32.768kHz的振荡器（带有一个内部集成电容）、分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟）、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和400kHz的I2C总线接口[13]。 电能控制板电路图如下所示：

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图3.13电能控制板电路图

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4 软件设计

该系统软件设计主要包括手持抄表器主机软件和电度表端从机软件两部分。在本设计中手持抄表器单片机送字符与接受字符均采用查询方式，发送前先读取通信状态寄存器，查询发送保持寄存器空否；接收前先读取通信状态寄存器，查询一帧数据接完否。电度表单片机采用中断方式，即接收到地址后就进行串口中断申请，中断响应后进入中断服务程序[13]。

4.1手持抄表终端软件设计

手持抄表器作为主机是通信的发起者，其发送和接收都是主动的。它的具体操作过程为：不断扫描键盘，若发现有命令键按下，则调用发送子程序发送接收到的信息进行后续处理。手持抄表器通信程序包括初始化子程序和串行通信程序，其流程如图4.1所示。初始化子程序SP—INIA，主要是选择定时器T1的工作模式，并对T1进行预置数，关闭T1的中断及开启定时器工作，对通信波特率及方式的设置等。初始化子程序后，执行主程序，如图4.2所示。则通过不断扫描键盘，反馈是否有键盘命令输入，有之则

发送程序准备接收电能表的数据，继而进行后续处理。反之则继续扫描是否有命令键入。 程序源代码如下：SP—INIA:MOV TMOD,#20H;

MOV TH1，#0E8H; MOV TL1，#0E8H; CLR ET1; SETB TR1; MOV PCON,#80H; MOV SCON,#0D8H; REN=1，TB8=1; SETB EA; SETB ES; RET

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开始设置定时器T1的模式预置T1的初值关闭T1中断启动定时器T1设置串口波特率及工作方式开串口中断结束

1初始化子程序流程图 开始初始化子程序扫描键盘YN是命令键？运行发送程序NY发送结束？运行结束程序YN接收结束？后续处理结束

图4.2主程序流程图

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图

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4.2电能控制板软件设计

电度表端作为从机，其主要作用是收集用户电能表的数据。它的主要工作流程为：中断服务，读取缓存区，校验是否出错，如果没有出错则将用户电能表数据存入缓存区，如果缓存区出错则继续校验直到没有错误为止。数据存入完毕后则清空缓存区。而其主程序则只要初始化串口等待数据输入，数据输入后则开串口中断进入中断其服务即可。软件程序包括主程序和中断服务程序，分别如图4.3和4.4所示。

中断服务读SBUF开始YN校验出错？串口初始化存入缓冲区出错处理开串口中断NY是结束符？收到发送数据命令命令处理中断服务清空缓冲结束

结束

图4.3主程序流程图 图4.4中断服务程序流程图

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主程序代码为：

ORG 0023H LJMP SUB COM; ORG 0050H SM—COM: LCALL SP—INIB; MOV 08H, 0H; MOV 09H, 060H SETB EA; SETB ES; LOOP: SJMP $;

SP INIB: MOV TOMD, OF20H; MOV TH1，#3E8H MOV TL1, #OE8H; CLR ET1 SETB TR1

MOV PCON, #80H MOV SCON, OFOH; RET

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5 总结

经过一段时间的学习以及老师和同学的帮助下，我基本上完成了一个很简单的无线电能计量装置这个小型单片机应用系统。本系统最大特点是充分应用了单片机的硬件资源，成本低、体积小、携带方便，能方便、快捷、准确、可靠地进行自动抄表。虽然没有做出实际成品出来，但通过这次设计让我对单片机应用系统的开发流程有了一次比较全面、深刻的认识。

通过这次毕业设计，我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也学到了很多知识，并且检验了大学四年的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这几个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。

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参考文献

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致谢

在做毕业设计的这段时间里，首先我要感谢我的指导老师唐国红教授。唐老师平日里工作繁忙，但在毕业设计的每个阶段，当我遇到困难的时候，都会仔细为我讲解，指导我正确的思路。他指导的认真和细心，治学的严谨和科学研究的精神是我学习的榜样。

其次，我要感谢我的同学们，在我设计、绘制电路的时候遇到很多不懂的地方，多谢他们大力的帮助，才得以完成；以及专业方面的知识，他们也毫不吝啬的给予我指导。在此衷心的表示感谢！

最后，通过这次毕业设计也意识到自己的不足和缺点，感谢老师和同学们的指出，让我更清楚的认识自己。以便在以后的工作和学习中，更有针对性的完善自己。

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附录A 手持终端板电路图

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附录B 电能控制板电路图

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