智能型电子电能表的研制与开发
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摘要
智能仪器是电子测量仪器和计算机技术紧密结合的产物。与传统仪器相比，智能仪器具有测量精度高、测量方便、控制能力强、具有良好的人机接口、具有通信功能等特点。随着微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，智能仪器的自动化程度还将会在很大程度上提高。在未来十年内，智能仪器技术将会得到突破性进展。本论文在对智能仪器的设计方法深入分析的基础上设计了智能性多功能电能表及红外线手持抄录器，并进行了硬件和软件的调试工作。本论文主要内容如下：
(1)．论述了智能仪器的发展过程和发展趋势，论述了微电子技术、计算机技术、网络技术及嵌入式计算机技术对智能仪器发展的推动作用。
(2)．从智能仪器的输入通道、输出通道、人机交互通道和通信接口角度分析了智能仪器的硬件设计方法。分析了智能仪器软件的典型结构及编程方法。
探讨了智能仪器的硬件和软件抗干扰措施及其硬件和软件的故障诊断方法。
(3)．研究开发了电子式电能表硬件电路和相应软件。论文分析了智能型电能表的功能需求，提出可行的设计方案，设计了硬件接口电路。设计中以AT89C51单片机为核心，采用多种新型集成电路芯片(包括电能计量专用芯片CS5460A、DS1302日历／时钟芯片、SMS0601液晶显示器、X5045串行存储器)进行接口设计，简化了硬件电路，提高了电能表的抗干扰能力和测量精度。
(4)．研究开发了手持抄录器的硬件电路和相应软件。论文提出手持抄录器的功能实现方法，并设计了功能实现方案，设计了硬件电路。硬件电路以AT89C51单片机为核心，以zlg7289A按键组集成芯片作为人机接口，并采用新型电路芯片(包括大容量并行数据存储器DS1245、液晶显示器SMS0823)设计手持抄录器的硬件电路，并设计了手持抄录器的打印机接口和RS232通信接口，从而简化了电路，减小了手持抄录器的体积，按键的软件实现过程。
(5)．设计了用于串行通信的红外线接收电路。研制出的用于中距离串行通信的红外收发电路可与单片机方便地接口，其数据传输的误码率很低。红外线
西北口二J匕大学闷成d匕学位咭仑文
发送电路的振荡器由NE555构成，它可对串行口输出信号进行调制，一体
化的红外接收头对红外信号进行解调、滤波和整形，再送单片机处理。
Intelligent Instrument is the combination of the electronic measuring instrument and computer technology. Comparing with the traditional Instrument, Intelligent Instrument has the following features: higher measuring accurate, convenient measuring, stronger control ability, better human- machine interface, and communication function. With the development of micro-electronic, computer and network technology, the automation of Intelligent Instrument will still be advanced by a long way. In the next ten years, there is being a quantum jump in Intelligent Instrument technology. On the basis of these, an intelligent multi-function watt-hour-meter and an infrared portable copying instrument are designed and tested. The thesis has mostly the following content:
(1). The development process and trend of Intelligent Instrument are discussed. It is also discussed that micro-electronic technology, computer technology, network technology and embedded computer technology are advancing the development of Intelligent Instrument.
(2). The hardware designing method for Intelligent Instrument is analyzed according to the aspect of the input channel, the output channel, the human-machine interactive channel and the communication interface of Intelligent Instrument. The typical software structure and programming method are also discussed. The hardware and software anti-interference method were introduced as well as the hardware and software fault diagnose method.
(3). The hardware circuit and software program of the electron watt-hour-meter are researched. A feasible structure scheme of the meter is put forward according to its desired function. In the designed hardware, AT89C51 single chip computer and many kinds of new type circuit chip (including: special power measuring chip-CS5460A, DS1302 calendar/clock chip, SMS0601 LCD, X5045 serial memory) are used for design. The hardware circuit is simplified, the meter's anti-interference ability is enhanced and the precision of measurement is also advanced. (4). The hardware circuit and software of the portable copying instrument is
researched. A feasible structure scheme is put forward according to the desired function, AT89C51 single chip computer is used as the core of the instrument, zlg7289A and many kinds of new type circuit chip (including: parallel data memory-DS1245, SMS0823 LCD) are used as interface during hardware circuit designing, the printer's port and RS232 communication interface is also designed.
(5). An infrared transmission system used to serial communication is also designed. It can interface with single chip computer expediently and transmit data by rule and line. Oscillator in the infrared transmitting circuit that consisted of NE555, and can used to modulates the output from serial port of single chip computer. The integrated infrared receiver can demodulates, filter and transmit the signal to single chip computer.
(1)．论述了智能仪器的发展过程和发展趋势，论述了微电子技术、计算机技术、网络技术及嵌入式计算机技术对智能仪器发展的推动作用。
(2)．从智能仪器的输入通道、输出通道、人机交互通道和通信接口角度分析了智能仪器的硬件设计方法。分析了智能仪器软件的典型结构及编程方法。
探讨了智能仪器的硬件和软件抗干扰措施及其硬件和软件的故障诊断方法。
(3)．研究开发了电子式电能表硬件电路和相应软件。论文分析了智能型电能表的功能需求，提出可行的设计方案，设计了硬件接口电路。设计中以AT89C51单片机为核心，采用多种新型集成电路芯片(包括电能计量专用芯片CS5460A、DS1302日历／时钟芯片、SMS0601液晶显示器、X5045串行存储器)进行接口设计，简化了硬件电路，提高了电能表的抗干扰能力和测量精度。
(4)．研究开发了手持抄录器的硬件电路和相应软件。论文提出手持抄录器的功能实现方法，并设计了功能实现方案，设计了硬件电路。硬件电路以AT89C51单片机为核心，以zlg7289A按键组集成芯片作为人机接口，并采用新型电路芯片(包括大容量并行数据存储器DS1245、液晶显示器SMS0823)设计手持抄录器的硬件电路，并设计了手持抄录器的打印机接口和RS232通信接口，从而简化了电路，减小了手持抄录器的体积，按键的软件实现过程。
(5)．设计了用于串行通信的红外线接收电路。研制出的用于中距离串行通信的红外收发电路可与单片机方便地接口，其数据传输的误码率很低。红外线
西北口二J匕大学闷成d匕学位咭仑文
发送电路的振荡器由NE555构成，它可对串行口输出信号进行调制，一体
化的红外接收头对红外信号进行解调、滤波和整形，再送单片机处理。
Intelligent Instrument is the combination of the electronic measuring instrument and computer technology. Comparing with the traditional Instrument, Intelligent Instrument has the following features: higher measuring accurate, convenient measuring, stronger control ability, better human- machine interface, and communication function. With the development of micro-electronic, computer and network technology, the automation of Intelligent Instrument will still be advanced by a long way. In the next ten years, there is being a quantum jump in Intelligent Instrument technology. On the basis of these, an intelligent multi-function watt-hour-meter and an infrared portable copying instrument are designed and tested. The thesis has mostly the following content:
(1). The development process and trend of Intelligent Instrument are discussed. It is also discussed that micro-electronic technology, computer technology, network technology and embedded computer technology are advancing the development of Intelligent Instrument.
(2). The hardware designing method for Intelligent Instrument is analyzed according to the aspect of the input channel, the output channel, the human-machine interactive channel and the communication interface of Intelligent Instrument. The typical software structure and programming method are also discussed. The hardware and software anti-interference method were introduced as well as the hardware and software fault diagnose method.
(3). The hardware circuit and software program of the electron watt-hour-meter are researched. A feasible structure scheme of the meter is put forward according to its desired function. In the designed hardware, AT89C51 single chip computer and many kinds of new type circuit chip (including: special power measuring chip-CS5460A, DS1302 calendar/clock chip, SMS0601 LCD, X5045 serial memory) are used for design. The hardware circuit is simplified, the meter's anti-interference ability is enhanced and the precision of measurement is also advanced. (4). The hardware circuit and software of the portable copying instrument is
researched. A feasible structure scheme is put forward according to the desired function, AT89C51 single chip computer is used as the core of the instrument, zlg7289A and many kinds of new type circuit chip (including: parallel data memory-DS1245, SMS0823 LCD) are used as interface during hardware circuit designing, the printer's port and RS232 communication interface is also designed.
(5). An infrared transmission system used to serial communication is also designed. It can interface with single chip computer expediently and transmit data by rule and line. Oscillator in the infrared transmitting circuit that consisted of NE555, and can used to modulates the output from serial port of single chip computer. The integrated infrared receiver can demodulates, filter and transmit the signal to single chip computer.
引文
1
1．沈兰荪 仪器仪表智能化的进展．测控技术 1999年第18卷第1期 Vol．18 No．1 1999
2．赵伟，郝剑，张小牛 试论“网络就是仪器”新概念．电工电能新技术 2001年第2期
3．郑泽胜 嵌入式系统以及实时软件开发．www.pocketix.com
4．蒋庄德，王海容，王朝晖 纳米测量技术与微型智能仪器．中国机械工程 2000 Vol．11 No．3
5．王洪茹 虚拟仪器——仪器发展的新时代．中国仪器仪表 1997第5期
6．鲍雅萍，候珺 智能仪器设计方法的探讨．河南科学 2001年3月P69-72 Vol．18 No．1
7．高辉，刘建新 智能仪器的抗干扰技术．工业仪表与自动化装置 2000年第4期
8．徐旭，李玉玉 智能仪器抗干扰的设计．天津大学学报(自然科学版) Vol．20 No．2
9．赵望达，裘志浩，蒋晴霞 智能仪表的抗干扰和故障诊断．制造业自动化 2000年7月
10．周杏鹏 智能仪器程序跑飞诊断和恢复技术．化工自动化及仪表 1991年第4期
11．谢晓晖，崔长利“看门狗”技术在单片机系统抗干扰设计中的应用．电测与仪表 1996年第7期
12．周杏鹏 “看门狗”电路配套程序设计原理及技巧．电子技术应用 1996年第8期
13．陈新亮 电子式电能表的应用．电力需求侧管理
14．厉美云 电能仪表发展初探．华东电力 1997年第7期
15．林聪仁，朱丹总，尤龙翔 多功能电能表的关键技术．电测与仪表 总第34卷第380期 1997年8月P13-15
16．张友德 M68HCLX型单片机的应用．电子技术 1996年第3期
17．费占军，刘瑞峰 单相功率／电能芯片CS5460A的原理与应用．电测与仪表 2001年第2期
18．贾振国，许琳，徐惠 带有串行接口的功率／电能计量芯片CS5460及其应用．国外电子元器件 2000年7月
19．罗旭，张彦斌 等电子式电能表专用芯片CS5460及其在电测仪表中的应用．电子技术应用 2001年第5期
20．罗志坤，徐植坚 串行可编程监控EEPROM器件X25045及其应用．电子技术 1998年第12期
21．牛洪涛 多功能监控电路X25045在AT89C51单片机系统中的应用．电工技术杂志 1998年第6期
22．于复生，宋现春等 时钟芯片DS1302及其在数据记录中的应用．电子技术应用 2000年3期
23．丁金华，孙秋花 串行时钟芯片DS1302的应用．大连轻工业学院学报 1998年第1期
24．崔惠柳 串行时钟芯片DS1302在汽车智能记录仪中的应用．电子技术 1998年第9期
25．崔惠柳 串行实时时钟芯片DS1302及其应用．广西工学院学报 1998年第1期
26．蓝海青，沈振宇 便携式智能红外数据通讯系统的设计与实现．数据采集与处理 Vol．13 No．2 1998年6月P179-181
27．赵四海 智能仪表的红外通讯口设计．现代仪器 2001年第2期P18-20
28．腾世进，唐纪芳 单片机串行口的使用与“蓝牙”电测系统．无线电 2001．7总第466期 P31-33
29．麦山，皮佑国 基于单片机的协议红外遥控系统．电子技术 1998年第5期
30．邱玉春，李文俊 E~2PROM器件在电度表中的应用．电测与仪表 Vol．37 No．417 2000年9月P49-50
31．蒋凤仙等 红外遥控自动收费系统．电子技术 1996年第2期
32．何立民单片机应用文集(5)，“一体化红外接收器及其在数据通讯中的应用”．北京航空航天大学出版社，1998，P308-310。
33．何立民主编 单片机应用技术选编(5)“单片机串行接口的硬件时分扩展法及其应用” 1997年10月
34．陈家杰 单片机串行接口的硬件时分扩展法及其应用
35．胡戎 正确选择微处理器复位监控电路．电子技术应用 1998年第4期
36．杨建国，申忠如，王建校 电池供电单片机系统延长时间的几点有效措施．电测与仪表 1998年第1期
37．杨秋海，叶林，孙键 MCS-51单片机串行口的一种复用．微计算机信息 1998年第14卷第4期
38．袭建才 用红外传输实现计算机监测系统串行通信的设计．煤矿自动化 2001年第1期
39．黄麟，魏丰 用C51实现电力部多功能电能表通信规约．电测与仪表 Vol．38 No．429 2001年9期 P35-38
40．王柏林，候勇 多功能电度表及红外抄表器的红外通讯设计．电测与仪表 Vol．38 No．31 2001年11期 P49-50
41．多功能电能表通信规约．中华人民共和国电力行业标准DL／T645-1997
42．多功能电能表．中华人民共和国电力行业标准DL／T614-1997
43．复费率(分时)电度表．中华人民共和国国家标准GB／T 15284--94
44．朱名铨著 自动检测系统及应用．西北工业大学1006教研室 1998年2月
45．赵茂泰编著 智能仪器原理及应用．电子工业出版社 1999年3月
46．李永敏主编 检测仪器电子线路．西北工业大学出版社 1996年2月
47．何立民编著 MCS-51系列单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 2000年2月
48．何立民编著 单片机应用系统抗干扰技术．北京航空航天大学出版社 2000年2月第1版
49．周航慈，饶运涛编著 单片机程序设计基础．北京航空航天大学出版社 1997年5月第1版
50．刘乐善，叶济忠，叶永坚编著 微型计算机接口技术原理及应用．华中理工大学出版社 1996年3月第1版
51．阎石编著 数字电子技术基础(第3版)．高等教育出版社 1997年12月
52．李朝青编著 PC机及单片机数据通信技术．北京航空航天大学出版社 2000年12月第1版
53．毛善国，朱新建著 复费率电能表技术．国防科技大学出版社 1995年9月
54. CIRRUSLOGIC Single Phase Bi-Directional Power/Energy IC CS5460A www.crystal.com
55. Trickle Charge Timekeeping Chip DS1302 www.maxim-ic.com.cn
56．AT89C51产品说明书．ATMEL公司
57．DS1245Y／AB产品说明书．DALLAS公司 www.maxim-ic.com.cn
58．X5045产品说明书．XICOR公司 www.xicor.com REV 1.1.13／6／01
59．zlg7289A串行接口LED数码管及键盘管理器件．Http://www.zlgmcu.com
60．SMS0601和SMS0823产品说明书．www.sunman.com.cn
1．沈兰荪 仪器仪表智能化的进展．测控技术 1999年第18卷第1期 Vol．18 No．1 1999
2．赵伟，郝剑，张小牛 试论“网络就是仪器”新概念．电工电能新技术 2001年第2期
3．郑泽胜 嵌入式系统以及实时软件开发．www.pocketix.com
4．蒋庄德，王海容，王朝晖 纳米测量技术与微型智能仪器．中国机械工程 2000 Vol．11 No．3
5．王洪茹 虚拟仪器——仪器发展的新时代．中国仪器仪表 1997第5期
6．鲍雅萍，候珺 智能仪器设计方法的探讨．河南科学 2001年3月P69-72 Vol．18 No．1
7．高辉，刘建新 智能仪器的抗干扰技术．工业仪表与自动化装置 2000年第4期
8．徐旭，李玉玉 智能仪器抗干扰的设计．天津大学学报(自然科学版) Vol．20 No．2
9．赵望达，裘志浩，蒋晴霞 智能仪表的抗干扰和故障诊断．制造业自动化 2000年7月
10．周杏鹏 智能仪器程序跑飞诊断和恢复技术．化工自动化及仪表 1991年第4期
11．谢晓晖，崔长利“看门狗”技术在单片机系统抗干扰设计中的应用．电测与仪表 1996年第7期
12．周杏鹏 “看门狗”电路配套程序设计原理及技巧．电子技术应用 1996年第8期
13．陈新亮 电子式电能表的应用．电力需求侧管理
14．厉美云 电能仪表发展初探．华东电力 1997年第7期
15．林聪仁，朱丹总，尤龙翔 多功能电能表的关键技术．电测与仪表 总第34卷第380期 1997年8月P13-15
16．张友德 M68HCLX型单片机的应用．电子技术 1996年第3期
17．费占军，刘瑞峰 单相功率／电能芯片CS5460A的原理与应用．电测与仪表 2001年第2期
18．贾振国，许琳，徐惠 带有串行接口的功率／电能计量芯片CS5460及其应用．国外电子元器件 2000年7月
19．罗旭，张彦斌 等电子式电能表专用芯片CS5460及其在电测仪表中的应用．电子技术应用 2001年第5期
20．罗志坤，徐植坚 串行可编程监控EEPROM器件X25045及其应用．电子技术 1998年第12期
21．牛洪涛 多功能监控电路X25045在AT89C51单片机系统中的应用．电工技术杂志 1998年第6期
22．于复生，宋现春等 时钟芯片DS1302及其在数据记录中的应用．电子技术应用 2000年3期
23．丁金华，孙秋花 串行时钟芯片DS1302的应用．大连轻工业学院学报 1998年第1期
24．崔惠柳 串行时钟芯片DS1302在汽车智能记录仪中的应用．电子技术 1998年第9期
25．崔惠柳 串行实时时钟芯片DS1302及其应用．广西工学院学报 1998年第1期
26．蓝海青，沈振宇 便携式智能红外数据通讯系统的设计与实现．数据采集与处理 Vol．13 No．2 1998年6月P179-181
27．赵四海 智能仪表的红外通讯口设计．现代仪器 2001年第2期P18-20
28．腾世进，唐纪芳 单片机串行口的使用与“蓝牙”电测系统．无线电 2001．7总第466期 P31-33
29．麦山，皮佑国 基于单片机的协议红外遥控系统．电子技术 1998年第5期
30．邱玉春，李文俊 E~2PROM器件在电度表中的应用．电测与仪表 Vol．37 No．417 2000年9月P49-50
31．蒋凤仙等 红外遥控自动收费系统．电子技术 1996年第2期
32．何立民单片机应用文集(5)，“一体化红外接收器及其在数据通讯中的应用”．北京航空航天大学出版社，1998，P308-310。
33．何立民主编 单片机应用技术选编(5)“单片机串行接口的硬件时分扩展法及其应用” 1997年10月
34．陈家杰 单片机串行接口的硬件时分扩展法及其应用
35．胡戎 正确选择微处理器复位监控电路．电子技术应用 1998年第4期
36．杨建国，申忠如，王建校 电池供电单片机系统延长时间的几点有效措施．电测与仪表 1998年第1期
37．杨秋海，叶林，孙键 MCS-51单片机串行口的一种复用．微计算机信息 1998年第14卷第4期
38．袭建才 用红外传输实现计算机监测系统串行通信的设计．煤矿自动化 2001年第1期
39．黄麟，魏丰 用C51实现电力部多功能电能表通信规约．电测与仪表 Vol．38 No．429 2001年9期 P35-38
40．王柏林，候勇 多功能电度表及红外抄表器的红外通讯设计．电测与仪表 Vol．38 No．31 2001年11期 P49-50
41．多功能电能表通信规约．中华人民共和国电力行业标准DL／T645-1997
42．多功能电能表．中华人民共和国电力行业标准DL／T614-1997
43．复费率(分时)电度表．中华人民共和国国家标准GB／T 15284--94
44．朱名铨著 自动检测系统及应用．西北工业大学1006教研室 1998年2月
45．赵茂泰编著 智能仪器原理及应用．电子工业出版社 1999年3月
46．李永敏主编 检测仪器电子线路．西北工业大学出版社 1996年2月
47．何立民编著 MCS-51系列单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 2000年2月
48．何立民编著 单片机应用系统抗干扰技术．北京航空航天大学出版社 2000年2月第1版
49．周航慈，饶运涛编著 单片机程序设计基础．北京航空航天大学出版社 1997年5月第1版
50．刘乐善，叶济忠，叶永坚编著 微型计算机接口技术原理及应用．华中理工大学出版社 1996年3月第1版
51．阎石编著 数字电子技术基础(第3版)．高等教育出版社 1997年12月
52．李朝青编著 PC机及单片机数据通信技术．北京航空航天大学出版社 2000年12月第1版
53．毛善国，朱新建著 复费率电能表技术．国防科技大学出版社 1995年9月
54. CIRRUSLOGIC Single Phase Bi-Directional Power/Energy IC CS5460A www.crystal.com
55. Trickle Charge Timekeeping Chip DS1302 www.maxim-ic.com.cn
56．AT89C51产品说明书．ATMEL公司
57．DS1245Y／AB产品说明书．DALLAS公司 www.maxim-ic.com.cn
58．X5045产品说明书．XICOR公司 www.xicor.com REV 1.1.13／6／01
59．zlg7289A串行接口LED数码管及键盘管理器件．Http://www.zlgmcu.com
60．SMS0601和SMS0823产品说明书．www.sunman.com.cn