一種基于微處理器的新型紅外抄表系統(tǒng)的設(shè)計[圖]

手工抄表效率低下，在查詢、記錄、傳輸這幾個環(huán)節(jié)上，手工操作的方式使工作效率大大降低。因此，該局開始尋找更有效的抄表解決方案。以電力營銷管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的抄表機的應(yīng)用，在電表定位查詢、電量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理方面發(fā)揮著巨大的作用，并且比集中抄表遠程傳輸更節(jié)約成本。

基于P89LPC932微處理器，新型紅外抄表系統(tǒng)與已有的同類系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗和成本低的特點，可進行多電量測量，并能長期保存數(shù)據(jù)。

1 抄表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

紅外抄表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由二部分構(gòu)成：多功能電度表和手持抄表終端，二者通過紅外線進行通信。多功能電度表在單片機的控制下，可測量多種用電數(shù)據(jù)，并可根據(jù)功率因數(shù)的不同按不同比率計算電費。多功能電度表能將得到的各種數(shù)據(jù)記錄下來，在停電時保持數(shù)據(jù)不丟失。手持抄表終端可通過紅外線對多功能電度表進行抄表，將電度表中保存的各種數(shù)據(jù)存儲到抄表終端中，然后抄表終端通過串口將存儲的數(shù)據(jù)傳給計算機進行處理。

2 多功能電度表的設(shè)計

多功能電度表由P89LPC932單片機、紅外通信模塊、顯示模塊和信號采集模塊等組成。P89LPC932是Philips公司推出的高性價比單片機，該器件內(nèi)含增強型CPU，同一工作頻率下的速度為標準80C51單片機的6倍。P89LPC932的管腳如圖2所示。

P89LPC932主要特性：（1）指令執(zhí)行速度快。（2）操作電壓范圍為2.4～3.6V，I/O口可承受5V，可上拉或驅(qū)動到5.5V。（3）8KB的Flash程序存儲器，具有可擦除扇區(qū)，提供ISP和IAP編程功能。（4）256B的RAM數(shù)據(jù)存儲器，512B的附加片內(nèi)RAM。（5）512B的E2PROM存儲區(qū)，可以存放序列碼及設(shè)置參數(shù)等。（6）捕獲/比較單元（CCU）提供PWM，輸入捕獲和輸出比較功能。（7）2個模擬比較器，可以選擇輸入和參考源。（8）8個鍵盤中斷。（9）增強型UART。（10）具有I2C和SPI二種串行通信接口。（11）提供空閑和掉電模式，典型掉電電流僅為1μA，極大地降低了功耗。（12）所有的口線均有20mA的驅(qū)動能力，可以方便地驅(qū)動數(shù)碼管。

2.1 功率因數(shù)和用電信號的測量

在多功能電度表中，主要的測量參數(shù)是功率因數(shù)和用電信號。根據(jù)這2個參數(shù)可計算出有功功率、無功功率、用電量、電費等多項數(shù)據(jù)。測量這2個參數(shù)的硬件電路如圖3所示。

當市電的負載不是純電阻性負載時，流過負載的電壓和電流就存在相位差，設(shè)二者的的相位差為？漬＝φu－φi，則cosφ就是功率因數(shù)。因此只要比較出電壓和電流在相位上的差φ，再由P89LPC932通過查表和插值法計算cosφ，就可以求出功率因數(shù)，進而可以求出其他的數(shù)據(jù)。

如圖3所示，經(jīng)電壓互感器和電流互感器降壓后所得的電壓和電流信號分別輸入到P89LPC932的2個輸入比較引腳，即P0.4/CIN1A和P0.2/CIN2A，而參考電壓（約為1.4V）由5V電源通過2個電阻分壓得到。圖3中：電容C1起到濾除干擾脈沖的作用，保證參考電壓的穩(wěn)定；二極管起箝位的作用，保護P89LPC932免受外界過壓或過流的影響。

功率因數(shù)的具體測量原理：設(shè)置比較器的控制寄存器CMP1和CMP2，并使能2個比較器，當正向輸入大于參考電壓時，輸出為“1”，其他情況輸出為“0”。這樣2路信號在CPU內(nèi)部整形成近似方波，通過對不同情況下的輸入進行比較操作。

用電脈沖可由機械式電表經(jīng)改裝或采用專用電能計量芯片產(chǎn)生，本文只討論用電脈沖的處理問題。將已經(jīng)產(chǎn)生的用電脈沖直接輸入到CPU的輸入捕獲引腳P2.7/ICA，捕獲事件由CCCRA寄存器的高3位選擇輸入捕獲邊沿，此時必須設(shè)置CPU的P2.7為輸入狀態(tài)。當管腳產(chǎn)生捕獲事件時，定時器的內(nèi)容就會傳送到相應(yīng)的16位輸入捕獲寄存器ICRAL中。CPU通過讀取ICRAL中的內(nèi)容就可以精確地得到捕獲時間。

電度表的所有數(shù)據(jù)處理后都存入到P89LPC932內(nèi)部的E2PROM中，以保證斷電后數(shù)據(jù)不丟失。當抄表時，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送給手持抄表終端。

2.2 紅外通信方式的實現(xiàn)

紅外無線通信一般采用IrDA（Infrared Data Association）作為其通信技術(shù)標準。按IrDA標準設(shè)計的紅外通信接口具有通信速度快、通用性好的特點，但傳輸距離較近，一般僅有數(shù)米。在紅外抄表系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)男畔⒘枯^少，故對通信速度要求不是很高，但要求傳輸距離盡量遠些。