基于PIC16F877A單片機(jī)的CAN總線電能集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓吉生

摘 要：文章給出了基于PIC16F877A單片機(jī)的CAN總線電能集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，該系統(tǒng)是在感應(yīng)式電能表的基礎(chǔ)上將其改裝成為具有自動(dòng)抄表和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦统硇问?。整個(gè)系統(tǒng)包括抄表模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊兩大部分電路，抄表模塊完成的是脈沖轉(zhuǎn)換、電流檢測(cè)、盜電報(bào)警和自動(dòng)斷電的功能;數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)抄表系統(tǒng)與PC機(jī)控制中心的連接，實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)用戶進(jìn)行統(tǒng)一抄表和統(tǒng)一收費(fèi)的管理模式。該系統(tǒng)可以改變傳統(tǒng)的RS485或以太網(wǎng)自動(dòng)抄表模式，節(jié)省人力，實(shí)現(xiàn)小區(qū)的智能化管理。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);電能;控制;CAN總線

中圖分類號(hào)：TP216.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.028

目前，水表、煤氣表、電表的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)日趨成熟。自動(dòng)抄表系統(tǒng)的基本原理是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)專用設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。通常，首先將電表產(chǎn)生的脈沖信號(hào)由信號(hào)控制器計(jì)數(shù)，控制器再將信號(hào)發(fā)送至PC，由PC對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示并打印，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)上傳到用戶系統(tǒng)，通過(guò)微機(jī)中心顯示各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可通過(guò)軟件控制設(shè)備，使設(shè)備以最經(jīng)濟(jì)合理的方式工作運(yùn)行。當(dāng)某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，微機(jī)中心發(fā)出聲光報(bào)警，通知管理人員處理事故。文章介紹了一種基于PIC16F877A單片機(jī)的CAN總線電能表集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)，主要對(duì)象是感應(yīng)式電能表，在此電能表的基礎(chǔ)上，改進(jìn)為具有防竊電、報(bào)警、自動(dòng)抄表功能的新型電能自動(dòng)集中抄表系統(tǒng)。

1 CAN總線電能集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

CAN總線電能集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要包括抄表模塊和通信模塊兩大部分，從設(shè)計(jì)方面、成本問(wèn)題、現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)情況、用電戶接受程度，以及在改裝過(guò)程中安裝是否方便等方面，綜合考慮得出該電能集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)抄表模塊部分，根據(jù)現(xiàn)階段大多數(shù)用電戶使用的感應(yīng)式電能表的情況，采用軍用級(jí)單片機(jī)PIC16F877A為核心微處理器，加入光電轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)脈沖轉(zhuǎn)換，并利用霍爾傳感器UGN30T51進(jìn)行電流檢測(cè)，且具有報(bào)警和自動(dòng)斷電的功能，改裝比較方便，該電路所需成本較低。

針對(duì)通信模塊部分，采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種通信方式不同于其他用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，有兩個(gè)不同：第一，消息傳輸不包含目的地址。其是基于網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)廣播，接收服務(wù)器根據(jù)消息中的標(biāo)識(shí)符過(guò)濾消息，這些標(biāo)識(shí)符可反映數(shù)據(jù)性質(zhì)，接收服務(wù)器應(yīng)該接收的，丟棄不應(yīng)該接收的。其優(yōu)點(diǎn)是可以在線離線使用，多站接收，即插即用。第二，其特別加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)安全的關(guān)注，滿足正常系統(tǒng)和對(duì)數(shù)據(jù)要求更高的控制系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

在現(xiàn)實(shí)生活中，電能表的種類很多，可分為感應(yīng)式電能表、脈沖式電能表和全電子式電能表。感應(yīng)式電能表因其價(jià)格低廉、測(cè)量準(zhǔn)確而被廣泛使用，其利用金屬鋁盤中由感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，與交流電固定線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)間的相互作用，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)而帶動(dòng)鋁盤旋轉(zhuǎn)，從而獲得消耗的累積電能。但是，由于感應(yīng)式電能表沒(méi)有防盜功能，在電力行業(yè)發(fā)展迅猛的驅(qū)動(dòng)下，這種不足給電力行業(yè)帶來(lái)的影響越來(lái)越突出。因此，在感應(yīng)式電能表上，安裝防盜功能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在感應(yīng)式電能表的使用上，常見竊電方法有以下幾種：

斷開電能表的內(nèi)部電壓扣，使交流電流不通過(guò)固定線圈，不產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)致鋁板不能轉(zhuǎn)動(dòng)，最后使電能表不能測(cè)量累計(jì)電量。電能表輸入線與輸出線接反，讓鋁盤反向旋轉(zhuǎn)，減少電能表的計(jì)量值。用電能表外的導(dǎo)線將電表短接，可使電能表的計(jì)量值為實(shí)際耗電量的一半左右。

文章在分析電能防盜的基礎(chǔ)上，介紹了一種具有電能防盜功能的新型智能電能表。該系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換電路、霍爾電流檢測(cè)電路、PIC16F877A單片機(jī)系統(tǒng)電路、繼電器控制電路、斷電報(bào)警電路等組成。系統(tǒng)主電路框圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)PC安裝有組態(tài)軟件，通過(guò)RS232協(xié)議向上位機(jī)的PIC16F877A單片機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并由CAN總線網(wǎng)絡(luò)向下位機(jī)的PIC16F877A單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)電能時(shí)，發(fā)出十六位控制信號(hào)給單片機(jī);下位機(jī)的PIC16F877A單片機(jī)借助CAN總線技術(shù)接收來(lái)自上位機(jī)的PIC16F877A單片機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)，PIC16F877A單片機(jī)根據(jù)源程序發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)字邏輯信號(hào)，驅(qū)動(dòng)并控制繼電器實(shí)現(xiàn)盜電報(bào)警，或向上位機(jī)的單片機(jī)發(fā)送采集到的電能數(shù)據(jù)[1]。

2.1 PIC16F877A單片機(jī)

PIC16F877A是一種高性能軍用級(jí)CPU，包括8K×14個(gè)程序存儲(chǔ)器空間，368×8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）字節(jié)，256×8個(gè)EEPROM字節(jié)，共有35條單字指令，40個(gè)引腳，14個(gè)中斷源，支持在線串行編程（ISCP），工作電壓2.0 V～5.5 V。其具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、帶負(fù)載力大、可靠性高、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[2]。

2.2 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換電路的主要作用是將鋁盤轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，作為單片機(jī)的檢測(cè)信號(hào)。感應(yīng)式電能表的電磁系統(tǒng)為核心工作元件，并在電能表的鋁盤表面印制一條黑色的分度線作為分度。為辨別出鋁盤的正反轉(zhuǎn)，首先順時(shí)針增加分度線間隔的寬度，然后用反射式光電傳感器的發(fā)射端發(fā)射出一束光，并根據(jù)分度線收集標(biāo)記，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路，使鋁盤的旋轉(zhuǎn)速度與分度線的寬度成正比。這樣，可以使電脈沖信號(hào)為單片機(jī)提供檢測(cè)信號(hào)[3]。

電流檢測(cè)電路主要由線性霍爾傳感器UGN3501T、鉗形冷軋硅鋼片和信號(hào)處理電路組成，其電路如圖2所示。

電路中的霍爾元件以?shī)A子的形式被放置在冷軋硅鋼片的縫隙中。當(dāng)導(dǎo)線中有電流流過(guò)時(shí)，鉗形環(huán)中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比。這個(gè)磁場(chǎng)作用在霍爾元件上，就會(huì)輸出相應(yīng)的霍爾電勢(shì)，由運(yùn)放放大。當(dāng)電路中有電流流過(guò)時(shí)，放大器輸出的高電平信號(hào)就會(huì)施加到單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1上，作為單片機(jī)的檢測(cè)信號(hào)。

2.3 防盜電報(bào)警電路設(shè)計(jì)

該電路將光電信號(hào)加到單片機(jī)輸入捕捉端INTO。其目的是利用T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入捕捉功能，檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換電路的輸出脈沖和脈寬變化，判斷鋁盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。電流檢測(cè)電路的輸出信號(hào)加到定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的末尾，然后通過(guò)讀取T1的電平值和T0對(duì)光電信號(hào)的捕獲結(jié)果，可以判斷是否存在盜竊行為。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將P2.0口接繼電器傳輸電路和蜂鳴器報(bào)警電路的相應(yīng)端子。

2.4 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

控制器局域網(wǎng)（CAN—Controller Area Network）屬于現(xiàn)場(chǎng)總線，其是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。其總線規(guī)范已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線的范圍從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中各種檢測(cè)器和執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)通信[4]。

2.4.1 SJA1000控制器介紹

SJA1000是一種獨(dú)立控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的局部網(wǎng)絡(luò)控制。其是Phlips公司的PCA82C200CAN控制器（basic CAN）的代替產(chǎn)品。而且，其增加了一種新的工作模式（peli CAN），這種模式支持具有很多新特點(diǎn)的CAN2.0B協(xié)議。

2.4.2 PCA82C250/251收發(fā)器

PC82C250/251收發(fā)器是協(xié)議控制和物理傳輸路線之間的接口。如ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)中描述的那樣，其可以用高達(dá)1 Mbit/s位速率的兩條有差動(dòng)電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。

這兩個(gè)器件都可以在額定電源電壓分別是12V（PCA82C250）和24V（PCA82C251）的CAN總線系統(tǒng)中使用，其功能相同，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以在汽車和普通工業(yè)應(yīng)用上使用。PCA82C250和PCA82C251還可以在同一網(wǎng)絡(luò)中互相通訊，而且引腳和功能兼容。

2.4.3 MAX232通信芯片

MAX232芯片是低功耗、單電源RS232發(fā)送/接收器，適用于單片機(jī)與PC機(jī)通信接口的電平轉(zhuǎn)換。在MAX232芯片內(nèi)部集成有變壓器，可以把輸入的5 V電源更換成RS232所需的﹣10 V～10 V電壓。所以，采用此芯片后，串行通信系統(tǒng)接口只要5 V電源就可以實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。

2.4.4 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

SJA1000是電路中的總線接口芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)PIC單片機(jī)與下位機(jī)PIC單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信。該電路的主要功能是通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)PIC單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，然后下載到下位機(jī)的控制電路中，執(zhí)行控制功能。

當(dāng)CAN總線接口接收到下位機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)，由微處理器產(chǎn)生中斷，通過(guò)中斷處理程序處理接收到每一幀的數(shù)據(jù)，并通過(guò)CAN總線傳送至上位機(jī)，用于組態(tài)分析。PIC16F877A單片機(jī)是CAN總線接口電路的核心，其承擔(dān)SJA1000的初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)控制等任務(wù)。CAN總線接口框圖如圖3、圖4所示。

3 電能集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為抄表的記數(shù)存儲(chǔ)報(bào)警斷電，以及PC機(jī)CAN總線發(fā)送接收數(shù)據(jù)兩大部分，這樣可以便于程序的編寫和過(guò)程的調(diào)試。

該程序的主要功能是對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，采集3個(gè)脈沖為一組，判斷是否存在竊電問(wèn)題。電表工作時(shí)，可根據(jù)捕獲INTO端的輸入信號(hào)，與T1口電平比較，再結(jié)合信號(hào)脈寬和連續(xù)3個(gè)脈沖信號(hào)的寬度比較，判斷是否存在竊電問(wèn)題。若檢測(cè)到T1端為高電平，且定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的捕捉結(jié)果為零（撥盤不轉(zhuǎn)動(dòng)）或脈寬逐漸減小，即撥盤反轉(zhuǎn)時(shí)，表示存在竊電問(wèn)題。這時(shí)，PIC16F877A單片機(jī)的P20端會(huì)輸出繼電器控制信號(hào)，斷開電源，輸出1 kHz報(bào)警信號(hào)，將其放大并使蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

CAN總線通信部分是當(dāng)上位機(jī)需要統(tǒng)計(jì)電能時(shí)提出一個(gè)中斷請(qǐng)求，單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求，并通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給下位機(jī)的單片機(jī)，使其從存儲(chǔ)器中提出數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)的PIC單片機(jī)和PC機(jī)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

4 電能集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)的調(diào)試

在確信系統(tǒng)的硬件調(diào)試沒(méi)有問(wèn)題后，可以進(jìn)行系統(tǒng)的軟件調(diào)試。軟件調(diào)試同樣是根據(jù)從小到大、從局部到整體的原理進(jìn)行調(diào)試。為了清楚地看到系統(tǒng)功能，在軟件調(diào)試時(shí)，可以把電路分為兩部分、兩個(gè)步驟：將源代碼輸入到編程軟件已經(jīng)建好的工程文件中。然后，通過(guò)可燒將程序燒到PIC16F877A單片機(jī)里，再把單片機(jī)插到抄表模塊，直接利用串口助手在PC機(jī)上調(diào)試，看功能能否得到實(shí)現(xiàn)，如脈沖計(jì)數(shù)、盜電時(shí)中斷報(bào)警以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

在上一步中確信沒(méi)有問(wèn)題后，可以把CAN總線的接收和發(fā)送程序分別按照上面步驟記錄到上位機(jī)和下位機(jī)的PIC單片機(jī)中。然后，利用CAN總線接口電路將抄表模塊和PC機(jī)連接，調(diào)試其功能能否實(shí)現(xiàn)，如數(shù)據(jù)傳送格式、在電腦上顯示形式等功能。

5 結(jié)語(yǔ)

文章給出了基于PIC16F877A單片機(jī)的CAN總線電能集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)思路是在上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)通信、交互信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電能統(tǒng)計(jì)與抄表過(guò)程中的相關(guān)功能。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，是基于感應(yīng)式電能表的簡(jiǎn)單改裝。所以，對(duì)用電戶而言，該系統(tǒng)不僅節(jié)約經(jīng)濟(jì)，改裝比較方便，而且系統(tǒng)中加入了防盜電和自動(dòng)斷電功能。

然而，在模塊設(shè)計(jì)中難免存在缺陷，如系統(tǒng)精度不高的問(wèn)題，可以適當(dāng)提高成本，采用一些精度較高的元器件。如在光電轉(zhuǎn)換電路中的發(fā)光和接收二極管，測(cè)量電流電路中的霍爾傳感器，都可以采用精度較高的元件。在實(shí)際改裝中，要特別注意光電轉(zhuǎn)換電路部分。因?yàn)槠渲械陌l(fā)光和接收二極管，要按一定角度放在電表轉(zhuǎn)盤附近，這樣可以更精確地測(cè)量轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)。在軟件設(shè)計(jì)方面，要保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸以及接收的脈沖數(shù)與用電度數(shù)相對(duì)應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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