CN203838909U - 应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，包括控制主板和负载模拟板，在负载模拟板上安装模拟负载灯，所述控制主板上设置有中央处理器，所述中央处理器有串行接口，围绕所述中央处理器分别设置有电可擦可编程只读存储器和时钟电路，所述中央处理器串行接口连接无线传输模块电路，无线传输模块电路与上位机无线连接用于数据交换，所述模拟负载灯通过电子开关与中央处理器数据总线连接。通过该装置，学生可以熟悉无线数据传输的特点、应用范围、工作方式、无线数据传输系统的构成和调制解调原理，了解单片机系统的硬件设计和软件开发，熟悉单片机系统常见的显示、按键、A／D、通讯。

Description

应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置

技术领域

   本实用新型属于数据传输，特别涉及一种应用于无线通信课程的无线数据传

输智能抄表装置。

背景技术

目前，基于无线数据传输的智能远程抄表系统已经广泛的得到了应用，它不但能实现远程抄表、通断控制等功能，还可以和电力公司的数据库相连，从而可以及时准确的了解到用户电表的工作状态和用电情况。对于学校中开设的这方面的教学，大多还停留在书本上，学生又缺少动手能力因此对于一些理论教学需要开设一些实践课，然而目前缺少相应的试验台以及教学模具，因此，为了培养更多的学生快速的理解现有技术，建立一套应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表系统非常有必要。

发明内容

本实用新型的目的在于提供应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，通过该装置，学生可以熟悉无线数据传输的特点、应用范围、工作方式、无线数据传输系统的构成和调制解调原理。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，包括中央处理器和模拟负载灯，所述中央处理器有串行接口，围绕所述中央处理器分别连接有电可擦可编程只读存储器、液晶显示器、按键键盘、声光报警器和时钟电路，所述中央处理器串行接口连接一个无线传输模块电路，无线传输模块电路与一个上位机无线连接用于数据交换，所述模拟负载灯通过电子开关与中央处理器数据总线连接。

进一步是：所述模拟负载灯共有八只，八只模拟负载灯一端通过一片做为所述电子开关的74HC245芯片连接在八位数据总线上，八只模拟负载灯另一端短路连接在一起通过一个继电器与电源连接，继电器通过一个开关控制吸合与断开。

进一步是：所述中央处理器的数据总线是八位数据总线，在所述中央处理器的八位数据总线上通过74HC245芯片连接有八个按键的按键键盘，所述八个按键对应八只模拟负载灯，用于通过向中央处理器输入信号选择八只模拟负载灯。

进一步是：所述中央处理器通过数据总线和连接地址总线的译码器连接液晶显示器、按键键盘和声光报警器。

进一步是：所述时钟电路是由型号为PCF8563时钟芯片和围绕时钟芯片连接的电阻、电容和晶振组成，在所述时钟芯片的电源输入端与第一二极管和第二二极管负极连接，所述第一二极管的正极连接电源，所述第二二极管的正极连接一个独立供电电池。

本实用新型以单片机为核心，模拟了一套基于无线数据传输的智能远程抄表装置。通过该装置，学生可以熟悉无线数据传输的特点、应用范围、工作方式、无线数据传输系统的构成和调制解调原理，了解单片机系统的硬件设计和软件开发，熟悉单片机系统常见的显示、按键、A／D、通讯等；了解无线数据传输单片机系统从原理图设计到制板，从程序设计到工程建立、编译、程序下载、调试的一整套开发流程；熟悉基于8051核的单片机的内部架构、集成外设等；熟悉单片机的I/O控制、8位并行总线控制；熟悉单片机系统常见的三线串行总线、两线串行总线的时序图和程序设计。

另外，本装置还包括上位机软件设计，可以使学生了解上位机界面的设计，以及上位机与下位机的通讯协议的设计。

下面结合附图和实施例对本实用新型作一详细描述。

附图说明

图1 本实用新型结构示意图；

图2本实用新型模拟负载控制示意图；

图3本实用新型时钟电路示意图。

具体实施方式

应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，参见图1，包括一个实验电路板1，在实验所述电路板上设置有中央处理器2和模拟负载灯3，所述中央处理器有串行接口，其中，围绕所述中央处理器分别连接有电可擦可编程只读存储器4、液晶显示器5、按键键盘6、声光报警器7和时钟电路8，所述中央处理器串行接口连接一个无线传输模块电路9，无线传输模块电路与一个上位机10无线连接用于数据交换，所述模拟负载灯通过电子开关11与中央处理器数据总线连接，其中的上位机是具有无线接收和发射功能的计算机。

实施例中：如图2所示，所述模拟负载灯共有八只，八只模拟负载灯一端通过一片做为所述电子开关的74HC245芯片连接在八位数据总线上，八只模拟负载灯另一端短路连接在一起通过一个继电器12与电源连接，继电器通过一个开关13控制吸合与断开。

实施例中：所述中央处理器的数据总线是八位数据总线，在所述中央处理器的八位数据总线上通过74HC245芯片连接八个按键的按键键盘，所述八个按键对应八只模拟负载灯，用于通过向中央处理器输入信号选择八只模拟负载灯。

实施例中：如图1所示，所述中央处理器通过数据总线和连接地址总线的译码器14连接液晶显示器、按键键盘和声光报警器。

实施例中：如图3所示，所述时钟电路是由型号为PCF8563时钟芯片8-1和围绕时钟芯片连接的电阻、电容和晶振组成，在所述时钟芯片的电源输入端与第一二极管8-2和第二二极管8-3负极连接，所述第一二极管的正极连接电源，所述第二二极管的正极连接一个独立供电电池15。

本实施例以单片机为核心，模拟了一套基于无线数据传输的智能远程抄表系统。该系统包括两部分，其中下位机部分为本实施例装置，该装置模拟用户用电及电表，包括用户的模拟用电、模拟电功率的采样、分时费率的设置，通过当前时间段的费率及当前电功率，计算出当前电费，并从当前用户金额中实时的扣掉，当金额不足时，能够切断用户供电；而上位机部分则模拟电力公司，可以完成用户的购电、用户用电情况的查询、分时费率的设置，并能根据情况手动或自动切断或连接用户供电。

通过该装置，学生可以熟悉无线数据传输的特点、应用范围、工作方式、无线数据传输系统的构成和调制解调原理，了解单片机系统的硬件设计和软件开发，熟悉单片机系统常见的显示、按键、A／D、通讯等；了解无线数据传输单片机系统从原理图设计到制板，从程序设计到工程建立、编译、程序下载、调试的一整套开发流程；熟悉基于8051核的单片机的内部架构、集成外设等；熟悉单片机的IO控制、8位并行总线控制；熟悉单片机系统常见的三线串行总线、两线串行总线的时序图和程序设计。

另外，通过本装置还可以进行上位机软件设计，可以使学生了解上位机界面的设计，以及上位机与下位机的通讯协议的设计。

上位机是基于VB的用户界面，主要功能包括：

查询用户剩余电量金额。

用户购电，并把购电金额下传至用户电表内。

查询用户电表的年、月、日、时、分、秒。设置用户电表的年、月、日、时、分、秒。查询分时费率。设置分时费率。实时显示某用户用电曲线。

手动切断或连接用户用电。

下位机分为硬件和软件两部分，硬件包含以下资源：

 基于8051核的高速单片机。

1路10位A／D转换。

1路RS232通讯串口。

1路无线通讯。

带中文字库的128×64点阵液晶，具有4／8位并行、2线或3线串行多种接口方式。

基于I2C总线的EEPROM芯片，容量2kbit（256字节）。

基于I2C总线的日历时钟芯片，可以处理2100年以前的年、月、日、周、时、分、秒。

8只按键。

8只用户灯。

1只程序转灯。

1路声光报警。

基于串口的无线数据传输模块。

软件包含以下功能：

显示当前年、月、日、时、分、秒。

显示当前费率。

显示用户剩余金额。

定时检测用户当前用电功率，并转换功耗。

把定时得到的功耗由当前费率转换用电金额，并从用户当前剩余金额中扣掉。

定时把金额写入EEPROM内，以防掉电丢失。

在EEPROM中记录分时费率。

当用户剩余金额低于一定值时，声光报警；当为0时，切断用户供电；反之则连接用户供电、取消声光报警。

通过基于串口的无线数据传输模块，和上位机通讯，完成各项功能。

本实施例的中央处理器CPU为一款基于8051核的高速51单片机——STC12C5A60S2。该单片机是由宏晶科技生产的单时钟机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。其主要特点如下：

增强型8051核CPU，单时钟机器周期，指令代码完全兼容传统8051

工作频率：0～35MHz，相当于普统8051的0～420MHz

片上集成1280字节的RAM

I／O口复位为准双向口／弱上拉（8051传统I／O设置）；可设置成四种模式：准双向口（弱上拉），强推挽／强上拉，仅为输入／高阻，开漏；每个I／O口的驱动能力可达20mA，但整个芯片最大不能超过120mA。

无需专用仿真器和编程器，可通过串口（P30／P31）直接下接载用户程序。

内部集成看门狗。

内部集成MAX810复位电路。

内部集成A／D转换，10位精度，转换速度可达每秒250000次。

内部集成两路通用全双工异步串行口。

单片机IO口资源分配如下：

P0口为8位数据总线。

P2口为高8位地址总线，由于地址够用，因此没有使用低8位地址总线。

P10为A／D转换的模拟输入口。

P11为液晶背光控制口。

P12和P13为第2串行口。

P16为时钟芯片PCF8563数据口。

P17为时钟芯片PCF8563时钟口。

P30和P31为第1串行口。

P32为报警控制口。

P33为模拟用户用电切断控制口，可以模拟实现对用户用电的切断和连接。

P34为EEPROM芯片24LC02时钟口。

P35为EEPROM芯片24LC02数据口。

P37和P36为8051单片机外部读写控制信号。

本实施例电可擦可编程只读存储器（EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，它是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。在本装置中采用了24C02，它是基于I2C总线的、具有2Kbit（256字节）的EEPROM芯片，用来存储用户ID、分时费率等信息。

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少、控制方式简单、器件封装形式小、通信速率较高等优点。本系统所选CPU不具备I2C接口硬件，因此使用了两个IO口——P34和P35——来模拟I2C时序，完成对24C02的通讯。

I2C时序简述如下：

总线空闲：SCLK和SDA都保持高电平。

开始信号：SCLK为高，SDA下降沿视为开始信号；从该信号以后总线被认为忙.。

数据传送：SCLK为高时，SDA的数据需保持稳定；只有当SCLK为低电平时，才允许SDA上的数据改变。

应答信号：接收数据的IC在每收到1字节(8bit)数据，向发送数据的IC发出低电平脉冲信号，视为已收到信号。在某些情况下主器件不发送应答信号，而直接发出停止信号。

结束信号：SCLK为高时，SDA上升沿视为结束信号。

本实施例时钟电路的实时时钟在本系统中扮演着很重要的角色，只有知道当前时间，才能对应的采用分时费率。

PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。

实施例单片机STC12C5A60S2具有两个串行口UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置）。在本系统中，第1个串行口被设置为RS232串行通讯口，第2个串行口被设置为与无线数据传输模块相连。

RS-232是美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，原始编号全称是EIA-RS-232（简称232，RS232）。它被广泛用于计算机串行接口外设连接。基本上所有的单片机都会集成一个或个串行口，方便单片机和其它单片机或计算进行通信。

单片机内部集成的串行口是TTL电平的，它还需要用一片驱动芯片将TTL电平驱动为232电平，TTL电平为正逻辑，高低电平分别为0V和5V，而232电平为负逻辑，高电平为-15V～-3V，低电平为+3V～+15V。本系统采用MAXIM公司的MAX232芯片。

作为串口电路，RS232可以实现点对点的通信方式，但是这种方式不能实现联网功能，且通信距离不能远于15米。

无线数据传输模块电路它具有体积小、功耗低、通讯距离远、抗干扰能力强、稳定可靠等优点；可实现点对点、一点对多点、多点对多点的设备间数据的透明传输；数据接口有：TTL、RS232、RS485，使用简单方便，适用于物联网、智能电网、医院智能管理、智能家居、智能物流仓储等各个行业领域。

本实施例采用的是型号为POP2032的无线数据传输模块电路，该无线数据传输模块采用抗干扰性强的GFSK的调制解调方式，可靠传输距离为300米~1600米；ISM频段，无需申请；收发一体，半双工模式， 数据收发转换自动完成，转换时间短，平常处于接收状态，只要往模块发送数据，立刻转入发送状态发送数据，数据发送完成自动转入接收状态；支持RSSI指示，收发有LED 指示功能；接口方式为TTL。

与单片机相连的无线模块引脚包括TTL电平的TXD、RXD，还有设置引脚和休眠引脚。

与PC端相连的无线模块为USB接口，将其插入USB口，并安装驱动，PC端会出现一个虚拟串口。

如图2所示，本实施例提供了8只用户灯，用于模拟家庭中的电灯和电器。8只用户灯通过一片74HC574接在总线上。继电器的触点连接用户灯的共阳端和电源，用于模拟家庭供电的总开关。通过采集用户灯共阳端电压，经采样电阻R11，可以计算出用户灯的功耗，模拟为家庭用电的功耗。

本实施例配置了一路声光报警单元，当用户的预购电数量低于一定值时，该单元会发出警报，提醒用户购电。报警单元是由一个NPN三极管9013驱动的蜂鸣器和发光二极管构成。

本实施例配置了12864的液晶显示器，该液晶显示器采用ST7290控制器，可选择8位、4位并行接口或串行接口，提供8192个中文字形（16×16点阵）和128个西文字符（16×8点阵）。电路板提供跳线选择串行或并行接口，本系统采用了8位并行接口，挂接于总线上。并由单独的IO通过三极管驱动控制液晶背光。

本实施例配置的按键通过74HC245挂接51总线之上，由于机械按键在按下和松开时会产抖动，因此要采用软件去抖，其算法是连续读取的n次键值相同，则认为该键值是一个确定值，否则认为是一个不确定值，将其抛弃后重新读取。

在得到一个确定值后，需要和上一次的确定值相比较，以确定是否有按键按下或弹起，其算法是将本次确定值和上次确定值做异或运算，如果运算结果为真，则认为有按键事件发生（按下或按下）；再查找运算结果中不为0的bit位，就可以确定是哪一个按键；再根据本次确定值同样位置的bit位的值是0或是1，就可以确定是按下还是弹起。

通过本装置可以进行费率设置与读取、模拟供电控制、用户灯控制、无线通讯等的教学操作。 

Claims (5)

1.应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，包括中央处理器和模拟负载灯，所述中央处理器有串行接口，围绕所述中央处理器分别连接有电可擦可编程只读存储器、液晶显示器、按键键盘、声光报警器和时钟电路，其特征在于，所述中央处理器串行接口连接一个无线传输模块电路，无线传输模块电路与一个上位机无线连接用于数据交换，所述模拟负载灯通过电子开关与中央处理器数据总线连接。

2.根据权利要求1所述的应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，其特征在于，所述模拟负载灯共有八只，八只模拟负载灯一端通过一片做为所述电子开关的74HC245芯片连接在八位数据总线上，八只模拟负载灯另一端短路连接在一起通过一个继电器与电源连接，继电器通过一个开关控制吸合与断开。

3.根据权利要求2所述的应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，其特征在于，所述中央处理器的数据总线是八位数据总线，在所述中央处理器的八位数据总线上通过74HC245芯片连接有八个按键的所述按键键盘，所述八个按键对应八只模拟负载灯，用于通过向中央处理器输入信号选择八只模拟负载灯。

4.根据权利要求3所述的应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，其特征在于，所述中央处理器通过数据总线和连接地址总线的译码器连接液晶显示器、按键键盘和声光报警器。

5.根据权利要求1所述的应用于无线通信课程的无线数据传输智能抄表装置，其特征在于，所述时钟电路是由型号为PCF8563时钟芯片和围绕时钟芯片连接的电阻、电容和晶振组成，在所述时钟芯片的电源输入端与第一二极管和第二二极管负极连接，所述第一二极管的正极连接电源，所述第二二极管的正极连接一个独立供电电池。