基于PIC16F877A單片機的CAN總線電能集中自動抄表系統(tǒng)設計

韓吉生

摘 要：文章給出了基于PIC16F877A單片機的CAN總線電能集中自動抄表系統(tǒng)的設計過程，該系統(tǒng)是在感應式電能表的基礎上將其改裝成為具有自動抄表和遠程數據傳輸的新型抄表形式。整個系統(tǒng)包括抄表模塊和數據傳輸模塊兩大部分電路，抄表模塊完成的是脈沖轉換、電流檢測、盜電報警和自動斷電的功能;數據傳輸模塊通過CAN總線網絡負責抄表系統(tǒng)與PC機控制中心的連接，實現(xiàn)控制中心對用戶進行統(tǒng)一抄表和統(tǒng)一收費的管理模式。該系統(tǒng)可以改變傳統(tǒng)的RS485或以太網自動抄表模式，節(jié)省人力，實現(xiàn)小區(qū)的智能化管理。

關鍵詞：單片機;電能;控制;CAN總線

中圖分類號：TP216.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.028

目前，水表、煤氣表、電表的遠程抄表系統(tǒng)日趨成熟。自動抄表系統(tǒng)的基本原理是利用計算機技術，通過專用設備遠程自動抄表。通常，首先將電表產生的脈沖信號由信號控制器計數，控制器再將信號發(fā)送至PC，由PC對采集到的數據進行處理、存儲、顯示并打印，再通過網絡自動上傳到用戶系統(tǒng)，通過微機中心顯示各設備的運行狀態(tài)，并可通過軟件控制設備，使設備以最經濟合理的方式工作運行。當某個設備出現(xiàn)故障時，微機中心發(fā)出聲光報警，通知管理人員處理事故。文章介紹了一種基于PIC16F877A單片機的CAN總線電能表集中自動抄表系統(tǒng)，主要對象是感應式電能表，在此電能表的基礎上，改進為具有防竊電、報警、自動抄表功能的新型電能自動集中抄表系統(tǒng)。

1 CAN總線電能集中自動抄表系統(tǒng)方案設計

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

針對抄表模塊部分，根據現(xiàn)階段大多數用電戶使用的感應式電能表的情況，采用軍用級單片機PIC16F877A為核心微處理器，加入光電轉換電路實現(xiàn)脈沖轉換，并利用霍爾傳感器UGN30T51進行電流檢測，且具有報警和自動斷電的功能，改裝比較方便，該電路所需成本較低。

針對通信模塊部分，采用CAN總線進行數據傳輸。這種通信方式不同于其他用于數據傳輸的通信網絡，有兩個不同：第一，消息傳輸不包含目的地址。其是基于網絡的整個廣播，接收服務器根據消息中的標識符過濾消息，這些標識符可反映數據性質，接收服務器應該接收的，丟棄不應該接收的。其優(yōu)點是可以在線離線使用，多站接收，即插即用。第二，其特別加強對數據安全的關注，滿足正常系統(tǒng)和對數據要求更高的控制系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)的硬件電路設計

在現(xiàn)實生活中，電能表的種類很多，可分為感應式電能表、脈沖式電能表和全電子式電能表。感應式電能表因其價格低廉、測量準確而被廣泛使用，其利用金屬鋁盤中由感應電流產生的磁場，與交流電固定線圈產生的磁場間的相互作用，從而產生驅動力矩進而帶動鋁盤旋轉，從而獲得消耗的累積電能。但是，由于感應式電能表沒有防盜功能，在電力行業(yè)發(fā)展迅猛的驅動下，這種不足給電力行業(yè)帶來的影響越來越突出。因此，在感應式電能表上，安裝防盜功能具有重要的現(xiàn)實意義。

在感應式電能表的使用上，常見竊電方法有以下幾種：

斷開電能表的內部電壓扣，使交流電流不通過固定線圈，不產生磁場，導致鋁板不能轉動，最后使電能表不能測量累計電量。電能表輸入線與輸出線接反，讓鋁盤反向旋轉，減少電能表的計量值。用電能表外的導線將電表短接，可使電能表的計量值為實際耗電量的一半左右。

文章在分析電能防盜的基礎上，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)主要由光電轉換電路、霍爾電流檢測電路、PIC16F877A單片機系統(tǒng)電路、繼電器控制電路、斷電報警電路等組成。系統(tǒng)主電路框圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)由上位機和下位機構成。上位機PC安裝有組態(tài)軟件，通過RS232協(xié)議向上位機的PIC16F877A單片機發(fā)送和接收數據，并由CAN總線網絡向下位機的PIC16F877A單片機傳輸數據。統(tǒng)計電能時，發(fā)出十六位控制信號給單片機;下位機的PIC16F877A單片機借助CAN總線技術接收來自上位機的PIC16F877A單片機數據信號，PIC16F877A單片機根據源程序發(fā)送對應的數字邏輯信號，驅動并控制繼電器實現(xiàn)盜電報警，或向上位機的單片機發(fā)送采集到的電能數據[1]。

2.1 PIC16F877A單片機

PIC16F877A是一種高性能軍用級CPU，包括8K×14個程序存儲器空間，368×8個數據存儲器（RAM）字節(jié)，256×8個EEPROM字節(jié)，共有35條單字指令，40個引腳，14個中斷源，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、帶負載力大、可靠性高、外圍電路簡單等優(yōu)點[2]。

2.2 光電轉換電路設計

光電轉換電路的主要作用是將鋁盤轉速轉換成脈沖信號，作為單片機的檢測信號。感應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，首先順時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，并根據分度線收集標記，再經光電轉換電路，使鋁盤的旋轉速度與分度線的寬度成正比。這樣，可以使電脈沖信號為單片機提供檢測信號[3]。

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

電路中的霍爾元件以夾子的形式被放置在冷軋硅鋼片的縫隙中。當導線中有電流流過時，鉗形環(huán)中就會產生磁場，其大小與流過導線的電流成正比。這個磁場作用在霍爾元件上，就會輸出相應的霍爾電勢，由運放放大。當電路中有電流流過時，放大器輸出的高電平信號就會施加到單片機的定時器/計數器T1上，作為單片機的檢測信號。

2.3 防盜電報警電路設計

該電路將光電信號加到單片機輸入捕捉端INTO。其目的是利用T0定時器/計數器輸入捕捉功能，檢測光電轉換電路的輸出脈沖和脈寬變化，判斷鋁盤的旋轉狀態(tài)。電流檢測電路的輸出信號加到定時器/計數器T1的末尾，然后通過讀取T1的電平值和T0對光電信號的捕獲結果，可以判斷是否存在盜竊行為。設計時應將P2.0口接繼電器傳輸電路和蜂鳴器報警電路的相應端子。

2.4 CAN總線接口電路設計

控制器局域網（CAN—Controller Area Network）屬于現(xiàn)場總線，其是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。其總線規(guī)范已被國際標準化組織ISO制定為國際標準，被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線的范圍從高速網絡到低成本的多線網絡，廣泛應用于控制系統(tǒng)中各種檢測器和執(zhí)行器之間的數據通信[4]。

2.4.1 SJA1000控制器介紹

SJA1000是一種獨立控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的局部網絡控制。其是Phlips公司的PCA82C200CAN控制器（basic CAN）的代替產品。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標準中描述的那樣，其可以用高達1 Mbit/s位速率的兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數據。

這兩個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，根據相關標準，可以在汽車和普通工業(yè)應用上使用。PCA82C250和PCA82C251還可以在同一網絡中互相通訊，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，適用于單片機與PC機通信接口的電平轉換。在MAX232芯片內部集成有變壓器，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電源就可以實現(xiàn)電平的轉換。

2.4.4 CAN總線接口電路設計

SJA1000是電路中的總線接口芯片，能夠實現(xiàn)上位機PIC單片機與下位機PIC單片機的數據通信。該電路的主要功能是通過CAN總線接收上位機PIC單片機采集到的數據，然后下載到下位機的控制電路中，執(zhí)行控制功能。

當CAN總線接口接收到下位機的數據時，由微處理器產生中斷，通過中斷處理程序處理接收到每一幀的數據，并通過CAN總線傳送至上位機，用于組態(tài)分析。PIC16F877A單片機是CAN總線接口電路的核心，其承擔SJA1000的初始化、數據收發(fā)控制等任務。CAN總線接口框圖如圖3、圖4所示。

3 電能集中自動抄表系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計可以分為抄表的記數存儲報警斷電，以及PC機CAN總線發(fā)送接收數據兩大部分，這樣可以便于程序的編寫和過程的調試。

該程序的主要功能是對外部脈沖進行計數，采集3個脈沖為一組，判斷是否存在竊電問題。電表工作時，可根據捕獲INTO端的輸入信號，與T1口電平比較，再結合信號脈寬和連續(xù)3個脈沖信號的寬度比較，判斷是否存在竊電問題。若檢測到T1端為高電平，且定時器/計數器T0的捕捉結果為零（撥盤不轉動）或脈寬逐漸減小，即撥盤反轉時，表示存在竊電問題。這時，PIC16F877A單片機的P20端會輸出繼電器控制信號，斷開電源，輸出1 kHz報警信號，將其放大并使蜂鳴器發(fā)出警報。

CAN總線通信部分是當上位機需要統(tǒng)計電能時提出一個中斷請求，單片機響應中斷請求，并通過CAN總線網絡將數據傳輸給下位機的單片機，使其從存儲器中提出數據并發(fā)送給上位機的PIC單片機和PC機。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

4 電能集中自動抄表系統(tǒng)的調試

在確信系統(tǒng)的硬件調試沒有問題后，可以進行系統(tǒng)的軟件調試。軟件調試同樣是根據從小到大、從局部到整體的原理進行調試。為了清楚地看到系統(tǒng)功能，在軟件調試時，可以把電路分為兩部分、兩個步驟：將源代碼輸入到編程軟件已經建好的工程文件中。然后，通過可燒將程序燒到PIC16F877A單片機里，再把單片機插到抄表模塊，直接利用串口助手在PC機上調試，看功能能否得到實現(xiàn)，如脈沖計數、盜電時中斷報警以及數據存儲等。

在上一步中確信沒有問題后，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和下位機的PIC單片機中。然后，利用CAN總線接口電路將抄表模塊和PC機連接，調試其功能能否實現(xiàn)，如數據傳送格式、在電腦上顯示形式等功能。

5 結語

文章給出了基于PIC16F877A單片機的CAN總線電能集中自動抄表系統(tǒng)的設計過程，設計思路是在上位機與下位機數據通信、交互信息的基礎上，實現(xiàn)電能統(tǒng)計與抄表過程中的相關功能。實際應用時，是基于感應式電能表的簡單改裝。所以，對用電戶而言，該系統(tǒng)不僅節(jié)約經濟，改裝比較方便，而且系統(tǒng)中加入了防盜電和自動斷電功能。

然而，在模塊設計中難免存在缺陷，如系統(tǒng)精度不高的問題，可以適當提高成本，采用一些精度較高的元器件。如在光電轉換電路中的發(fā)光和接收二極管，測量電流電路中的霍爾傳感器，都可以采用精度較高的元件。在實際改裝中，要特別注意光電轉換電路部分。因為其中的發(fā)光和接收二極管，要按一定角度放在電表轉盤附近，這樣可以更精確地測量轉盤的轉數。在軟件設計方面，要保證數據存儲、傳輸以及接收的脈沖數與用電度數相對應。

參考文獻

[1] 沈宏衛(wèi).單片機應用系統(tǒng)設計實例與分析[M].北京：北京航天大學出版社，2003.

[2] 馮建華，趙亮.單片機應用系統(tǒng)設計與分析[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[3] 尚金球.單片機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4] Andrew Bateman，Iain Paterson-Stephens.The DSP Handbook：Alogorithms，Application and Design Techniques[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.