基于AVR单片机的低功耗电表封签设计
摘要：随着物联网技术的飞速发展，生活中的事物也变得更加智能化、自动化。电表封签主要作用是防止非法窃电，有效快速地发出信息，上位机进行接收信息。系统主要运用了射频收发器cc1101和AVR微计算机两片芯片，而低功耗电表封签是在原有的基础上，对模块的电路低功耗和微计算机的低功耗，使其使用时间更长。
关键词：电表封签；cc1101；AVR微计算机；低功耗
Low power meter seal based on AVR MCU
Abstract:With the rapid development of Internet of things technology, things in life have become more intelligent and automatic. The electricity meter seal is to prevent the electricity meter from being stolen, effectively and quickly send out the information, the upper computer to receive the information. Rf transceiver system mainly USES the cc1101 and AVR MCU two chip microprocessor, and low power meter seal on the basis of the original, of low power consumption of the circuit module and the microcomputer of low power consumption, make its use time longer.
Keywords: Electricity meter seal; cc1101;AVR MCU; Low power consumption
目录
第一章 绪论 4
1.1课题的背景及意义 4
1.2国内外研究现状 4
1.3技术特点 6
1.4课题研究的内容 6
第二章 系统的总体设计 7
2.1系统整体方案设计思路 7
2.2系统方案的选择 7
2.2.1微计算机的选择 7
2.2.2无线数传芯片的选择 9
2.2.3电源芯片的选择 9
第三章 系统的硬件设计 10
3.1系统的电路设计思路 10
3.2电源电路的设计 10
3.3 单片机最小系统电路的设计 11
3.3.1单片机复位电路 13
3.3.2单片机时钟晶振电路 13
3.4 CC1101无线通信电路的设计 14
3.5低功耗电路的设计 15
3.6传感器电路的设计 16
第四章 系统的软件设计 17
4.1系统软件的设计思路 17
4.2单片机低功耗和电路低功耗的软件设计 18
4.3 CC1101发送程序和传感器的软件设计 20
第五章 系统的调试 21
5.1系统的硬件调试 21
5.2系统的软件调试 22
5.3系统的联调 22
5.3.1单片机的调试 23
5.3.2 CC1101、低功耗电路和传感器的调试 24
第六章 总结与展望 25
6.1总结 25
6.2展望 25
小结与致谢 26
参考文献 27
附录一 电路原理总图 28
附录二 源代码 29
第一章
第一章 绪论
1.1课题的背景及意义
电能现在是人们生活的必需品，没有电能很多事物都会停止工作。社会发展非常迅速，随之的用电量也日益增大，从而就会有一小部分人，通过非法的手段来窃取电能，这个问题也是当今社会主要的问题，这类问题严重影响了供电企业的发展，也对国家的经济建设和社会的和平发展产生影响。现如今，集成电路行业发展日益迅速，窃电偷电的方法也是变得更加高明，且隐秘性非常好，工作人员检查起来也特别的麻烦。
近几年，窃电偷电的违法案列越来越多，每年国家都会损失超过200亿元的电能，而且这还只是保守估计，细算下来，这都是国家的巨大损失。如果放置窃电的手法没有更新换代的话，这个数字将会大大增加。虽然现代社会人们的法制观念得到了进一步的加强，但是偷电的现象是只增不减。现在物联网技术发展的非常快，偷电的方法也是日益更新，每当被查处，就会有另一种方法的出现，电能公司也是倍感头疼。尤其是一些小型的私营企业，窃电得来的利益当成公司主要资产，而供电企业的利益却每天都在损失。这类现象，不仅仅影响的是供电企业的发展，当量变产生质变时，影响的就是整个国家的发展。
经过网上案列的总结，造成窃电现象的泛滥还是由于技术的滞后和落化，旧版的防窃电装置或许已经被新式的窃电装置给破解了，因此我们就需要一个特别完善且具有改善意义的防窃电装置。
本次课题的意义在于，通过这次小的设计，可以对窃电现象有些许阻碍，也希望本次设计可以设施的实际生活中，帮助小容量客户解决这个烦恼。
1.2国内外研究现状
国内早期人们的防窃电手法是非常简单的，它是在电表计量装置上的紧固螺丝做手脚，使用漆或者腊把螺丝封起来，如果有人非法窃电，首先会把紧固的螺丝拧下来，封在其上面的漆或者腊就会损坏，当工作人员检测的时候，就会发现窃电行为。但这种方法也有太多的漏洞，首先漆和腊都是在空气中容易被腐蚀的材料，潮湿的天气会加快腐蚀速度，这样每当工作人员检测的时候，就会有错误的判断，所以这种方法很显然的被淘汰了。
一种窃电方法的淘汰，就会出现新的方法。现在防窃电手法是使用的一次性铅封，它的原理和家用铁锁有异曲同工之效，就是把电表箱或计量柜的主要部位锁住，而且每个铅封自带专有的印模，当有人非法窃电时，只能损坏铅封，检查人员检测时就会发现，专有的印模可以防止别人偷换。这种方法也是目前看来，有些成效的防窃电装置。虽然这种方法起到了一定的作用，但是铅封的印模是可以伪造的，查处起来更加的麻烦，所以使用这种方法，也不能完全的排除窃电现象。
对于小客户，电量的计量装置基本上是一个电能表，大型的供电企企业所用的计量装置就不仅仅是一个电能表，除此外，还有电压表、电流互感器等测量仪器。但是这样的计量装置却也很容易被窃电，，所以要进行防窃电还得看整体结构，所有的装置尽量都没有漏洞。在80年代，我国又研发一种计量专用配电柜，把所有需要测量的器件都锁进配电柜里面，类似于保险箱的方法防止窃电。现在计量柜已经有了部颁标准。计量柜的投入使用，很大程度地阻止了窃电现象的发生，即使现在，部分地方也在投入使用。但是，计量箱或计量柜上端子排中，有供检定时串入标准电能表电流线圈用的电流连接端纽，只把它松动，不全部打开时，这也可以能被窃电的。
现如今，防窃电的手法很多，防窃电装置也日益先进。智能防窃电控制装置
也是现在常用的一种防窃电装置，它的原理是，检测计量箱的箱门，如果被非法打开时，装置系统就会往监控中心和接警手机号码发送信息，监控中心的工作人员收到信息，然后进行远程断电处理。它还具有另一种报警功能，装置会在30秒内，自动切断电源，同时发出报警声。计量箱被断电后，只有工作人员通过电子秘钥才能恢复用电。类似这种防窃电装置的研发有很多，例如TLKS-PA-II型计量箱防窃电报警装置，它与智能防窃电控制装置不同的是系统使用的是GSM模块，是采用短信的方式发送计量箱状态，然后具有加密技术，保护性能高，还可以防止电磁的干扰。
所以，目前的防窃电装置大多都是人工智能，不需要付出太多的人力，就能起到防窃电的作用，以后更加强力的防窃电装置应该会更加的全面，从而改善国家供电企业的发展和稳定。
河北电网的防窃电工作就是使用的美国理想工业公司的Sure Test线缆探测仪，这款防窃电装置检测的是用电异常，检测的仪器和设备也是非常先进的。这个装置由两部分组成，信号发射器和信号接收器。前者产生一种特殊的信号流入到被测电路中，后者以一定的方向放在被测导线或者电能表附近，就会检测到信号。此信号状态就是衡量线路短段以及所连接的设备的标准。它还可以检测线路是否私接地线，抄表人员只要测量计量表的火线和零线的电流，二者相等，说明没有私接，反之，需要一一检测。
1.3技术特点
本设计使用的无线通信芯片是CC1101，它是在无线通信基础上做到极低功耗，工作频率段低于1GHz，在发送信号这块模块上，尽量做到极低耗能，使之持久工作。CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、链路质量指示以及无线唤醒(WOR)的广泛硬件支持。并且我们使用在网络上具有开源代码的一款实用型微计算机AVR，AVR微计算机是一款便捷灵活、方便上手的开源单片机。对于我们来说，写一些小的功能学习起来还是特别简单，稍微复杂的就需要下一些功夫，同时这款单片机灵活性很强。只需要有一些C语言和单片机的基础，稍微下些功夫，也是可以非常快速掌握的。
这款微计算机在掉电模式下，耗电低至1ua，而本次设计是每五个小时唤醒一次微计算机，在一节纽扣电池的维持下，可使系统使用至少一年。现如今集成电路发展迅速，电子元器件也越来越小，设计出来的电路也更加小，整体价格也会非常便宜。
1.4课题研究的内容
本课题的首要目的是防止窃电偷电，如果当电表箱被非法打开了，我们在不查看电表箱的前提下，就可以知道电表箱门状态，既不需要耗费人力，也不需要太多物力。其次研究的方向是低功耗，在各方面上，都尽量做到最低功耗，当然也考虑到造价和实物大小方面。低功耗上面，主要是针对单片机的低功耗。单片机的低功耗，在硬件上，我们选取耗能比较低的单片机芯片，而且易于学习，易于编写程序。在单片机最小系统上，尽量把最小系统的电路简化，使用功耗低的元器件，元器件尺寸，我们选取小型号的器件，使实物更加小巧。在软件方面，利用软件的编程，我们可以实现功能的前提下，实现单片机内部的最小耗能。在一系列的要求下，最终做成耗能低，造价便宜，实物小的电路。
参考文献
[1]张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:复旦大学出版社,2005.
[2]胡乾斌，李光斌，李玲等.单片微型计算机原理与应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.?
[3]张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程[M]，清华大学出版社,1997.
[4]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1982.
[5]阎石.数字电子电路[Z].北京:中央广播电视大学出版社,1992.
[6]谢嘉奎.电子线路(第四版)[Z].北京:北京高等教育出版社,1999.?
[7]郭胜等.C#.NET程序设计教程[M].北京:清华大学出版社,2002.
[8]蔡建军.智能电子产品设计与制作.大连:大连理工大学出版社,2015.
[9]马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社.2003修订版.
[10]楼然苗等.51系列单片机设计实例.北京航空航天出版社.2003.3.
[11]霍孟友等.单片机原理与应用学习概要及题解.机械工业出版社.2005.3.
[12]陈堂敏.刘焕平主编.单片机原理与应用.北京:北京理工大学出版社.2007.
[13]许泳龙等.单片机原理及应用.机械工业出版社.2005.1.
[14]江修汗等编.计算机控制原理与应用.西安:西安电子科技大学出版社.1999.
[15]薛均义.张彦斌.虞鹤松.樊波.凌阳十六位单片机原理及应用.2003年.北京航空航天大学出版社
