單相電子是預(yù)付費電度表的研究畢業(yè)設(shè)計1

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）單相電子式預(yù)付費電度表研究燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院： 里仁學(xué)院 系級教學(xué)單位： 電力系統(tǒng)及其自動化系 學(xué)號學(xué)生姓名專 業(yè)班 級里仁電力題目題目名稱單相電子式預(yù)付費電度表研究題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計 （ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）題目類型1.畢業(yè)設(shè)計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容1. 分析課題研究的意義，根據(jù)要求給出電子式預(yù)付費電度表的電能計量方案和ic卡計量方案2. 分析硬件電路(單片機系統(tǒng)構(gòu)造，地址分

2、配，輸入輸出通道等)3. 給出硬件相關(guān)參數(shù)及設(shè)計(處理器選擇，程序及數(shù)據(jù)存儲器擴展，i/o擴展，顯示電路，定時電路等)4. 系統(tǒng)調(diào)試基本要求1.遵守畢業(yè)設(shè)計期間的紀律，按時答疑；2獨立完成設(shè)計任務(wù)，培養(yǎng)基本的科研能力；3設(shè)計說明書一份(不少于2萬字)，a1圖紙一張；英文資料翻譯不少于3千字；說明書要求條理清晰、文筆通順，符合畢業(yè)設(shè)計撰寫規(guī)范的要求；論文、圖紙中的文字符號符合國家現(xiàn)行標準；參考資料在校園網(wǎng)中國期刊全文數(shù)據(jù)庫上查找并閱讀相關(guān)資料10篇以上，外文文獻一篇以上。周 次第1 4周第58周第912周第1316周第1718周應(yīng)完成的內(nèi)容總體設(shè)計，資料分析系統(tǒng)設(shè)計，主程序設(shè)計子程序設(shè)計調(diào)試總結(jié)

3、論文答辯指導(dǎo)教師：趙立興職稱： 講師 2013年12月 31日系級教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要 飛速發(fā)展的電力工業(yè)對電能的計量與管理提出了更高的要求:先付費、后用電，實施分時電價，實現(xiàn)自動抄表和收費等。ic卡預(yù)付費電子電能表應(yīng)運而生，能夠滿足上述要求。 單相電子式預(yù)付費電度表和傳統(tǒng)的電度表相比，能實現(xiàn)從電能數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)教幚淼淖詣踊朔鹘y(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，能推進電能管理的現(xiàn)代化。單相電子式預(yù)付費電能表的設(shè)計是基于at89c52單片機為核心來實現(xiàn)的，該畢業(yè)設(shè)計完成的硬件電路有復(fù)位及晶振、計量、顯示、ic卡接口、電能存儲器、掉電檢測等電路的設(shè)計；程序部分實現(xiàn)了初始化子程序、

4、計量子程序、顯示子程序等子程序的設(shè)計。系統(tǒng)中使用sm9903作為計量芯片，并通過存儲ic卡at24c01作為電管部門與用戶連接的橋梁，來存儲由售電管理系統(tǒng)寫入的電量值等。 單相電子式預(yù)付費電度表不僅具有電能計量、預(yù)付費等功能，并且具有接口簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、計量準確、精度高等特點。關(guān)鍵詞單片機at89c52；計量芯片sm9903；ic卡at24c01；預(yù)付費；電度 表abstractthe rapid development of power industry for electrical energy measurement and management put forward higher r

5、equirements: electricity, after paid, first implementation of time-sharing electricity, automatic meter reading and billing, etc. arises at the historic moment, ic card prepaid electronic watt-hour meter can meet the above requirements. compared with the traditional meter ,single-phase electronic pr

6、epayment meter can achieve data acquisition, transmission and processing automation, which overcomes inefficiency and uncertainty of the traditional manual meter reading pattern. power management can promote modernization. the single-phase electronic prepayment meter is based on at89c52. the design

7、of hardware circuit partial completion of the measurement circuit, crystal reduction and display circuits, ic card interface, energy memory, power-fail detection circuit design; procedures for achieving some of the initialization subroutine, the subroutine measurement, the subroutine shown such subr

8、outine design. sm9903 system used as a measurement of chips, and memory ic card at24c01 as electricity and regulatory departments and users connecting to the bridge, to be sold by the store management system into the value of electricity.single-phase electronic prepayment meter is not only used for

9、metering, prepaid expenses, it also has a simple interface, compact structure, measurement accuracy, and high precision characteristics. keywords：mcu at89c52；measurement chip sm9903；ic card；at24c01；prepayment；power meter 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.1.1課題的來源及意義11.1.2 電度表的發(fā)展11.1.3 ic卡國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.1

10、.4 單相電子式預(yù)付費電度表的研究意義31.1.5 單相電子式預(yù)付費電度表的特點與功能31.2 單相電子式預(yù)付費電度表設(shè)計的任務(wù)、要求及內(nèi)容41.2.1 設(shè)計任務(wù)與要求41.2.2 設(shè)計內(nèi)容4第2章 單相電子式預(yù)付費電度表總體方案的設(shè)計62.1 方案設(shè)計與論證62.1.1 電能計量系統(tǒng)方案設(shè)計62.1.2 預(yù)付費系統(tǒng)方案設(shè)計82.2本章小結(jié)10第3章 單相電子式預(yù)付費電度表硬件電路的實現(xiàn)113.1 有功電能測量的基本原理113.2 電能計量電路的實現(xiàn)123.2.1 sm9903芯片介紹123.2.2 計量電路的設(shè)計143.3 單片機控制電路的設(shè)計163.3.1 at89c52單片機介紹163.

11、3.2 單片機復(fù)位、晶振電路的設(shè)計213.4 顯示電路的實現(xiàn)223.4.1 smg12232b-2顯示器介紹223.4.2 顯示電路的設(shè)計253.5 其他部分電路設(shè)計263.5.1 ic卡接口電路263.5.2 電能存儲器273.5.3 掉電檢測電路313.6本章小結(jié)32第4章 系統(tǒng)程序的設(shè)計及仿真334.1 系統(tǒng)程序流程圖的設(shè)計334.2 子程序的設(shè)計344.2.1計量子程序344.2.2存儲器讀寫子程序354.2.3顯示子程序354.3系統(tǒng)仿真364.4本章小結(jié)37結(jié)論38參考文獻39致謝41附錄42第1章 緒論1.1 課題背景1.1.1課題的來源及意義老式的電度表大都靈敏度差、測量精度低

12、、易受電磁干擾，并且大量非線性元件的使用，增加了電網(wǎng)高次諧波，其電壓電流并非標準正弦波，因而導(dǎo)致誤差增大，測量精度下降。特別是當波形畸變較大甚至不能正常工作。這種情況是不承擔超重負荷功率測量1。為了改變這個狀態(tài)，也為了改善用電量不均衡的現(xiàn)象、調(diào)節(jié)負荷曲線、合理利用電能，國內(nèi)部分省市的供電部門已開始逐步推廣使用多費率電能表、電子式多功能測量儀表、ic卡預(yù)付費電表、基于ad的電能自動測量系統(tǒng)、基于單片機的電能自動測量系統(tǒng)、這一系列電表的設(shè)計是促進均衡用電的一種經(jīng)濟有效的方式。電度ic卡預(yù)收費系統(tǒng)是為了滿足科學(xué)技術(shù)的進步和社會生產(chǎn)力的發(fā)展而研制的，具有使用之前預(yù)先收費、用電管理現(xiàn)代化和分時間段計費等

13、功能的新型電度表2。ic卡預(yù)付費電度表是以ic卡作為電能量值數(shù)據(jù)傳輸媒介，在電度表（電子式電度表或機械式電度表）中加入負荷控制部分等功能模塊，從而實現(xiàn)電量抄收和電量結(jié)算功能的智能型電度表。 采用ic卡電度表后，可以改變現(xiàn)有的管理和收費模式，使得更加快捷有效。用ic卡實現(xiàn)預(yù)付費，實現(xiàn)先付費后用電，ic卡結(jié)算的管理模式，使電費收取更加方便及時，減少欠交，遲交的現(xiàn)象。它避免過多的現(xiàn)金交易出現(xiàn)的糾紛，減輕了工作人員的工作手續(xù)和強度，而且，供電公司建立了用戶信息管理系統(tǒng)，存儲在ic卡內(nèi)，保證一戶一卡，信息系統(tǒng)里有完善的財務(wù)核算系統(tǒng)，實現(xiàn)了科學(xué)管理，使工作人員的日常工作實現(xiàn)自動化，按照管理系統(tǒng)流程開展工作

14、，減少出錯概率，更加科學(xué)化，自動化，提高了公司服務(wù)質(zhì)量，增強公司的市場競爭力。另一方面，ic卡電度表的ic卡繳費功能更便于用戶日常查詢，及時了解自家用電情況3。1.1.2 電度表的發(fā)展 電表作為電力測量工具,廣泛用于國民經(jīng)濟各部門。最初,使用機械感應(yīng)電度表。它有更多的功耗,重,需要手工抄表,不防竊電、低性能的缺點3。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,單片機(mcu)和大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于電能計量領(lǐng)域,提高了儀表的技術(shù)水平和性能，然后出現(xiàn)了各種各樣的電力儀表，如:單相電子式復(fù)費率電度表、單相電子式預(yù)付費電度表、三相電子式多功能電度表、三相電子式預(yù)付費電度表等4。他們根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境,以及用戶所需要

15、的功能的不同，在國民經(jīng)濟中分別扮演重要的角色。 目前，預(yù)付費電表發(fā)展到今天，已經(jīng)有很多的集成技術(shù)，以提高智能化程度，未來甚至可能成為一個智能數(shù)據(jù)終端，可以與電力供應(yīng)公司、用戶進行人際溝通5。按照國家電網(wǎng)公司的新標準的要求，除了具有測量，最基本的預(yù)付費控制功能，對電氣安全的要求更加重視，操作方便等優(yōu)點。單相電子式預(yù)付費電度表也日趨成熟，在引進和利用國外先進的技術(shù)和工藝，并隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，單相電子式預(yù)付費電能表將技術(shù)和先進的技術(shù)和高可靠性的特點更成熟的呈現(xiàn)在用戶面前6。1.1.3 ic卡國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀ic卡又稱集成電路卡，是1974年一名法國新聞記者發(fā)明的。95年之前ic卡電表多為可擦除存

16、儲芯片（eeprom）或一般存儲卡，以93c46和24c01 為主；95年后以存儲卡和邏輯加密卡為介質(zhì)出現(xiàn)了大范圍使用ic卡表的狀態(tài)；98年后使用以cpu卡和esam模塊方式為加密介質(zhì)的ic卡表并逐漸向cpu卡和esam模塊方式過渡。隨著國內(nèi)各個行業(yè)服務(wù)意識的增強，ic 卡技術(shù)的發(fā)展越來越迅速，在居民用戶日常生活中，ic 卡技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛78。尤其是在相關(guān)的計量表計中，例如電表、燃氣表、水表、暖氣表，ic卡技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)很成熟了。目前，很多居民區(qū)都已經(jīng)開始采用 ic 卡來數(shù)據(jù)管理，包括抄表、收費、控制，這使 ic卡表成為目前國內(nèi)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個亮點。ic卡預(yù)付費電度表是以ic卡作為電能

17、量值數(shù)據(jù)傳輸媒介，在電度表（電子式電度表或機械式電度表）中加入負荷控制部分等功能模塊，從而實現(xiàn)電量抄收和電量結(jié)算功能的智能型電度表。非接觸式ic卡又稱射頻卡是國外近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)它成功地將ic卡技術(shù)和射頻識別技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源和免接觸的難題。射頻卡與讀寫器間無機械接觸，不需專門的供電電源，從而避免了接觸故障；表面無裸露芯片，使用時沒有正反面之分，可防水，且不易產(chǎn)生靜電擊穿及彎曲損壞等問題9?？傊?，非接觸式ic卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特點。1.1.4 單相電子式預(yù)付費電度表的研究意義長期以來，我們使用的是機械感應(yīng)式電度表，它具有笨重、耗電多、需要人工抄表，防竊電性能低、

18、需要手工抄表等缺點。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，單片機（mcu）和電源廣泛用于測量領(lǐng)域的大規(guī)模集成電路，其技術(shù)水平和儀表的性能得到了長足的發(fā)展。電能計量是現(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)的一個重要組成部分，電能計量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，從電能到加工自動化傳輸，它克服了傳統(tǒng)的人工抄表方式和不確定性的低效率，可以促進能源管理現(xiàn)代化10?，F(xiàn)在高等院校的學(xué)生公寓，一般對學(xué)生用電實行敞開供應(yīng)，用電收費。因此，新建的學(xué)生公寓應(yīng)對每一個房間均裝有電能表或其他形式的電能計量裝置來實現(xiàn)學(xué)生買多少就用多少電。本課題設(shè)計的單相電子式預(yù)付費電度表完全可滿足這種社會需求的。1.1.5 單相電子式預(yù)付費電度表的特點與功能特點： 單相電

19、子式預(yù)付費電度表雖然只是普通的計量工具，但是由于微控制器的引入，對設(shè)計者提出了很高的要求。而且單相電子式預(yù)付費電度的工作條件相當惡劣，因此對該系統(tǒng)的可靠性要求也相對較高，一般來說，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:l 常年不間斷運行，這要求設(shè)備具有高質(zhì)量和高可靠性。l 電度表進行校表時要經(jīng)歷最劣的慢上下電考驗。所謂慢上電是指電度表的電源電壓從零到最大的時間太長，不能使單片機很可靠的復(fù)位，致使電度表工作異常；慢下電是指電源斷開時，單片機的電源不會馬上為零，而需要一段時間，在這段時間中，單片機中的程序指針pc可能會出錯，即程序跳出正常軌道，出現(xiàn)混亂，甚至陷入死循環(huán)。l 由于主要面向廣大群眾，要求成本要盡可能

20、低，所以在保證可靠性的前提下，要求硬件電路簡單11。 正因為如此，該單項電子式預(yù)付費電度表與以往的電表相比具有接口簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點。它主要用于小范圍家庭或?qū)W校的電能消耗的測量。功能：l 用戶將存有電量的ic卡插入卡槽,卡中電量被讀入表內(nèi)，同時把ic卡清“0”。l 用電時，能隨時改寫剩余電量。l 當表內(nèi)剩余電能20kwh時，在led顯示屏上顯示以提醒用戶余電不多，及時購電。l 具有掉電保護功能。掉電時，自動把剩余電量從ram轉(zhuǎn)儲在e2prom中12。1.2 單相電子式預(yù)付費電度表設(shè)計的任務(wù)、要求及內(nèi)容1.2.1 設(shè)計任務(wù)與要求任務(wù)：設(shè)計一個采用ic卡的單相電子式預(yù)付費電度

21、表。要求：電度表正常工作時，能顯示剩余電能值，使用戶直觀地了解電度表的工作是否正常。當表內(nèi)剩余電能不足20kwh時，能提醒用戶余電不多，及時購電。具有掉電保護功能。1.2.2 設(shè)計內(nèi)容 單相電子式預(yù)付費電度表系統(tǒng)主要包括電能計量系統(tǒng)和預(yù)付費系統(tǒng)。電能計量系統(tǒng)主要應(yīng)完成電能測量功能；預(yù)付費系統(tǒng)主要是利用ic卡實現(xiàn)先付費，再用電。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。 根據(jù)本課題設(shè)計的任務(wù)及技術(shù)指標要求，本次設(shè)計主要應(yīng)完成兩個方面的內(nèi)容：硬件電路設(shè)計：電能計量電路的設(shè)計、復(fù)位晶振電路的設(shè)計、顯示電路的設(shè)計、ic卡接口電路的設(shè)計、電能存儲器、掉電檢測等電路的設(shè)計。監(jiān)控程序的設(shè)計：初始化、電能計量、存

22、儲器讀寫、顯示等子程序的設(shè)計。第2章 單相電子式預(yù)付費電度表總體方案的設(shè)計2.1 方案設(shè)計與論證2.1.1 電能計量系統(tǒng)方案設(shè)計 方案一 機械電子式前置通道采用原感應(yīng)式電度表電路，通過對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)的計數(shù)來測量電能。具體方案是在轉(zhuǎn)盤上涂上大約1cm寬的“黑條”，在轉(zhuǎn)盤的上方或下方設(shè)置一紅外線發(fā)射接收對管。當紅外線照射在“黑條”處，紅外線被吸收，無反射，即接收管受不到紅外線；當紅外線照在其他部分時，被反射，接受管能接收到紅外線。這樣轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個脈沖，再通過對脈沖的整形、計數(shù)、顯示完成電能的計量。這種方案顯示直觀，讀數(shù)容易，但它仍然具有機械式感應(yīng)電度表的缺點，即耗電多、笨重。方案二 模數(shù)

23、轉(zhuǎn)換式對電流和電壓分別采樣，再通過a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入單片機進行相乘運算。并在cpu中設(shè)置一個定時器定時對功率進行累加，其系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。這種方案對信號的采樣速率快，但a/d轉(zhuǎn)換器的精度要求高，而且由于電網(wǎng)的電力諧波引入前置通道，導(dǎo)致a/d轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)。為抑制這種干擾，必須在軟件上加數(shù)字濾波器或在硬件上采用隔離放大器和高精度的運算放大。這將增加cpu的負擔和硬件電路成本，其方案可行而不可取。圖2-1 方案二的系統(tǒng)框圖方案三 電壓頻率轉(zhuǎn)換式采用電壓頻率（v/f）轉(zhuǎn)換器加單片機實現(xiàn)對電流和電壓的a/d轉(zhuǎn)換。這樣，模擬通道中本身的干擾信號被抑制。無須專門的a/d轉(zhuǎn)換器，

24、大大減少了硬件成本。cpu只需對v/f轉(zhuǎn)換后的脈沖進行定時計數(shù)，便可測出電壓和電流的數(shù)字量。同時，電壓和電流分別經(jīng)過零檢測電路。將過零脈沖送cpu處理，得出電流和電壓的相位差（），經(jīng)過查表得功率因數(shù)（）計算,便得有功功率,再定時累加就是電能值。系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。圖2-2 方案三的系統(tǒng)框圖這種方案的cpu要實現(xiàn)讀寫卡控制、求功率因數(shù)（）、電能計算等功能，負擔較重，一般的mcs-51、mcs-96和pic系列單片機難以勝任。方案四 功率累加式將端口電流和電壓先送入模擬乘法器相乘，得到一個與功率p成正比的模擬電壓（或電流），再經(jīng)過v/f變換（或i/f變換）變成頻率信號。單片機對頻率信號f進行累

25、加，即可得出電能。系統(tǒng)框圖如圖2-3所示。 這種方案不但兼有方案三的優(yōu)點，而且對cpu的要求低，采用mcs-51系列單片機完全可以勝任。而且，現(xiàn)在已有集成電路（如：bl0932、sm9903）將模擬乘法器、低通濾波器和v/f變換器集成，其性能指標都遠遠高于分立元件。圖2-3 方案四的系統(tǒng)框圖基于以上分析，方案四明顯優(yōu)于其他三種方案。其中，模擬乘法器、低通濾波器和v/f變換器采用集成電路sm9903。cpu采用at89c52，它內(nèi)部有8kb的程序存儲器，應(yīng)用于此系統(tǒng)綽綽有余。采用液晶顯示器可顯示漢字，使界面清晰、明了。2.1.2 預(yù)付費系統(tǒng)方案設(shè)計方案一采用非加密存儲器卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì)非

26、加密存儲器卡的卡內(nèi)嵌入芯片為通用存儲器芯片。 存儲器卡的特點：l 卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用eeprom。l 無安全控制邏輯，可對片內(nèi)信息不受限制地任意存取。l 卡片制造中也很少采取安全保護措施。l 多采用2線串行通信協(xié)議（i2c總線協(xié)議）。非加密存儲器卡信息存儲方便、使用簡單、價格便宜，很多場合可替代磁卡。但由于本身不具備信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的場合，其典型型號有：l at24c01a/02/04/08/16/32/64二線串行eeprom。l microchip 24lc01a/02/04/08/16/32/65二線串行eeprom。l sle4418智能型1kb eepro

27、m。l sle4432智能型 256b eeprom。l at45d041大容量（4kb）閃速存儲卡。對于某單位或?qū)W校內(nèi)部進行定量用電，超標付款，則可采用此方案。方案二加密存儲器卡加密存儲器卡（security cards接觸型）的芯片由非易失性存儲器和硬件加密邏輯構(gòu)成。加密存儲器卡的特點：l 具有安全控制邏輯，安全性能較好。l 同時采用rom、prom、eeprom等存儲技術(shù)。l 從芯片制造到交貨，均采用較好的安全保護措施。l 為提高安全性，加密存儲器卡的存儲空間被分為多個不同的功能區(qū)。加密存儲器卡內(nèi)嵌芯片在存儲區(qū)外增加了控制邏輯。在訪問存儲器前，需要核對密碼。只有密碼正確，才能存取數(shù)據(jù)。允

28、許連續(xù)密碼核驗的錯誤次數(shù)很少（一般在十次以內(nèi)），可以有效防止非法試探。若在限定的次數(shù)密碼仍不對，則卡片死鎖作廢。這類器件保密性較好，應(yīng)用較廣泛。此方案保密性優(yōu)于方案一，可用于社區(qū)或以村為單位的預(yù)付費用電系統(tǒng)。方案三 cpu卡cpu卡的硬件構(gòu)成包括cpu、存儲器（含ram、rom、eeprom等）、卡與讀寫終端通信的i/o接口及加密運算協(xié)處理器cau。其中：l cpu一般均為兼容于8位字長單片機等（如mc68hc05、intel8051等）的微處理器。它將在cos(chip operation system，片內(nèi)操作系統(tǒng)）控制下，實現(xiàn)卡與外界的信息傳輸、加密、解密和判別處理等。l rom用于存放

29、cos,3kb16kb。l ram用于存放中間處理結(jié)果及作為卡與讀寫器間信息交換的中間緩沖器，128b1kb。l eeprom則是真正可供用戶訪問的存儲區(qū)，用于保存卡的各種信息、密碼、應(yīng)用文件等，1kb16kb。cpu卡（smart cards接觸型）內(nèi)嵌芯片相當于一個特殊類型的單片機，內(nèi)部除了帶控制器、存儲器、時序控制邏輯外，還帶有算法單元和操作系統(tǒng)。cpu卡有存儲容量大、處理能力強、信息存儲安全等特性，因此廣泛應(yīng)用于信息安全性要求特別高的場合。此方案保密程度高，適用于大范圍（如全國性的）預(yù)付費售電系統(tǒng)。所以在對以上三種方案的比較后，我在本設(shè)計中，選用第一種方案，以非加密存儲器卡作為售電的傳

30、輸媒質(zhì)，具體型號是at24c01。2.2本章小結(jié) 本章給出了單相電子式預(yù)付費電度表總體方案的設(shè)計，包括電能計量系統(tǒng)方案設(shè)計和預(yù)付費系統(tǒng)方案設(shè)的設(shè)計。根據(jù)以上各種方案的比較與選用，再根據(jù)具體設(shè)計指標的要求，計量模塊使用電能計量芯片sm9903對用戶的電能進行計量，通過光耦連接到單片機。采用非加密存儲器卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號是at24c01。 第3章 單相電子式預(yù)付費電度表硬件電路的實現(xiàn)3.1 有功電能測量的基本原理本設(shè)計采用有功電能測量集成電路sm9903，芯片內(nèi)部包含了四象限模擬乘法器、積分器、電壓頻率轉(zhuǎn)換器vfc，它能將正弦電壓和電流相乘后，轉(zhuǎn)換為頻率輸出。只需對輸出脈沖累計計數(shù)，就

31、可計量出電能。sm9903內(nèi)部電路模型如圖3-1所示積分器v/f轉(zhuǎn)換器四象限模擬乘法器圖3-1 sm9903內(nèi)部電路模型示意圖在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，設(shè)正弦電壓和電流分別為：式中，為交流電壓瞬時值，為交流電流瞬時值，為交流電壓有效值，為交流電流有效值，為交流電的角頻率，為電壓電流的相位差。 經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時功率為：可見，瞬時功率有恒定分量和正弦分量兩部分，正弦分量的頻率是電壓（或電流）頻率的兩倍。瞬時功率經(jīng)積分器后，得有功功率，即一段時間內(nèi)的電能為以上分析表明，有功功率為恒定分量，將正比于的電壓經(jīng)v/f變換后，輸出的是頻率隨變化的脈沖，只需將脈沖累計計數(shù)，則計數(shù)值即為電能。3.2 電能

32、計量電路的實現(xiàn)單相電子式付費電度表的硬件電路可分為電能計量電路、復(fù)位晶振電路、顯示電路、ic卡接口、電能存儲器、掉電檢測幾大模塊。下面對各部分電路的設(shè)計情況進行介紹。3.2.1 sm9903芯片介紹電能計量電路采用電子電度表專用集成電路sm9903。首先有必要介紹一下sm9903的相關(guān)特點和技術(shù)參數(shù)。sm9903采用3硅柵bicmos工藝制成。電路設(shè)計先進，內(nèi)部集成有低通濾波器、乘法器、v/f型a/d轉(zhuǎn)換器等電路。特點l 精確測量正負兩個方向的有功功率，且以同一個方向計算電能。l 線性度高，動態(tài)工作范圍寬。l mcu數(shù)據(jù)接口。l 直接驅(qū)動步進電機。l 適用于單相、三相電度表。l 低功耗。l 2

33、0年使用壽命。功能sm9903是將取自電阻網(wǎng)絡(luò)的交流電壓和交流電流信號進行放大。應(yīng)用乘法器將功率轉(zhuǎn)換成電壓，再通過v/f（電壓頻率轉(zhuǎn)換）型a/d轉(zhuǎn)換器等電路將電壓信號轉(zhuǎn)換成可供mcu讀取和直接驅(qū)動步進電機的數(shù)字信號。sm9903同時具有測量負向有功功率的功能，測量負向有功功率以正向有功功率計算，并通過ind（9腳）輸出負電平以指示測量負向有功功率。管腳圖及定義sm9903管腳如圖3-3所示，其管腳定義如表3-1所示。圖3-3 管腳圖圖3-3 管腳圖表3-1 管腳定義 管腳號 符號 說明1vi1電流取樣信號輸入續(xù)表3-1 管腳定義 管腳號符號說明2vi2電流取樣信號輸入3gnda模擬地端4vv電

34、壓取樣信號輸入5nc與4腳內(nèi)部互相聯(lián)結(jié)6vr1參考電壓1外調(diào)整端7vr2參考電壓2外調(diào)整端8pout有功功率計算輸出脈沖9ind負向有功功率指示10tc測試控制端11vss負電源(-5v)12gndd數(shù)字地端13dmo1脈沖電機驅(qū)動輸出114dmo2脈沖電機驅(qū)動輸出215oscin晶振輸入16oscout晶振輸出17vdd正電源(+5v)18c1積分電容119com積分電容公共端20c2積分電容23.2.2 計量電路的設(shè)計在本設(shè)計中，用sm9903構(gòu)成的電能計量電路如圖3-4所示。在圖3-4中，采用340的錳銅片作為電流采樣電阻，用精密金屬膜作為電壓采樣電阻。所以該電能表的常數(shù)為1600個/k

35、wh，它表示對應(yīng)于1 kwh電能的輸出脈沖數(shù)（pulse）為1600個?；玖砍虨?a，最大量程可達20a。220v交流電經(jīng)過340的錳銅片電阻獲得電流采樣信號，再通過精密金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)得到電壓取樣信號。c4、r17、vd1、vd2、c8、c9、vz1、vz2為電容降壓式電源，為sm9903提供5v的工作電壓。其中vz1、vz2分別為+5v電源、5v電源中的穩(wěn)壓管。 32768hz石英晶體為表用晶體振蕩器，為sm9903提供時鐘。c6、c7為積分電容。r8為參考電壓調(diào)整電位器。從第8腳輸出的有功功率積算脈沖，經(jīng)過光耦合器送給at89c52。圖3.6 sm9903構(gòu)成的電能計量電路3.3 單片機

36、控制電路的設(shè)計控制部分為整個電度表的心臟，實現(xiàn)電能脈沖、掉電信號、卡信號、串行eeprom數(shù)據(jù)的采集和讀寫，完成顯示驅(qū)動模塊的控制等功能。單片機的選擇是決定電度表性能的關(guān)鍵因素，本設(shè)計采用mcs-51系列單片機，其特點是通用性強，易。其flash型如：atmel公司的at89c51、at89c52、at89c1051、at89c2051等和臺灣華幫公司的w78e51、w78e52等，使用十分方便。所以本次設(shè)計選用atmel公司的at89c52，其內(nèi)部有8kb的程序存儲器，無須外部擴展，使硬件電路簡單。 3.3.1 at89c52單片機介紹at89c52單片機屬于at89c51單片機的增強型，與

37、intel公司的80c52在引腳排列、硬件組成、工作特性和指令系統(tǒng)等方面完全兼容。其主要工作特性是：l 片內(nèi)程序存儲器內(nèi)含8kb的flash程序存儲器，可擦寫壽命為1000次；l 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)含256字節(jié)的ram；l 具有32根可編程i/o口線；l 具有3個可編程定時器；l 中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；l 串行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口；l 具有一個數(shù)據(jù)指針dptr；l 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；l 具有可編程的3級程序鎖定位；l at89c52工作電源電壓為5（10.2）v，且典型值為5v；l at89c52最高工作頻率為24mhz。

38、引腳排列及功能1 at89c52的引腳排列如圖3-5所示圖3-5 at89c52引腳圖功能：l p0口8位、漏極開路的雙向i/o口。當使用片外存儲器及外擴i/o口時，p0口作為低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線。在編程時，p0口可用于接收指令代碼字節(jié)；在程序校驗時，p0口可輸出指令字節(jié)（這時需要加外部上拉電阻）。p0口也可作通用i/o口使用，但需要加上拉電阻，變?yōu)闇孰p向口。當作為普通輸入時，應(yīng)將輸出鎖存器置1。p0口可驅(qū)動8個ttl負載。l p1口8位、準雙向i/o口，具有內(nèi)部上拉電阻。p1口是為用戶準備的i/o雙向口。在編程和校驗時，可用做輸入低8位地址。用做輸入時，應(yīng)先將輸出鎖存器置1。p1口可驅(qū)動4

39、個ttl負載。p1.0口可替代t2做定時器2外部事件輸入端；可編程脈沖輸出端。p1.1可替代t2ex作定時器2的捕捉重裝觸發(fā)器輸入端；定時器2的計數(shù)方向控制端。l p2口8位、準雙向i/o口，具有內(nèi)部上拉電阻。當使用片外存儲器或外擴i/o口時，p2口輸出高8位地址。在編程/校驗時，p2口可接收高字節(jié)地址和某些控制信號。p2口也可作普通i/o口使用。用做輸入時，應(yīng)先將輸出鎖存器置1。p2口可驅(qū)動4個ttl負載。l p3口8位、準雙向i/o口，具有內(nèi)部上拉電阻。p3口作為普通的i/o口。用做輸入時，應(yīng)先將輸出鎖存器置1。在編程/校驗時，p3口接收某些控制信號。它可驅(qū)動4個ttl負載。p3口還提供各

40、種替代功能，如表3-2所示。表3-2 p3口替代功能 引腳 替代功能 說明p3.0rxd串行數(shù)據(jù)接收p3.1txd串行數(shù)據(jù)發(fā)送p3.2int0外部中斷0申請p3.3int1外部中斷1申請p3.4t0定時器0外部事件計數(shù)輸入p3.5t1定時器1外部事件計數(shù)輸入p3.6wr外部ram寫選通p3.7rd外部ram讀選通l rst復(fù)位輸入信號，高電平有效。在振蕩器穩(wěn)定工作時候，在rst腳施加兩個機器周期（即24個晶振周期）以上的高電平，將器件復(fù)位。l vcc電源電壓輸入引腳。l gnd電源地。l xtal1片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生電路的輸入端。使用片內(nèi)振蕩器時，連接外部石英晶體和微調(diào)電容。l x

41、tal2片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當使用片內(nèi)振蕩器時，外接石英晶體和微調(diào)電容。當使用外部振蕩器時，引腳xtal1接收外振蕩器信號，xtal2懸空。l ale/prog當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ale 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale 脈沖。對flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh 單元的d0 位置位，可禁止ale 操作。該位置位后

42、，只有一條movx 和movc指令才能將ale 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ale 禁止位無效。l psen程序儲存允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89c52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次psen 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次psen信號。l ea/vpp外部訪問允許。欲使cpu 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000hffffh），ea 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu 則執(zhí)行內(nèi)部程

43、序存儲器中的指令。flash 存儲器編程時，該引腳加上+12v 的編程允許電源vcc，當然這必須是該器件是使用12v 編程電壓vcc13。3 時鐘振蕩器at89c52 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖3-6。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容c1、c2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容c1、c2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶

44、體，我們推薦電容使用30pf10pf，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pf10f。用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到xtal1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2 則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。c2xtal2xtal1gndc1圖3-6內(nèi)部振蕩電路4 空閑節(jié)電模式 在空閑工作模式狀態(tài)，cpu自身處于睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產(chǎn)生。此時，同時將片內(nèi)ram 和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容凍結(jié)?？臻e模式可由任何

45、允許的中斷請求或硬件復(fù)位終止。由硬件復(fù)位終止空閑狀態(tài)只需兩個機器周期有效復(fù)位信號，在此狀態(tài)下，片內(nèi)硬件禁止訪問內(nèi)部ram，但可以訪問端口引腳，當用復(fù)位終止空閑方式時，為避免可能對端口產(chǎn)生意外寫入，激活空閑模式的那條指令后一條指令不應(yīng)是一條對端口或外部存儲器的寫入指令。5 掉電模式在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)ram 和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。退出掉電模式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器，但不改變ram中的內(nèi)容，在vcc恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。3.3.

46、2 單片機復(fù)位、晶振電路的設(shè)計設(shè)計at89c52單片機復(fù)位、晶振電路如圖3-7所示。ic4與時鐘電路（包括晶體振蕩器、電容c14、c15），上電復(fù)位電路（包括r23、c13、s2、vd10、c31、r50）構(gòu)成單片機的最小系統(tǒng)。其中，晶體振蕩器選用12mhz的高穩(wěn)定無源晶體振蕩器，它與at89c52中的反向放大器構(gòu)成振蕩器，給cpu提供高穩(wěn)定的時鐘信號。電容c14、c15可起頻率微調(diào)作用，電容值在5pf30pf之間選擇，本電路選20pf。電容c13和電阻r23構(gòu)成上電復(fù)位電路。電源開啟時，電源對電容c13充電，在cpu的復(fù)位端產(chǎn)生一高脈沖。只要高電平的維持時間大于兩個機器周期（24個振蕩周期）

47、。cpu就可復(fù)位。二極管vd10的作用是當斷電時，可使電容c13所儲存的電荷迅速釋放，以便下次上電時可靠復(fù)位。電容c13可濾除高頻干擾，防止單片機誤復(fù)位。按鍵s2和電阻r50構(gòu)成按鍵復(fù)位電路。電阻r30和按鍵s1構(gòu)成鍵盤，用以實現(xiàn)顯示內(nèi)容的切換。電能脈沖由的8腳經(jīng)光電耦合器ic2送到ic4的t0端，用以實現(xiàn)脈沖計數(shù)。圖3-7 at89c52單片機控制電路、3.4 顯示電路的實現(xiàn)本系統(tǒng)采用液晶顯示器。其特點是顯示內(nèi)容豐富（可顯示漢字），功耗小，可靠性高，電路簡單。選用的器件型號是：smg12232b-2，顯示容量為12232點陣。采用總線方式連接。3.4.1 smg12232b-2顯示器介紹主要

48、技術(shù)參數(shù)smg12232b-2的主要技術(shù)參數(shù)如表3-3所示。表3-3 smg12232b-2的技術(shù)參數(shù) 顯示容量 12232點陣 工作溫度 -10+50芯片工作電壓4.55.5v存儲溫度-20+60芯片工作電流5ma(5.0v)背光源類型el最佳工作電壓5.0v背光源工作電壓5.0v點尺寸0.8mm0.78mm背光源工作電流30ma接口信號說明smg12232b-2的接口信號說明如表3-4所示。表3-4 smg12232b-2的接口信號說明 編號 符號 引腳說明編號 符號 引腳說明1rst復(fù)位端（高電平復(fù)位）9db1數(shù)據(jù)口12vcc電源正極10db0數(shù)據(jù)口03db7數(shù)據(jù)口711gnd電源地4d

49、b6數(shù)據(jù)口612寫信號（低電平有效）5db5數(shù)據(jù)口513讀信號（低電平有效）6db4數(shù)據(jù)口414cs1片選ic1信號7db3數(shù)據(jù)口315cs2片選ic2信號8db2數(shù)據(jù)口216a0數(shù)據(jù)/命令選擇端（h/l）el+背光源驅(qū)動電壓輸入端el-背光源驅(qū)動電壓輸入端smg12232b-2控制器接口說明l 基本操作時序（l為低電平，h為高電平）讀狀態(tài)：輸入a0=l，cs1或cs2=l，rd=l，wr=h輸出 db7db0=狀態(tài)字寫指令：輸入a0=l，cs1或cs2=l，rd=h，wr=l，db7db0=指令碼 輸出無讀數(shù)據(jù)：輸入a0=h，cs1或cs2=l，rd=l，wr=h輸出 db7db0=數(shù)據(jù)寫數(shù)

50、據(jù)：輸入a0=h，cs1或cs2=l，rd=h，wr=l，db7db0=數(shù)據(jù)輸出無l 狀態(tài)字說明smg12232b-2狀態(tài)字說明如表3-5,3-6表3-5 smg12232b-2的狀態(tài)字說明sta7sta6sta5sta4sta3sta2sta1sta0d7d6d5d4d3d2d1d0表3-5 smg12232b-2的狀態(tài)字說明sta04未用sta5液晶顯示狀態(tài)1：關(guān)閉；0：顯示 sta6未用sta7讀寫操作使能1：禁止；0：允許在使用時，對控制器的每次讀寫操作之前，都必須進行讀寫檢測。以確保sta7為0。l smg12232b-2中ram的地址映射圖lcd顯示屏由兩片控制器控制，每個內(nèi)部帶有

51、3280位（320b）的ram緩沖區(qū)，對應(yīng)關(guān)系如圖3-8所示。lcd 122x32ic1 4頁x61列 32x61點ic1 4頁x61列 32x61點第2頁第3頁第1頁第0頁0 4頁x61列 32x61019790 4頁x61列 32x6101979圖3-8 smg12232b-2中ram的地址映射3.4.2 顯示電路的設(shè)計硬件電路如圖3-9所示。液晶顯示器smg12232b-2的片選信號引腳cs2或cs1被選中時,液晶顯示器smg12232b-2處于工作狀態(tài)。當數(shù)據(jù)/命令選擇端a0為低電平時，執(zhí)行命令操作，且在寫信號wr有效時，單片機p0口向液晶顯示器smg12232b-2的db7db0位輸

52、出狀態(tài)字（如液晶顯示狀態(tài)、讀寫操作使能狀態(tài)）和顯示指令碼。當數(shù)據(jù)/命令選擇端a0為高電平時，且在寫信號wr分別有效時，單片機p0口向液晶顯示器smg12232b-2的db7db0輸出數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)（如正在讀卡，請稍后；空卡；卡短路；非法卡；超負荷等）。圖3-9液晶顯示接口電路3.5 其他部分電路設(shè)計3.5.1 ic卡接口電路ic卡接口電路采用的是atmel公司的存儲ic卡，用于存儲由售電管理系統(tǒng)寫入的卡號、電度數(shù)等，是電管部門與用戶連接的橋梁。為了提高ic卡操作的可靠性，必須有卡上下電控制電路、卡插入檢測電路、卡短路檢測電路等輔助電路，結(jié)合軟件可以大大提高其讀寫的準確性和可靠性。ic卡接口電路

53、如圖3-10所示。r24、vd5、vt2組成卡上下電電路。當ic4的p1.6=0時，vt2導(dǎo)通，ic卡座之vcc得電；當ic4的p1.6=1時，vt2截止，ic卡座之vcc失電。ic卡的vcc同時經(jīng)vd6送至cpu的p1.5，檢測有無卡電源短路現(xiàn)象，以防人為破壞。k1、k2為ic卡座的一對常閉觸點，當有卡插入時，k1、k2開路，vt3導(dǎo)通，給ic4的p1.2口送入低電平，此信號用來檢測有無卡插入。圖3-10 ic卡接口電路3.5.2 電能存儲器由于ic卡上有許多用戶信息，如用戶號、電表號、電表剩余電量、累計用電量、電表狀態(tài)等，在電表上電和掉電時需要對這些數(shù)據(jù)進行必要的保護，因此需要選擇合適的eprom來存放cpu讀取到的ic卡上的信息以及保護ic卡電表的工作狀態(tài)參數(shù)。串行eeprom選用at24c04，at24c04為低電壓（2.5v5.5v）、長壽命（可擦寫10萬次以上）器件。在掉電時存儲剩余電度數(shù)。1) at24c04芯片介紹 at24c04是atmel公司生產(chǎn)的4kb（512bytes）e2prom芯片，引腳圖如圖3-11，該芯片采用i2c總線設(shè)計，主要性能指標與at24c02類似，不同點為：l 容量為at24c02的兩倍，分為兩部分存儲空間，每部分256bytes。l 有2個器件地址選擇腳，一個i2c總線最多能夠掛接4個at24c04器