【正文】 l 常年不間斷運(yùn)行，這要求設(shè)備具有高質(zhì)量和高可靠性。l 電度表進(jìn)行校表時(shí)要經(jīng)歷最劣的慢上下電考驗(yàn)。所謂慢上電是指電度表的電源電壓從零到最大的時(shí)間太長，不能使單片機(jī)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(shí)，單片機(jī)的電源不會(huì)馬上為零，而需要一段時(shí)間，在這段時(shí)間中，單片機(jī)中的程序指針PC可能會(huì)出錯(cuò)，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，要求成本要盡可能低，所以在保證可靠性的前提下，要求硬件電路簡單[11]。 正因?yàn)槿绱耍搯雾?xiàng)電子式預(yù)付費(fèi)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(diǎn)。它主要用于小范圍家庭或?qū)W校的電能消耗的測量。②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(shí)把IC卡清“0”。l 用電時(shí)，能隨時(shí)改寫剩余電量。l 當(dāng)表內(nèi)剩余電能20kWh時(shí)，在LED顯示屏上顯示以提醒用戶余電不多，及時(shí)購電。l 具有掉電保護(hù)功能。掉電時(shí)，自動(dòng)把剩余電量從RAM轉(zhuǎn)儲(chǔ)在E2PROM中[12]。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表設(shè)計(jì)的任務(wù)、要求及內(nèi)容 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求①任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)采用IC卡的單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表。②要求：電度表正常工作時(shí)，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(dāng)表內(nèi)剩余電能不足20kWh時(shí)，能提醒用戶余電不多，及時(shí)購電。具有掉電保護(hù)功能。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表系統(tǒng)主要包括電能計(jì)量系統(tǒng)和預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)。電能計(jì)量系統(tǒng)主要應(yīng)完成電能測量功能；預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)主要是利用IC卡實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)，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(jì)的任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)要求，本次設(shè)計(jì)主要應(yīng)完成兩個(gè)方面的內(nèi)容：硬件電路設(shè)計(jì)：電能計(jì)量電路的設(shè)計(jì)、復(fù)位晶振電路的設(shè)計(jì)、顯示電路的設(shè)計(jì)、IC卡接口電路的設(shè)計(jì)、電能存儲(chǔ)器、掉電檢測等電路的設(shè)計(jì)。監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)：初始化、電能計(jì)量、存儲(chǔ)器讀寫、顯示等子程序的設(shè)計(jì)。65第2章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表總體方案的設(shè)計(jì) 第2章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表總體方案的設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)與論證 電能計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ①方案一 機(jī)械電子式前置通道采用原感應(yīng)式電度表電路，通過對(duì)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的計(jì)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(duì)管。當(dāng)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(dāng)紅外線照在其他部分時(shí)，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(gè)脈沖，再通過對(duì)脈沖的整形、計(jì)數(shù)、顯示完成電能的計(jì)量。這種方案顯示直觀，讀數(shù)容易，但它仍然具有機(jī)械式感應(yīng)電度表的缺點(diǎn)，即耗電多、笨重。②方案二 模數(shù)轉(zhuǎn)換式對(duì)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(hào)，然后送入單片機(jī)進(jìn)行相乘運(yùn)算。并在CPU中設(shè)置一個(gè)定時(shí)器定時(shí)對(duì)功率進(jìn)行累加，其系統(tǒng)框圖如圖21所示。這種方案對(duì)信號(hào)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(cuò)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(yùn)算放大。這將增加CPU的負(fù)擔(dān)和硬件電路成本，其方案可行而不可取。圖21 方案二的系統(tǒng)框圖③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(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)被抑制。無須專門的A/D轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。CPU只需對(duì)V/F轉(zhuǎn)換后的脈沖進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，便可測出電壓和電流的數(shù)字量。同時(shí)，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(jì)算,便得有功功率,再定時(shí)累加就是電能值。系統(tǒng)框圖如圖22所示。圖22 方案三的系統(tǒng)框圖這種方案的CPU要實(shí)現(xiàn)讀寫卡控制、求功率因數(shù)（）、電能計(jì)算等功能，負(fù)擔(dān)較重，一般的MCS5MCS96和PIC系列單片機(jī)難以勝任。④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(gè)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(hào)。單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào)f進(jìn)行累加，即可得出電能。系統(tǒng)框圖如圖23所示。 這種方案不但兼有方案三的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)CPU的要求低，采用MCS51系列單片機(jī)完全可以勝任。而且，現(xiàn)在已有集成電路（如：BL093SM9903）將模擬乘法器、低通濾波器和V/F變換器集成，其性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立元件。圖23 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(chǔ)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。 預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)①方案一　采用非加密存儲(chǔ)器卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì)非加密存儲(chǔ)器卡的卡內(nèi)嵌入芯片為通用存儲(chǔ)器芯片。 存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)：l 卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用EEPROM。l 無安全控制邏輯，可對(duì)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(hù)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(chǔ)器卡信息存儲(chǔ)方便、使用簡單、價(jià)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(hào)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 EEPROM。l SLE4432智能型 256B EEPROM。l AT45D041大容量（4KB）閃速存儲(chǔ)卡。對(duì)于某單位或?qū)W校內(nèi)部進(jìn)行定量用電，超標(biāo)付款，則可采用此方案。②方案二　加密存儲(chǔ)器卡加密存儲(chǔ)器卡（Security Cards接觸型）的芯片由非易失性存儲(chǔ)器和硬件加密邏輯構(gòu)成。加密存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)：l 具有安全控制邏輯，安全性能較好。l 同時(shí)采用ROM、PROM、EEPROM等存儲(chǔ)技術(shù)。l 從芯片制造到交貨，均采用較好的安全保護(hù)措施。l 為提高安全性，加密存儲(chǔ)器卡的存儲(chǔ)空間被分為多個(gè)不同的功能區(qū)。加密存儲(chǔ)器卡內(nèi)嵌芯片在存儲(chǔ)區(qū)外增加了控制邏輯。在訪問存儲(chǔ)器前，需要核對(duì)密碼。只有密碼正確，才能存取數(shù)據(jù)。允許連續(xù)密碼核驗(yàn)的錯(cuò)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(duì)，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(fèi)用電系統(tǒng)。③方案三 CPU卡CPU卡的硬件構(gòu)成包括CPU、存儲(chǔ)器（含RAM、ROM、EEPROM等）、卡與讀寫終端通信的I/O接口及加密運(yùn)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(jī)等（如MC68HC0Intel8051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(shí)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COS,3KB～16KB。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，128B～1KB。l EEPROM則是真正可供用戶訪問的存儲(chǔ)區(qū)，用于保存卡的各種信息、密碼、應(yīng)用文件等，1KB～16KB。CPU卡（Smart Cards接觸型）內(nèi)嵌芯片相當(dāng)于一個(gè)特殊類型的單片機(jī)，內(nèi)部除了帶控制器、存儲(chǔ)器、時(shí)序控制邏輯外，還帶有算法單元和操作系統(tǒng)。CPU卡有存儲(chǔ)容量大、處理能力強(qiáng)、信息存儲(chǔ)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(fèi)售電系統(tǒng)。所以在對(duì)以上三種方案的比較后，我在本設(shè)計(jì)中，選用第一種方案，以非加密存儲(chǔ)器卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號(hào)是AT24C01。 本章給出了單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表總體方案的設(shè)計(jì)，包括電能計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案設(shè)的設(shè)計(jì)。根據(jù)以上各種方案的比較與選用，再根據(jù)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，計(jì)量模塊使用電能計(jì)量芯片SM9903對(duì)用戶的電能進(jìn)行計(jì)量，通過光耦連接到單片機(jī)。采用非加密存儲(chǔ)器卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號(hào)是AT24C01。 第3章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn)第3章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 有功電能測量的基本原理本設(shè)計(jì)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(duì)輸出脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，就可計(jì)量出電能。SM9903內(nèi)部電路模型如圖31所示積分器V/F轉(zhuǎn)換器四象限模擬乘法器圖31 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(shí)值，為交流電流瞬時(shí)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(shí)功率為：可見，瞬時(shí)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(shí)功率經(jīng)積分器后，得有功功率，即一段時(shí)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(jì)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值即為電能。 電能計(jì)量電路的實(shí)現(xiàn)單相電子式付費(fèi)電度表的硬件電路可分為電能計(jì)量電路、復(fù)位晶振電路、顯示電路、IC卡接口、電能存儲(chǔ)器、掉電檢測幾大模塊。下面對(duì)各部分電路的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行介紹。 SM9903芯片介紹電能計(jì)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(diǎn)和技術(shù)參數(shù)。SM9903采用3硅柵BICMOS工藝制成。電路設(shè)計(jì)先進(jìn)，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。①特點(diǎn)l 精確測量正負(fù)兩個(gè)方向的有功功率，且以同一個(gè)方向計(jì)算電能。l 線性度高，動(dòng)態(tài)工作范圍寬。l MCU數(shù)據(jù)接口。l 直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。l 適用于單相、三相電度表。l 低功耗。l 20年使用壽命。②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(hào)進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換成可供MCU讀取和直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字信號(hào)。SM9903同時(shí)具有測量負(fù)向有功功率的功能，測量負(fù)向有功功率以正向有功功率計(jì)算，并通過IND（9腳）輸出負(fù)電平以指示測量負(fù)向有功功率。③管腳圖及定義SM9903管腳如圖33所示，其管腳定義如表31所示。圖33 管腳圖圖33 管腳圖表31 管腳定義 管腳號(hào) 符號(hào) 說明1VI1電流取樣信號(hào)輸入續(xù)表31 管腳定義 管腳號(hào)符號(hào)說明2VI2電流取樣信號(hào)輸入3GNDA模擬地端4VV電壓取樣信號(hào)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(jì)算輸出脈沖9IND負(fù)向有功功率指示10TC測試控制端11VSS負(fù)電源(5V)12GNDD數(shù)字地端13DMO1脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出114DMO2脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)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2 計(jì)量電路的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，用SM9903構(gòu)成的電能計(jì)量電路如圖34所示。在圖34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(gè)/kWh，它表示對(duì)應(yīng)于1 kWh電能的輸出脈沖數(shù)（pulse）為1600個(gè)?；玖砍虨?A，最大量程可達(dá)20A。220V交流電經(jīng)過340的錳銅片電阻獲得電流采樣信號(hào)，再通過精密金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)得到電壓取樣信號(hào)。CR1VDVDCCVZVZ2為電容降壓式電源，為SM9903提供177。5V的工作電壓。其中VZVZ2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(shí)鐘。CC7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。 SM9903構(gòu)成的電能計(jì)量電路 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)控制部分為整個(gè)電度表的心臟，實(shí)現(xiàn)電能脈沖、掉電信號(hào)、卡信號(hào)、串行EEPROM數(shù)據(jù)的采集和讀寫，完成顯示驅(qū)動(dòng)模塊的控制等功能。單片機(jī)的選擇是決定電度表性能的關(guān)鍵因素，本設(shè)計(jì)采用MCS51系列單片機(jī)，其特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，易。其Flash型如：Atmel公司的AT89C5AT89C5AT89C105AT89C2051等和臺(tái)灣華幫公司的W78E5W78E52等，使用十分方便。所以本次設(shè)計(jì)選用Atmel公司的AT89C52，其內(nèi)部有8KB的程序存儲(chǔ)器，無須外部擴(kuò)展，使硬件電路簡單。 AT89C52單片機(jī)介紹AT89C52單片機(jī)屬于AT89C51單片機(jī)的增強(qiáng)型，與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(chǔ)器內(nèi)含8KB的Flash程序存儲(chǔ)器，可擦寫壽命為1000次；l 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含25