【正文】 ......................................................................... 25 其他部分電路設(shè)計 ................................................................................. 26 IC 卡接口電路 ...................................................................................... 26 電能存儲器 .......................................................................................... 27 掉電檢測電路 ...................................................................................... 31 本章小結(jié) .................................................................................................. 32 第 4 章 系統(tǒng)程序的設(shè)計及仿真 ......................................................................... 33 系統(tǒng)程序流程圖的設(shè)計 ......................................................................... 33 子程序的設(shè)計 ......................................................................................... 34 計量子程序 ........................................................................................... 34 存儲器讀寫子程序 ................................................................................ 35 顯示子程序 ........................................................................................... 35 系統(tǒng)仿真 .................................................................................................. 36 本章小結(jié) .................................................................................................. 37 結(jié)論 ....................................................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 39 致謝 ....................................................................................................................... 41 附錄 ....................................................................................................................... 42 第 1 章 緒論 1 第 1章 緒論 課題背景 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、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(biāo)準(zhǔn)正弦波，因而導(dǎo)致誤差增大，測量精度下降。特別是當(dāng)波形畸變較大甚至不能正常工作。這種情況是不承擔(dān)超重負(fù)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(fù)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(jī)的電能自動測量系統(tǒng)、這一系列電表的設(shè)計是促進(jìn)均衡用電的一種經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jī)械式電度表）中加入負(fù)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(qiáng)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，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(qiáng)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]。 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(jì)各部門。最初 ,使用機(jī)械感應(yīng) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 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(jī) (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 ,以及用戶所需要的功能的不同 ， 在國民經(jīng)濟(jì)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(jìn)行人際溝通 [5]。 按照國家電網(wǎng)公司的新標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)和利用國外先進(jìn)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(jìn)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]。 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(qiáng)， 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 [7][8]。尤其是在相關(guān)的計量表計中，例如電表、燃?xì)獗怼⑺?、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 卡作為電能量值數(shù)據(jù)傳輸媒介，在電度表（電子式電度表或機(jī)械式電度表）中加入負(fù)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 第 1 章 緒論 3 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(jī)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。 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(jī)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、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(jī)（ 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(jìn)能源管理現(xiàn)代化 [10]。 現(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。 單相電子式預(yù)付費電度表的特點與功能 ① 特點： 單相電子式預(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(dāng)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 : ? 常年不間斷運行，這要求設(shè)備具有高質(zhì)量和高可靠性。 ? 電度表進(jìn)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(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，單片機(jī)的電源不會馬上為零，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 而需要一段時間，在這段時間中，單片機(jī)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)。 ? 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 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。 ② 功能： ? 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”。 ? 用電時，能隨時改寫剩余電量。 ? 當(dāng)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。 ? 具有掉電保護(hù)功能。掉電時，自動把剩余電量從 RAM 轉(zhuǎn)儲在E2PROM 中 [12]。 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 設(shè)計任務(wù)與要求 ① 任務(wù)： 設(shè)計一個采用 IC 卡的單相電子式預(yù)付費電度表。 ② 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(dāng)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(hù)功能。 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。 第 1 章 緒論 5 根據(jù)本課題設(shè)計的任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)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、存儲器讀寫、顯示等子程序的設(shè)計。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 單相電子式預(yù)付費電度表總體方案的設(shè)計 方案設(shè)計與論證 電能計量系統(tǒng)方案設(shè)計 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(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，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