【正文】 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書自動(dòng)化專業(yè) 專本XXX班 學(xué)生 XXX 一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：單項(xiàng)電子式預(yù)付費(fèi)電度表的設(shè)計(jì) 二、設(shè) 計(jì) 專 題： 無 三、設(shè)計(jì)原始資料：（1）單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)；（2）一種新型智能電表的研制；（3）晨輝電子廠參觀實(shí)習(xí)老師對(duì)電表的講解；（4）。 四、設(shè)計(jì)應(yīng)解決下列各主要問題：（1）方案設(shè)計(jì)及論證；（2）電表硬件及軟件的設(shè)計(jì)；（3）提高電表可靠性的措施。（4） 五、設(shè)計(jì)說明書應(yīng)附有下列圖紙： 電表整體電路圖 六、命題發(fā)出日期： 20XXXXXX 設(shè)計(jì)應(yīng)完成日期： 20XXXXXX 設(shè)計(jì)指導(dǎo)人（簽章）： 系 主 任（簽章）： 院 長（簽章）： II指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的評(píng)語指導(dǎo)教師（簽章）： 年 月 日特 邀 評(píng) 閱 人 意 見評(píng)閱人（簽章）： 職 稱（簽章）： 年 月 日答辯（考試）委員會(huì)鑒定意見答辯（考試）成績： 鑒定意見：主 任（簽章）： 副主任（簽章）： 年 月 日摘要本論文主要是單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的設(shè)計(jì)，包括電能計(jì)量系統(tǒng)方案選擇，預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案選擇，電源電路、控制電路、顯示電路、掉電保護(hù)電路、電能存儲(chǔ)器、磁保持電路、IC卡接口電路等模塊的設(shè)計(jì)，程序編寫，電表穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等部分。電能計(jì)量系統(tǒng)中采用有功電能測量集成電路SM9003，芯片中包含了四象限模擬乘法器，積分器，電壓率頻轉(zhuǎn)換器VFC，計(jì)數(shù)器及控制邏輯，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，顯示電路中選用LCD 1602液晶顯示屏， 控制電路中選用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)，電能存儲(chǔ)電路中選用AT24C04存儲(chǔ)器。在保證功能的情況下減少成本增強(qiáng)穩(wěn)定性、可靠性。預(yù)付費(fèi)電表是以先充值購電后消費(fèi)的模式，作為使用者，用數(shù)一目了然。還做到了即時(shí)控制；提高管理效能，利國利民利業(yè)；如果集體消費(fèi)群體，智能IC卡表的應(yīng)用，將使管理者不再為收費(fèi)為難，省心省力，事半功倍。關(guān)鍵詞： 電度表；單片機(jī)；預(yù)付費(fèi)；電能計(jì)量AbstractThis thesis mainly singlephase watthour meter is the design of electronic prepaid, including energy metering system scheme selection, prepayment system, power supply circuit, control circuit and display circuit protection, energy storage and magnetic circuit, keeping circuit, IC card interface circuit module design, programming and design etc. Meter stability, Energy metering system used in measuring SM9003 meritorious electric integrated circuit chips, contains four quadrant simulation on timemultiplier, integrators, voltage, frequency converter rate VFC counter and the control logic, it can be sinusoidal voltage and current multiplication, convert frequency output. Just click on the out put pulse accumulative total count, the electricity, display circuit measurement in 1602 LCD LCD, control circuit ATMEL pany in AT89C51, energy storage circuits. AT24C04 choose memory In order to ensure function under the condition of the stability and reliability of reducing cost increase.Prepayment meter is first after the power purchase cost, as users of consumption mode, with several clear. Also do a realtime control, To improve the management efficiency and benefits the country and the industry, If the collective consumer groups, smart IC card application form, will make no charge for managers and saving, besides.Keywords: electrograph。 MCU。 Prepaid。 Electricity measurement70目錄摘要 IAbstract II1 緒論 1 ...1 22方案設(shè)計(jì)及論證 4 4 63單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的工作過程 11 11 114硬件電路及工作原理 13 13 14 15 18 24 IC卡接口電路 25 電能存儲(chǔ)器 26 36 365軟件系統(tǒng) 386提高預(yù)付費(fèi)電度表可靠性的措施 40 40 40 41 IC卡接口電路 41 41 41 采取措施保證EEPROM數(shù)據(jù)寫入的可靠性 41 42 43參考文獻(xiàn) 44致謝 45附錄一 總體電路圖 46附錄二 部分程序 47附錄三 中英文資料 54山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1 緒論1880年電能表誕生。19世紀(jì)末感應(yīng)式電能表的制造理論就已基本形成。后來，為適應(yīng)工業(yè)化和電能管理現(xiàn)代化發(fā)展的需求，電子式電能表應(yīng)運(yùn)而生。最初的電子式電能表仍基于感應(yīng)式測量機(jī)構(gòu)，只是表盤的旋轉(zhuǎn)變成了電脈沖；隨后出現(xiàn)了基于各種乘法器原理的電子式電能表。電能管理現(xiàn)代化需要訪問多種信息并要求決策與電價(jià)器具之間能雙向通信。數(shù)字乘法器型電子式電能表擴(kuò)展功能方便，適合與配電自動(dòng)化系統(tǒng)集成，將成為電子式電能表的主要發(fā)展方向。經(jīng)過多年的發(fā)展，電力已經(jīng)成為國家最重要能源之一，并逐步滿足了工業(yè)用電和居民用電需求，解決了電力能源的供需矛盾。同時(shí)，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，給供電部門和用電部門、居委會(huì)或物業(yè)管理部門在供用電管理的規(guī)范化、自動(dòng)化和收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)化方面提供了可能。在電度表改造或研制方面，出現(xiàn)了磁卡式電表、電卡式電表、IC卡電表、全電子電表、帶有通信接口的電度表等多種類型的表計(jì)。在抄表方式上，使用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自動(dòng)化程度低等問題。經(jīng)過幾年的實(shí)際應(yīng)用，收到了較好的效果，已成為我國用電管理的主流。在房地產(chǎn)市場日益理智的今天，購房者對(duì)樓盤物管質(zhì)量越來越重視。由于多種原因，水、電、氣往往出現(xiàn)跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，為此而產(chǎn)生的業(yè)主與業(yè)主之間、業(yè)主與物業(yè)公司之間、業(yè)主與水電氣供給部門之間的糾紛，甚讓開發(fā)商特別是物管部門、水電氣供給部門感到頭疼。提高樓盤智能化水平采用智能IC卡表預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，無疑會(huì)避免產(chǎn)生這類矛盾。房地產(chǎn)市場競爭激烈的城市，正是從提高樓盤智能化水平，率先在某些高檔樓盤、高檔辦公大樓、公建設(shè)施中采用了智能IC卡表預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)。如著名的珠鷹大廈、碧桂園鳳凰城等著名樓盤，中國南方航空公司、廣州軍區(qū)司令部、陸軍總醫(yī)院、廣東工業(yè)大學(xué)等部隊(duì)、院校，均通過采用智能IC卡表預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，極大地促進(jìn)了管理水平，提升了品位。智能IC卡預(yù)付費(fèi)電表的成功推廣應(yīng)用，達(dá)到了控制和節(jié)約的雙重效果，改革了沿襲幾十年的消費(fèi)模式，即先用電后付費(fèi)的模式，而以先充值購電后消費(fèi)的模式取而代之。作為使用者，用數(shù)一目了然，不再和鄰里發(fā)生用量上的矛盾，還做到了即時(shí)控制；作為管理者，解決了抄表難、算帳麻煩、收費(fèi)難等一系列令人頭痛的難題；作為新樓盤的開發(fā)者，智能IC卡表的應(yīng)用，作品將錦上添花，增加賣點(diǎn)，提升品牌價(jià)值；作為電供給部門，將先行回收投資，提高管理效能，利國利民利業(yè)；如果集體消費(fèi)群體，智能IC卡表的應(yīng)用，將使管理者不再為收費(fèi)為難，省心省力，事半功倍。電度表作為一種電能計(jì)量工具，在國民經(jīng)濟(jì)各部門中得到廣泛的應(yīng)用，是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。近幾年，國家連續(xù)出臺(tái)的多項(xiàng)與電能表行業(yè)發(fā)展相關(guān)的政策以及房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，為電能表需求的上升及保持行業(yè)發(fā)展的相對(duì)穩(wěn)定起到了一定的保障作用。長期以來，人們使用的都是機(jī)械式感應(yīng)電度表，它具有耗電多、笨重、需要手工抄表、防竊電性能低等特點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，微控制器（單片機(jī)）和大規(guī)模集成電路在電能計(jì)量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使電度表的技術(shù)水平和性能得到長足發(fā)展。單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表就是其中的一種。且已經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流，在未來幾年里，這種趨勢將更加明顯。預(yù)付費(fèi)電度表雖然只是普通計(jì)量器具，但是由于微控制器的引入，設(shè)計(jì)起來有一定的難度，這是因?yàn)橛呻娫吹纫氲母蓴_很容易導(dǎo)致程序出錯(cuò)，可能引起不可預(yù)測的后果，諸如剩余電能等數(shù)據(jù)的丟失或改變，電度表死機(jī)等情況。像家用電腦和普通儀表對(duì)死機(jī)是允許的，通過人工復(fù)位、重新設(shè)置等手段就可恢復(fù)，但對(duì)電度表而言則是致命的。而且付費(fèi)電度表的工作條件相當(dāng)惡劣，對(duì)其可靠性也相對(duì)較高，一般來說主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）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。（2）電度表進(jìn)行校表時(shí)要經(jīng)歷最嚴(yán)厲的滿上下電考研。所謂滿上電是指電度表的電源電壓從零達(dá)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)馬上為零而需要一定時(shí)間單片機(jī)的程序指針可能會(huì)出錯(cuò)，即程序跳出正常軌道。出現(xiàn)混亂，甚至陷入死機(jī)循環(huán)。（3）由于主要面向廣大群眾要求成本可能低，所以在保持可靠性的前提下，要求硬件電路簡單。（4）電能的計(jì)算關(guān)系到用戶交納電費(fèi)的多少，涉及經(jīng)濟(jì)的實(shí)際，不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以電能表對(duì)電能計(jì)算準(zhǔn)確精度高。因此，電度表有多少功并不是最重要的，關(guān)鍵是做到低功耗高可靠性。因此研究本課題具有重要的實(shí)用意義。2方案設(shè)計(jì)及論證 單相預(yù)付費(fèi)電度表主要包括電能計(jì)量系統(tǒng)和預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，電能計(jì)量系統(tǒng)完成了電能測量電能值顯示超負(fù)荷斷電等功能，預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)主要是利用IC卡實(shí)現(xiàn)付費(fèi)再用電。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。下面分別對(duì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。方案（1）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)生接受對(duì)管。當(dāng)紅外線照射在黑條處，紅外線被吸收無反射，即接收管接收不到紅外線；當(dāng)紅外線照射到其他部位時(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)，耗電多，笨重。方案（2）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。： 模數(shù)轉(zhuǎn)換式系統(tǒng)框圖這種方案對(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)的電力的諧波引入前置通道，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)算放大器。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。方案（3）電壓頻率轉(zhuǎn)換式采用電壓/頻率（U/F）轉(zhuǎn)換器加單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓A/D轉(zhuǎn)換器。這樣，模擬通道中 本身的干擾信號(hào)被抑制，無需專門的A/D轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件設(shè)備，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，將零脈沖送CPU處理，得出電壓和電流的相位差，經(jīng)過查表得功率因數(shù)cosψ按公式P=UIcosψ計(jì)算，便得有功功率，再定時(shí)累加就是電能值。： 電壓頻率轉(zhuǎn)換式這種方案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MCS51,MCS96和PIC系列單片機(jī)難以勝任。方案（4）功率累加式將端口電流和電壓先選入模似乘法器相乘，得到一個(gè)與功率P成正比的模似電壓（或電流），再經(jīng)過V/F變換（或I/F變換）變成頻率信號(hào)f。單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào)f進(jìn)行累加，便可得到電能。： 功率累加式系統(tǒng)框圖這