【正文】 出了很高的要求。電能計(jì)量是現(xiàn)代電力營(yíng)銷系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，電能計(jì)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，從電能到加工自動(dòng)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]。射頻卡與讀寫器間無(wú)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(wú)裸露芯片，使用時(shí)沒(méi)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(wèn)題 [9]。尤其是在相關(guān)的計(jì)量表計(jì)中，例如電表、燃?xì)獗?、水表、暖氣表?IC 卡技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)很成熟了。單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表也日趨成熟，在引進(jìn)和利用國(guó)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(fèi)電能表將技術(shù)和先進(jìn)的技術(shù)和高可靠性的特點(diǎn)更成熟的呈現(xiàn)在用戶面前 [6]。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(jì)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(fèi)率電度表、單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表、三相電子式多功能電度表、三相電子式預(yù)付費(fèi)電度表等 [4]。另一方面， IC 卡電度表的 IC 卡繳費(fèi)功能更便于用戶日常查詢，及時(shí)了解自家用電情況 [3]。 IC 卡預(yù)付費(fèi)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(shí)現(xiàn)電量抄收和電量結(jié)算功能的智能型電度表。特別是當(dāng)波形畸變較大甚至不能正常工作。系統(tǒng)中使用SM9903 作為計(jì)量芯片，并通過(guò)存儲(chǔ) IC 卡 AT24C01 作為電管部門與用戶連接的橋梁，來(lái)存儲(chǔ)由售電管理系統(tǒng)寫入的電量值等。 周 次 第 1～ 4 周 第 5～ 8 周 第 9～ 12 周 第 13～ 16 周 第 17～ 18 周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 總體設(shè)計(jì)，資料分析 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主程序設(shè)計(jì) 子程序設(shè)計(jì) 調(diào)試總結(jié) 論文答辯 指導(dǎo)教師：趙立興 職稱： 講師 20xx 年 12 月 31 日 系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 I 摘要 飛速發(fā)展的電力工業(yè)對(duì)電能的計(jì)量與管理提出了更高的要求 :先付費(fèi)、后用電，實(shí)施分時(shí)電價(jià)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表和收費(fèi)等。 IC 卡預(yù)付費(fèi)電子電能表應(yīng)運(yùn)而生，能夠滿足上述要求。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表不僅具有電能計(jì)量、預(yù)付費(fèi)等功能，并且具有接口簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、計(jì)量準(zhǔn)確、精度高等特點(diǎn)。這種情況是不承擔(dān)超重負(fù)荷功率測(cè)量 [1]。 采用 IC 卡電度表后，可以改變現(xiàn)有的管理和收費(fèi)模式，使得更加快 捷有效。 電度表的發(fā)展 電表作為電力測(cè)量工具 ,廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。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(guó)民經(jīng)濟(jì)中分別扮演重要的角色。 IC 卡國(guó)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(guó)新聞?dòng)浾甙l(fā)明的。目前，很多 居民區(qū)都已經(jīng)開始采用 IC 卡來(lái)數(shù)據(jù)管理，包括抄表、收費(fèi)、控制，這使 IC 卡表成為目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)亮點(diǎn)?？傊墙佑|式 IC 卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特點(diǎn)。 現(xiàn)在高等院校的學(xué)生公寓，一般對(duì)學(xué)生用電實(shí)行敞開供應(yīng)，用電收費(fèi)。而且單相電子式預(yù)付費(fèi)電度的工作條件相當(dāng)惡劣，因此對(duì)該系統(tǒng)的可靠 性要求也相對(duì)較高，一般來(lái)說(shuō)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 : ? 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。 正因 為如此，該單項(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(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 ? 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(gòu)電。 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。 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)。 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)。這樣轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個(gè)脈沖，再通過(guò)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)。這樣，模擬通道中本身的干擾信號(hào)被抑制。將過(guò)零脈沖送 CPU 處理，得出電流和電壓的相位差（ cos? ），經(jīng)過(guò)查表得功率因數(shù)（ cosP UI ?? ）計(jì)算 ,便得有功功率 ,再定時(shí)累加就是電能值。單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào) f 進(jìn)行累加，即可得出電能。 I / U ? ? V /F????????????CPU? ? ? ? ?? ? ? ?IC ???IU 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。 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。 ? 多采用 2 線串行通信協(xié)議（ I2C 總線協(xié)議）。 ? SLE4418 智能型 1KB EEPROM。 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。 ? 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)。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。 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。 ? 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。此方案保密程度高，適用于大范圍（如全國(guó)性的）預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)。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。 經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時(shí)功率為： 2 c o s 2 c o s ( )p u i U t I t? ? ?? ? ? ? ? ?)2c o s (c o s ??? ??? tUI 可見(jiàn)，瞬時(shí)功率有恒定分量 cosUI ? 和正弦分量?jī)刹糠?，正弦分量的頻積分器 V/F 轉(zhuǎn)換 器 四象限模擬乘法器 u i p P 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 率是電壓（或電流）頻率的兩倍。 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。 ① 特點(diǎn) ? 精確測(cè)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。 ? 適用于單相、三相電度表。應(yīng)用乘法器將功率轉(zhuǎn)換成電壓，再通過(guò) 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)。在圖 34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) 15 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。 C R1 VD VD C C VZ VZ2 為電容降壓式電源，為 SM9903 提供 177。 C C7 為積分電容。 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。其主要工作特性是： ? 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； ? 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含 256 字節(jié)的 RAM； ? 具有 32 根可編程 I/O 口線； ? 具有 3 個(gè)可編程定時(shí)器； ? 中斷系統(tǒng)是具有 8 個(gè)中斷源、 6 個(gè)中斷矢量、 2 個(gè)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； ? 串行口是具有一個(gè)全雙 工的可編程串行通信口； ? 具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR； ? 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式； ? 具有可編程的 3 級(jí)程序鎖定位； ? AT89C52 工作電源電壓為 5（ 1177。在編程時(shí)， P0 口可用于接收指令代碼字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)， P0 口 可輸出指令字節(jié)（這時(shí)需要加外部上拉電阻）。 ? P1 口 ——8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。 P1 口可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。 當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器或外擴(kuò) I/O 口時(shí)， P2 口輸出高 8 位地址。 P2口可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。在編程/校驗(yàn)時(shí)， P3 口接收某些控制信號(hào)。在振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)候，在第 3 章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 19 RST 腳施加兩個(gè)機(jī)器周期（即 24 個(gè)晶振周期）以上的高電平，將器件復(fù)位。使用片內(nèi)振蕩器時(shí)，連接外部石英晶體和微調(diào)電容。 ? ALE/PROG——當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。如有必要，可通過(guò)對(duì)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。在此 期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次 PSEN 信號(hào)。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。 用戶也可以采用外部時(shí)鐘。此時(shí)，同時(shí)將片內(nèi) RAM 和所有特殊功 能寄存器的內(nèi)容凍結(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(wú)效，且必須保持一定時(shí)間以使振蕩器重啟動(dòng)并穩(wěn)定工作。電容 C1 C15 可起頻率 微調(diào)作用，電容值在 5pF～ 30pF 之間選擇，本電路選 20pF。 CPU 就可復(fù)位。 電阻 R30 和按鍵 S1 構(gòu)成鍵盤，用以實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的切換。選用的器件型號(hào)是： SMG12232B2，顯示容量為 12232 點(diǎn)陣。 表 34 SMG12232B2 的接口信號(hào)說(shuō)明 顯示容量 12232 點(diǎn)陣 工作溫度 10℃ ～ +50℃ 芯片工作電壓 ～ 存儲(chǔ)溫度 20℃ ～ +60℃ 芯片工作電流 5mA() 背光源類型 EL 最佳工作電壓 背光源工作電壓 點(diǎn)尺寸 背光源工作電流 30mA 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 1 RST 復(fù)位端（高電平復(fù)位） 9 DB1 數(shù)據(jù)口 1 2 VCC 電源正極 10 DB0 數(shù)據(jù)口 0 3 DB7 數(shù)據(jù)口 7 11 GND 電源地 4 DB6 數(shù)據(jù)口 6 12 WR_____ 寫信號(hào)（低電平有效） 5 DB5 數(shù)據(jù)口 5 13 RD______ 讀信號(hào)（低電平有效） 6 DB4 數(shù)據(jù)口 4 14 CS1 片選 IC1 信號(hào) 7 DB3 數(shù)據(jù)口 3 15 CS2 片選 IC2 信號(hào) 8 DB2 數(shù)據(jù)口 2 16 A0 數(shù)據(jù) /命令選擇端 （ H/L） EL+ 背光源驅(qū)動(dòng)電壓輸入端 EL 背光源驅(qū)動(dòng)電壓輸入端 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 ③ SMG12232B2 控制器接口說(shuō)明 ? 基本操作時(shí)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 DB7～ DB0=狀態(tài)字 寫指令：輸入 A0=L， CS1 或 CS2=L， RD=H， WR=L， DB7～ DB0=指令碼 輸出無(wú) 讀數(shù)據(jù)：輸 入 A0=H， CS1 或 CS2=L， RD=L， WR=H 輸出 DB7～ DB0=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù)：輸入 A0=H， CS1 或 CS2=L， RD=H， WR=L， DB7～ DB0=數(shù)據(jù) 輸出無(wú) ? 狀態(tài)字說(shuō)明 SMG12232B2 狀態(tài)字說(shuō)明如 表 35,36 表 35 SMG12232B2 的狀態(tài)字說(shuō)明 表 35 SMG12232B2 的狀態(tài)字說(shuō)明 在使用時(shí)，對(duì)控制器的每次讀寫操作之前，都必須進(jìn)行讀寫檢測(cè)。 液晶顯示器 SMG12232B2 的片選信號(hào)引腳 CS2 或 CS1 被選中時(shí) ,液晶顯示器 SMG12232B2 處于工作狀態(tài)。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(cè)電路、卡短路檢測(cè) 電路等輔助電路，結(jié)合軟件可以大大提高其讀寫的準(zhǔn)確性和可靠性。IC 卡的 VCC 同時(shí)經(jīng) VD6 送至 CPU 的 ，檢測(cè)有無(wú)卡電源短路現(xiàn)象，以防人為破壞。在掉電時(shí)存儲(chǔ)剩余電度數(shù)。 ? 需要 9 位的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)尋址。 I2C 總線產(chǎn)生于上世紀(jì) 80 年代，最初為 音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。 I2C 總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。在 CPU 與被控 IC 之間、 IC 與 IC 之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps，采用 7 位尋址，但是由于數(shù)據(jù)傳輸速率和應(yīng)用功能的迅速增加，I2C 總線也增強(qiáng)為快速模式（ 400Kbits/s）和 1