【正文】 。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]。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]。尤其是在相關的計量表計中，例如電表、燃氣表、水表、暖氣表， IC 卡技術的應用 已經(jīng)很成熟了。單相電子式預付費電度表也日趨成熟，在引進和利用國外先進的技術和工藝，并隨著科學技術的飛速發(fā)展，單相電子式預付費電能表將技術和先進的技術和高可靠性的特點更成熟的呈現(xiàn)在用戶面前 [6]。隨著微電子技術的迅速發(fā)展 ,單片機 (MCU)和大規(guī)模集成電路廣泛應用于電能計量領域 ,提高了儀表的技術水平和性能 ， 然后出現(xiàn)了各種各樣的電力儀表 ，如 :單相電子式復費率電度表、單相電子式預付費電度表、三相電子式多功能電度表、三相電子式預付費電度表等 [4]。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]。 IC 卡預付費電度表是以 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)電量抄收和電量結算功能的智能型電度表。特別是當波形畸變較大甚至不能正常工作。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。 周 次 第 1～ 4周 第 5～ 8周 第 9～ 12周 第 13～ 16周 第 17～ 18周 應 完 成 的 內(nèi) 容 總體設計，資料分析 系統(tǒng)設計，主程序設 計 子程序設計 調(diào)試總結 論文答辯 指導教師：趙立興 職稱： 講師 2020年 12月 31日 系級教學單位審批： 年 月 日 摘要 I 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 卡預付費電子電能表應運而生，能夠滿足上述要求。 單相電子式預付費電度表不僅具有電能計量、預付費等功能，并且具有接口簡單、結構緊湊、計量準確、精度高等特點。這種情況是不承擔超重負荷功率測量 [1]。 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。 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。他們根據(jù)不同的應用環(huán)境 ,以及用戶所需要的功能的不同 ， 在國民經(jīng)濟中 分別扮演重要的角色。 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。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)應用技術發(fā)展的一個亮點?？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。 現(xiàn)在高等院校的學生公寓，一般對學生用電實行敞開供應，用電收費。而且單相電子式預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 : ? 常年不間斷運行，這要求設備具有高質(zhì)量和高可靠性。 正因為如此，該單項電子式預付費電度表與以往的電表相比具有接口簡單、結構緊湊、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點。 ? 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。 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。 設計內(nèi)容 單相電子式預付費電度表系統(tǒng)主要包括電能計量系統(tǒng)和預付費系統(tǒng)。 監(jiān)控程序的設計：初始化、電能計量、存儲器讀寫、顯示等子程序的設計。這樣轉盤每轉一圈，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。 這種方案對信號的采樣速率快，但 A/D 轉換器的精度要求高，而且由于電網(wǎng)的電力諧波引入前置通道，導致 A/D 轉換后產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)。這樣，模擬通道中本身的干擾信號被抑制。將過零脈沖送 CPU 處理，得出電流和電壓的相位差（ cos? ），經(jīng)過查表得功率因數(shù)（ cosP UI ?? ）計算 ,便得有功功率 ,再定時累加就是電能值。單片機對頻率信號 f 進行累加，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。 預付費系統(tǒng)方案設計 ① 方案一 采用非加密存儲器卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì) 非加密存儲器卡的卡 內(nèi)嵌入芯片為通用存儲器芯片。 ? 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成。 ? 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)。允許連續(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。 ③ 方案三 CPU 卡 CPU 卡的硬件構成包括 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。 ? RAM 用于存放中間處理結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（如全國性的）預付費售電系統(tǒng)。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。 經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時功率為： 2 c o s 2 c o s( )p u i U t I t? ? ?? ? ? ? ? ?)2c o s (c o s ??? ??? tUI 可見，瞬時功率有恒定分量 cosUI ? 和正弦分量兩部分，正弦分量的頻積分器 V/F 轉換 器 四象限模擬乘法器 u i p P 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 率是電壓（或電流）頻率的兩倍。 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。 ① 特點 ? 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。 ? 適用于單相、三相電度表。應用乘法器將功率轉換成電壓，再通過 V/F（電壓／頻率轉換）型 A/D 轉換器等電路將電壓信號轉換成可供 MCU 讀取和直接驅動步進電機的數(shù)字信號。在圖 34第 3章 單相電子式預付費電度表硬件電路的實現(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。 單片機的選擇是決定電度表性能的關鍵因素，本設計采用 MCS51 系列單片機，其特點是通用性強，易。其主要工作特性是： ? 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； ? 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)含 256 字節(jié)的 RAM； ? 具有 32 根可編程 I/O 口線； ? 具有 3 個可編程定時器； ? 中斷系統(tǒng)是具有 8 個中斷源、 6 個中斷矢量、 2 個優(yōu)先權的中斷結構 ； ? 串行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口； ? 具有一個數(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 級程序鎖定位； ? AT89C52 工作電源電壓為 5（ 1177。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）。 ? P1 口 ——8 位、準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。 P1 口可驅動 4 個 TTL 負載。 當使用片外存儲器或外擴 I/O 口時， P2 口輸出高 8 位地址。 P2口可驅動 4 個 TTL 負載。在編程/校驗時， P3 口接收某些控制信號。在振蕩器穩(wěn)定工作時候，在第 3章 單相電子式預付費電度表硬件電路的實現(xiàn) 19 RST 腳施加兩個機器周期（即 24 個晶振周期）以上的高電平，將器件復位。使用片內(nèi)振蕩器時，連接外部石英晶體和微調(diào)電容。 ? 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)。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。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。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成并聯(lián)振蕩電路。 用戶 也可以采用外部時鐘。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。退出掉電模式的唯一方法是硬件復位，復位后將 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 恢復到正常工作電平前，復位應無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。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 就可復位。 電阻 R30 和按鍵 S1 構成鍵盤，用以實現(xiàn)顯示內(nèi)容的切換。選用的器件型號是： SMG12232B2，顯示容量為 12232 點陣。 表 34 SMG12232B2 的接口信號說明 顯示容量 12232 點陣 工作溫度 10℃ ～ +50℃ 芯片工作電壓 ～ 存儲溫度 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 點尺寸 背光源工作電流 30mA 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 RST 復位端（高電平復位） 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（低電平有效） 5 DB5 數(shù)據(jù)口 5 13 RD______ 讀信號（低電平有效） 6 DB4 數(shù)據(jù)口 4 14 CS1 片選 IC1 信號 7 DB3 數(shù)據(jù)口 3 15 CS2 片選 IC2 信號 8 DB2 數(shù)據(jù)口 2 16 A0 數(shù)據(jù) /命令選擇端 （ H/L） EL+ 背光源驅動電壓輸入端 EL 背光源驅動電壓輸入端 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 24 ③ SMG12232B2 控制器接口說明 ? 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 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 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 ? 狀態(tài)字說明 SMG12232B2 狀態(tài)字說明如 表 35,36 表 35 SMG12232B2 的狀態(tài)字說明 表 35 SMG12232B2 的狀態(tài)字說明 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。 液晶顯示器 SMG12232B2 的片選信號引腳 CS2 或 CS1 被選中時 ,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、卡插入檢測電路、卡短路檢測 電路等輔助電路，結合軟件可以大大提高其讀寫的準確性和可靠性。IC 卡的 VCC 同時經(jīng) VD6 送至 CPU 的 ，檢測有無卡電源短路現(xiàn)象，以防人為破壞。在掉電時存儲剩余電度數(shù)。 ? 需要 9 位的地址進行數(shù)據(jù)尋址。 I2C 總線產(chǎn)生于上世紀 80 年代，最初為 音頻和視頻設備開發(fā)，如今主要在服務器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。 I2C 總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設備都可以成為主總線。在 CPU 與被控 IC 之間、 IC 與 IC 之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps，采用 7 位尋址，但是由于數(shù)據(jù)傳輸速率和應用功能的迅速增加，I2C 總線也增強為快速模式（ 400Kbits/s）和 10 位尋址以滿足更高速度和更 引