【正文】 論證與總體設(shè)計(jì) 19 圖 21 IC卡電度表工作框圖 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的工作過(guò)程 預(yù)付費(fèi)電度表具備以下功能 ： 用戶(hù)將存有電能的 IC卡插入卡槽，卡中電能被讀入表中，同時(shí)把 IC卡清“ 0”。 電度表正常工作時(shí)，液晶顯示剩余電能值、已用電能值、使用戶(hù)直觀地了解電度表的工作是否正常及用電負(fù)荷的大小。 當(dāng)表內(nèi)剩余電能為 0時(shí)，自動(dòng)斷電，這時(shí)用戶(hù)不能用電。 具有掉電保護(hù)功能。 ，能顯示剩余電能和已用電能。這時(shí)卡中的電能讀取 控制 IC卡數(shù)據(jù)讀取 存儲(chǔ)電能 LCD 顯示 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 方案論證與總體設(shè)計(jì) 20 電能被寫(xiě)入表中，且將卡清零；若為空卡，則顯示空卡。 g．液晶顯示的內(nèi)容和處理如下表。 電子計(jì)量電路圖 在本設(shè)計(jì)中，用 SM9903 構(gòu)成的電能計(jì)量電路如圖 。 5V的工作電壓。本電路無(wú)須機(jī)械計(jì)數(shù)器 [8]。m硅柵 BICMOS 工藝制成。 特點(diǎn) ① 精確測(cè)量正負(fù)兩個(gè)方 向的有功功率，且以一個(gè)方向計(jì)算電能。 ⑤ 直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 管腳圖及定義 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件電路及工作原理 22 SM9903 管腳圖如圖 所示，其管腳定義如表 31 所示。 ⑦ 低功耗。 ③ 具有防潛動(dòng)功能。本芯片模擬部分和數(shù)字部分可分開(kāi)供電，所以可靠性較高。首先有必要介紹一下 SM99033 的相關(guān)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)。C C7 為積分電容。Ω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。應(yīng)用電流比率型時(shí)分割乘法器將功率轉(zhuǎn)換成電壓，再通過(guò)Ｖ／Ｆ型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換等電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供ＭＣＵ讀取和直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)的數(shù)字信號(hào)。 e．當(dāng)插入無(wú)效卡時(shí)，系統(tǒng)提示“ IC 卡型號(hào)不對(duì)，請(qǐng)換卡”。若為有電卡，則顯示“正在讀卡，請(qǐng)稍后”。 預(yù)付費(fèi)電度表的工作過(guò)程如下： ，在液晶屏 上顯示“電子電能表”。 有負(fù)荷限制功能。 當(dāng)表內(nèi)剩余電能不足 20KW當(dāng)有非本機(jī)卡或異物插入卡槽時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，切斷卡座的供電，并在液晶顯示屏上給出響應(yīng)的漢字提示信息。隨后不需要任何驅(qū)動(dòng)。控制部分實(shí)現(xiàn)電能脈沖、掉電信號(hào)、ＩＣ 卡信號(hào)、串行 EEPROM 數(shù)據(jù)的采集和讀寫(xiě)，完成顯示驅(qū)動(dòng)模塊的控制和繼電器的驅(qū)動(dòng)功能。 以上列舉的四種方案都是可行的，其管理系統(tǒng)也大同小異，只是根據(jù)保密性和可靠性要求選用不同的 IC 卡而已，本次設(shè)計(jì)我們采用方案一。 采用射頻 CPU 卡作為銷(xiāo)售電能的傳輸媒質(zhì)，不但安全性甚強(qiáng)，而且可靠性高，經(jīng)久耐用。通常，射頻 CPU 卡沒(méi)用自己的供電電源，只是在讀寫(xiě)器響應(yīng)范圍之內(nèi)，卡才是有源的，卡所需要的能量以及時(shí)鐘脈沖、數(shù)據(jù)，都是通 過(guò)耦合單元的電磁耦合作用傳輸給卡的。 ROM 用于存放 COS， 3KB~16KB. RAM 用于存放中間處理結(jié)果及作為卡與讀寫(xiě)器間信息交換的中間緩沖器，128B~1KB。 此方案的保密性?xún)?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)。 加密內(nèi)存卡的特點(diǎn)： 具有安全控制邏輯，安全性能較好。 非加密內(nèi)存卡信息存儲(chǔ)方便、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，很多場(chǎng)合可替代磁卡。 內(nèi)存卡的特點(diǎn)： 卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用 EEPROM。所以本次設(shè)計(jì)采用方案四。 基于以上分析，方案四明顯優(yōu)于其它三種方案。 這種方案 CPU 要實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)卡控制、求功率因子（ ?cos ）、電能計(jì)算等功能，負(fù)擔(dān)較重，一般的 MCS5 MCS96和 PIC 系列單片機(jī)難以勝任 [3]。無(wú)須專(zhuān)門(mén)的 A/D 轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。為抑制這種干擾，必須 在軟件上加數(shù)位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。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。具體方案是在轉(zhuǎn)盤(pán)上涂上大約 1cm 寬的‘黑條’，在轉(zhuǎn)盤(pán)的上方或下方設(shè)置一紅外線發(fā)射接收對(duì)管。電能計(jì)量系統(tǒng)完成了電能測(cè)量、電能顯示、超負(fù)荷斷電等功能。⑷當(dāng)表內(nèi)剩余電能不足 20KWh 時(shí)，能提醒用戶(hù)余電不多及時(shí)購(gòu)電。當(dāng)然一定的誤差是可以在使用中被接受的，就算使用 的晶體振蕩器也會(huì)因晶體本身所存在的誤差使波特率產(chǎn)生誤 差，但晶體本身的誤差對(duì)波特率的影響是十分之小的，可以忽略不計(jì) [2]。在這個(gè)定時(shí)模式 2 下定時(shí)器 1 溢出速率的計(jì)算公式 12, 公式 12： 溢出速率＝（計(jì)數(shù)速率） /(256－ TH1) 上式中的“計(jì)數(shù)速率”與所使用的晶體振蕩器頻率有關(guān)，在 51 芯片中定時(shí)器啟動(dòng)后會(huì)在每一個(gè)機(jī)器周期使定時(shí)寄存器 TH 的值增加一，一個(gè)機(jī)器周期等于十二個(gè)振蕩周期，所以可以得知 51 芯片的計(jì)數(shù)速率為晶體振蕩器頻率的1/12，一個(gè) 12M 的晶振用在 51 芯片上，那么 51 的計(jì)數(shù)速率就為 1M。模式 1 和模式 3 的波特率是可變的，取決于定時(shí)器 1 或 2（ 52 芯片）的溢出速率。有一些初學(xué)的朋友認(rèn)為波特率是指每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn) 9600 會(huì)被誤認(rèn)為 每秒種可以傳送 9600 個(gè)字節(jié)，而實(shí)際上它是指每秒可以傳送 9600 個(gè)二進(jìn)位，而一個(gè)字節(jié)要 8 個(gè)二進(jìn)位，如用串口模式 1 來(lái)傳輸那么加上起始位和停止位，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)就要占用 10 個(gè)二進(jìn)位， 9600 波特率用模式 1 傳輸時(shí)，每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是 9600247。它的波特率是可變的，其速率是取決于定時(shí)器 1 或定時(shí)器 2 的定時(shí)值（溢出速率）。 RI=1，申請(qǐng)中斷，要求 CPU 取東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 13 走數(shù)據(jù)。在任何模式下， TI 都必須由軟件來(lái)清除，也就是說(shuō)在數(shù)據(jù)寫(xiě)入到 SBUF 后，硬件發(fā)送數(shù)據(jù)，中斷響應(yīng)（如中斷打開(kāi)），這時(shí) TI=1，表明發(fā)送已完成， TI 不會(huì)由硬件清除，所以這時(shí)必須用軟件對(duì)其清零。 TI 發(fā)送中斷標(biāo)識(shí)位。 RB8 接收數(shù)據(jù)位 8，在模式 2 和 3 是已接收數(shù)據(jù)的第 9 位。如果在一個(gè)電路中接收和發(fā)送引腳 , 都和上位機(jī)相連，在軟件上有串口中斷處理程序，當(dāng)要求在處理某個(gè)子程序時(shí)不允許串口被上位機(jī)來(lái)的控制字符產(chǎn)生中斷，那么可以在這個(gè)子程序的開(kāi)始處加入 REM=0 來(lái)禁止接收，在子程序結(jié)束處加入 REM=1 再次打開(kāi)串口接收。 SM2 在模式 模式 3 中為多處理機(jī)通信使能位。串行口工作模式設(shè)置。 SCON 就是 51 芯片的串行口控制寄存器。操作 SBUF 寄存器的方法則很簡(jiǎn)單，只要把這個(gè) 99H 地址用關(guān)鍵字 sfr 定義為一個(gè)變量就可以對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作了，如 sfr SBUF = 0x99。有朋友這樣問(wèn)起過(guò)“為何在串行口收發(fā)中，都只是使用到同一個(gè)寄存器 SBUF？而不是收發(fā)各用一個(gè)寄存器。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 編輯本段 ]芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩 器頻率的 1/6。 RST：復(fù)位輸入。 P3 口： P3 口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門(mén)電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸 出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。低功耗的閑置和掉電模式 32可編程 I/O 線 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 外形及引腳排列如圖所示 ： 圖 11 AT89C2051引腳圖 主要特性 單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。當(dāng)頻率從一個(gè)值轉(zhuǎn)換到另一個(gè)值時(shí)，應(yīng)注意保證沒(méi)有比短周期的 40%更短的脈沖。 ● 通過(guò)觸點(diǎn)向卡提供穩(wěn)定的時(shí)鐘 IC 卡接口電路向卡提供時(shí)鐘信號(hào)。 I/O 上的應(yīng)答應(yīng)在 RST 上信號(hào)上升沿之后的 400~40 000 個(gè)時(shí)鐘周期 (tc)內(nèi)開(kāi)始 (tc 在 t’b 之后 )。 在 t’a 時(shí)間對(duì) IC 卡的 CLK 加時(shí)鐘信號(hào)。 IC 卡接口電路作為 IC卡與 IFD內(nèi)的 CPU 進(jìn)行通信的唯一通道，為保證通信和數(shù)據(jù)交換的安全與可靠，其產(chǎn)生的電信號(hào)必須滿足下面的特定要求?？傊捎孟冗M(jìn)的加密技術(shù)后，不僅具有高度安全性、嚴(yán)謹(jǐn)性，還具有靈活便捷、成本低等優(yōu)勢(shì)。預(yù)計(jì)此種技術(shù)將有很大的市場(chǎng)潛力。射頻識(shí)別卡使用得較多，而且發(fā)展?jié)摿^大。 RFID 系統(tǒng)使用的通信頻段范圍為＜ 135kHz 或＞ 300MHz～ GHz 級(jí)。例如，東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 7 在各種收費(fèi)系統(tǒng) (公用電話、電表、公路收 費(fèi)等等 )及訪問(wèn)控制等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)使晶體管密度增大，改善了性能，增加了容量，達(dá)到在同樣面積上存儲(chǔ)更大數(shù)據(jù)量的目的。 IC 卡主要技術(shù)包括硬件技術(shù)、軟件技術(shù)及相關(guān)業(yè)務(wù)技術(shù)等。 IC 卡接口電路是 IC 卡讀寫(xiě)器中至關(guān)重要的部分，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的不同，可選擇并行 通信、半雙工串行通信和 I2C 通信等不同的 IC卡讀寫(xiě)芯片 [14]。 IC 卡在有些國(guó)家和地區(qū)也稱(chēng)智 能卡 (smart card)、智慧卡(intelligent card)、微電路卡 (microcircuit card)或微芯片卡等。 從 2020 年開(kāi)始的城鄉(xiāng)電網(wǎng)第二輪改造，開(kāi)始推廣電子式電度表，電子式電度表在我國(guó)的發(fā)展非常迅速，與傳統(tǒng)的機(jī)械式電度表比較，電子式電度表有以下明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： a)過(guò)載倍數(shù)高，一般可以過(guò)載六至八倍，負(fù)荷曲線平直，潛動(dòng)靈敏度特性好， b)功耗低， c)滿足多功能的需求，適應(yīng)自動(dòng)控制及其它個(gè)性化、科學(xué)化管理的需求， d)適用于規(guī)摸化自動(dòng)化的生產(chǎn)規(guī)模， e)成本低，性?xún)r(jià)比高，以上優(yōu)勢(shì)得到 用戶(hù)的歡迊，由于電子式電度表生產(chǎn)門(mén)坎不高，全國(guó)各地涌現(xiàn)大批的電子電度表的生產(chǎn)廠家，又一輪的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)又激烈的展開(kāi)，? 激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使各電度表廠不斷分化，企業(yè)開(kāi)始注意發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，有些企業(yè)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)高端高附加值的多功能電度表，如長(zhǎng)沙威勝電子、深圳龍電電子、深訓(xùn)浩寧達(dá)電子、科陸等企業(yè)，他們生產(chǎn)的電子式多功表功能強(qiáng)、價(jià)格高，而有 些江浙企業(yè)憑借生產(chǎn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，大量生產(chǎn)各種低端的電度表，以獲得規(guī)模效益，如：浙江華立、德力西、寧波三星、正泰集團(tuán)等，而有些企業(yè)憑借加工能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，承接貼牌加工業(yè)務(wù)，還有一些企業(yè) 專(zhuān)做一種或幾種特殊用途電度表，如預(yù)付費(fèi)電表、復(fù)費(fèi)率電表、集中抄表系統(tǒng)，更多沒(méi)有質(zhì)量意識(shí)、沒(méi)有技術(shù)、沒(méi)有市場(chǎng)開(kāi)拓能力的電表生產(chǎn)企業(yè)選擇了轉(zhuǎn)行甚至倒閉。 3)：第三階段，引進(jìn)消化階段 (1988 年 2020 年 ) 十世紀(jì)八十年代中期開(kāi)始，我國(guó)儀器儀表對(duì)外開(kāi)放的步伐開(kāi)始加快，電表的出口也開(kāi)始迅猛增長(zhǎng)，因?yàn)橹袊?guó)公司生產(chǎn)的電表質(zhì)量可以達(dá)到國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn) (IEC521)，而價(jià)格只有國(guó)際同類(lèi)表價(jià)格五分之一，因需求國(guó)主要分布在亞、非、拉的欠發(fā)達(dá)國(guó)家，價(jià)格是最優(yōu)先考慮的因素，這些國(guó)家與中國(guó)又有傳統(tǒng)的友誼，而中國(guó)各出口生產(chǎn)廠沒(méi)有進(jìn)出口權(quán)，由國(guó)字號(hào)進(jìn)出口公 司銷(xiāo)售，這些進(jìn)出口公司實(shí)力強(qiáng)大，國(guó)家有退稅等一系列優(yōu)惠措施鼓勵(lì)出口，因此中國(guó)電表在國(guó)際上的知名度和競(jìng)爭(zhēng)力直線上升，對(duì)實(shí)力強(qiáng)大的生產(chǎn)電表的國(guó)際跨國(guó)公司的生存構(gòu)成了巨大的威脅 .同時(shí)，中國(guó)國(guó)內(nèi)隨著電力快速發(fā)展，人民生活水平的提高、住房條件的改善，對(duì)電表的數(shù)量和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，也引起了國(guó)際跨國(guó)公司的注意，因?yàn)橹袊?guó)當(dāng)時(shí)的電表技術(shù)水平與國(guó)際同行業(yè)的水平還相差很遠(yuǎn)的距離，尤其是在關(guān)健材料、檢測(cè)手段、關(guān)健工藝等方面缺少理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)企業(yè)急需學(xué)習(xí)和引進(jìn)國(guó)外電度表的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想和制造工藝。 二十世紀(jì)八十年代初，電度表的主管部門(mén)一機(jī)部哈爾濱電工儀表研究所組織全國(guó)電度表骨干企業(yè)進(jìn)行電度表技術(shù)升級(jí)的全國(guó)聯(lián)合設(shè)計(jì)，參加單位自愿報(bào)名，費(fèi)用各參加單位分?jǐn)?，?dāng)時(shí)全國(guó)主要電度表廠家和專(zhuān)家都參加了這次聯(lián)合設(shè)計(jì)，參加單位有：長(zhǎng)沙電表廠、上海電度表廠、天津第三電表廠、蘇州紅旗儀表廠、哈爾濱電表儀器廠、上海向東儀表廠、哈爾濱電度表廠、無(wú)錫電度表廠、蘭州長(zhǎng)新儀表廠、杭州儀表廠、北京第三電表廠、貴州永江電表廠、上海第五電表廠，我代表長(zhǎng)沙電表廠參加了這次歷時(shí)二年的聯(lián)合設(shè)計(jì) , 設(shè)計(jì)組分成四個(gè)組， 861系列設(shè)計(jì)組、 862系列設(shè)計(jì)組、 863系列設(shè)計(jì)組、關(guān)健組件設(shè)計(jì)組，我參加了 862系列設(shè)計(jì)組，同組的廠家有：上海電度表廠、長(zhǎng)沙電表廠、上海向東儀表廠、哈爾濱電表廠，上海電度表廠任組長(zhǎng)單位， 861設(shè)計(jì)組由杭州儀表廠任組長(zhǎng)單位、 863設(shè)計(jì) 組由蘭州長(zhǎng)新儀表廠任組長(zhǎng)單位，關(guān)健組件設(shè)計(jì)組由哈爾濱電表儀器廠任組長(zhǎng)單位，于八五年開(kāi)始集中設(shè)計(jì)，于八六年完成 設(shè)計(jì)，八七年通過(guò)部級(jí)鑒定，該項(xiàng)目獲機(jī)械部重大科技成果二等獎(jiǎng)，在全國(guó)推廣至今，已生產(chǎn)八億多只電表，并成為出口的主導(dǎo)電表品種，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。甚至需要幾代人的努力才能達(dá)到