【正文】 理想的方案當(dāng)然是采用廉價(jià)的雙向電力線載波抄表并可控制的方式，但低壓電力網(wǎng)的衰減特性極其復(fù)雜，并且是在不斷變化著的，雖然國(guó)內(nèi)外的廣大科研人員都在堅(jiān)持不懈地苦苦探索，但廉價(jià)的擴(kuò)頻電力載波解決方案達(dá)到實(shí)用的程度還需要一個(gè)不短的時(shí)間。發(fā)展方向：隨著人們生活質(zhì)量的提高，IC卡電表抄表方式也正逐漸向IC卡預(yù)收費(fèi)和遠(yuǎn)程抄表方式轉(zhuǎn)變。完成的硬件電路有復(fù)位及晶振、計(jì)量、顯示、IC卡接口、電能存儲(chǔ)器、掉電檢測(cè)等電路的設(shè)計(jì)；程序部分實(shí)現(xiàn)了初始化子程序、計(jì)量子程序、顯示子程序等子程序的設(shè)計(jì)。圖45 仿真結(jié)果圖根據(jù)上一章的硬件設(shè)計(jì)，本章給出了單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真，基本實(shí)現(xiàn)了該電度表的功能。電能計(jì)量程序流程圖如42所示：在模擬電路時(shí)，我設(shè)置給10個(gè)脈沖，單片機(jī)計(jì)量1KWH。第4章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)及仿真第4章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)及仿真 系統(tǒng)程序流程圖的設(shè)計(jì) 由于一些硬件芯片不易買到，而且實(shí)現(xiàn)起來有一定的局限性。電源電壓正常時(shí)，V《V+，比較器輸出高電平；當(dāng)電源掉電時(shí)，V跟隨電源電壓下降，而V+。串行EEPROM選用AT24C04。帶有I2C接口的單片機(jī)有：CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。接收器上用一位的ACK（應(yīng)答信號(hào)）表明每一個(gè)字節(jié)都收到了。如下圖312所示圖312 I2C總線開始和結(jié)束信號(hào)定義l I2C總線上一次典型的工作流程1　 開始，發(fā)送開始信號(hào)，表明傳輸開始。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。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10位尋址以滿足更高速度和更大尋址空間的需求。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。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。l 需要9位的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)尋址。在掉電時(shí)存儲(chǔ)剩余電度數(shù)。檢測(cè)有無卡電源短路現(xiàn)象，以防人為破壞。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。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)。表34 SMG12232B2的接口信號(hào)說明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明編號(hào) 符號(hào) 引腳說明1RST復(fù)位端（高電平復(fù)位）9DB1數(shù)據(jù)口12VCC電源正極10DB0數(shù)據(jù)口03DB7數(shù)據(jù)口711GND電源地4DB6數(shù)據(jù)口612寫信號(hào)（低電平有效）5DB5數(shù)據(jù)口513讀信號(hào)（低電平有效）6DB4數(shù)據(jù)口414CS1片選IC1信號(hào)7DB3數(shù)據(jù)口315CS2片選IC2信號(hào)8DB2數(shù)據(jù)口216A0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③SMG12232B2控制器接口說明l 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l 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STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D2D1D0表35 SMG12232B2的狀態(tài)字說明STA0～4未用STA5液晶顯示狀態(tài)1：關(guān)閉；0：顯示 STA6未用STA7讀寫操作使能1：禁止；0：允許在使用時(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)。選用的器件型號(hào)是：SMG12232B2，顯示容量為12232點(diǎn)陣。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。CPU就可復(fù)位。電容C1C15可起頻率微調(diào)作用，電容值在5pF～30pF之間選擇，本電路選20pF。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。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)。用戶也可以采用外部時(shí)鐘。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容CC2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。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。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次PSEN信號(hào)。如有必要，可通過對(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。l ALE/PROG——當(dāng)訪問外部程序存儲(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)。使用片內(nèi)振蕩器時(shí)，連接外部石英晶體和微調(diào)電容。在振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)候，在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。在編程/校驗(yàn)時(shí)，P3口接收某些控制信號(hào)。P2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。P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。l P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。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）。其主要工作特性是：l 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；l 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含256字節(jié)的RAM；l 具有32根可編程I/O口線；l 具有3個(gè)可編程定時(shí)器；l 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)；l 串行口是具有一個(gè)全雙工的可編程串行通信口；l 具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR；l 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；l 具有可編程的3級(jí)程序鎖定位；l AT89C52工作電源電壓為5（1177。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。CC7為積分電容。CR1VDVDCCVZVZ2為電容降壓式電源，為SM9903提供177。在圖34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。應(yīng)用乘法器將功率轉(zhuǎn)換成電壓，再通過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)。l 適用于單相、三相電度表。①特點(diǎn)l 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。 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。 經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時(shí)功率為：可見，瞬時(shí)功率有恒定分量和正弦分量?jī)刹糠?，正弦分量的頻率是電壓（或電流）頻率的兩倍。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。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)。l 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。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。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。l 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)。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。l SLE4418智能型1KB EEPROM。l 多采用2線串行通信協(xié)議（I2C總線協(xié)議）。 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。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。單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào)f進(jìn)行累加，即可得出電能。將過零脈沖送CPU處理，得出電流和電壓的相位差（），經(jīng)過查表得功率因數(shù)（）計(jì)算,便得有功功率,再定時(shí)累加就是電能值。這樣，模擬通道中本身的干擾信號(hào)被抑制。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。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)。 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)。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。l 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)購電。 正因?yàn)槿绱?，該單?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)。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，一般來說，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:l 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。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)?？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(diǎn)。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(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)。 IC卡國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀I(lǐng)C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。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。 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。 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。這種情況是不承擔(dān)超重負(fù)荷功率測(cè)量[1]。 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)。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。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 2013年12月 31日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要摘要 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。系統(tǒng)中使用SM9903作為計(jì)量芯片，并通過存儲(chǔ)IC卡AT24C01作為電管部門與用戶連接的橋梁，來存儲(chǔ)由售電管理系統(tǒng)寫入的電量值等。特別是當(dāng)波形畸變較大甚至不能正常工作。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。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]。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]。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]。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。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(shí)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]。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]。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的特點(diǎn)與功能①特點(diǎn)： 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表雖然只是普通的計(jì)量工具，但是由于微控制器的引入，對(duì)設(shè)計(jì)者提出了很高的要求。l 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(jiǎn)單[11]。l 用電時(shí)，能隨時(shí)改寫剩余電量。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表設(shè)計(jì)的任務(wù)、要求及內(nèi)容 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求①任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)采用IC卡的單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表。具有掉電保護(hù)功能。 根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)要求，本次設(shè)計(jì)主要應(yīng)完成兩個(gè)方面的內(nèi)容：硬件電路設(shè)計(jì)：電能計(jì)量電路的設(shè)計(jì)、復(fù)位晶振電路的設(shè)計(jì)、顯示電路的設(shè)計(jì)、IC卡接口電路的設(shè)計(jì)、電能存儲(chǔ)器、掉電檢測(cè)等電路的設(shè)計(jì)。當(dāng)紅外線照射在“黑條”處，