【正文】 ............................................................. 60 附錄 1 ................................................................... 63 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 課題背景及意義 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，各行業(yè)對(duì)電力能源的需求不斷增加的同時(shí)對(duì)電力計(jì)量的精度和電能的收費(fèi)方式也提出了更高的要求。此外，它的通信潛力幾乎無限，使得公共設(shè)施服務(wù)供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)了多費(fèi)率賬單編制、智能卡預(yù)支付、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理等操作。因此研制一種非接觸式且具有自動(dòng)識(shí)別功能的電能表具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。非接觸式 IC卡又稱射頻卡 ,由 IC 芯片、感應(yīng)天線組成 ,封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PVC 卡片內(nèi) ,芯片及天線無任何外露部分。它可以通過接受射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并且獲取得相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作不需要人工干預(yù)。該技術(shù)目前在物流、門禁系統(tǒng)、身份識(shí)別、自動(dòng)收費(fèi)等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本課題將此技術(shù)應(yīng)用到電能表領(lǐng)域，能解決接觸式 IC 卡電能表的諸多問題。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能 ： 1） 當(dāng)前總用電量顯示； 2）用戶余額顯示； 3）余額不足報(bào)警； 4）余額為零自動(dòng)斷電； 5）供電過流保護(hù) 。 整體式預(yù)付費(fèi)電能表就是將斷電機(jī)構(gòu)置于表內(nèi)。由于斷電機(jī)構(gòu)在表外 ,其體積不受約束 ,當(dāng)電流較大時(shí) ,其可靠性仍很高 但這種形式的預(yù)付費(fèi)電能表成本較高 ,一般當(dāng)電流較大時(shí)采用這種方式。 全電子式預(yù)付費(fèi)電能表是采用模擬或數(shù)字乘法器對(duì)功率進(jìn)行積算 ,其元器件采用電子元件。 預(yù)付費(fèi)電能表的特點(diǎn) 1）不需要人工抄表。因此 ,不需要采用人工抄表 ,有效地解決了抄表難的問題。特別是一些出租門面房、出租房屋及公寓等房主變動(dòng)頻繁的用戶 ,及經(jīng) 常出外做生意或經(jīng)常出差而很難找到房主的用戶 ,他們的電費(fèi)收繳尤其困難。但有些用戶為達(dá)到少交貼費(fèi)的目的 ,故意少報(bào)用電容量 ,從而造成了貼費(fèi)的流失。 3）具有一定的防竊電能力。因此 ,預(yù)付費(fèi)電能表因其表計(jì)本身的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理及預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ,而使預(yù)付費(fèi)電能表具有一定的防竊電能力。當(dāng)前 ,居高不下的線損、罕見的高 額欠費(fèi)仍深深困擾著電力部門 ,甚至妨礙了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作。預(yù)付費(fèi)電能表的使用必須配合計(jì)算機(jī)管理才能進(jìn)行 ,因此 ,它有利于提高用電管理部門應(yīng)用計(jì)算機(jī)管理的水平 ,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 射頻識(shí)別技術(shù)是一種直接繼承了雷達(dá)的原理 ,而發(fā)展起來的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。 1951 一 1960 年早期 RFID 技術(shù)的探索階段 ,主要處于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究。 1991一 20xx年 RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨得到重視 ,RFID產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用 ,RFID產(chǎn)品逐漸成為人們生活中的一部分。 射頻識(shí)別技術(shù)的基本工作原理 最基本的射頻識(shí)別系統(tǒng)由三部分組成 : a、射頻卡 (Tag,即應(yīng)答器 ):由禍合元件及芯片組成 ,射頻卡含有內(nèi)置天線 ,用于和讀寫器天線間進(jìn)行通信。 系統(tǒng)的基本工作流程是 :讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào) ,當(dāng) 射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流 ,射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去 。所有讀寫器均可簡(jiǎn)化為高頻接口和控制單元兩個(gè)基本模塊。 讀寫器的控制單元的功能包括 :與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信 ,并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令 。 射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫距離是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。 典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)見圖 。由于具有安全性、智能性、較大存儲(chǔ)容量、更好的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性，讀寫設(shè)備簡(jiǎn)單，操作速度快等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展十分迅速，當(dāng)前在國內(nèi)已大量普及。這些射頻芯片外圍電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，但由于該類芯片價(jià)格較貴，因此限制了一些對(duì)成本要求比較苛刻的場(chǎng)合使用而未得到較好的推廣。 電子標(biāo)簽可以嵌入到身份證、護(hù)照、工作證等各種證件中，用作人員身份識(shí)別，也可用在動(dòng)物身上，便于種群保護(hù)等科學(xué)研究。 公共交通應(yīng)用?，F(xiàn)在，基本上國內(nèi)很多省會(huì)城市如北京、上海、成都等都已使用，通常采用符合 ISO/IEC14443A 的 的非接觸式 IC 卡，而讀卡器的射頻電路部分大多采用 Philips 公司生產(chǎn)的 MCM200 射頻模塊或 RC500 射頻芯片。事實(shí)上專用計(jì)量芯片也就等同于 A/D 采樣 +DSP 的集成，所以可以說第二種方案實(shí)際上是在第一種方案的基礎(chǔ)上升華得到的。例如 ADI 公司推出的 AD775X 系列、 Cirrus Logic 公司生產(chǎn)的 CS5460 系列等。但數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约昂伺c核之間匹配及等多個(gè)方面的問題是雙核模式不可避免的一些弊端，而且因?yàn)椴捎猛ㄓ玫?MCU，系統(tǒng)整體的 芯片數(shù)量比較多，電能表的成本下降的空間很小，這些給電子式電能表大范圍的應(yīng)用造成了比較大的阻礙。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 電能計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)領(lǐng)域隨著時(shí)間的推移，集成度比以往更高的芯片也被許多大半導(dǎo)體公司也相繼推出， ADI 公司的 AD71x 系列和 TDK 公司推出的 71M651x 系列都是典型的系列。 電能表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 電能表硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示 ,整個(gè)系統(tǒng)由七大部分組成 :射頻卡讀寫模塊、電能計(jì)量模塊、存儲(chǔ)器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報(bào)警等系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想 ,以 MCU為核心 ,將其他模塊有機(jī)的整合在一起 ,形成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。所以選擇為 AT89C52。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。對(duì) P3 口寫入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 因此， 在公交、門禁、校園、企事業(yè)等人事管理、娛樂場(chǎng)所等方面有廣泛的應(yīng)用前景。 MF RC500 支持 ISO14443A 所有的層。內(nèi)部結(jié) 構(gòu)分為射頻區(qū)和接口區(qū) :射頻區(qū)內(nèi)含調(diào)制解調(diào)器和電源供電電路，直接與天線連接 :接口區(qū)有與單片機(jī)相連的端口，還具有與射頻區(qū)相連的收 /發(fā)器、 16 字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖器、存放 64 對(duì)傳輸密鑰的 ROM、存放 3 套密鑰的只寫存儲(chǔ)器以及進(jìn)行三次證實(shí)和數(shù)據(jù)加密的密碼機(jī)、防碰撞處理的防碰撞模塊和控制單元。當(dāng)電容器充電達(dá)到 2V 時(shí)，此電容就作為電源向卡片上的其他電路提供工作電流，將卡數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器發(fā)出的數(shù)據(jù)并保存。提高 IC 卡讀寫機(jī)具的性價(jià)比是使其更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 MF RC500 支持 ISO14443A ( 電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn) )所有的層。此外，它還支持快速 CRYPTO1 加密算法用于驗(yàn)證 MIFARE 系列產(chǎn)品。 MF RC500的外部接口包括 數(shù)據(jù)總線 、 地址總線 、 控制總線 (包含讀寫信號(hào)和中斷等 )和電源等。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行 — 串行轉(zhuǎn)換。模擬電路包含一個(gè)具有阻抗非常低的橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分。如果器件采用外部時(shí)鐘可從 OSCIN輸入。如果 RST釋放， MF RC500則執(zhí)行上電時(shí)序。 表 串行信號(hào)開關(guān) 名稱 類型 功能 MFIN 帶施密特觸發(fā)器的輸入 MIFARE接口輸入 MFOUT 輸出 MIFARE接口輸出 (5)并行接口 下面列出的 16個(gè)管腳用于控制并行接口：如表 。 功能特點(diǎn) : 1) 精度高，在 500： 1 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差低于 %； 2) F F2 輸出頻率表示平均有功功率； 3) 高頻輸出 CF 用于校準(zhǔn)，并提供 即時(shí)有功功率； 4) 邏輯輸出引腳 REVP 能只是負(fù)功率或錯(cuò)誤鏈接； 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 5) 可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器和兩相步進(jìn)電機(jī)； 6) 在片電源監(jiān)控電路； 7) 防潛動(dòng)； 8) 在片電壓源 177。該引腳提供數(shù)字電路的電源，正常工作電 源電壓應(yīng)保持在 5V177。在電能計(jì)量的應(yīng)用中，應(yīng)使 HPF 選通。F 電容并聯(lián) 100nF 陶瓷電容進(jìn)行去耦。通道 1有一個(gè) PGA。 6V的過電壓，而不造成永久性損壞。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓的正常值為 177。F 鉭電容和 100nF 陶瓷電容對(duì) AGND 進(jìn)行去耦。星形接地方法有助于使數(shù)字電流噪聲遠(yuǎn)離模擬電路。 ? G1， G0，這兩個(gè)引腳的邏輯輸入用來選擇通道 1 的增益，可用來選擇 增益是 1,2,8,和 16。當(dāng) CLKIN 上接有外時(shí)鐘時(shí) CLKOUT引腳能驅(qū)動(dòng)一個(gè) CMOS負(fù)載。該輸出沒有 被鎖存，當(dāng)再次檢測(cè)到正功率時(shí)，該引腳的輸出復(fù)位。為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應(yīng)有一點(diǎn)連接，如星形接地。這兩個(gè)邏輯輸 出可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器或兩相步進(jìn)電機(jī)。最后 ,LPF 輸出的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出頻率 F1,F2 和 CF。 芯片內(nèi)部?jī)蓚€(gè) ADC 對(duì)來自電流和電壓傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。 有功功率是從瞬時(shí)功率信號(hào)推導(dǎo)計(jì)算出來，瞬時(shí)功率信號(hào)是用電流和電壓信號(hào)直接相乘得到的。 圖 信號(hào)處理框圖 ADE7755的低頻輸出是通過對(duì)上述有功功率信息的累計(jì)產(chǎn)生，即在兩個(gè)輸出脈沖之間經(jīng)過長時(shí)間的累加，因此輸出頻率正比于平均有功功率。美國微芯科技公司 Microchip Technology Inc.）生產(chǎn)的電擦寫式只讀存儲(chǔ)器系列 24CXX、 24LCXX、 24AAXX 和 24FCXX（ 24XX*）容量范圍為 128 位到 512 千位。容量為 1 千位以及超過 1 千位的器件具有頁寫入能力。另外還提供 DFN 封裝（ 2x3mm 或 5x6mm）。所需的輔助電路簡(jiǎn)單， MC14499 與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳送采用串行同步方式。電路工作原理：顯示部分采用數(shù)碼顯示，利用串行 BCD碼一十進(jìn)制譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器件 MC14499 來完成與單片機(jī)系統(tǒng)的顯示接口，以顯示讀寫器工作狀態(tài)、輸入的數(shù)據(jù)或讀出 IC 卡中所剩余以及出錯(cuò)信息等。輸入時(shí)序是先發(fā)送四位小數(shù)點(diǎn)碼然后發(fā)送 16 位 BCD 碼。 (2)B1~B4l:字位選擇輸出 ,片內(nèi)具有短路保護(hù)裝置。底電平允許接受串行數(shù)據(jù)，高電平禁止接受串行數(shù)據(jù)，并將片內(nèi)移位寄存器數(shù)據(jù)鎖存。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 MC14499 管腳 通信模塊 器件選擇 本系統(tǒng)的通信模塊采用 RS232 芯片，串口圖如圖 。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600、19200 波特。即：邏輯 “ 1” ， 5— 15V；邏輯 “ 0” +5— +15V 。 表 RS232 管腳 引腳號(hào) 名稱 1 數(shù)據(jù)載波檢測(cè) DCD 2 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD 3 接受數(shù)據(jù) RXD 4 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 DTR 5 信號(hào)地 SG 6 數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好 DSR 7 請(qǐng)求發(fā)送 RTS 8 清除發(fā)送 CTS 9 振鈴提示 RI 由于 RS232 的邏輯電平與 TTL 的邏輯電平不兼容，而單片機(jī)的串行接口都是 TTL數(shù)字信號(hào) ,因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里用到 MAX232 芯片， MAX232 芯片可完成 TTL到 EIA 的雙向轉(zhuǎn)換。該卡采用 RF 場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。 TX I 和 TX2:為天線驅(qū)動(dòng)器引腳。 TGND:為發(fā)送器電源地。天線是有一定負(fù)載阻抗的諧振回路。由于 MF RC500 的頻率是 MHz，屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線。 MF RC500 的 NWR 為帶施密特觸發(fā)器的寫禁止 /只讀信 號(hào)，接單片機(jī)的寫信號(hào) WR。 MF RC500 的 IRQ 為帶施密特觸發(fā)器的中斷請(qǐng)求信號(hào)，接單片機(jī)的中斷 0。 測(cè)量電能的基本方法是將電壓、電流相乘，然后在時(shí)間上再累加（即積分）起來。由于這些算法計(jì)算量小，因此應(yīng)用較為普遍，尤其是對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的場(chǎng)合 對(duì)于大多數(shù)電子式電能表 ,測(cè)量電能的原理基本相同 ,主要包括對(duì)電壓和電流實(shí)時(shí)采樣 ,將采樣得到的電壓和電流相乘 ,計(jì)算出有效值、有功功率、無功