【正文】 ............................................................. 60 附錄 1 ................................................................... 63 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 第一章 緒論 課題背景及意義 隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，各行業(yè)對電力能源的需求不斷增加的同時對電力計量的精度和電能的收費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)商實現(xiàn)了多費率賬單編制、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識別功能的電能表具有較高的現(xiàn)實意義。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自動識別目標(biāo)對象并且獲取得相關(guān)數(shù)據(jù)，識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)、身份識別、自動收費等眾多領(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)計實現(xiàn)的主要功能 ： 1） 當(dāng)前總用電量顯示； 2）用戶余額顯示； 3）余額不足報警； 4）余額為零自動斷電； 5）供電過流保護 。 整體式預(yù)付費電能表就是將斷電機構(gòu)置于表內(nèi)。由于斷電機構(gòu)在表外 ,其體積不受約束 ,當(dāng)電流較大時 ,其可靠性仍很高 但這種形式的預(yù)付費電能表成本較高 ,一般當(dāng)電流較大時采用這種方式。 全電子式預(yù)付費電能表是采用模擬或數(shù)字乘法器對功率進行積算 ,其元器件采用電子元件。 預(yù)付費電能表的特點 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 ,他們的電費收繳尤其困難。但有些用戶為達(dá)到少交貼費的目的 ,故意少報用電容量 ,從而造成了貼費的流失。 3）具有一定的防竊電能力。因此 ,預(yù)付費電能表因其表計本身的結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理及預(yù)付費售電系統(tǒng)的軟件設(shè)計 ,而使預(yù)付費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 額欠費仍深深困擾著電力部門 ,甚至妨礙了電力系統(tǒng)的正常運作。預(yù)付費電能表的使用必須配合計算機管理才能進行 ,因此 ,它有利于提高用電管理部門應(yīng)用計算機管理的水平 ,提高勞動生產(chǎn)率。 射頻識別技術(shù)是一種直接繼承了雷達(dá)的原理 ,而發(fā)展起來的自動識別技術(shù)。 1951 一 1960 年早期 RFID 技術(shù)的探索階段 ,主要處于實驗室實驗研究。 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。 射頻識別技術(shù)的基本工作原理 最基本的射頻識別系統(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 ,當(dāng) 射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(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 。所有讀寫器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。 讀寫器的控制單元的功能包括 :與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進行通信 ,并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令 。 射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。 典型的射頻識別系統(tǒng)見圖 。由于具有安全性、智能性、較大存儲容量、更好的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性，讀寫設(shè)備簡單，操作速度快等優(yōu)點，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單，設(shè)計方便，但由于該類芯片價格較貴，因此限制了一些對成本要求比較苛刻的場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、護照、工作證等各種證件中，用作人員身份識別，也可用在動物身上，便于種群保護等科學(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。事實上專用計量芯片也就等同于 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方面的問題是雙核模式不可避免的一些弊端，而且因為采用通用的 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 9 電能計量芯片的設(shè)計領(lǐng)域隨著時間的推移，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 ,整個系統(tǒng)由七大部分組成 :射頻卡讀寫模塊、電能計量模塊、存儲器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報警等系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想 ,以 MCU為核心 ,將其他模塊有機的整合在一起 ,形成一個統(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硬件復(fù)位。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(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，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲器時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。對 P3 口寫入“ 1”時，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， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 因此， 在公交、門禁、校園、企事業(yè)等人事管理、娛樂場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 對傳輸密鑰的 ROM、存放 3 套密鑰的只寫存儲器以及進行三次證實和數(shù)據(jù)加密的密碼機、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，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 卡讀寫機具的性價比是使其更具有市場競爭實力的一個重要環(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。模擬電路包含一個具有阻抗非常低的橋驅(qū)動器輸出的發(fā)送部分。如果器件采用外部時鐘可從 OSCIN輸入。如果 RST釋放， MF RC500則執(zhí)行上電時序。 表 串行信號開關(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個管腳用于控制并行接口：如表 。 功能特點 : 1) 精度高，在 500： 1 動態(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 即時有功功率； 4) 邏輯輸出引腳 REVP 能只是負(fù)功率或錯誤鏈接； 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 5) 可直接驅(qū)動機電式計數(shù)器和兩相步進電機； 6) 在片電源監(jiān)控電路； 7) 防潛動； 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。在電能計量的應(yīng)用中，應(yīng)使 HPF 選通。F 電容并聯(lián) 100nF 陶瓷電容進行去耦。通道 1有一個 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 AGND 進行去耦。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 上接有外時鐘時 CLKOUT引腳能驅(qū)動一個 CMOS負(fù)載。該輸出沒有 被鎖存，當(dāng)再次檢測到正功率時，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)有一點連接，如星形接地。這兩個邏輯輸 出可以直接驅(qū)動機電式計數(shù)器或兩相步進電機。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)部兩個 ADC 對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進行數(shù)字化。 有功功率是從瞬時功率信號推導(dǎo)計算出來，瞬時功率信號是用電流和電壓信號直接相乘得到的。 圖 信號處理框圖 ADE7755的低頻輸出是通過對上述有功功率信息的累計產(chǎn)生，即在兩個輸出脈沖之間經(jīng)過長時間的累加，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）。所需的輔助電路簡單， MC14499 與單片機的數(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碼一十進制譯碼驅(qū)動顯示器件 MC14499 來完成與單片機系統(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信息等。輸入時序是先發(fā)送四位小數(shù)點碼然后發(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 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 名稱 1 數(shù)據(jù)載波檢測 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 信號地 SG 6 數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好 DSR 7 請求發(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，而單片機的串行接口都是 TTL數(shù)字信號 ,因此必須進行電平轉(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 場的負(fù)載調(diào)制進行響應(yīng)。 TX I 和 TX2:為天線驅(qū)動器引腳。 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，接單片機的寫信號 WR。 MF RC500 的 IRQ 為帶施密特觸發(fā)器的中斷請求信號，接單片機的中斷 0。 測量電能的基本方法是將電壓、電流相乘，然后在時間上再累加（即積分）起來。由于這些算法計算量小，因此應(yīng)用較為普遍，尤其是對實時性要求很高的場合 對于大多數(shù)電子式電能表 ,測量電能的原理基本相同 ,主要包括對電壓和電流實時采樣 ,將采樣得到的電壓和電流相乘 ,計算出有效值、有功功率、無功