【正文】 091203031152 學(xué)生 姓名 王超 專 業(yè) 班 級 里仁電力 091 題 目 題目名稱 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表研究 題目性質(zhì) ： 工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型 （ √ ）； 理論研究型 （ ）；計(jì)算機(jī)軟件型 （ ）；綜合型 （ ） （ ）； （ ）； （ ） 題目類型 （ √ ） （ ） 題目來源 科研 課題 （ ） 生產(chǎn)實(shí)際 （ ） 自選 題目 （ √ ） 主 要 內(nèi) 容 1. 分析課題研究的意義，根據(jù)要求給出電子式預(yù)付費(fèi)電度表的電能計(jì)量方案和 IC卡計(jì)量方案 2. 分析硬件電路 (單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造，地址分配，輸入輸出通道等 ) 3. 給出硬件相關(guān)參數(shù)及設(shè)計(jì) (處理器選擇，程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展， I/O擴(kuò)展，顯示電路，定時(shí)電路等 ) 4. 系統(tǒng)調(diào)試 基 本 要 求 1. 遵守畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的紀(jì)律，按時(shí)答疑； 2．獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)基本的科研能力； 3．設(shè)計(jì)說明書一份 (不少于 2 萬字 )， A1 圖紙一張；英文資料翻譯不少于 3 千字；說明書要求條理清晰、文筆通順，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫規(guī)范的要求；論文、圖紙中的文字符號符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)； 參 考 資 料 在校園網(wǎng)中國期刊全文數(shù)據(jù)庫上查找并閱讀相關(guān)資料 10 篇以上，外文文獻(xiàn)一篇以上。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表和傳統(tǒng)的電度表相比，能實(shí)現(xiàn)從電能數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)教幚淼淖詣?dòng)化，它克服傳統(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，能推進(jìn)電 能管理的現(xiàn)代化。 關(guān)鍵詞 單片機(jī) AT89C52；計(jì)量芯片 SM9903； IC 卡 AT24C01；預(yù)付費(fèi)；電度 表 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract The rapid development of power industry for electrical energy measurement and management put forward higher requirements: electricity, after paid, first implementation of timesharing electricity, automatic meter reading and billing, etc. Arises at the historic moment, IC card prepaid electronic watthour meter can meet the above requirements. Compared with the traditional meter ,Singlephase electronic prepayment meter can achieve data acquisition, transmission and processing automation, which overes inefficiency and uncertainty of the traditional manual meter reading pattern. Power management can promote modernization. The Singlephase electronic prepayment meter is based on AT89C52. The design of hardware circuit partial pletion of the measurement circuit, crystal reduction and display circuits, IC card interface, energy memory, powerfail detection circuit design。為了改變這個(gè)狀態(tài)，也為了改善用電量不均衡的現(xiàn)象、調(diào)節(jié)負(fù)荷曲線、合理利用電能，國內(nèi)部分省市的供電部門已開始逐步推廣使用多費(fèi)率電能表、電子式 多功能測量儀表、 IC 卡預(yù)付費(fèi)電表、基于 AD 的電能自動(dòng)測量系統(tǒng)、基于單片機(jī)的電能自動(dòng)測量系統(tǒng)、這一系列電表的設(shè)計(jì)是促進(jìn)均衡用電的一種經(jīng)濟(jì)有效的方式。用 IC 卡實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)，實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)后用電， IC 卡結(jié)算的管理模式，使電費(fèi)收取更加方便及時(shí)，減少欠交，遲交的現(xiàn)象。最初 ,使用機(jī)械感應(yīng) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 電度表。 目前，預(yù)付費(fèi)電表發(fā)展到今天，已經(jīng)有很多的集成技術(shù)，以提高智能化程度，未來甚至可能成為一個(gè)智能數(shù)據(jù)終端，可以與電力供應(yīng)公司 、用戶進(jìn)行人際溝通 [5]。 95 年之前IC 卡電表多為可擦除存儲(chǔ)芯片（ EEPROM）或一般存儲(chǔ)卡，以 93C46 和 24C01 為主； 95 年后以存儲(chǔ)卡和邏輯加密卡為介質(zhì)出現(xiàn)了大范圍使用 IC 卡表的狀態(tài)； 98 年后使用以 CPU 卡和 ESAM 模塊方式為加密介質(zhì)的 IC 卡表并逐漸向 CPU 卡和 ESAM 模塊方式過渡。 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。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的研究意義 長期以來，我們使用的是機(jī)械感應(yīng)式電度表，它具有笨重、耗電多、需要人工抄表，防竊電性能低、需要手工抄表等缺點(diǎn)。因此，新建的學(xué)生公寓應(yīng)對每一個(gè)房間均裝有電能表或其他形式的電能計(jì)量裝置來實(shí)現(xiàn)學(xué)生買多少就用多少電。 ? 電度表進(jìn)行校表時(shí)要經(jīng)歷最劣的慢上下電考驗(yàn)。它主要用于小范圍家庭或?qū)W校的電能消耗的測量。 ? 具有掉電保護(hù)功能。 當(dāng)表內(nèi)剩余電能不足 20kW電能計(jì)量系統(tǒng)主要應(yīng)完成電能測量功能；預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)主要是利用 IC 卡實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)，再用電。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表總體方案的設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)與論證 電能計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ① 方案一 機(jī)械電子式 前置通道采用原感應(yīng)式電度表電路，通過對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的計(jì)數(shù)來測量電能。這種方案顯示直觀，讀數(shù)容易，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。為抑制這種干擾，必須在軟件上加數(shù)字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。無須專門的 A/D 轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。系統(tǒng)框圖如圖22 所示。系統(tǒng)框圖如圖 23 所示。其中，模擬乘法器、低通濾波器和 V/F 變換器采用集成電路 SM9903。 存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)： ? 卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用 EEPROM。 非加密存儲(chǔ)器卡信息存儲(chǔ)方便、使用簡單、價(jià)格便宜，很多場合可替代磁卡。 ? SLE4432 智能型 256B EEPROM。 加密存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)： ? 具有安全控制邏輯，安全性能較好。 加密存儲(chǔ)器卡內(nèi)嵌芯片在存儲(chǔ)區(qū)外增加了控制邏輯。若在限定的次數(shù)密碼仍不對，則卡片死鎖作廢。 其中： ? CPU 一般均為兼容于 8 位字長單片機(jī)等（如 MC68HC0 Intel8051等）的微處理器。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ? EEPROM 則是真正可供用戶訪問的存儲(chǔ)區(qū)，用于保存卡的各種信息、密碼、應(yīng)用文件等， 1KB～ 16KB。 所以在對以上三種方案的比較后，我在本設(shè)計(jì)中，選用第一種方案，以非加密存儲(chǔ)器卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號是 AT24C01。 第 3章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 11 第 3 章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 有功電能測量的基本原理 本設(shè)計(jì)采用有功電能測量集成電路 SM9903，芯片內(nèi)部包含了四象限模擬乘法器、積分器、電壓／頻率轉(zhuǎn)換器 VFC，它能將正弦電壓和電流相乘后，轉(zhuǎn)換為頻率輸出。 瞬時(shí)功 率 p 經(jīng)積分器后，得有功功率 P ，即 ? ?0011 c o s c o s ( 2 )TTP p d t U I t d tTT ? ? ?? ? ? ??? ?? UIUI ?? cos 一段時(shí)間 T 內(nèi)的電能 W 為 00 c o sTTW P d t U I d t????? cosT U I T U I???? 以上分析表明，有功功率 P 為恒定分量，將正比于 P 的電壓經(jīng) V/F 變換后，輸出的是頻率隨 P 變化的脈沖，只需將脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值 N 即為電能。首先有必要介紹一下 SM9903 的相關(guān)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)。 ? 線性度高，動(dòng)態(tài)工作范圍寬。 第 3章 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表硬件電路的實(shí)現(xiàn) 13 ? 低功耗。SM9903 同時(shí)具有測量負(fù)向有功功率的功能 ， 測量負(fù)向有功功率以正向有功功率計(jì)算，并通過 IND（ 9 腳）輸出負(fù)電平以指示測量負(fù)向有功功率。所以該電能表的常數(shù)為 1600 個(gè) /kWh，它表示對應(yīng)于 1 kWh 電能的輸出脈沖數(shù)（ pulse）為 1600 個(gè)。5V 的工作電壓。 R8 為參考電壓調(diào)整電位器。其 Flash 型如： Atmel 公司的 AT89C5AT89C5 AT89C105 AT89C2051 等和臺(tái)灣華幫公司的 W78E5 W78E52等，使用十分方便。） V，且典型值為 5V； ? AT89C52 最高工作頻率為 24MHz。 P0 口也可作通用 I/O 口使用，但需要加上拉電阻，變?yōu)闇?zhǔn)雙向口。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 P1 口是為用戶準(zhǔn)備的 I/O 雙向口。 口可替代 T2 做定時(shí)器 2 外部事件輸入端；可編程脈沖輸出端。在編程 /校驗(yàn)時(shí)， P2 口可接收高字節(jié)地址和某些控制信號。 ? P3 口 ——8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。它可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。 ? VCC——電源電壓輸入引腳 。 ? XTAL2——片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。 ? EA/VPP——外部訪問允許。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 VCC，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 VCC[13]。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30pF177。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 則懸空?？臻e模式可由任何允許的中斷請求或硬件復(fù)位終止。 單片機(jī)復(fù)位、晶振電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) AT89C52 單片機(jī)復(fù)位、晶振電路如圖 37 所示。電容 C13 和電阻 R23 構(gòu)成上電復(fù)位電路。二極管 VD10 的作用是當(dāng)斷電時(shí)，可使電容 C13所儲(chǔ)存的電荷迅速釋放，以便下次上電時(shí)可靠復(fù)位。電能脈沖由燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 的 8 腳經(jīng)光電耦合器 IC2 送到 IC4 的 T0 端，用以實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)。采用總線方式連接。以確保 STA7 為 0。當(dāng)數(shù)據(jù) /命令選擇端 A0 為低電平時(shí)，執(zhí)行命令操作，且在寫信號 WR 有效時(shí)，單片機(jī) P0 口向液晶顯示器SMG12232B2 的 DB7—DB0 位輸出狀態(tài)字（如液晶顯示狀態(tài)、讀寫操作使能狀態(tài)）和顯示指令碼。 IC 卡接口電路如圖 310 所示。 K K2 為 IC 卡座的一對常閉觸點(diǎn)，當(dāng)有卡插入時(shí)， K K2開路， VT3 導(dǎo)通，給 IC4 的 口送入低電平，此信號用來檢測有無卡插入。 1) AT24C04 芯片介紹 AT24C04 是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 4KB（ 512Bytes） E2PROM 芯片，引腳圖如圖 311，該芯片采用 I2C 總線設(shè)計(jì)，主要性能指標(biāo)與 AT24C02 類似，不同點(diǎn)為： ? 容量為 AT24C02 的兩倍，分為兩部分存儲(chǔ)空間，每部分 256bytes。 圖 311 AT24C04 引腳 接口說明如表 37 A0 為空引腳， A1,A2 口為器件地址設(shè)定口，通過 A1,A2 口來設(shè)定AT24C04 的器件地址 。 I2C 總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡單性和有效性。一個(gè)主控能夠控制信號的傳輸和時(shí)鐘頻率。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址。 ? I2C 總線的信號類型 I2C 總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：起始信號、終止信號和應(yīng)答信號。 ② 發(fā)送地址，主設(shè)備發(fā)送地址信息，包含 7 位的從設(shè)備地址和 1 位的指示位（表明讀或者寫，即數(shù)據(jù)流的方向）。傳輸可以被終止和重新