【正文】 W RP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 42 82 72 62 5R D1 7X T A L 21 81 9X T A L 12 0V S SP 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 02 42 32 22 1+ 5 VV C CD B 0D B 1D B 2D B 3D B 4D B 5D B 6D B 7A 0C S 1C S 2R DW RR S TG N DS M G 1 2 2 3 2 B 2液晶顯示器C P U1 0 KR 3 7 R 4 4 圖 39 液晶顯示接口電路 其他部分電路設(shè)計 IC 卡接口電路 IC 卡接口電路采用的是 Atmel 公司的存儲 IC 卡，用于存儲由售電管理系統(tǒng)寫入的卡號、電度數(shù)等，是電管部門與用戶連接的橋梁。 串行 EEPROM 選用 AT24C04， AT24C04為低電壓（ ～ ）、長壽命（可擦寫 10 萬次以上）器件。當 WP 口接高電平后，器件前 256 個地址的數(shù)據(jù)被保護，只能讀，不可寫入，后 256 個字節(jié)數(shù)據(jù)可進行讀寫操作 A0 A1 A2 GND VCCWP SCL SDA 1 2 3 4 5 6 7 8 第 3章 單相電子式預(yù)付費電度表硬件電路的實現(xiàn) 29 表 37 AT24C04 接口說明 2) I2C 器件 AT24C04 的原理與應(yīng)用 I2C(Inter－ Integrated Circuit)總線是一種由 PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。 ? I2C 總 線的構(gòu)成 I2C 總線是由數(shù)據(jù)線 SDA 和時鐘 SCL 構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 終止信號： SCL 為高電平時， SDA 由低 電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。 目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了 I2C 接口。數(shù)據(jù)一第 3章 單相電子式預(yù)付費電度表硬件電路的實現(xiàn) 31 般以 8 位傳輸，最重要的位放在前面；具體能傳輸多少量的數(shù)據(jù)并沒有限制。 CPU 發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量?？偩€的長度可高達 25 英尺，并且能夠以 10Kbps 的最大傳輸速率支持 40 個組件。 ? WP 引腳為高電平時， AT24C04 的 0~255 地址空間的數(shù)據(jù)被寫保護。當 IC4 的 =0 時， VT2 導(dǎo)通，第 3章 單相電子式預(yù)付費電度表硬件電路的實現(xiàn) 27 IC 卡座之 VCC 得電；當 IC4 的 =1 時， VT2 截止， IC 卡座之 VCC 失電。 圖 38 SMG12232B2 中 RAM 的地址映射 顯示電路的設(shè)計 硬件電路如圖 39 所示。其特點是顯示內(nèi)容豐富（可顯示漢字），功耗小，可靠性高，電路簡單。只要高電平的維持時間大于兩個機器周期（ 24 個振蕩周期）。 ⑤ 掉電模式 在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。10F。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。 ? XTAL1——片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生電路的輸入端。用做輸入時，應(yīng)先將輸出鎖存器置 1。 ? P2 口 ——8 位、準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。 P0 口可驅(qū)動 8 個 TTL 負載。 AT89C52 單片機介紹 AT89C52 單片機屬于 AT89C51 單片機的增強型，與 Intel 公司的 80C52在引腳排列、硬件組成、工作特性和指令系統(tǒng)等方面完全兼容。 32768Hz 石英晶體為表用晶體振蕩器，為 SM9903 提供時鐘。 C 22 0C O M1 91 8C 11 7V D DV I 1V I 2G N D AV v1234O S C O U T1 6O S C I N1 51 4D M O 21 3D M O 1N CV R 1V R 2P O U T5678G N D D1 2I N D9V S S1 1T C1 0 圖 33 管腳圖 表 31 管腳定義 管腳號 符號 說明 1 VI1 電流 取樣信號輸入 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 續(xù)表 31 管腳定義 管腳號 符號 說明 2 VI2 電流取樣信號輸入 3 GNDA 模擬地端 4 VV 電壓取樣信號輸入 5 NC 與 4 腳內(nèi)部互相聯(lián)結(jié) 6 VR1 參考電壓 1 外調(diào)整端 7 VR2 參考電壓 2 外調(diào)整端 8 POUT 有功功率計算輸出脈沖 9 IND 負向有功功率指示 10 TC 測試控制端 11 VSS 負電源 (5V) 12 GNDD 數(shù)字地端 13 DMO1 脈沖電機驅(qū)動輸出 1 14 DMO2 脈沖電機驅(qū)動輸出 2 15 OSCIN 晶振輸入 16 OSCOUT 晶振輸出 17 VDD 正電源 (+5V) 18 C1 積分電容 1 19 COM 積分電容公共端 20 C2 積分電容 2 計量電路的設(shè)計 在本設(shè)計中，用 SM9903 構(gòu)成的電能計量電路如圖 34 所示。 ? 直接驅(qū)動步進電機。下面對各部分電路的設(shè)計情況進行介紹。根據(jù)以 上各種方案的比較與選用，再根據(jù)具體設(shè)計指標的要求，計量模塊使用電能計量芯片 SM9903 對用戶的電能進行計量，通過光耦連接到單片機。 ? ROM 用于存放 COS,3KB～ 16KB。只有密碼正確，才能存取數(shù)據(jù)。 對于某單位或?qū)W校內(nèi)部進行定量用電，超標付款，則可采用此方案。 ? 卡片制造中也很少采取安全保護措施。而且，現(xiàn)在已有集成電路（如： BL093 SM9903）燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 將模擬乘法器、低通濾波器和 V/F 變換器集成，其性能指標都遠遠高于分立元件。同時，電壓和電流分別經(jīng)過零檢測電路。并在 CPU 中設(shè)置一個定時器定時對功率進行累加，其系統(tǒng)框圖如圖 21 所 示。 第 1章 緒論 5 根據(jù)本課題設(shè)計的任務(wù)及技術(shù)指標要求，本次設(shè)計主要應(yīng) 完成兩個方面的內(nèi)容： 硬件電路設(shè)計：電能計量電路的設(shè)計、復(fù)位晶振電路的設(shè)計、顯示電路的設(shè)計、 IC 卡接口電路的設(shè)計、電能存儲器、掉電檢測等電路的設(shè)計。 單相電子式預(yù)付費電度表設(shè)計的任務(wù)、要求及內(nèi)容 設(shè)計任務(wù)與要求 ① 任務(wù)：設(shè)計一個采用 IC 卡的單相電子式預(yù)付費電度表。 ? 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，要求硬件電路簡單 [11]。電能計量是現(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)的一個重要組成部分，電能計量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，從電能到加工自 動化傳輸，它克服了傳統(tǒng)的人工抄表方式和不確定性的低效率，可以促進能源管理現(xiàn)代化 [10]。尤其是在相關(guān)的計量表計中，例如電表、燃氣表、水表、暖氣表， IC 卡技術(shù)的應(yīng)用 已經(jīng)很成熟了。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展 ,單片機 (MCU)和大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于電能計量領(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)費率電度表、單相電子式預(yù)付費電度表、三相電子式多功能電度表、三相電子式預(yù)付費電度表等 [4]。 IC 卡預(yù)付費電度表是以 IC 卡作為電能量值數(shù)據(jù)傳輸媒介，在電度表（電子式電度表或機械式電度表）中加入負荷控制部分等功能模塊，從而實現(xiàn)電量抄收和電量結(jié)算功能的智能型電度表。系統(tǒng)中使用SM9903 作為計量芯片，并通過存儲 IC 卡 AT24C01 作為電管部門與用戶連接的橋梁，來存儲由售電管理系統(tǒng)寫入的電量值等。 IC 卡預(yù)付費電子電能表應(yīng)運而生，能夠滿足上述要求。這種情況是不承擔超重負荷功率測量 [1]。 電度表的發(fā)展 電表作為電力測量工具 ,廣泛用于國民經(jīng)濟各部門。 IC 卡國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 IC 卡又稱集 成電路卡，是 1974 年一名法國新聞記者發(fā)明的。總之，非接觸式 IC 卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特點。而且單相電子式預(yù)付費電度的工作條件相當 惡劣，因此對該系統(tǒng)的可靠性要求也相對較高，一般來說，主要體現(xiàn)在以下幾個方面 : ? 常年不間斷運行，這要求設(shè)備具有高質(zhì)量和高可靠性。 ? 當表內(nèi)剩余電能 20kWh 時，在 LED 顯示屏上顯示以提醒用戶余電不多，及時購電。 設(shè)計內(nèi)容 單相電子式預(yù)付費電度表系統(tǒng)主要包括電能計量系統(tǒng)和預(yù)付費系統(tǒng)。這樣轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個脈沖，再通過對脈沖的整形、計數(shù)、顯示完成電能的計量。這樣，模擬通道中本身的干擾信號被抑制。單片機對頻率信號 f 進行累加，即可得出電能。 預(yù)付費系統(tǒng)方案設(shè)計 ① 方案一 采用非加密存儲器卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì) 非加密存儲器卡的卡 內(nèi)嵌入芯片為通用存儲器芯片。 ? SLE4418 智能型 1KB EEPROM。 ? 為提高安 全性，加密存儲器卡的存儲空間被分為多個不同的功能區(qū)。 ③ 方案三 CPU 卡 CPU 卡的硬件構(gòu)成包括 CPU、存儲器（含 RAM、 ROM、 EEPROM 等）、卡與讀寫終端通信的 I/O 接口及加密運算協(xié)處理器 CAU。此方案保密程度高，適用于大范圍（如全國性的）預(yù)付費售電系統(tǒng)。 經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時功率為： 2 c o s 2 c o s( )p u i U t I t? ? ?? ? ? ? ? ?)2c o s (c o s ??? ??? tUI 可見，瞬時功率有恒定分量 cosUI ? 和正弦分量兩部分，正弦分量的頻積分器 V/F 轉(zhuǎn)換 器 四象限模擬乘法器 u i p P 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 率是電壓（或電流）頻率的兩倍。 ① 特點 ? 精確測量正負兩個方向的有功功率，且以同一個方向計算電能。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轉(zhuǎn)換成可供 MCU 讀取和直接驅(qū)動步進電機的數(shù)字信號。 C R1 VD VD C C VZ VZ2 為電容降壓式電源，為 SM9903 提供 177。 單片機的選擇是決定電度表性能的關(guān)鍵因素，本設(shè)計采用 MCS51 系列單片機，其特點是通用性強，易。在編程時， P0 口可用于接收指令代碼字 節(jié)；在程序校驗時， P0 口可輸出指令字節(jié)（這時需要加外部上拉電阻）。 P1 口可驅(qū)動 4 個 TTL 負載。 P2口可驅(qū)動 4 個 TTL 負載。在振蕩器穩(wěn)定工作時候，在第 3章 單相電子式預(yù)付費電度表硬件電路的實現(xiàn) 19 RST 腳施加兩個機器周期（即 24 個晶振周期）以上的高電平，將器件復(fù)位。 ? ALE/PROG——當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。此時，同時將 片內(nèi) RAM 和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容凍結(jié)。電 容 C1 C15 可起頻率微調(diào)作用，電容值在 5pF～ 30pF 之間選擇，本電路選 20pF。 電阻 R30 和按鍵 S1 構(gòu)成鍵盤，用以實現(xiàn)顯示內(nèi)容的切換。 表 34 SMG12232B2 的接口信號說明 顯示容量 12232 點陣 工作溫度 10℃ ～ +50℃ 芯片工作電壓 ～ 存儲溫度 20℃ ～ +60℃ 芯片工作電流 5mA() 背光源類型 EL 最佳工作電壓 背光源工作電壓 點尺寸 背光源工作電流 30mA 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 RST 復(fù)位端（高電平復(fù)位） 9 DB1 數(shù)據(jù)口 1 2 VCC 電源正極 10 DB0 數(shù)據(jù)口 0 3 DB7 數(shù)據(jù)口 7 11 GND 電源地 4 DB6 數(shù)據(jù)口 6 12 WR_____ 寫信號（低電平有效） 5 DB5 數(shù)據(jù)口 5 13 RD______ 讀信號（低電平有效） 6 DB4 數(shù)據(jù)口 4 14 CS1 片選 IC1 信號 7 DB3 數(shù)據(jù)口 3 15 CS2 片選 IC2 信號 8 DB2 數(shù)據(jù)口 2 16 A0 數(shù)據(jù) /命令選擇端 （ H/L） EL+ 背光源驅(qū)動電壓輸入端 EL 背光源驅(qū)動電壓輸入端 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 ③ SMG12232B