【導(dǎo)讀】的都是機(jī)械式感應(yīng)電度表。它具有耗電多、笨重、需要手工抄表、防竊電性能低等缺。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，微控制器（單片機(jī)）和大規(guī)模的集成電路在電能計。量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使電度表的技術(shù)水平和性能得到長足發(fā)展。下面所述接觸式IC. 卡電度表就是其中的一種。提出了很高的要求。只是因?yàn)橛呻娫吹纫氲母蓴_很容易導(dǎo)致程序出錯，可能引起不。電費(fèi)收繳管理自動化。

　　

【正文】 PU只需對 V/F 轉(zhuǎn)換后的脈沖進(jìn)行定時計數(shù)，便可測出電壓和電流的數(shù)字量。同時，電壓和電流分別經(jīng)過零檢測電路。將過零脈沖送 CPU處理，得出電流和電壓的相位差，經(jīng)過查表得功率因子，按公式 ?cosUIP? 計算，便得有功功率，再定時累加就是電能值。 這種方案 CPU 要實(shí)現(xiàn)讀寫卡控制、求功率因子（ ?cos ）、電能計算等功能，負(fù)擔(dān)較重，一般的 MCS5 MCS96和 PIC 系列單片機(jī)難以勝任 [3]。 方案四：功率累加式 將端口電流和電壓先送入模擬乘法器相乘，得到一個與功率 P成正比的模擬電壓（或電流），再經(jīng)過 V/F 變換（或 I/F 變換）變成頻率信號 率信號 f 進(jìn)行累加，便可得到電能。 這種方案不但兼有方案三的優(yōu)點(diǎn)，而且對 CPU 的要求低，采用 MCS51 系列單片機(jī)完全可以勝任。而且，現(xiàn)在已有集成電路（如： SM9903）將模擬乘法器、低通濾波器和 V/F 變換器集成，其性能指針都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立組件。 基于以上分析，方案四明顯優(yōu)于其它三種方案。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。 CPU 采用 AT89C52，它內(nèi)部有 8KB 的程序內(nèi)存，應(yīng)用于此系統(tǒng)綽綽有余。采用液晶顯示器，可大大減少功耗，并且可顯示漢字，使接口清晰、明了。所以本次設(shè)計采用方案四。 預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案設(shè)計 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，其要求高安全 性。下面分別對其方案進(jìn)行設(shè)計和論證。 方案一：采用非加密內(nèi)存卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì) 非加密內(nèi)存卡的卡內(nèi)嵌入芯片為通用內(nèi)存芯片。 內(nèi)存卡的特點(diǎn)： 卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用 EEPROM。 無安全控制邏輯，可對片內(nèi)信息不受限制地任意存取。 卡片制造中也很少采取安全保護(hù)措施。 多采用 2 線串行通信協(xié)議或 3線串行通信協(xié)議。 非加密內(nèi)存卡信息存儲方便、使用簡單、價格便宜，很多場合可替代磁卡。但由于本身不具備信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的場合，其典型東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 方案論證與總體設(shè)計 17 型號有： AT24C01A/02/04/08/16/32/64 二線串行 EEPROM. AT93C46/56/66 三線串行 EEPROM. Microchip 24LCO1A/02/04/08/16/32/65 二線串行 EEPROM. SLE4418 智能型 1KB EEPROM. SLE4432 智能型 256B EEPROM. AT45D041 大容量（ 4MB）閃速內(nèi)存。 對于某單位或?qū)W校內(nèi)部進(jìn)行定量用電，超標(biāo)付款則可采用此方案。 方案二：加密內(nèi)存卡 加密內(nèi)存卡的芯片由非易失性內(nèi)存和硬件加密邏輯構(gòu)成。 加密內(nèi)存卡的特點(diǎn)： 具有安全控制邏輯，安全性能較好。 同時采用 ROM、 PROM、 EEPROM 等存儲技術(shù)。 從芯片制造到交貨，均采用較好的安全保護(hù)措施。 為提高安全性，加密內(nèi)存卡的存儲空間被分為多個不同的功能區(qū)。 此方案的保密性優(yōu)于方案一，可用于社區(qū)或以村為單位的預(yù)付費(fèi)用電系統(tǒng)。 方案三： CPU 卡 CPU 卡的硬件構(gòu)成包括 CPU、內(nèi)存（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。 其中： CPU 一般均為兼容于 8 位字長單片機(jī)的微處理器。它將在 COS 控制下，實(shí)現(xiàn)卡與外界的信息傳輸、加密、解密和判別處理等。 ROM 用于存放 COS， 3KB~16KB. 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。 EEPROM 則是真正可供用戶訪問的存儲區(qū)，用于保存卡的各種信息、密碼、應(yīng)用文件等， 1KB~16KB。 此方案保密程度高，適用于大范圍（如全國性的）預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng) 方案四：射頻 CPU 卡 射頻 CPU 卡是射頻識別系統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)載體，卡中嵌有耦合組件和微電子芯片。在讀寫器的回應(yīng)范圍之外，射頻 CPU 卡處于無源狀態(tài)。通常，射頻 CPU 卡沒用自己的供電電源，只是在讀寫器響應(yīng)范圍之內(nèi)，卡才是有源的，卡所需要的能量以及時鐘脈沖、數(shù)據(jù)，都是通 過耦合單元的電磁耦合作用傳輸給卡的。 射頻 CPU 卡必須配備相應(yīng)的讀寫器，典型的射頻 CPU 卡讀寫器包含有高頻模塊（發(fā)送器和接收器）、控制單元以及與卡連接的耦合組件，如圖所示。由高頻東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 方案論證與總體設(shè)計 18 模塊和耦合組件發(fā)送電磁場，以提供射頻 CPU卡所需要的工作能量以及發(fā)送數(shù)據(jù)給卡，同時接收來自卡的數(shù)據(jù)。此外，大多數(shù)射頻 CPU 卡讀寫器都配有上傳接口，以便將所獲取的數(shù)據(jù)上傳給另外的系統(tǒng) [4]。 采用射頻 CPU 卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì)，不但安全性甚強(qiáng)，而且可靠性高，經(jīng)久耐用。但是讀卡器電路復(fù)雜，成本高。甚至讀卡器成本高于電度表本身的成本。 顯而易見，這種方案不適用于民用。 以上列舉的四種方案都是可行的，其管理系統(tǒng)也大同小異，只是根據(jù)保密性和可靠性要求選用不同的 IC 卡而已，本次設(shè)計我們采用方案一。 IC 卡電度表的工作原理 框 圖 預(yù)付費(fèi)電度表的硬件電路可分為電能測量電路、控制電路、顯示電路、ＩＣ卡 接口、電量存儲器、掉電檢測和電源幾大模塊。電能測量由 SM9903 及相應(yīng)的外圍元件組成，能將取自電阻網(wǎng)絡(luò)的交流電壓和交流電流信號進(jìn)行放大。應(yīng)用電流比率型時分割乘法器將功率轉(zhuǎn)換 成電壓，再通過Ｖ／Ｆ型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換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(jìn)機(jī)的數(shù)字信號?？刂撇糠謱?shí)現(xiàn)電能脈沖、掉電信號、ＩＣ 卡信號、串行 EEPROM 數(shù)據(jù)的采集和讀寫，完成顯示驅(qū)動模塊的控制和繼電器的驅(qū)動功能。顯示電路采用液晶顯示器，其特點(diǎn)是顯示內(nèi)容豐富（可顯示漢字），功耗小，可靠性高，電路簡單。 量存儲電路選用串行 EEPROM,AT24C01，在掉電時存儲剩余電度數(shù)。磁保持繼電器能使電磁線圈中保持上次驅(qū)動脈沖所注入的磁場不變 ，即在正常工作時不需要加驅(qū)動電流，只需要改變觸點(diǎn)狀態(tài)時加上 200ｍｓ左右的反向脈沖即可。隨后不需要任何驅(qū)動。這就大大節(jié)省了能量，降低了功耗 [5]。 其框 圖如下圖所示： 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 方案論證與總體設(shè)計 19 圖 21 IC卡電度表工作框圖 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的工作過程 預(yù)付費(fèi)電度表具備以下功能 ： 用戶將存有電能的 IC卡插入卡槽，卡中電能被讀入表中，同時把 IC卡清“ 0”。 ?？▽Ｓ谩．?dāng)有非本機(jī)卡或異物插入卡槽時，能及時發(fā)現(xiàn)，切斷卡座的供電，并在液晶顯示屏上給出響應(yīng)的漢字提示信息。保護(hù)了電度表，提高了安全性。 電度表正常工作時，液晶顯示剩余電能值、已用電能值、使用戶直觀地了解電度表的工作是否正常及用電負(fù)荷的大小。 用電時，能按 二級表的精度計量電能，并隨時改寫剩余電能和已用電能。 當(dāng)表內(nèi)剩余電能不足 20KW h時，在液晶顯示器上顯示“清及時購電”以提醒用戶余電不 多，意識購電。 當(dāng)表內(nèi)剩余電能為 0時，自動斷電，這時用戶不能用電。在用戶將重新購電的 IC 卡插入卡槽中時，表完成上述第一項(xiàng)的功能，恢復(fù)供電。 有負(fù)荷限制功能。當(dāng)用戶電流大于 25A 時自動斷電， 1min 后恢復(fù)供電。 具有掉電保護(hù)功能。掉電時，自動把剩余電能從 RAM 轉(zhuǎn)存在 EEPROM 中。 預(yù)付費(fèi)電度表的工作過程如下： ，在液晶屏 上顯示“電子電能表”。隨后將存放在 EEPROM 中剩余電能跳出到 RAM 中。 ，能顯示剩余電能和已用電能。 c．當(dāng)有本機(jī) IC 卡插入 槽 時 ，根據(jù)有電卡和無電卡（空卡）做出不同的處理。若為有電卡，則顯示“正在讀卡，請稍后”。稍后提示：“請抽卡”。這時卡中的電能讀取 控制 IC卡數(shù)據(jù)讀取 存儲電能 LCD 顯示 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 方案論證與總體設(shè)計 20 電能被寫入表中，且將卡清零；若為空卡，則顯示空卡。 d．當(dāng)用電時，剩余電能遞減，已用電能遞增。 e．當(dāng)插入無效卡時，系統(tǒng)提示“ IC 卡型號不對，請換卡”。 ，切斷電源，卡顯示：“電用完，請及時購電”。 g．液晶顯示的內(nèi)容和處理如下表。 表 21 液晶顯示內(nèi)容和處理表 顯示內(nèi)容 處理 超負(fù)荷 減少用電負(fù)荷 密碼有誤 非本機(jī)卡，請換卡 卡短路 卡座的電源短路可能是人為破壞 非法卡 IC 卡型號不對，請換卡 讀寫錯誤 IC 卡可能已壞，請換卡 電子電能表 上電復(fù)位 正在讀卡 ，請稍后 將 IC卡中的數(shù)據(jù)送入表中，清 IC 卡 請抽卡 IC 卡已讀寫完 空卡 所插 IC 卡無電能 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路及工作原理 20 3 硬件電路及工作原理 預(yù)付費(fèi)電度表的硬件電路的主控電路采用 AT89C52 單片機(jī)，其內(nèi)有 8K 字節(jié)快速擦寫存儲器，無需外接程序存儲器（ EPROM），外接電路包括： LED 顯示電路，掉電檢測電路， IC 卡接口電路，電能存儲電路，磁保持繼電器驅(qū)動電路， 電能計量電路，現(xiàn)分別介紹其功能和原理： 電能計量電路 實(shí)現(xiàn)功能 電能測量由 SM9903 及相應(yīng)的外圍元件組成，將取自電阻網(wǎng)絡(luò)的交流電壓和交流電 流信號進(jìn)行放大。應(yīng)用電流比率型時分割乘法器將功率轉(zhuǎn)換成電壓，再通過Ｖ／Ｆ型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換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(jìn)機(jī)的數(shù)字信號。 電能計量電路完成了電能的測量。 電子計量電路圖 在本設(shè)計中，用 SM9903 構(gòu)成的電能計量電路如圖 。 在圖 中，采用 340181。Ω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。 C R1 VD VD C C VZ VZ2 為電容降壓式電源，為SM9903 提供177。 5V的工作電壓。 32768Hz 為表用晶體振蕩器，為 SM9903 提供時鐘。C C7 為積分電容。 R8 為參考電壓調(diào)整電位器。本電路無須機(jī)械計數(shù)器 [8]。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路及工作原理 21 C220COM19C118VI22TI10IND9VR27VR16POUT8NC5Vv4GNDA3VI11DMO214DMO13GNDD12OSCIN15VSS11VDD17OSCOUT16IC1SM9903430KR1470KR247KR3820KR4680KR5R6R9330KR12100KR13100R14100R15271R16470R17R103KR114700pFC1C4630V100pFC5C6 C7100μFC8100μFC9C104700pFC232768HzA BC DR820KOUTVD1VD210A10A10A10AVZ1VZ2 圖 31電子計量電路圖 芯片介紹 電能計量電路采用電子電度表專用集成電路 SM9903。首先有必要介紹一下 SM99033 的相關(guān)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)。 SM9033 采用 3181。m硅柵 BICMOS 工藝制成。電路設(shè)計先進(jìn)，內(nèi)部集成有緩沖放大器、乘法器、 V/F 型、 A/D、轉(zhuǎn)換器等電路。本芯片模擬部分和數(shù)字部分可分開供電，所以可靠性較高。封裝采用 DIP20 塑封。 特點(diǎn) ① 精確測量正負(fù)兩個方 向的有功功率，且以一個方向計算電能。 ② 線性度高，動態(tài)工作范圍寬。 ③ 具有防潛動功能。 ④ MCU 數(shù)據(jù)接口。 ⑤ 直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 ⑥ 適用于單相、三相電度表。 ⑦ 低功耗。 ⑧ 20 年使用壽命。 管腳圖及定義 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件電路及工作原理 22 SM9903 管腳圖如圖 所示，其管腳定義如表 31 所示。 C220COM19C118VI22TI10IND9VR27VR16POUT8NC5Vv4GNDA3VI11DMO214DMO13GNDD12OSCIN15VSS11VDD17OSCOUT16U1SM9903 圖 32 管腳圖 表 31 SM9903 管腳定義 管腳號 符號 說明 1 VI1 電流取樣信號輸入 2 VI2 電流