【導讀】本設計的主要目的就是為了解決IC卡預付費電能表存在的問題。別技術的多用戶電能表的設計意義及功能原理。其次介紹射頻識別技術的發(fā)展及基本原。最后對基于射頻識別技術的多用戶電能表進行硬件電路與軟件程序的設計。本設計的軟件采用模塊化設計方案。軟件劃分為五大模塊:通訊模塊,電能計量模塊,聲光報警模塊,射頻卡讀寫模塊,顯示模塊。每一模塊又劃分為若干個子程序。

　　

【正文】 連接，如星形接地。 ? CF，頻率較驗輸出引腳。其輸出頻率反映瞬時有功功率的大小，常用于儀表校驗。 ? F2， F1，低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。這兩個邏輯輸 出可以直接驅動機電式計數器或兩相步進電機。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 17 ADE7755 的工作原理 圖 AD7755 內部結構 ADE7755 的內部結構如圖 所示 ,ADE7755 主要包括兩路 16位 Z 一△ ADC, 用于將電流傳感器和電壓傳感器輸出的電壓信號轉換成數字量。通道 1(電流通道 )的 ADC 前端帶一個可編程增益放大器 (PGA),其輸出通過一個相位校正電路 (用來消除高通濾波器的相位導前 )接一個高通濾波器 (HPF),以濾掉電流信號的直流分量 ,從而提高有功功率的計算精度。 HPF 輸出的數字量與電壓通道 ADC 轉換后的數字 量相乘后再經過一個低通濾波器 (LPF),以便提取有功功率分量。最后 ,LPF 輸出的數字量經過數字頻率轉換器產生輸出頻率 F1,F2 和 CF。 F1 和 F2 表示平均有功功率 ,可用來直接驅動機電式計數器或微處理器 (MCU)接口。 CF 提供即時功率 ,可接口到 MCU。電源檢測電路對模擬電壓連續(xù)監(jiān)控 ,如果其值低于 4土 ,ADE7755將被復位 ,以保證器件在上電和斷電時能正確啟動。 芯片內部兩個 ADC 對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進行數字化。 ADE7755 的模擬輸入結構具有寬動態(tài)范圍，大大簡化了傳感器接口（可以與傳感器 直接連接），也簡化了抗混疊濾波器的設計。電流通道中的 PGA 進一步簡化了傳感器接口。電流通道中的 HPF濾掉電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或者電流失調所造成的有功功率計算上的誤差。 有功功率是從瞬時功率信號推導計算出來，瞬時功率信號是用電流和電壓信號直接相乘得到的。為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對瞬時功率信號進行低通濾波就行了。下圖示出了瞬時有功功率如何通過對瞬時功率信號進行低通濾波來獲取有功功率。這個過程中所有的信號處理都是由數字電路完成的，因此具有優(yōu)良的溫度和時間蘭州理工大學畢業(yè)設計 18 穩(wěn)定性。 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生，即在兩個輸出脈沖之間經過長時間的累加，因此輸出頻率正比于平均有功功率。當這個平均有功功率信息進一 步被累加，就能獲得電能計量信息。 CF輸出的頻率較高，累加時間較短，因此 CF的輸出頻率正比于瞬時有功功率，這對于在穩(wěn)定負載條件下進行系統(tǒng)校驗是很有用的。 存儲器選擇 存儲器選擇 24LC256EEPROM。美國微芯科技公司 Microchip Technology Inc.）生產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。該系列器件支持 2線串行接口，以 x8位存儲器塊進行組合。低電壓設計允許工作電壓最低可至 （適用 24AAXX 器件），待機電流和工作電流分別為 1181。A 和 1mA。容量為 1 千位以及超過 1 千位的器件具有頁寫入能力。 功能性地址線允許連接到同一條總線上的器件數目最多可達 8個。整個 24XX 系列產品提供標準的 8引腳 PDIP、表面貼片 SOIC、 TSSOP 和 MSOP 封裝。大部分容量為 128 位到 16 千位的器件還提供 5 引腳 SOT23 封裝。另外還提供 DFN 封裝（ 2x3mm 或 5x6mm）。所有封裝皆為無鉛（霧錫）封裝。引腳圖如圖 所示。 圖 24LC256 引腳圖 蘭州理工大學畢業(yè)設計 19 顯示模塊的選擇 MC14499 驅動、掃描、時鐘于 一體。所需的輔助電路簡單， MC14499 與單片機的數據傳送采用串行同步方式。因此，用 MC14499 組成單片機的顯示電路，具有占用單片機軟件資源小，不再再外加電路即可與單片機協調工作，使用靈活方便，電路簡單可靠等特點。因此選擇 MC14499 作為顯示模塊。 MC14499 簡介及工作原理 MC14499 是由 MOTOROLA 公司生產的高集成度 LED 顯示驅動器，采用動態(tài)掃描方式顯示驅動 4 個 LED 數碼管。電路工作原理：顯示部分采用數碼顯示，利用串行 BCD碼一十進制譯碼驅動顯示器件 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)、輸入的數據或讀出 IC 卡中所剩余以及出錯信息等。此器件主要有 1 個 20位移位寄存器、 1 個鎖存器、 1 個多路輸出器。多路輸出器輸出的 BCD 碼經段譯碼器譯碼后， 換成七段碼 (a、 b、 c、 d、 e、 f、 g)和小數點 DP 送到段驅動器輸出。 MC14499 能接受 20 位數據的串行輸入， 16 位用作四位 LED 顯示， 4 位用作小數點顯示。輸入時序是先發(fā)送四位小數點碼然后發(fā)送 16 位 BCD 碼。當 ENB 由高變底時， MC14499 的寄存器開始接受串行數據。 MC14499 管腳分布及其說明 MC14499 的管腳如圖 。 (1)a ~ g ， h:段碼及小數點驅動端， NPN 發(fā)射極輸出。 (2)B1~B4l:字位選擇輸出 ,片內具有短路保護裝置。 (3)DATA:數據輸入端。 (4)CLK:同步控制脈沖輸入端 ,在下降沿數據被移入片內寄存器。 (5)ENB:使能端。底電平允許接受串行數據，高電平禁止接受串行數據，并將片內移位寄存器數據鎖存。 (6)OSC:外接決定掃描周期的電容端。 (7)VSS:為電源地。 (8)VDD:為正電源輸入，范圍是 ~。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 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 是美國電子工業(yè)協會 EIA（ Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。 RS 是英文 “ 推薦標準 ” 的縮寫， 232為標識號， C 表示修改次數。 RS232C 總線標準設有 25 條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發(fā)送線、一條接收線及一 條地線。 RS232C 標準規(guī)定的數據傳輸速率為每秒 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600、19200 波特。 RS232C標準規(guī)定，驅動器允許有 2500pF 的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如：采用 150pF/m 的通信電纜時，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是 RS232 屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于 20m 以內的通信。 圖 RS232串口 接口的電氣 特性：在 RS232C 中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即：邏輯 “ 1” ， 5— 15V；邏輯 “ 0” +5— +15V 。限為 2V。即：要求接收器能識別低至 +3V 的信號作為邏輯 “ 0” ，高到 3V 的信號作為邏輯 “ 1” 。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 21 本設計中使用一個 9 針的連接器，其引腳排列功能如表 。 表 RS232 管腳 引腳號 名稱 1 數據載波檢測 DCD 2 發(fā)送數據 TXD 3 接受數據 RXD 4 數據終端準備好 DTR 5 信號地 SG 6 數據裝置準備好 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數字信號 ,因此必須進行電平轉換，這里用到 MAX232 芯片， MAX232 芯片可完成 TTL到 EIA 的雙向轉換。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 22 第三章 硬件設計 射頻讀寫 模塊設計 RC500 的天線設計 非接觸式天線使用以下 4個管腳：如表 。 表 天線管腳 名稱 類型 功能 TX1, TX2 輸出 緩沖天線驅動器 VMID 模擬 參考電壓 RX 輸入 模擬天線輸入信號 為了驅動天線， MF RC500 通過 TX1 和 TX2 提供 的能量載波。根據寄存器的設定對發(fā)送數據進行調制得到發(fā)送的信號。該卡采用 RF 場的負載調制進行響應。天線拾取的信號經過天線匹配電路送到 RX 腳。 MF RC500 內部接收器對信號進行檢測和解調并根據寄存器的設定進行處理。然后數據發(fā)送到并行接口由微控制器進行讀取。 TX I 和 TX2:為天線驅動器引腳。 VMID:為模擬參考電壓。 RX:為天線輸入信號。 TVDD為發(fā)送器電源電壓。 TGND:為發(fā)送器電源地。為了驅動天線， MF RC500 通過 TX1 和 TX2 端提供 6MHz 的能量載波，并根據寄存器的設定對發(fā)送數據進行調制得到發(fā)送的信號。 MF RC500 對天線驅動部分使用單獨的電源供電。 一般的天線設計要達到如下要求： (1)使天線線圈的電流最大，用于產生最大的磁通量； (2)功率匹配，以最大程度地利用產生磁通量的可用能量； (3)足夠的帶寬，以便無失真地傳送用數據調制的載波信號。天線是有一定負載阻抗的諧振回路。閱讀器又具有一定的源阻抗。為了獲得最佳性能，必須通過無源的匹配回路將線圈阻抗 轉換為源阻抗。然后，通過同軸線纜即可無損失且無輻射地將功率從讀寫器末級傳送到匹配電路。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。小環(huán)天線有方形、圓形、橢圓形、三角形等，本系統(tǒng)采用方形設計。其天線部分如圖 。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 23 圖 天線部分電路圖 射頻讀寫模塊 RC500 的接口電路 MF RC500 的 AD0~AD7 為帶施密特觸發(fā)器的雙向數據和地址復用總線，接單片機AT89C52 的 AD0~AD7。 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 NRD／ NDS 為帶施密特觸發(fā)器的讀禁止，數據選通禁止信號，接單片機的讀信號 RD。 MF RC500 的 NCS 為帶施密特觸發(fā)器的片選禁止信號．接單片機的 I/O 口線 。 MF RC500 的 ALE 為帶施密特觸發(fā)器的地址鎖存使能信號 ,接單片機的地址鎖存信號。 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。根據上面所說得到 RC500 接口電路如圖 。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 24 圖 RC500 接口電路 電能計量模塊設計 電子式電能表計量原理 電能表是專門用來計量電能的電表 ,其計量的結果是某段時間內通過負載電路的電能。計量單位是千瓦小時 (簡稱度 )。 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。 對于大多數電子式電能表，電能計量的原理基本相同，主要包括對電壓和電流的實時采樣，將采樣得到的電壓和電流值相乘，計算出有效值、有功功率、無功功率等。采樣份直流采樣和交流采樣兩種，與直流采樣相比，交流采樣具有計算靈活、精度高、響應速度快等優(yōu)點。 當采樣輸入信號為正弦波時，測量時域、頻域信號的算法有導數算法、半周 期算法等。由于這些算法計算量小，因此應用較為普遍，尤其是對實時性要求很高的場合 對于大多數電子式電能表 ,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、無功功率等。采樣分直流和交流采樣兩種。與直流采樣相比 ,交流采樣具有計算靈活 ,精度高 ,響應速率快等優(yōu)蘭州理工大學畢業(yè)設計 25 點。電子式電能表結構圖如圖 ,首先通過 V取樣與 I 取樣電路檢測出負載的電壓值和電流值 ,然后經過乘法器轉換成功率數據 (P=VI