【正文】 V C C40P 39P 38P 37P 35P 34P 33P 32EA31A L E30P S E N29P 28P 27P 26P 25P 24P 23P 22P 21A T 89 C 52P 36 圖 35 AT89C52 引腳圖 ② 功能： ? P0 口 ——8 位、漏極開路的雙向 I/O 口。其主要工作特性是： ? 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)含 8KB 的 Flash 程序存儲(chǔ)器，可擦寫壽命為 1000次； ? 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含 256 字節(jié)的 RAM； ? 具有 32 根可編程 I/O 口線； ? 具有 3 個(gè)可編程定時(shí)器； ? 中斷系統(tǒng)是具有 8 個(gè)中斷源、 6 個(gè)中斷矢量、 2 個(gè)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu) ； ? 串行口是具有一個(gè)全雙工的可編程串行通信口； ? 具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR； ? 低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式； ? 具有可編程的 3 級(jí)程序鎖定位； ? AT89C52 工作電源電壓為 5（ 1177。所以本次設(shè)計(jì)選用 Atmel 公司的 AT89C52，其內(nèi)部有8KB 的程序存儲(chǔ)器，無須外部擴(kuò)展，使硬件電路簡(jiǎn)單。 單片機(jī)的選擇是決定電度表性能的關(guān)鍵因素，本設(shè)計(jì)采用 MCS51 系列單片機(jī)，其特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，易。從第 8 腳輸出的有功功率積算脈沖，經(jīng)過光耦合 器送給 AT89C52。 C C7 為積分電容。其中 VZ VZ2 分別為+5V 電源、－ 5V電源中的穩(wěn)壓管。 C R1 VD VD C C VZ VZ2 為電容降壓式電源，為 SM9903 提供 177?；玖砍虨?5A，最大量程可達(dá) 20A。在圖 34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) 15 中，采用 340?? 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。 ③管腳圖及定義 SM9903 管腳如圖 33 所示，其管腳定義如表 31 所示。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(hào)轉(zhuǎn)換成可供 MCU 讀取和直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字信號(hào)。 ? 20 年使用壽命。 ? 適用于單相、三相電度表。 ? MCU 數(shù)據(jù)接口。 ① 特點(diǎn) ? 精確測(cè)量正負(fù)兩個(gè)方向的有功功率，且以同一個(gè)方向計(jì)算電能。 SM9903 采用 3um 硅柵 BICMOS 工藝制成。 SM9903 芯片介紹 電能計(jì)量電路采用電子電度表專用集成電路 SM9903。 電能計(jì)量電路的實(shí)現(xiàn) 單相電子式付費(fèi)電度表的硬件電路可分為電能計(jì)量電路、復(fù)位晶振電路、顯示電路、 IC 卡接口、電能存儲(chǔ)器、掉電檢測(cè)幾大模塊。 經(jīng)四象限模擬乘法器相乘后的瞬時(shí)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(shí)功率有恒定分量 cosUI ? 和正弦分量?jī)刹糠郑曳至康念l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(jì)（論文） 12 率是電壓（或電流）頻率的兩倍。只需對(duì)輸出脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，就可計(jì)量出電能。采用非加密存儲(chǔ)器卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號(hào)是 AT24C01。 本章小結(jié) 本章給出了 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表總體方案的設(shè)計(jì)，包括 電能計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案設(shè)的設(shè)計(jì)。此方案保密程度高，適用于大范圍（如全國(guó)性的）預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)。 CPU 卡（ Smart Cards 接觸型）內(nèi) 嵌芯片相當(dāng)于一個(gè)特殊類型的單片機(jī)，內(nèi)部除了帶控制器、存儲(chǔ)器、時(shí)序控制邏輯外，還帶有算法單元和操作系統(tǒng)。 ? 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。它將在 COS(Chip Operation System，片內(nèi)操作系統(tǒng)）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。 ③ 方案三 CPU 卡 CPU 卡的硬件構(gòu)成包括 CPU、存儲(chǔ)器（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。這類器件保密性較好，應(yīng)用較廣泛。允許連續(xù)密碼核驗(yàn)的錯(cuò)誤次數(shù)很少（一般在十次以內(nèi)），可以有效防止非法試探。在訪問存儲(chǔ)器前，需要核對(duì)密碼。 ? 為提高安 全性，加密存儲(chǔ)器卡的存儲(chǔ)空間被分為多個(gè)不同的功能區(qū)。 ? 同時(shí)采用 ROM、 PROM、 EEPROM 等存儲(chǔ)技術(shù)。 ② 方案二 加密存儲(chǔ)器卡 加密存儲(chǔ)器卡（ Security Cards 接觸型）的芯片由非易失性存儲(chǔ)器和硬件加密邏輯構(gòu)成。 ? AT45D041 大容量（ 4KB）閃速存儲(chǔ)卡。 ? SLE4418 智能型 1KB EEPROM。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(chǎng)合，其典型型號(hào)有： 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) 9 ? AT24C01A/02/04/08/16/32/64 二線串行 EEPROM。 ? 多采用 2 線串行通信協(xié)議（ I2C 總線協(xié)議）。 ? 無安全控制邏輯，可對(duì)片內(nèi)信息不受限制地任意存取。 預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ① 方案一 采用非加密存儲(chǔ)器卡作為銷售電能的傳輸媒質(zhì) 非加密存儲(chǔ)器卡的卡 內(nèi)嵌入芯片為通用存儲(chǔ)器芯片。 CPU 采用 AT89C52，它內(nèi)部有 8KB 的程序存儲(chǔ)器，應(yīng)用于此系統(tǒng)綽綽有余。 I / U ? ? V /F????????????CPU? ? ? ? ?? ? ? ?IC ???IU 圖 23 方案四的系統(tǒng)框圖 基于以上分析，方案四明顯優(yōu)于其他三種方案。 這種方案不但兼有方案三的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì) CPU 的要求低，采用 MCS51系列單片機(jī)完全可以勝任。單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào) f 進(jìn)行累加，即可得出電能。 I / U 變 換液 晶 顯 示 器C P U過 零 檢 測(cè)V / F 轉(zhuǎn) 換模 擬開 關(guān)I C 卡 卡 座控 制 鍵 盤過 零 檢 測(cè)IU 圖 22 方案三的系統(tǒng)框圖 這種方案的 CPU 要實(shí)現(xiàn)讀寫卡控制、求功率因數(shù)（ cos? ）、電能計(jì)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。將過零脈沖送 CPU 處理，得出電流和電壓的相位差（ cos? ），經(jīng)過查表得功率因數(shù)（ cosP UI ?? ）計(jì)算 ,便得有功功率 ,再定時(shí)累加就是電能值。 CPU 只需對(duì) V/F 轉(zhuǎn)換后的脈沖進(jìn) 行定時(shí)計(jì)數(shù)，便可測(cè)出電壓和電流的數(shù)字量。這樣，模擬通道中本身的干擾信號(hào)被抑制。這將增加 CPU 的負(fù)擔(dān)和硬件電路成本，其方案可行而不可取。 這種方案對(duì)信號(hào)的采樣速率快，但 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度要求高，而且由于電網(wǎng)的電力諧波引入前置通道，導(dǎo)致 A/D 轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。 ② 方案二 模數(shù)轉(zhuǎn)換式 對(duì)電流和電壓分別采樣，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送入單片機(jī)進(jìn)行相乘運(yùn)算。這樣轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個(gè)脈沖，再通過對(duì)脈沖的整形、計(jì)數(shù)、顯示完成電能的計(jì)量。具體方案是在轉(zhuǎn)盤上涂上大約 1cm 寬的 “黑條 ”，在轉(zhuǎn)盤的上方或下方設(shè)置一紅外線發(fā)射接收對(duì)管。 監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)：初始化、電能計(jì)量、存儲(chǔ)器讀寫、顯示等子程序的設(shè)計(jì)。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表系統(tǒng)主要包括電能計(jì)量系統(tǒng)和預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)。h 時(shí)，能提醒用戶余電不多，及時(shí)購(gòu)電。 ② 要求： 電度表正常工作時(shí)，能顯示剩余電能值，使用戶直觀地了解電度表的工作是否正常。掉電時(shí)，自動(dòng)把剩余電量從 RAM 轉(zhuǎn)儲(chǔ)在E2PROM 中 [12]。 ? 當(dāng)表內(nèi)剩余電能 20kWh 時(shí)，在 LED 顯示屏上顯示以提醒用戶余電不多，及時(shí)購(gòu)電。 ② 功能： ? 用戶將存有電量的 IC 卡插入卡槽 ,卡中電量被讀入表內(nèi)，同時(shí)把 IC卡清 “0”。 正因?yàn)槿绱?，該單?xiàng)電子式預(yù)付費(fèi)電度表與以往的電表相比具有接口簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。所謂慢上電是指電度表的電源電壓從零到最大的時(shí)間太長(zhǎng)，不能使單片機(jī)很可靠的復(fù)位，致使電度表工作異常；慢下電是指電源斷開時(shí)，單片機(jī)的電源不會(huì)馬上為零，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 而需要一段時(shí)間，在這段時(shí)間中，單片機(jī)中的程序指針 PC 可能會(huì)出錯(cuò)，即程序跳出正常軌道，出現(xiàn)混亂，甚至陷入死循環(huán)。而且單相電子式預(yù)付費(fèi)電度的工作條件相當(dāng) 惡劣，因此對(duì)該系統(tǒng)的可靠性要求也相對(duì)較高，一般來說，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 : ? 常年不間斷運(yùn)行，這要求設(shè)備具有高質(zhì)量和高可靠性。本課題設(shè)計(jì)的單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表完全可滿足這種社會(huì)需求的。 現(xiàn)在高等院校的學(xué)生公寓，一般對(duì)學(xué)生用電實(shí)行敞開供應(yīng)，用電收費(fèi)。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)（ MCU）和電源廣泛用于測(cè)量領(lǐng)域的大規(guī)模集成電路，其技術(shù)水平和儀表的性能得到了長(zhǎng)足的發(fā)展?？傊?，非接觸式 IC 卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特點(diǎn)。 非接觸式 IC 卡又稱射頻卡是國(guó)外近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)它成功地將 第 1章 緒論 3 IC 卡技術(shù)和射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源和免接觸的難題。目前，很多居民區(qū)都已經(jīng)開始采用 IC 卡來數(shù)據(jù)管理，包括抄表、收費(fèi)、控制，這使 IC 卡表成為目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)亮點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi)各個(gè)行業(yè)服務(wù)意識(shí)的增強(qiáng)， IC 卡技術(shù)的發(fā)展越來越迅速，在居民用戶日常生活中， IC 卡技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛 [7][8]。 IC 卡國(guó)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(guó)新聞?dòng)浾甙l(fā)明的。 按照國(guó)家電網(wǎng)公司的新標(biāo)準(zhǔn)的要求，除了具有測(cè)量，最基本的預(yù)付費(fèi)控制功能，對(duì)電氣安全的要求更加重視，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。他們根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境 ,以及用戶所需要的功能的不同 ， 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中 分別扮演重要的角色。它有更多的功耗 ,重 ,需要手工抄表 ,不防竊電、低性能的缺點(diǎn) [3]。 電度表的發(fā)展 電表作為電力測(cè)量工具 ,廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。它避免過多的現(xiàn)金交易出現(xiàn)的糾紛，減輕了工作人員的工作手續(xù)和強(qiáng)度，而且，供電公司建立了用戶信息管理系統(tǒng)，存儲(chǔ)在 IC 卡內(nèi)，保證一戶一卡，信息系統(tǒng)里有完善的財(cái)務(wù)核算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)管理，使工作人員的日常工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，按照管理系統(tǒng)流程開展工作，減少出錯(cuò)概率，更加科學(xué)化，自動(dòng)化，提高了公司服務(wù)質(zhì)量，增強(qiáng)公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 采用 IC 卡電度表后，可以改變現(xiàn)有的管 理和收費(fèi)模式，使得更加快捷有效。 電度 IC 卡預(yù)收費(fèi)系統(tǒng)是為了滿足科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展而研制的，具有使用之前預(yù)先收費(fèi)、用電管理現(xiàn)代化和分時(shí)間段計(jì)費(fèi)等功能的新型電度表 [2]。這種情況是不承擔(dān)超重負(fù)荷功率測(cè)量 [1]。 procedures for achieving some of the initialization subroutine, the subroutine measurement, the subroutine shown such subroutine design. SM9903 system used as a measurement of chips, and memory IC card AT24C01 as electricity and regulatory departments and users connecting to the bridge, to be sold by the store management system into the value of electricity. Singlephase electronic Prepayment Meter is not only used for metering, prepaid expenses, it also has a simple interface, pact structure, Measurement accuracy, and high precision characteristics. Keywords： MCU AT89C52； measurement chip SM9903； IC Card； AT24C01；prepayment； Power Meter III 目 錄 摘要 ........................................................................................................................ I Abstract .......................................................