【正文】 此普遍存在“收費(fèi)難”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的存在不僅影響和制約著電力企業(yè)的發(fā)展，同時(shí)抑制著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。此外，它的通信潛力幾乎無(wú)限，使得公共設(shè)施服務(wù)供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)了多費(fèi)率賬單編制、智能卡預(yù)支付、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理等操作。目前對(duì)于預(yù)付費(fèi)電子式電能表的方案有很多種實(shí)現(xiàn)方式，基于接觸 IC 卡模式和 Keypad 模式的電能表比較多，但隨之而來(lái)采用高科技手段破解 IC 卡密碼的竊電現(xiàn)象也不斷增多，由于安全性差、壽命短、使用不方便等原因?qū)е逻@兩種電表的推廣較為困難。因此研制一種非接觸式且具有自動(dòng)識(shí)別功能的電能表具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。另外 ,接觸式 IC 卡的通訊速率較低 ,再加上插拔卡的動(dòng)作延誤 ,造成每一筆交易需要較長(zhǎng)時(shí)間的等待。非接觸式 IC卡又稱射頻卡 ,由 IC 芯片、感應(yīng)天線組成 ,封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PVC 卡片內(nèi) ,芯片及天線無(wú)任何外露部分?？ㄆ谝惶m州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 定距離范圍 (通常為 5 一 10~)靠近讀寫模塊表面 ,通過(guò)無(wú)線電波的傳遞來(lái)完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。它可以通過(guò)接受射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并且獲取得相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作不需要人工干預(yù)。科學(xué)家弗格森通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí) RFID 是一種突破性的技術(shù)：第一 ， RFID 可以識(shí)別具體的物體，而不是像條形碼那樣只能識(shí)別一類物體；第二，其采用無(wú)線電射頻，可以透過(guò)外部材料讀取數(shù)據(jù)，而條形碼必須靠激光來(lái)讀取信息；第三，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行識(shí)讀，而條形碼只能一個(gè)一個(gè)地讀。該技術(shù)目前在物流、門禁系統(tǒng)、身份識(shí)別、自動(dòng)收費(fèi)等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。隨著 RFID 技術(shù)的成熟、發(fā)展，非接觸式的 IC 卡的應(yīng)用將會(huì)成為可能，它有很多優(yōu)點(diǎn)。本課題將此技術(shù)應(yīng)用到電能表領(lǐng)域，能解決接觸式 IC 卡電能表的諸多問(wèn)題。 課題任務(wù)及目標(biāo) 本設(shè)計(jì)主要利用非接觸 IC 卡及其讀卡器進(jìn)行電費(fèi)預(yù)付費(fèi)，通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器采樣分析實(shí)現(xiàn)當(dāng)前用電量計(jì)算顯示。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能 ： 1） 當(dāng)前總用電量顯示； 2）用戶余額顯示； 3）余額不足報(bào)警； 4）余額為零自動(dòng)斷電； 5）供電過(guò)流保護(hù) 。 研究現(xiàn)狀 預(yù)付費(fèi)電能表 預(yù)付費(fèi)電能表分類及發(fā)展史 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 國(guó)際上預(yù)付費(fèi)電能表經(jīng)過(guò)了投幣、磁卡、電鑰匙、 IC 卡的發(fā)展過(guò)程 ,80 年代末推出了 IC 卡預(yù)付費(fèi)電能表 ,它是 IC 卡在電話、金融等領(lǐng)域后的又一成功應(yīng)用。 整體式預(yù)付費(fèi)電能表就是將斷電機(jī)構(gòu)置于表內(nèi)。斷電機(jī)構(gòu)跳閘時(shí) ,觸點(diǎn)有可能被燒死 ,從而當(dāng)下次需要跳閘時(shí)卻跳不開 ,因此 ,當(dāng)電流較大時(shí) ,一般不采用整體式結(jié)構(gòu) 另外 ,整體式結(jié)構(gòu)將電路集中在表殼內(nèi) ,當(dāng)斷電機(jī)構(gòu)跳閘時(shí) ,會(huì)給表計(jì)帶來(lái)干擾 ,如果布局不合理 ,勢(shì)必對(duì)表計(jì)的可靠性有很大影響。由于斷電機(jī)構(gòu)在表外 ,其體積不受約束 ,當(dāng)電流較大時(shí) ,其可靠性仍很高 但這種形式的預(yù)付費(fèi)電能表成本較高 ,一般當(dāng)電流較大時(shí)采用這種方式。由于感應(yīng)式電能表發(fā)展歷史較長(zhǎng) ,已經(jīng)相當(dāng)成熟 ,特別是它對(duì)電源瞬變及各種頻率的無(wú)線電干擾不敏感。 全電子式預(yù)付費(fèi)電能表是采用模擬或數(shù)字乘法器對(duì)功率進(jìn)行積算 ,其元器件采用電子元件。 按使用的介質(zhì)不同可分為投幣式、磁卡式、電卡式及 IC卡式等 所謂介質(zhì) ,就是用來(lái)存儲(chǔ)和傳輸信息的物件。 預(yù)付費(fèi)電能表的特點(diǎn) 1）不需要人工抄表。由于中國(guó)地域遼闊 ,有些地區(qū)用戶比較分散 ,有的用戶離供電部門較遠(yuǎn) ,對(duì)這些用戶的抄表就顯得比較費(fèi)勁 ,且效率較低。因此 ,不需要采用人工抄表 ,有效地解決了抄表難的問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和文化交流活動(dòng)的增加 ,流動(dòng)人口越來(lái)越多。特別是一些出租門面房、出租房屋及公寓等房主變動(dòng)頻繁的用戶 ,及經(jīng) 常出外做生意或經(jīng)常出差而很難找到房主的用戶 ,他們的電費(fèi)收繳尤其困難。同時(shí) ,它也能很好地解決零散居民用戶、臨時(shí)用電用戶、經(jīng)常欠費(fèi)用戶的收費(fèi)問(wèn)題。但有些用戶為達(dá)到少交貼費(fèi)的目的 ,故意少報(bào)用電容量 ,從而造成了貼費(fèi)的流失。用戶超容量用電或供電方式選擇不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際 ,會(huì)使線路負(fù)載過(guò)重 ,造成線路過(guò) 熱且加大了線路損耗 ,嚴(yán)重的會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 3）具有一定的防竊電能力。另外 ,全電子式預(yù)付費(fèi)電能表由于電流采用錳銅片分流 ,電流回路的電阻小 ,當(dāng)用戶在表外短接電流回路時(shí) ,基本上不起作用。因此 ,預(yù)付費(fèi)電能表因其表計(jì)本身的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理及預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ,而使預(yù)付費(fèi)電能表具有一定的防竊電能力。電是一種商品 ,商品交換的一個(gè)基本原則就是實(shí)行等價(jià)交換 ,也就是當(dāng)你使用、占有商品時(shí) ,就必須支付一定的貨幣。當(dāng)前 ,居高不下的線損、罕見的高 額欠費(fèi)仍深深困擾著電力部門 ,甚至妨礙了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作。 5）有利于用電管理部門提高現(xiàn)代化管理水平。預(yù)付費(fèi)電能表的使用必須配合計(jì)算機(jī)管理才能進(jìn)行 ,因此 ,它有利于提高用電管理部門應(yīng)用計(jì)算機(jī)管理的水平 ,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由三個(gè)部分組成 ,即天線、射頻卡 (應(yīng)答器 ,Tag)和讀寫器 (讀頭 ,Reader)。 射頻識(shí)別技術(shù)是一種直接繼承了雷達(dá)的原理 ,而發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。斯托克曼 (Harry Stockman)發(fā)表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識(shí)別的理論基礎(chǔ) ,成為射頻識(shí)別理論領(lǐng)域的不朽之作。 1951 一 1960 年早期 RFID 技術(shù)的探索階段 ,主要處于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究。 1971 一 1980 年 RFID 技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)處于一個(gè)大發(fā)展時(shí)期 ,各種 RFID 技術(shù)測(cè) 試得到加速 ,并出現(xiàn)了一些最早的 RFID 應(yīng)用。 1991一 20xx年 RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題日趨得到重視 ,RFID產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用 ,RFID產(chǎn)品逐漸成為人們生活中的一部分。射頻識(shí)別產(chǎn)品種類更加豐富 ,射頻卡成本不斷降低 ,規(guī)模應(yīng)用行業(yè)不斷擴(kuò)大 ,射頻識(shí)別技術(shù)的理論得到了豐富和完善。 射頻識(shí)別技術(shù)的基本工作原理 最基本的射頻識(shí)別系統(tǒng)由三部分組成 : a、射頻卡 (Tag,即應(yīng)答器 ):由禍合元件及芯片組成 ,射頻卡含有內(nèi)置天線 ,用于和讀寫器天線間進(jìn)行通信。 c、天線 :在射頻卡和讀寫器間傳遞射頻信號(hào)。 系統(tǒng)的基本工作流程是 :讀寫器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào) ,當(dāng) 射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流 ,射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過(guò)卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去 。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性 ,針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制 ,發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。所有讀寫器均可簡(jiǎn)化為高頻接口和控制單元兩個(gè)基本模塊。對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 ,用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡 :接收并解調(diào)來(lái)自射頻卡的高頻信號(hào)。 讀寫器的控制單元的功能包括 :與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信 ,并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的命令 。信號(hào)的編解碼。 射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫距離是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、讀寫器的 RF 輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的 Q 值、天線方向、讀寫器和射頻卡的禍合度 ,以及射頻卡本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。 典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)見圖 ?？▋?nèi)的天線是幾組繞線線圈 ,適合封裝到卡片中 ,卡片的專用集成電路由一個(gè)高速的 RF 接口、一個(gè)控制單元和一個(gè) EPROM 組成 射頻卡的讀寫原理是 :讀寫器向射頻卡發(fā)射一組固定頻率的電磁波 ,在電磁波的激勵(lì)下 ,LC 諧振電路產(chǎn)生共振 (卡內(nèi)有 LC 串聯(lián)諧振電路 ),從而使電容內(nèi)有了電荷 :在這個(gè)電容的另一端 ,接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?,將電容內(nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ) ,當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V 時(shí) ,此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓 ,將卡內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。由于具有安全性、智能性、較大存儲(chǔ)容量、更好的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性，讀寫設(shè)備簡(jiǎn)單，操作速度快等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展十分迅速，當(dāng)前在國(guó)內(nèi)已大量普及。 我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)開始在很多城市的公共交通、考勤、身份證、校園一卡通等行業(yè)大量使用非接觸式 IC 卡，特別是其中的近距離識(shí)別卡得到 廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的讀卡器也隨之得到了較普遍的應(yīng)用。這些射頻芯片外圍電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，但由于該類芯片價(jià)格較貴，因此限制了一些對(duì)成本要求比較苛刻的場(chǎng)合使用而未得到較好的推廣。 非接觸式 IC 卡技術(shù)近年在國(guó)內(nèi)的發(fā)展十分迅速，它可識(shí)別和跟蹤幾乎所有的物理對(duì)象，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，逐漸改變和影響我們的生活。 電子標(biāo)簽可以嵌入到身份證、護(hù)照、工作證等各種證件中，用作人員身份識(shí)別，也可用在動(dòng)物身上，便于種群保護(hù)等科學(xué)研究。如中國(guó)正在使用的第二代身份證就是 基于 ISO/IEC14443B 標(biāo)準(zhǔn)的 非接觸式 IC 卡，該證件已在國(guó)內(nèi)各大城市逐步發(fā)行，相應(yīng)的讀卡器也被指定廠家生產(chǎn)并在公安、銀行等部門得到使用。 公共交通應(yīng)用。主要應(yīng)用于公交車上的電子車票?，F(xiàn)在，基本上國(guó)內(nèi)很多省會(huì)城市如北京、上海、成都等都已使用，通常采用符合 ISO/IEC14443A 的 的非接觸式 IC 卡，而讀卡器的射頻電路部分大多采用 Philips 公司生產(chǎn)的 MCM200 射頻模塊或 RC500 射頻芯片?！?A/D 采樣 +DSP+MCU”方案，經(jīng) A/D 對(duì)數(shù)據(jù)行進(jìn)采樣處理，再由 DSP 對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后 MCU 則專門負(fù)責(zé)電能數(shù)據(jù)的后續(xù)管理。事實(shí)上專用計(jì)量芯片也就等同于 A/D 采樣 +DSP 的集成，所以可以說(shuō)第二種方案實(shí)際上是在第一種方案的基礎(chǔ)上升華得到的。隨著芯片 IC 技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)量芯片的功能日趨完善，該芯片具有完善的模擬采樣效驗(yàn)功能以及強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，使得電能專用計(jì)量芯片的性能得到極大地提高。例如 ADI 公司推出的 AD775X 系列、 Cirrus Logic 公司生產(chǎn)的 CS5460 系列等。近幾年來(lái)幾乎 50%以上的全電子式電能表生產(chǎn)廠商一般都是采用的解決方案都是使用這種“專用計(jì)量芯片 +MCU”雙核結(jié)構(gòu)多功能電能表。但數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约昂伺c核之間匹配及等多個(gè)方面的問(wèn)題是雙核模式不可避免的一些弊端，而且因?yàn)椴捎猛ㄓ玫?MCU，系統(tǒng)整體的 芯片數(shù)量比較多，電能表的成本下降的空間很小，這些給電子式電能表大范圍的應(yīng)用造成了比較大的阻礙。關(guān)于產(chǎn)品性能和可靠性，在整個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)用周邊電路高度集成和多個(gè)核心組件后，使得產(chǎn)品體積的縮小、外圍元件的減少與能耗的降低，除此之外更要的一點(diǎn)還有單個(gè)硅片上的元器件的高度一致性。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 電能計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)領(lǐng)域隨著時(shí)間的推移，集成度比以往更高的芯片也被許多大半導(dǎo)體公司也相繼推出， ADI 公司的 AD71x 系列和 TDK 公司推出的 71M651x 系列都是典型的系列。之所以傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案沒有被它大批量的取而代之，是因?yàn)橛捎诠に嚿系哪承┰蛄⒆阌趩涡酒?SOC 的電能表的實(shí)現(xiàn)方案還有各種各樣的缺陷。 電能表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 電能表硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示 ,整個(gè)系統(tǒng)由七大部分組成 :射頻卡讀寫模塊、電能計(jì)量模塊、存儲(chǔ)器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報(bào)警等系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想 ,以 MCU為核心 ,將其他模塊有機(jī)的整合在一起 ,形成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。 圖 電能表硬件結(jié)構(gòu)圖 控制芯片的選擇 51 系列的單片機(jī)，即最常用的 AT89C52，優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，缺點(diǎn)在于：無(wú) PWM 輸出功能，采用定時(shí)器配合軟件使用。所以選擇為 AT89C52。同時(shí)， AT89C52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 VCC 管腳為電源電壓； GND 為地； P01 口 ~P07 口是一 組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P10 口 ~P17 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門 電路。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 表 和 的第二功能 引腳號(hào) 功能特性 T2（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 外部計(jì)數(shù)脈沖輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí) /計(jì)數(shù) 2 捕獲 /重裝載觸發(fā)和方向控制） P20 口 ~P27 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 口 ~ 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對(duì) P3 口寫入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，本設(shè)計(jì)中并沒有用到 P3 口的功能只用到了它的第 2 功能主要功能如下表 所示。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。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(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 因此， 在公交、門禁、校園、企事業(yè)等人事管理、娛樂(lè)場(chǎng)所等方面有廣泛的應(yīng)用前景。