【正文】 抄表和收費(fèi)等。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表和傳統(tǒng)的電度表相比，能實(shí)現(xiàn)從電能數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)教幚淼淖詣?dòng)化，它克服傳統(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，能推進(jìn)電 能管理的現(xiàn)代化。系統(tǒng)中使用SM9903 作為計(jì)量芯片，并通過存儲(chǔ) IC 卡 AT24C01 作為電管部門與用戶連接的橋梁，來存儲(chǔ)由售電管理系統(tǒng)寫入的電量值等。 關(guān)鍵詞 單片機(jī) AT89C52；計(jì)量芯片 SM9903； IC 卡 AT24C01；預(yù)付費(fèi)；電度 表 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract The rapid development of power industry for electrical energy measurement and management put forward higher requirements: electricity, after paid, first implementation of timesharing electricity, automatic meter reading and billing, etc. Arises at the historic moment, IC card prepaid electronic watthour meter can meet the above requirements. Compared with the traditional meter ,Singlephase electronic prepayment meter can achieve data acquisition, transmission and processing automation, which overes inefficiency and uncertainty of the traditional manual meter reading pattern. Power management can promote modernization. The Singlephase electronic prepayment meter is based on AT89C52. The design of hardware circuit partial pletion of the measurement circuit, crystal reduction and display circuits, IC card interface, energy memory, powerfail detection circuit design。特別是當(dāng)波形畸變較大甚至不能正常工作。為了改變這個(gè)狀態(tài)，也為了改善用電量不均衡的現(xiàn)象、調(diào)節(jié)負(fù)荷曲線、合理利用電能，國(guó)內(nèi)部分省市的供電部門已開始逐步推廣使用多費(fèi)率電能表、電子式 多功能測(cè)量?jī)x表、 IC 卡預(yù)付費(fèi)電表、基于 AD 的電能自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、基于單片機(jī)的電能自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、這一系列電表的設(shè)計(jì)是促進(jìn)均衡用電的一種經(jīng)濟(jì)有效的方式。 IC 卡預(yù)付費(fèi)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(jī)械式電度表）中加入負(fù)荷控制部分等功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)電量抄收和電量結(jié)算功能的智能型電度表。用 IC 卡實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)，實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)后用電， IC 卡結(jié)算的管理模式，使電費(fèi)收取更加方便及時(shí)，減少欠交，遲交的現(xiàn)象。另一方面， IC 卡電度表的 IC 卡繳費(fèi)功能更便于用戶日常查詢，及 時(shí)了解自家用電情況 [3]。最初 ,使用機(jī)械感應(yīng) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 電度表。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展 ,單片機(jī) (MCU)和大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于電能計(jì)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(fèi)率電度表、單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表、三相電子式多功能電度表、三相電子式預(yù)付費(fèi)電度表等 [4]。 目前，預(yù)付費(fèi)電表發(fā)展到今天，已經(jīng)有很多的集成技術(shù)，以提高智能化程度，未來甚至可能成為一個(gè)智能數(shù)據(jù)終端，可以與電力供應(yīng)公司 、用戶進(jìn)行人際溝通 [5]。單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表也日趨成熟，在引進(jìn)和利用國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)和工藝，并隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，單相電子式預(yù)付費(fèi)電能表將技術(shù)和先進(jìn)的技術(shù)和高可靠性的特點(diǎn)更成熟的呈現(xiàn)在用戶面前 [6]。 95 年之前IC 卡電表多為可擦除存儲(chǔ)芯片（ EEPROM）或一般存儲(chǔ)卡，以 93C46 和 24C01 為主； 95 年后以存儲(chǔ)卡和邏輯加密卡為介質(zhì)出現(xiàn)了大范圍使用 IC 卡表的狀態(tài)； 98 年后使用以 CPU 卡和 ESAM 模塊方式為加密介質(zhì)的 IC 卡表并逐漸向 CPU 卡和 ESAM 模塊方式過渡。尤其是在相關(guān)的計(jì)量表計(jì)中，例如電表、燃?xì)獗?、水表、暖氣表?IC 卡技術(shù)的應(yīng)用 已經(jīng)很成熟了。 IC 卡預(yù)付費(fèi)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(jī)械式電度表）中加入負(fù)荷控制部分等功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)電量抄收和電量結(jié)算功能的智能型電度表。射頻卡與讀寫器間無機(jī)械接觸，不需專門的供電電源，從而避免了接觸故障；表面無裸露 芯片，使用時(shí)沒有正反面之分，可防水，且不易產(chǎn)生靜電擊穿及彎曲損壞等問題 [9]。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的研究意義 長(zhǎng)期以來，我們使用的是機(jī)械感應(yīng)式電度表，它具有笨重、耗電多、需要人工抄表，防竊電性能低、需要手工抄表等缺點(diǎn)。電能計(jì)量是現(xiàn)代電力營(yíng)銷系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，電能計(jì)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，從電能到加工自 動(dòng)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(jìn)能源管理現(xiàn)代化 [10]。因此，新建的學(xué)生公寓應(yīng)對(duì)每一個(gè)房間均裝有電能表或其他形式的電能計(jì)量裝置來實(shí)現(xiàn)學(xué)生買多少就用多少電。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表的特點(diǎn)與功能 ① 特點(diǎn)： 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表雖然只是普通的計(jì)量工具，但是由于微控制器的引入，對(duì)設(shè)計(jì)者提出了很高的要求。 ? 電度表進(jìn)行校表時(shí)要經(jīng)歷最劣的慢上下電考驗(yàn)。 ? 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(jiǎn)單 [11]。它主要用于小范圍家庭或?qū)W校的電能消耗的測(cè)量。 ? 用電時(shí)，能隨時(shí)改寫剩余電量。 ? 具有掉電保護(hù)功能。 單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表設(shè)計(jì)的任務(wù)、要求及內(nèi)容 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 ① 任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)采用 IC 卡的單相電子式預(yù)付費(fèi)電度表。 當(dāng)表內(nèi)剩余電能不足 20kW 具有掉電保護(hù)功能。電能計(jì)量系統(tǒng)主要應(yīng)完成電能測(cè)量功能；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。 第 1章 緒論 5 根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)要求，本次設(shè)計(jì)主要應(yīng) 完成兩個(gè)方面的內(nèi)容： 硬件電路設(shè)計(jì)：電能計(jì)量電路的設(shè)計(jì)、復(fù)位晶振電路的設(shè)計(jì)、顯示電路的設(shè)計(jì)、 IC 卡接口電路的設(shè)計(jì)、電能存儲(chǔ)器、掉電檢測(cè)等電路的設(shè)計(jì)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 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) 方案設(shè)計(jì)與論證 電能計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ① 方案一 機(jī)械電子式 前置通道采用原感應(yīng)式電度表電路，通過對(duì)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的計(jì)數(shù)來測(cè)量電能。當(dāng)紅外線照射在 “黑條 ”處，紅外線被吸收，無反射，即接收管受不到紅外線；當(dāng)紅外線照在其他部分時(shí)，被反射，接受管能接收到紅外線。這種方案顯示直觀，讀數(shù)容易，但它仍然具有機(jī)械式感應(yīng)電度表的缺點(diǎn)，即耗電多、笨重。并在 CPU 中設(shè)置一個(gè)定時(shí)器定時(shí)對(duì)功率進(jìn)行累加，其系統(tǒng)框圖如圖 21 所 示。為抑制這種干擾，必須在軟件上加數(shù)字濾波器或在硬件上采用隔離放大器和高精度的運(yùn)算放大。 I / U 變 換A / D 變 換A / D 變 換C P U液 晶 顯 示 器控 制 鍵 盤I C 卡 卡 座IU 圖 21 方案二的系統(tǒng)框圖 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) 7 ③ 方案三 電壓頻率轉(zhuǎn)換式 采用電壓頻率（ V/F）轉(zhuǎn)換器加單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的 A/D 轉(zhuǎn)換。無須專門的 A/D 轉(zhuǎn)換器，大大減少了硬件成本。同時(shí)，電壓和電流分別經(jīng)過零檢測(cè)電路。系統(tǒng)框圖如圖22 所示。 ④ 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(gè)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(hào) f 。系統(tǒng)框圖如圖 23 所示。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(jì)（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(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立元件。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。采用液晶顯示器可顯示漢字，使界面清晰、明了。 存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)： ? 卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用 EEPROM。 ? 卡片制造中也很少采取安全保護(hù)措施。 非加密存儲(chǔ)器卡信息存儲(chǔ)方便、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，很多場(chǎng)合可替代磁卡。 ? Microchip 24LC01A/02/04/08/16/32/65 二線串行 EEPROM。 ? SLE4432 智能型 256B EEPROM。 對(duì)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。 加密存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)： ? 具有安全控制邏輯，安全性能較好。 ? 從芯片制造到交貨，均采用較好的安全保護(hù)措施。 加密存儲(chǔ)器卡內(nèi)嵌芯片在存儲(chǔ)區(qū)外增加了控制邏輯。只有密碼正確，才能存取數(shù)據(jù)。若在限定的次數(shù)密碼仍不對(duì)，則卡片死鎖作廢。此方案保密性優(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)。 其中： ? CPU 一般均為兼容于 8 位字長(zhǎng)單片機(jī)等（如 MC68HC0 Intel8051等）的微處理器。 ? ROM 用于存放 COS,3KB～ 16KB。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ? EEPROM 則是真正可供用戶訪問的存儲(chǔ)區(qū)，用于保存卡的各種信息、密碼、應(yīng)用文件等， 1KB～ 16KB。CPU 卡有存儲(chǔ)容量大、處理能力強(qiáng)、信息存儲(chǔ)安全等特性，因此廣泛應(yīng)用于信息安全性要求特別高的場(chǎng)合。 所以在對(duì)以上三種方案的比較后，我在本設(shè)計(jì)中，選用第一種方案，以非加密存儲(chǔ)器卡作為售電的傳輸媒質(zhì)，具體型號(hào)是 AT24C01。根據(jù)以 上各種方案的比較與選用，再根據(jù)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，計(jì)量模塊使用電能計(jì)量芯片 SM9903 對(duì)用戶的電能進(jìn)行計(jì)量，通過光耦連接到單片機(jī)。 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) 11 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) 有功電能測(cè)量的基本原理 本設(shè)計(jì)采用有功電能測(cè)量集成電路 SM9903，芯片內(nèi)部包含了四象限模擬乘法器、積分器、電壓／頻率轉(zhuǎn)換器 VFC，它能將正弦電壓和電流相乘后，轉(zhuǎn)換為頻率輸出。 SM9903 內(nèi)部電路模型如圖 31 所示 圖 31 SM9903 內(nèi)部電路模型示意圖 在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，設(shè)正弦電壓和電流分別為： 2 cosu U t?? 2 cos( )i I t???? 式中， u 為交流電壓瞬時(shí)值， i 為交流電流瞬時(shí)值， U 為交流電壓有效值， I為交流電流有效值， ? 為交流電的角頻率， ui? ? ???為電壓電流的相位差。 瞬時(shí)功 率 p 經(jīng)積分器后，得有功功率 P ，即 ? ?0011 c o s c o s ( 2 )TTP p d t U I t d tTT ? ? ?? ? ? ??? ?? UIUI ?? cos 一段時(shí)間 T 內(nèi)的電能 W 為 00 c o sTTW P d t U I d t????? cosT U I T U I???? 以上分析表明，有功功率 P 為恒定分量，將正比于 P 的電壓經(jīng) V/F 變換后，輸出的是頻率隨 P 變化的脈沖，只需將脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值 N 即為電能。下面對(duì)各部分電路的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行介紹。首先有必要介紹一下 SM9903 的相關(guān)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)。電路設(shè)計(jì)先進(jìn)，內(nèi)部集成有低通濾波器、乘法器、 V/F 型 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路。 ? 線性度高，動(dòng)態(tài)工作范圍寬。 ? 直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 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) 13 ? 低功耗。 ② 功能 SM9903 是將取自電阻網(wǎng)絡(luò)的交流電壓和交流電流信號(hào)進(jìn)行放大。SM9903 同時(shí)具有測(cè)量負(fù)向有功功率的功能 ， 測(cè)量負(fù)向有功功率以正向有功功率計(jì)算，并通過 IND（ 9 腳）輸出負(fù)電平以指示測(cè)量負(fù)向有功功率。 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 T56