單相電子是預付費電度表的研究畢業(yè)設計

1、<p>　　xx畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　飛速發(fā)展的電力工業(yè)對電能的計量與管理提出了更高的要求:先付費、后用電，實施分時電價，實現自動抄表和收費等。IC卡預付費電子電能表應運而生，能夠滿足上述要求。</p><p&g

2、t;　　單相電子式預付費電度表和傳統的電度表相比，能實現從電能數據采集、傳輸到處理的自動化，它克服傳統人工抄表模式的低效率和不確定性，能推進電能管理的現代化。單相電子式預付費電能表的設計是基于AT89C52單片機為核心來實現的，該畢業(yè)設計完成的硬件電路有復位及晶振、計量、顯示、IC卡接口、電能存儲器、掉電檢測等電路的設計；程序部分實現了初始化子程序、計量子程序、顯示子程序等子程序的設計。系統中使用SM9903作為計量芯片，并通過存儲IC

3、卡AT24C01作為電管部門與用戶連接的橋梁，來存儲由售電管理系統寫入的電量值等。</p><p>　　單相電子式預付費電度表不僅具有電能計量、預付費等功能，并且具有接口簡單、結構緊湊、計量準確、精度高等特點。</p><p>　　關鍵詞　單片機AT89C52；計量芯片SM9903；IC卡AT24C01；預付費；電度 表</p><p><b>　　Ab

4、stract</b></p><p>　　The rapid development of power industry for electrical energy measurement and management put forward higher requirements: electricity, after paid, first implementation of time-shari

5、ng electricity, automatic meter reading and billing, etc. Arises at the historic moment, IC card prepaid electronic watt-hour meter can meet the above requirements. </p><p>　　Compared with the traditional me

6、ter ,Single-phase electronic prepayment meter can achieve data acquisition, transmission and processing automation, which overcomes inefficiency and uncertainty of the traditional manual meter reading pattern. Power mana

7、gement can promote modernization. The Single-phase electronic prepayment meter is based on AT89C52. The design of hardware circuit partial completion of the measurement circuit, crystal reduction and display circuits, IC

8、 card interface, energy memo</p><p>　　Single-phase electronic Prepayment Meter is not only used for metering, prepaid expenses, it also has a simple interface, compact structure, Measurement accuracy, and hi

9、gh precision characteristics. </p><p>　　Keywords：MCU AT89C52；measurement chip SM9903；IC Card；AT24C01；prepayment；Power Meter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I<

10、;/b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.1課題的來源及意義1</p><p>　　1.1.2 電度表的發(fā)展1</p><p>

11、　　1.1.3 IC卡國內外發(fā)展現狀2</p><p>　　1.1.4 單相電子式預付費電度表的研究意義3</p><p>　　1.1.5 單相電子式預付費電度表的特點與功能3</p><p>　　1.2 單相電子式預付費電度表設計的任務、要求及內容4</p><p>　　1.2.1 設計任務與要求4</p><

12、p>　　1.2.2 設計內容4</p><p>　　第2章 單相電子式預付費電度表總體方案的設計6</p><p>　　2.1 方案設計與論證6</p><p>　　2.1.1 電能計量系統方案設計6</p><p>　　2.1.2 預付費系統方案設計8</p><p>　　2.2本章小結10<

13、/p><p>　　第3章 單相電子式預付費電度表硬件電路的實現11</p><p>　　3.1 有功電能測量的基本原理11</p><p>　　3.2 電能計量電路的實現12</p><p>　　3.2.1 SM9903芯片介紹12</p><p>　　3.2.2 計量電路的設計14</p><

14、;p>　　3.3 單片機控制電路的設計16</p><p>　　3.3.1 AT89C52單片機介紹16</p><p>　　3.3.2 單片機復位、晶振電路的設計21</p><p>　　3.4 顯示電路的實現22</p><p>　　3.4.1 SMG12232B-2顯示器介紹22</p><p>

15、　　3.4.2 顯示電路的設計25</p><p>　　3.5 其他部分電路設計26</p><p>　　3.5.1 IC卡接口電路26</p><p>　　3.5.2 電能存儲器27</p><p>　　3.5.3 掉電檢測電路31</p><p>　　3.6本章小結32</p><p

16、>　　第4章 系統程序的設計及仿真33</p><p>　　4.1 系統程序流程圖的設計33</p><p>　　4.2 子程序的設計34</p><p>　　4.2.1計量子程序34</p><p>　　4.2.2存儲器讀寫子程序35</p><p>　　4.2.3顯示子程序35</p>

17、<p>　　4.3系統仿真36</p><p>　　4.4本章小結37</p><p><b>　　結論38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　致謝41</b></p><p>

18、<b>　　附錄42</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　1.1.1課題的來源及意義</p><p>　　老式的電度表大都靈敏度差、測量精度低、易受電磁干擾，并且大量非線性元件的使

19、用，增加了電網高次諧波，其電壓電流并非標準正弦波，因而導致誤差增大，測量精度下降。特別是當波形畸變較大甚至不能正常工作。這種情況是不承擔超重負荷功率測量[1]。為了改變這個狀態(tài)，也為了改善用電量不均衡的現象、調節(jié)負荷曲線、合理利用電能，國內部分省市的供電部門已開始逐步推廣使用多費率電能表、電子式多功能測量儀表、IC卡預付費電表、基于AD的電能自動測量系統、基于單片機的電能自動測量系統、這一系列電表的設計是促進均衡用電的一種經濟有效的方式

20、。</p><p>　　電度IC卡預收費系統是為了滿足科學技術的進步和社會生產力的發(fā)展而研制的，具有使用之前預先收費、用電管理現代化和分時間段計費等功能的新型電度表[2]。IC卡預付費電度表是以IC卡作為電能量值數據傳輸媒介，在電度表（電子式電度表或機械式電度表）中加入負荷控制部分等功能模塊，從而實現電量抄收和電量結算功能的智能型電度表。 </p><p>　　采用IC卡電度表后，可以改變

21、現有的管理和收費模式，使得更加快捷有效。用IC卡實現預付費，實現先付費后用電，IC卡結算的管理模式，使電費收取更加方便及時，減少欠交，遲交的現象。它避免過多的現金交易出現的糾紛，減輕了工作人員的工作手續(xù)和強度，而且，供電公司建立了用戶信息管理系統，存儲在IC卡內，保證一戶一卡，信息系統里有完善的財務核算系統，實現了科學管理，使工作人員的日常工作實現自動化，按照管理系統流程開展工作，減少出錯概率，更加科學化，自動化，提高了公司服務質量，增

22、強公司的市場競爭力。另一方面，IC卡電度表的IC卡繳費功能更便于用戶日常查詢，及時了解自家用電情況[3]。</p><p>　　1.1.2 電度表的發(fā)展</p><p>　　電表作為電力測量工具,廣泛用于國民經濟各部門。最初,使用機械感應</p><p>　　電度表。它有更多的功耗,重,需要手工抄表,不防竊電、低性能的缺點[3]。隨著微電子技術的迅速發(fā)展,單片機(M

23、CU)和大規(guī)模集成電路廣泛應用于電能計量領域,提高了儀表的技術水平和性能，然后出現了各種各樣的電力儀表，如:單相電子式復費率電度表、單相電子式預付費電度表、三相電子式多功能電度表、三相電子式預付費電度表等[4]。他們根據不同的應用環(huán)境,以及用戶所需要的功能的不同，在國民經濟中分別扮演重要的角色。 </p><p>　　目前，預付費電表發(fā)展到今天，已經有很多的集成技術，以提高智能化程度，未來甚至可能成為一個智能數據

24、終端，可以與電力供應公司、用戶進行人際溝通[5]。按照國家電網公司的新標準的要求，除了具有測量，最基本的預付費控制功能，對電氣安全的要求更加重視，操作方便等優(yōu)點。單相電子式預付費電度表也日趨成熟，在引進和利用國外先進的技術和工藝，并隨著科學技術的飛速發(fā)展，單相電子式預付費電能表將技術和先進的技術和高可靠性的特點更成熟的呈現在用戶面前[6]。</p><p>　　1.1.3 IC卡國內外發(fā)展現狀</p>

25、<p>　　IC卡又稱集成電路卡，是1974年一名法國新聞記者發(fā)明的。95年之前IC卡電表多為可擦除存儲芯片（EEPROM）或一般存儲卡，以93C46和24C01 為主；95年后以存儲卡和邏輯加密卡為介質出現了大范圍使用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的IC卡表并逐漸向CPU卡和ESAM模塊方式過渡。隨著國內各個行業(yè)服務意識的增強，IC 卡技術的發(fā)展越來越迅速，在居民用戶日常生活中，IC

26、卡技術的應用越來越廣泛[7][8]。尤其是在相關的計量表計中，例如電表、燃氣表、水表、暖氣表，IC卡技術的應用已經很成熟了。目前，很多居民區(qū)都已經開始采用 IC 卡來數據管理，包括抄表、收費、控制，這使 IC卡表成為目前國內應用技術發(fā)展的一個亮點。</p><p>　　IC卡預付費電度表是以IC卡作為電能量值數據傳輸媒介，在電度表（電子式電度表或機械式電度表）中加入負荷控制部分等功能模塊，從而實現電量抄收和電量結

27、算功能的智能型電度表。</p><p>　　非接觸式IC卡又稱射頻卡是國外近幾年發(fā)展起來的新技術它成功地將</p><p>　　IC卡技術和射頻識別技術結合起來，解決了無源和免接觸的難題。射頻卡與讀寫器間無機械接觸，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，使用時沒有正反面之分，可防水，且不易產生靜電擊穿及彎曲損壞等問題[9]?？傊?，非接觸式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作

28、速度快等特點。</p><p>　　1.1.4 單相電子式預付費電度表的研究意義</p><p>　　長期以來，我們使用的是機械感應式電度表，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。隨著微電子技術的快速發(fā)展，單片機（MCU）和電源廣泛用于測量領域的大規(guī)模集成電路，其技術水平和儀表的性能得到了長足的發(fā)展。電能計量是現代電力營銷系統的一個重要組成部分，電能計量系統，

29、可以實現數據的采集，從電能到加工自動化傳輸，它克服了傳統的人工抄表方式和不確定性的低效率，可以促進能源管理現代化[10]。</p><p>　　現在高等院校的學生公寓，一般對學生用電實行敞開供應，用電收費。因此，新建的學生公寓應對每一個房間均裝有電能表或其他形式的電能計量裝置來實現學生買多少就用多少電。本課題設計的單相電子式預付費電度表完全可滿足這種社會需求的。</p><p>　　1.1

30、.5 單相電子式預付費電度表的特點與功能</p><p><b>　　①特點：</b></p><p>　　單相電子式預付費電度表雖然只是普通的計量工具，但是由于微控制器的引入，對設計者提出了很高的要求。而且單相電子式預付費電度的工作條件相當惡劣，因此對該系統的可靠性要求也相對較高，一般來說，主要體現在以下幾個方面:</p><p>　　常年不

31、間斷運行，這要求設備具有高質量和高可靠性。</p><p>　　電度表進行校表時要經歷最劣的慢上下電考驗。所謂慢上電是指電度表的電源電壓從零到最大的時間太長，不能使單片機很可靠的復位，致使電度表工作異常；慢下電是指電源斷開時，單片機的電源不會馬上為零，而需要一段時間，在這段時間中，單片機中的程序指針PC可能會出錯，即程序跳出正常軌道，出現混亂，甚至陷入死循環(huán)。</p><p>　　由于主要

32、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，要求硬件電路簡單[11]。</p><p>　　正因為如此，該單項電子式預付費電度表與以往的電表相比具有接口簡單、結構緊湊、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點。它主要用于小范圍家庭或學校的電能消耗的測量。</p><p><b>　?、诠δ埽?lt;/b></p><p>　　用戶將存有電量的IC卡插

33、入卡槽,卡中電量被讀入表內，同時把IC卡清“0”。</p><p>　　用電時，能隨時改寫剩余電量。</p><p>　　當表內剩余電能<20kWh時，在LED顯示屏上顯示以提醒用戶余電不多，及時購電。</p><p>　　具有掉電保護功能。掉電時，自動把剩余電量從RAM轉儲在E2PROM中[12]。</p><p>　　1.2 單相電

34、子式預付費電度表設計的任務、要求及內容</p><p>　　1.2.1 設計任務與要求</p><p>　?、偃蝿眨涸O計一個采用IC卡的單相電子式預付費電度表。</p><p><b>　　②要求：</b></p><p>　　電度表正常工作時，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。</p>

35、<p>　　當表內剩余電能不足20kW·h時，能提醒用戶余電不多，及時購電。</p><p><b>　　具有掉電保護功能。</b></p><p>　　1.2.2 設計內容</p><p>　　單相電子式預付費電度表系統主要包括電能計量系統和預付費系統。電能計量系統主要應完成電能測量功能；預付費系統主要是利用IC卡實現

36、先付費，再用電。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。</p><p>　　根據本課題設計的任務及技術指標要求，本次設計主要應完成兩個方面的內容：</p><p>　　硬件電路設計：電能計量電路的設計、復位晶振電路的設計、顯示電路的設計、IC卡接口電路的設計、電能存儲器、掉電檢測等電路的設計。</p><p>　　監(jiān)控程序的設計：初始化、電能計量、存儲器讀寫、顯示等

37、子程序的設計。</p><p>　　第2章 單相電子式預付費電度表總體方案的設計</p><p>　　2.1 方案設計與論證</p><p>　　2.1.1 電能計量系統方案設計</p><p>　　①方案一 機械電子式</p><p>　　前置通道采用原感應式電度表電路，通過對轉盤轉動圈數的計數來測量電能。具體方案

38、是在轉盤上涂上大約1cm寬的“黑條”，在轉盤的上方或下方設置一紅外線發(fā)射接收對管。當紅外線照射在“黑條”處，紅外線被吸收，無反射，即接收管受不到紅外線；當紅外線照在其他部分時，被反射，接受管能接收到紅外線。這樣轉盤每轉一圈，產生一個脈沖，再通過對脈沖的整形、計數、顯示完成電能的計量。這種方案顯示直觀，讀數容易，但它仍然具有機械式感應電度表的缺點，即耗電多、笨重。</p><p>　　②方案二 模數轉換式<

39、/p><p>　　對電流和電壓分別采樣，再通過A/D轉換器轉換成數字信號，然后送入單片機進行相乘運算。并在CPU中設置一個定時器定時對功率進行累加，其系統框圖如圖2-1所示。</p><p>　　這種方案對信號的采樣速率快，但A/D轉換器的精度要求高，而且由于電網的電力諧波引入前置通道，導致A/D轉換后產生錯誤數據。為抑制這種干擾，必須在軟件上加數字濾波器或在硬件上采用隔離放大器和高精度的運算

40、放大。這將增加CPU的負擔和硬件電路成本，其方案可行而不可取。</p><p>　　圖2-1 方案二的系統框圖</p><p>　?、鄯桨溉?電壓頻率轉換式</p><p>　　采用電壓頻率（V/F）轉換器加單片機實現對電流和電壓的A/D轉換。這樣，模擬通道中本身的干擾信號被抑制。無須專門的A/D轉換器，大大減少了硬件成本。CPU只需對V/F轉換后的脈沖進行定時計數

41、，便可測出電壓和電流的數字量。同時，電壓和電流分別經過零檢測電路。將過零脈沖送CPU處理，得出電流和電壓的相位差（），經過查表得功率因數（）計算,便得有功功率,再定時累加就是電能值。系統框圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 方案三的系統框圖</p><p>　　這種方案的CPU要實現讀寫卡控制、求功率因數（）、電能計算等功能，負擔較重，一般的MCS-51、MCS-96和PIC

42、系列單片機難以勝任。</p><p>　?、芊桨杆?功率累加式</p><p>　　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），再經過V/F變換（或I/F變換）變成頻率信號。單片機對頻率信號f進行累加，即可得出電能。系統框圖如圖2-3所示。</p><p>　　這種方案不但兼有方案三的優(yōu)點，而且對CPU的要求低，采用MCS-5

43、1系列單片機完全可以勝任。而且，現在已有集成電路（如：BL0932、SM9903）將模擬乘法器、低通濾波器和V/F變換器集成，其性能指標都遠遠高于分立元件。</p><p>　　圖2-3 方案四的系統框圖</p><p>　　基于以上分析，方案四明顯優(yōu)于其他三種方案。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，它內部有8KB的程序存儲器，應

44、用于此系統綽綽有余。采用液晶顯示器可顯示漢字，使界面清晰、明了。</p><p>　　2.1.2 預付費系統方案設計</p><p>　　①方案一　采用非加密存儲器卡作為銷售電能的傳輸媒質</p><p>　　非加密存儲器卡的卡內嵌入芯片為通用存儲器芯片。</p><p><b>　　存儲器卡的特點：</b></p

45、><p>　　卡內嵌入的芯片多為通用EEPROM。</p><p>　　無安全控制邏輯，可對片內信息不受限制地任意存取。</p><p>　　卡片制造中也很少采取安全保護措施。</p><p>　　多采用2線串行通信協議（I2C總線協議）。</p><p>　　非加密存儲器卡信息存儲方便、使用簡單、價格便宜，很多場合可替代

46、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，其典型型號有：</p><p>　　AT24C01A/02/04/08/16/32/64二線串行EEPROM。</p><p>　　Microchip 24LC01A/02/04/08/16/32/65二線串行EEPROM。</p><p>　　SLE4418智能型1KB EEPROM。</

47、p><p>　　SLE4432智能型 256B EEPROM。</p><p>　　AT45D041大容量（4KB）閃速存儲卡。</p><p>　　對于某單位或學校內部進行定量用電，超標付款，則可采用此方案。</p><p>　?、诜桨付〖用艽鎯ζ骺?lt;/p><p>　　加密存儲器卡（Security Cards接觸型

48、）的芯片由非易失性存儲器和硬件加密邏輯構成。</p><p>　　加密存儲器卡的特點：</p><p>　　具有安全控制邏輯，安全性能較好。</p><p>　　同時采用ROM、PROM、EEPROM等存儲技術。</p><p>　　從芯片制造到交貨，均采用較好的安全保護措施。</p><p>　　為提高安全性，加密存

49、儲器卡的存儲空間被分為多個不同的功能區(qū)。</p><p>　　加密存儲器卡內嵌芯片在存儲區(qū)外增加了控制邏輯。在訪問存儲器前，需要核對密碼。只有密碼正確，才能存取數據。允許連續(xù)密碼核驗的錯誤次數很少（一般在十次以內），可以有效防止非法試探。若在限定的次數密碼仍不對，則卡片死鎖作廢。這類器件保密性較好，應用較廣泛。此方案保密性優(yōu)于方案一，可用于社區(qū)或以村為單位的預付費用電系統。</p><p>

50、;　　③方案三 CPU卡</p><p>　　CPU卡的硬件構成包括CPU、存儲器（含RAM、ROM、EEPROM等）、卡與讀寫終端通信的I/O接口及加密運算協處理器CAU。</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　CPU一般均為兼容于8位字長單片機等（如MC68HC05、Intel8051等）的微處理器。它將在COS

51、(Chip Operation System，片內操作系統）控制下，實現卡與外界的信息傳輸、加密、解密和判別處理等。</p><p>　　ROM用于存放COS,3KB～16KB。</p><p>　　RAM用于存放中間處理結果及作為卡與讀寫器間信息交換的中間緩沖器，128B～1KB。</p><p>　　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

52、、密碼、應用文件等，1KB～16KB。</p><p>　　CPU卡（Smart Cards接觸型）內嵌芯片相當于一個特殊類型的單片機，內部除了帶控制器、存儲器、時序控制邏輯外，還帶有算法單元和操作系統。CPU卡有存儲容量大、處理能力強、信息存儲安全等特性，因此廣泛應用于信息安全性要求特別高的場合。此方案保密程度高，適用于大范圍（如全國性的）預付費售電系統。</p><p>　　所以在對以

53、上三種方案的比較后，我在本設計中，選用第一種方案，以非加密存儲器卡作為售電的傳輸媒質，具體型號是AT24C01。</p><p><b>　　2.2本章小結</b></p><p>　　本章給出了單相電子式預付費電度表總體方案的設計，包括電能計量系統方案設計和預付費系統方案設的設計。根據以上各種方案的比較與選用，再根據具體設計指標的要求，計量模塊使用電能計量芯片SM9

54、903對用戶的電能進行計量，通過光耦連接到單片機。采用非加密存儲器卡作為售電的傳輸媒質，具體型號是AT24C01。</p><p>　　第3章 單相電子式預付費電度表硬件電路的實現</p><p>　　3.1 有功電能測量的基本原理</p><p>　　本設計采用有功電能測量集成電路SM9903，芯片內部包含了四象限模擬乘法器、積分器、電壓／頻率轉換器VFC，它能將

55、正弦電壓和電流相乘后，轉換為頻率輸出。只需對輸出脈沖累計計數，就可計量出電能。</p><p>　　SM9903內部電路模型如圖3-1所示</p><p>　　圖3-1 SM9903內部電路模型示意圖</p><p>　　在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，設正弦電壓和電流分別為：</p><p>　　式中，為交流電壓瞬時值，為交流電流瞬時值，為交流電壓有效值

56、，為交流電流有效值，為交流電的角頻率，為電壓電流的相位差。</p><p>　　經四象限模擬乘法器相乘后的瞬時功率為：</p><p>　　可見，瞬時功率有恒定分量和正弦分量兩部分，正弦分量的頻率是電壓（或電流）頻率的兩倍。</p><p>　　瞬時功率經積分器后，得有功功率，即</p><p><b>　　一段時間內的電能為<

57、;/b></p><p>　　以上分析表明，有功功率為恒定分量，將正比于的電壓經V/F變換后，輸出的是頻率隨變化的脈沖，只需將脈沖累計計數，則計數值即為電能。</p><p>　　3.2 電能計量電路的實現</p><p>　　單相電子式付費電度表的硬件電路可分為電能計量電路、復位晶振電路、顯示電路、IC卡接口、電能存儲器、掉電檢測幾大模塊。下面對各部分電路的

58、設計情況進行介紹。</p><p>　　3.2.1 SM9903芯片介紹</p><p>　　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SM9903的相關特點和技術參數。</p><p>　　SM9903采用3硅柵BICMOS工藝制成。電路設計先進，內部集成有低通濾波器、乘法器、V/F型A/D轉換器等電路。</p><

59、p><b>　?、偬攸c</b></p><p>　　精確測量正負兩個方向的有功功率，且以同一個方向計算電能。</p><p>　　線性度高，動態(tài)工作范圍寬。</p><p><b>　　MCU數據接口。</b></p><p><b>　　直接驅動步進電機。</b><

60、;/p><p>　　適用于單相、三相電度表。</p><p><b>　　低功耗。</b></p><p><b>　　20年使用壽命。</b></p><p><b>　?、诠δ?lt;/b></p><p>　　SM9903是將取自電阻網絡的交流電壓和交流電流

61、信號進行放大。應用乘法器將功率轉換成電壓，再通過V/F（電壓／頻率轉換）型A/D轉換器等電路將電壓信號轉換成可供MCU讀取和直接驅動步進電機的數字信號。SM9903同時具有測量負向有功功率的功能，測量負向有功功率以正向有功功率計算，并通過IND（9腳）輸出負電平以指示測量負向有功功率。</p><p><b>　?、酃苣_圖及定義</b></p><p>　　SM990

62、3管腳如圖3-3所示，其管腳定義如表3-1所示。</p><p><b>　　圖3-3 管腳圖</b></p><p><b>　　表3-1 管腳定義</b></p><p>　　續(xù)表3-1 管腳定義</p><p>　　3.2.2 計量電路的設計</p><p>　　在本設

63、計中，用SM9903構成的電能計量電路如圖3-4所示。在圖3-4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。所以該電能表的常數為1600個/kWh，它表示對應于1 kWh電能的輸出脈沖數（pulse）為1600個?；玖砍虨?A，最大量程可達20A。220V交流電經過340的錳銅片電阻獲得電流采樣信號，再通過精密金屬膜電阻網絡得到電壓取樣信號。C4、R17、VD1、VD2、C8、C9、VZ1、VZ2為電容降壓式

64、電源，為SM9903提供±5V的工作電壓。其中VZ1、VZ2分別為+5V電源、－5V電源中的穩(wěn)壓管。 32768Hz石英晶體為表用晶體振蕩器，為SM9903提供時鐘。C6、C7為積分電容。R8為參考電壓調整電位器。從第8腳輸出的有功功率積算脈沖，經過光耦合器送給AT89C52。</p><p>　　圖3.6 SM9903構成的電能計量電路</p><p>　　3.3 單片機控制電

65、路的設計</p><p>　　控制部分為整個電度表的心臟，實現電能脈沖、掉電信號、卡信號、串行EEPROM數據的采集和讀寫，完成顯示驅動模塊的控制等功能。</p><p>　　單片機的選擇是決定電度表性能的關鍵因素，本設計采用MCS-51系列單片機，其特點是通用性強，易。其Flash型如：Atmel公司的AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051等和臺灣華幫公司

66、的W78E51、W78E52等，使用十分方便。所以本次設計選用Atmel公司的AT89C52，其內部有8KB的程序存儲器，無須外部擴展，使硬件電路簡單。 </p><p>　　3.3.1 AT89C52單片機介紹</p><p>　　AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特性和指令系統等方面完全兼容。其主要工作特性是：&

67、lt;/p><p>　　片內程序存儲器內含8KB的Flash程序存儲器，可擦寫壽命為1000次；</p><p>　　片內數據存儲器內含256字節(jié)的RAM；</p><p>　　具有32根可編程I/O口線；</p><p>　　具有3個可編程定時器；</p><p>　　中斷系統是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個優(yōu)先權的

68、中斷結構；</p><p>　　串行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口；</p><p>　　具有一個數據指針DPTR；</p><p>　　低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；</p><p>　　具有可編程的3級程序鎖定位；</p><p>　　AT89C52工作電源電壓為5（1±0.2）V，且典型值為

69、5V；</p><p>　　AT89C52最高工作頻率為24MHz。</p><p><b>　　引腳排列及功能</b></p><p>　　AT89C52的引腳排列如圖3-5所示</p><p>　　圖3-5 AT89C52引腳圖</p><p><b>　?、诠δ埽?lt;/b>

70、;</p><p>　　P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。</p><p>　　當使用片外存儲器及外擴I/O口時，P0口作為低字節(jié)地址/數據復用線。在編程時，P0口可用于接收指令代碼字節(jié)；在程序校驗時，P0口可輸出指令字節(jié)（這時需要加外部上拉電阻）。</p><p>　　P0口也可作通用I/O口使用，但需要加上拉電阻，變?yōu)闇孰p向口。當作為普通輸入時，應將輸出鎖

71、存器置1。P0口可驅動8個TTL負載。</p><p>　　P1口——8位、準雙向I/O口，具有內部上拉電阻。</p><p>　　P1口是為用戶準備的I/O雙向口。在編程和校驗時，可用做輸入低8位地址。用做輸入時，應先將輸出鎖存器置1。P1口可驅動4個TTL負載。</p><p>　　P1.0口可替代T2做定時器2外部事件輸入端；可編程脈沖輸出端。P1.1可替代T

72、2EX作定時器2的捕捉重裝觸發(fā)器輸入端；定時器2的計數方向控制端。</p><p>　　P2口——8位、準雙向I/O口，具有內部上拉電阻。</p><p>　　當使用片外存儲器或外擴I/O口時，P2口輸出高8位地址。在編程/校驗時，P2口可接收高字節(jié)地址和某些控制信號。</p><p>　　P2口也可作普通I/O口使用。用做輸入時，應先將輸出鎖存器置1。P2口可驅動

73、4個TTL負載。</p><p>　　P3口——8位、準雙向I/O口，具有內部上拉電阻。</p><p>　　P3口作為普通的I/O口。用做輸入時，應先將輸出鎖存器置1。在編程/校驗時，P3口接收某些控制信號。它可驅動4個TTL負載。</p><p>　　P3口還提供各種替代功能，如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 P3口替代功

74、能</p><p>　　RST——復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器穩(wěn)定工作時候，在RST腳施加兩個機器周期（即24個晶振周期）以上的高電平，將器件復位。</p><p>　　VCC——電源電壓輸入引腳。</p><p><b>　　GND——電源地。</b></p><p>　　XTAL1——片內振蕩器反相放大器和時鐘

75、發(fā)生電路的輸入端。使用片內振蕩器時，連接外部石英晶體和微調電容。</p><p>　　XTAL2——片內振蕩器反相放大器的輸出端。當使用片內振蕩器時，外接石英晶體和微調電容。</p><p>　　當使用外部振蕩器時，引腳XTAL1接收外振蕩器信號，XTAL2懸空。</p><p>　　ALE/PROG——當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出

76、脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微

77、弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE 禁止位無效。</p><p>　　PSEN——程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。</p><p>　　EA/VPP——外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（

78、地址為0000H—FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源VCC，當然這必須是該器件是使用12V 編程電壓VCC[13]。</p><p><b>　　時鐘振蕩器</b></p>

79、<p>　　AT89C52 中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。</p><p>　　這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖3-6。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1、C2 接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路。對外接電容C1、C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響

80、振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF±10F。</p><p>　　用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1 端，即內部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2 則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求

81、，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產品技術條件的要求。</p><p>　　圖3-6內部振蕩電路</p><p><b>　　空閑節(jié)電模式</b></p><p>　　在空閑工作模式狀態(tài)，CPU自身處于睡眠狀態(tài)而所有片內的外設仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產生。此時，同時將片內RAM 和所有特殊功能寄存器的內容凍結。空閑模式可由

82、任何允許的中斷請求或硬件復位終止。由硬件復位終止空閑狀態(tài)只需兩個機器周期有效復位信號，在此狀態(tài)下，片內硬件禁止訪問內部RAM，但可以訪問端口引腳，當用復位終止空閑方式時，為避免可能對端口產生意外寫入，激活空閑模式的那條指令后一條指令不應是一條對端口或外部存儲器的寫入指令。</p><p><b>　　掉電模式</b></p><p>　　在掉電模式下，振蕩器停止工作，

83、進入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內RAM 和特殊功能寄存器的內容在終止掉電模式前被凍結。退出掉電模式的唯一方法是硬件復位，復位后將重新定義全部特殊功能寄存器，但不改變RAM中的內容，在Vcc恢復到正常工作電平前，復位應無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。</p><p>　　3.3.2 單片機復位、晶振電路的設計</p><p>　　設計AT89C52單片機復位

84、、晶振電路如圖3-7所示。</p><p>　　IC4與時鐘電路（包括晶體振蕩器、電容C14、C15），上電復位電路（包括R23、C13、S2、VD10、C31、R50）構成單片機的最小系統。其中，晶體振蕩器選用12MHz的高穩(wěn)定無源晶體振蕩器，它與AT89C52中的反向放大器構成振蕩器，給CPU提供高穩(wěn)定的時鐘信號。電容C14、C15可起頻率微調作用，電容值在5pF～30pF之間選擇，本電路選20pF。電容C1

85、3和電阻R23構成上電復位電路。電源開啟時，電源對電容C13充電，在CPU的復位端產生一高脈沖。只要高電平的維持時間大于兩個機器周期（24個振蕩周期）。CPU就可復位。二極管VD10的作用是當斷電時，可使電容C13所儲存的電荷迅速釋放，以便下次上電時可靠復位。電容C13可濾除高頻干擾，防止單片機誤復位。按鍵S2和電阻R50構成按鍵復位電路。</p><p>　　電阻R30和按鍵S1構成鍵盤，用以實現顯示內容的切換

86、。電能脈沖由的8腳經光電耦合器IC2送到IC4的T0端，用以實現脈沖計數。</p><p>　　圖3-7 AT89C52單片機控制電路</p><p>　　3.4 顯示電路的實現</p><p>　　本系統采用液晶顯示器。其特點是顯示內容豐富（可顯示漢字），功耗小，可靠性高，電路簡單。選用的器件型號是：SMG12232B-2，顯示容量為122×32點陣。

87、采用總線方式連接。</p><p>　　3.4.1 SMG12232B-2顯示器介紹</p><p><b>　?、僦饕夹g參數</b></p><p>　　SMG12232B-2的主要技術參數如表3-3所示。</p><p>　　表3-3 SMG12232B-2的技術參數</p><p>&l

88、t;b>　　②接口信號說明</b></p><p>　　SMG12232B-2的接口信號說明如表3-4所示。</p><p>　　表3-4 SMG12232B-2的接口信號說明</p><p>　　③SMG12232B-2控制器接口說明</p><p>　　基本操作時序（L為低電平，H為高電平）</p><

89、;p>　　讀狀態(tài)：輸入A0=L，CS1或CS2=L，RD=L，WR=H</p><p>　　輸出 DB7～DB0=狀態(tài)字</p><p>　　寫指令：輸入A0=L，CS1或CS2=L，RD=H，WR=L，DB7～DB0=指令碼</p><p><b>　　輸出無</b></p><p>　　讀數據：輸入A0=H，C

90、S1或CS2=L，RD=L，WR=H</p><p>　　輸出 DB7～DB0=數據</p><p>　　寫數據：輸入A0=H，CS1或CS2=L，RD=H，WR=L，DB7～DB0=數據</p><p><b>　　輸出無</b></p><p><b>　　狀態(tài)字說明</b></p>

91、<p>　　SMG12232B-2狀態(tài)字說明如表3-5,3-6</p><p>　　表3-5 SMG12232B-2的狀態(tài)字說明</p><p>　　表3-5 SMG12232B-2的狀態(tài)字說明</p><p>　　在使用時，對控制器的每次讀寫操作之前，都必須進行讀寫檢測。以確保STA7為0。</p><p>　　SMG1223

92、2B-2中RAM的地址映射圖</p><p>　　LCD顯示屏由兩片控制器控制，每個內部帶有32×80位（320B）的RAM緩沖區(qū)，對應關系如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 SMG12232B-2中RAM的地址映射</p><p>　　3.4.2 顯示電路的設計</p><p>　　硬件電路如圖3-9所示。</p

93、><p>　　液晶顯示器SMG12232B-2的片選信號引腳CS2或CS1被選中時,液晶顯示器SMG12232B-2處于工作狀態(tài)。當數據/命令選擇端A0為低電平時，執(zhí)行命令操作，且在寫信號WR有效時，單片機P0口向液晶顯示器SMG12232B-2的DB7—DB0位輸出狀態(tài)字（如液晶顯示狀態(tài)、讀寫操作使能狀態(tài)）和顯示指令碼。當數據/命令選擇端A0為高電平時，且在寫信號WR分別有效時，單片機P0口向液晶顯示器SMG122

94、32B-2的DB7—DB0輸出數據和顯示數據（如正在讀卡，請稍后；空卡；卡短路；非法卡；超負荷等）。</p><p>　　圖3-9液晶顯示接口電路</p><p>　　3.5 其他部分電路設計</p><p>　　3.5.1 IC卡接口電路</p><p>　　IC卡接口電路采用的是Atmel公司的存儲IC卡，用于存儲由售電管理系統寫入的卡號

95、、電度數等，是電管部門與用戶連接的橋梁。為了提高IC卡操作的可靠性，必須有卡上下電控制電路、卡插入檢測電路、卡短路檢測</p><p>　　電路等輔助電路，結合軟件可以大大提高其讀寫的準確性和可靠性。</p><p>　　IC卡接口電路如圖3-10所示。</p><p>　　R24、VD5、VT2組成卡上下電電路。當IC4的P1.6=0時，VT2導通，IC卡座之VC

96、C得電；當IC4的P1.6=1時，VT2截止，IC卡座之VCC失電。IC卡的VCC同時經VD6送至CPU的P1.5，檢測有無卡電源短路現象，以防人為破壞。K1、K2為IC卡座的一對常閉觸點，當有卡插入時，K1、K2開路，VT3導通，給IC4的P1.2口送入低電平，此信號用來檢測有無卡插入。</p><p>　　圖3-10 IC卡接口電路</p><p>　　3.5.2 電能存儲器</

97、p><p>　　由于IC卡上有許多用戶信息，如用戶號、電表號、電表剩余電量、累計用電量、電表狀態(tài)等，在電表上電和掉電時需要對這些數據進行必要的保護，因此需要選擇合適的EPROM來存放CPU讀取到的IC卡上的信息以及保護IC卡電表的工作狀態(tài)參數。串行EEPROM選用AT24C04，AT24C04為低電壓（2.5V～5.5V）、長壽命（可擦寫10萬次以上）器件。在掉電時存儲剩余電度數。</p><p&

98、gt;　　AT24C04芯片介紹</p><p>　　AT24C04是ATMEL公司生產的4KB（512Bytes）E2PROM芯片，引腳圖如圖3-11，該芯片采用I2C總線設計，主要性能指標與AT24C02類似，不同點為：</p><p>　　容量為AT24C02的兩倍，分為兩部分存儲空間，每部分256bytes。</p><p>　　有2個器件地址選擇腳，一個I

99、2C總線最多能夠掛接4個AT24C04器件 </p><p>　　32頁，每頁16字節(jié)，每次可連續(xù)寫入16字節(jié)數據。</p><p>　　WP引腳為高電平時，AT24C04的0~255地址空間的數據被寫保護。</p><p>　　需要9位的地址進行數據尋址。</p><p>　　圖3-11 AT24C04引腳</p><p

100、><b>　　接口說明如表3-7</b></p><p>　　A0為空引腳，A1,A2口為器件地址設定口，通過A1,A2口來設定AT24C04的器件地址。</p><p>　　WP口接低電平時，可以對整個AT24C04器件的512個字節(jié)進行讀寫操作。當WP口接高電平后，器件前256個地址的數據被保護，只能讀，不可寫入，后256個字節(jié)數據可進行讀寫操作</p

101、><p>　　表3-7 AT24C04接口說明</p><p>　　I2C器件AT24C04的原理與應用</p><p>　　I2C(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線產生于上世紀80年代，最初為音頻和視頻設備開發(fā)，如今主要在服務器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)

102、的通信。</p><p>　　I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。總線的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率

103、。當然，在任何時間點上只能有一個主控。</p><p><b>　　I2C總線的構成</b></p><p>　　I2C總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發(fā)送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps，采用7位尋址，但是由于數據傳輸速率和應用功能的迅速增加，I2C總線也增強為快速模式（400Kbits/s

104、）和10位尋址以滿足更高速度和更大尋址空間的需求。各種被控制電路均并聯在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址。</p><p>　　在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能[14]。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；

105、控制量決定該調整的類別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。 </p><p>　　I2C總線的信號類型</p><p>　　I2C總線在傳送數據過程中共有三種類型信號，它們分別是：起始信號、終止信號和應答信號。</p><p>　　起始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。<

106、;/p><p>　　終止信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。如下圖3-12所示</p><p>　　圖3-12 I2C總線開始和結束信號定義</p><p>　　I2C總線上一次典型的工作流程</p><p>　　開始，發(fā)送開始信號，表明傳輸開始。 </p><p>　　發(fā)送地址，主設備發(fā)送地

107、址信息，包含7位的從設備地址和1位的指示位（表明讀或者寫，即數據流的方向）。 </p><p>　　發(fā)送數據，根據指示位，數據在主設備和從設備之間傳輸。數據一般以8位傳輸，最重要的位放在前面；具體能傳輸多少量的數據并沒有限制。接收器上用一位的ACK（應答信號）表明每一個字節(jié)都收到了。傳輸可以被終止和重新開始。 </p><p>　　停止，發(fā)送停止信號，結束傳輸。</p>&l

108、t;p>　　目前有很多半導體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。</p><p><b>　　電能存儲電路</b></p><p>　　電能存儲器由串行EEPROM和上拉電

109、阻組成，電路如圖3-13所示。在串行時鐘和數據端接了上拉電阻R25和R27，分別連接到IC4的P3.0和P3.1端。串行EEPROM選用AT24C04。</p><p>　　圖3-13 電能存儲電路</p><p>　　3.5.3掉電檢測電路</p><p>　　掉電檢測電路比較器（運放LM393）、電壓基準LM336（2.5V）、R31、R32、R33、R34、R

110、35、R36和二極管VD7組成。電路如圖3-14所示。</p><p>　　R31為VZ3提供合適的工作電流，VZ3上端作為電壓基準，R32、R33對5V電壓分壓，為VZ做比較。電源電壓正常時，V-《V+，比較器輸出高電平；當電源掉電時，V-跟隨電源電壓下降，而V+在一定時間內保持2.5V不變。當下降到V-》V+時，比較器輸出低電平，使微處理器產生外中斷，做掉電處理。VD7、R36為施密特電路，是為了避免電壓在閥

111、值左右波動時引起反復的寫操作。</p><p>　　圖3.14 掉電檢測電路</p><p><b>　　3.6本章小結</b></p><p>　　本章分析了了單相電子式付費電度表的電能測量的基本原理且給出了硬件電路方面的設計，其中硬件電路可分為電能計量電路、復位晶振電路、顯示電路、IC卡接口、電能存儲器、掉電檢測幾大模塊，分別對這幾大模塊進

112、行了分析設計。</p><p>　　第4章 系統程序的設計及仿真</p><p>　　4.1 系統程序流程圖的設計</p><p>　　由于一些硬件芯片不易買到，而且實現起來有一定的局限性。在此我基于對以上硬件電路功能的了解，設計了簡單的模擬電路，以下就是模擬設計中的各個程序流程圖。系統的主程序流程圖如4-1所示：</p><p>　　電源打

113、開后，系統開始工作，首先對各個模塊進行初始化，然后從AT24C04中讀取剩余電度數，調用各個函數，再將剩余電度數讀入AT24C04中，判斷剩余電度數是否小于20KWH,如果是，則報警，否則停止報警，然后返回到調用函數進行循環(huán)操作，最后結束任務。</p><p>　　圖4-1主程序流程圖</p><p>　　4.2 子程序的設計</p><p>　　系統程序設計主要包