基于單片機的智能 IC 卡電表設計(硬件系統(tǒng))畢業(yè)設計論文

南 昌 工 程 學 院畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 (論論 文文)信息工程學院 系（院） 電子信息工程 專業(yè)畢業(yè)設計（論文）題目 基于單片機的智能 IC 卡電表設計(硬件系統(tǒng))學生姓名 某某某 班 級 09 電子信息工程 學 號 2009100234 指導教師 歐陽瑾完成日期 2013 年 5 月 20 日基于單片機的智能基于單片機的智能 ICIC 卡電表設計卡電表設計( (硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)) )The Design of Intelligent IC Card Meter Based on Single Chip Microcomputer（Hardware System）總計 畢業(yè)設計（論文） 32 頁 表 格 2 個插 圖 22 幅南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)I摘 要電表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品，隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費率、自動抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢突顯，且已經(jīng)逐步成為電表發(fā)展的主流。智能電表具有數(shù)據(jù)的保護，報警功能，斷電的顯示，負荷的控制，防竊電功能，遠程抄表系統(tǒng)等功能，從計量到數(shù)據(jù)處理都采用以集成電路為核心的電子器件，從而取消了電表上長期使用的機械部件，隨著智能化電表的發(fā)展，將最終取代傳統(tǒng)電表在用戶中的使用。本文主要應用 IC 卡單元，89C51 單片機，LED 顯示器等各個單元來完成費率的計算，數(shù)據(jù)的顯示，報警，使電表實現(xiàn)智能化。并根據(jù)階梯電價計算出卡內(nèi)電費剩余等情況，自動報警功能用蜂鳴器進行模擬，并通過四個鍵盤實現(xiàn)顯示的切換以及電價的調(diào)整功能，IC 卡采用西門子公司的 SLE4442 卡，可實現(xiàn)邏輯加密，可反復讀寫，卡內(nèi)數(shù)據(jù)保密性好。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：智能化電表 89C51 單片機 電能計量南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)AbstractMeter is one of the largest product output in electrical instrumentation industry in China, with the rapid development of high and new technology especially electronic information technology, electronic, multi-function, high accuracy and rate, the advantage of automatic meter reading and other products, and has gradually become the mainstream of instrument development.smart meter data protection, alarm functions, and the display of power, load control, preventing electricity-stolen, remote meter reading system, and other functions, ranging from measurement to data processing adopts integrated circuit as the core of electronic devices, and cancelled the meters on the long-term use of mechanical parts, with the development of the intelligent electric meter, will eventually replace the traditional electric meter used in the user. This paper application of IC card unit, 89 c51, LED displays, and other units to complete the rate calculation, data display, alarm, intelligent electric meter to realize. And according to the ladder electricity price to calculate the surplus electricity, and so on and so forth, inside of the card, to simulate the automatic alarm function with a buzzer and implementation by four keyboard display switch and electricity price adjustment function, using Siemens SLE4442 card IC card, which can realize the logical encryption, can be repeatedly read and write, Kane data confidentiality. Keywords: Intelligent electric meter;89C51;Electricity measurement.南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)目 錄摘 要.IABSTRACT.II第一章 引 言.11.1 智能電表應用的意義.11.2 智能電表的發(fā)展.1第二章 總體方案設計.32.1 方案比較.32.2 方案選擇.6第三章 器件介紹和單元模塊設計.73.1 器件介紹.73.1.1 AT89C51 單片機.73.1.2 ADE7758.73.1.3 DS12887.93.1.4 LCD1602.103.1.5 SLE4442.123.2 單元模塊設計.123.2.1 電源模塊電路.123.2.2 信號采集電路.143.2.3 計量模塊.153.2.4 時鐘及 LCD 顯示模塊.163.2.5 接觸式 IC 卡模塊.18第四章 軟件設計.20南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)4.1 主要軟件設計流程框圖及說明.204.2 主要芯片讀寫程序設計及設計工具.21第五章 仿真調(diào)試.26結(jié)語.28參考文獻.29致謝.31附錄 電路圖.32南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)第一章 引 言電表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。近幾年，國家連續(xù)出臺的多項與電表行業(yè)發(fā)展相關(guān)的政策以及房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，為電表需求的上升及保持行業(yè)發(fā)展的相對穩(wěn)定起到了一定的保障作用。 隨著高新技術(shù)尤其是電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子式、多功能、高精度、多費率、自動抄表等產(chǎn)品的優(yōu)勢突顯，且已經(jīng)逐步成為電能表發(fā)展的主流，在未來幾年里，這種趨勢將更加明顯。城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，使電工儀器儀表行業(yè)步入了快速發(fā)展的軌道，同時也為行業(yè)企業(yè)提供了一個科技創(chuàng)新的平臺，電工儀器儀表生產(chǎn)企業(yè)抓住機遇，通過對國外先進技術(shù)的兼收并蓄，并高標準、高起點自主開發(fā)了一系列高技術(shù)產(chǎn)品。因此研究本課題具有重要的實用意義。1.11.1 智能電表應用的意義智能電表應用的意義目前，我國已經(jīng)開始大面積推廣并使用智能電表，以實現(xiàn)對電價分時，階梯的統(tǒng)計，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，用電量激增，對于電能的管理顯得尤為的重要。在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中，電能已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的能源資源，我國電力事業(yè)在改革開放的 30 年中，發(fā)展極為迅猛，所以相應的電能計量儀表制造業(yè)的進步也必須與之相適應，這對于電力事業(yè)進行統(tǒng)籌規(guī)劃和發(fā)展，促進我國電力事業(yè)穩(wěn)定，健康的發(fā)展有著極其重要的意義。新型智能電表不僅具有傳統(tǒng)電表的功能，還能對用戶的用電情況進行管理和控制，并且相比于傳統(tǒng)電表的機械式結(jié)構(gòu)，沒有機械摩擦，大大的提高了準確度和靈敏度，且易于實現(xiàn)自動化測量，并且可以實現(xiàn)遠程通訊和控制，具有較高的性能價格比，適合我國國情，有廣泛的引用價值。智能電表利用微機技術(shù)，通訊技術(shù)等等，減少了能量的消耗，把采集，處理集中于一體，節(jié)省成本和人力資源，提高了工作效率，適應了現(xiàn)代用戶的需求。1.21.2 智能電表的發(fā)展智能電表的發(fā)展智能電表是在電子式電表的基礎上發(fā)展而來，歐美發(fā)達國家于 20 世紀 70 年代研發(fā)并開始使用，經(jīng)過 30 多年的不斷發(fā)展，歐美國家不斷對智能電表技術(shù)進行革新，功能日趨完善。智能化電表，大體上可分為兩種類型：帶有微處理器的機電式和全電子式。機電式借用原感應式電表的機芯，通過光電傳感器讀取轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)來測量用戶的用電量，如磁卡式電表、電卡式電表、IC 卡電表等；而全電子式電表則采用電壓電流隔離方式，進第一章 引言行 AD 轉(zhuǎn)換，將采樣值相乘并累計計算用戶的用電量。機電式智能電表成本較低，主要用于單相電表，適合于居民用戶使用。全電子式電表主要用于三相電計費，針對企業(yè)應用。為了實現(xiàn)遠程自動抄表，應選擇配有通信接口的智能電表，通常有 RS485、RS232、CAN 總線收發(fā)器或紅外等幾種接口形式。目前，我國的智能電表也可大致分為機電一體式和全電子式兩種，機電一體式即在原有機械結(jié)構(gòu)的基礎之上附加一定的電子元件，從而達到所需的功能要求，安裝簡潔，多用在老實機械表的改裝，成本低。全電子式則是采用集成電路為核心，取消了老式電表的機械結(jié)構(gòu)，減少了機械摩擦，使得計價更加準確，可靠性高，耗電少，體積小。在收費系統(tǒng)方面，目前國內(nèi)上使用最為廣泛的為 IC 卡電表收費，成本低，可靠性好，且使用壽命長，一張 IC 卡基本可使用 10 年以上，且可實現(xiàn)，預收費，自動斷電，加密等多種功能，但是 IC 卡收費系統(tǒng)也存在很大的缺陷，用戶終端仍然與整個網(wǎng)絡脫節(jié)從經(jīng)濟角度來看電力部門先收費后送電不符合經(jīng)濟政策,可以說在一定程序上侵犯了用戶的利益。隨著我國提出發(fā)展智能堅強電網(wǎng)的提出，為我國電網(wǎng)設施的發(fā)展提供了機遇，未來，智能儀器儀表將向著數(shù)字化，智能化，網(wǎng)絡化，微型化的趨勢發(fā)展，并進一步與微處理器，PC 技術(shù)融合，使儀器儀表技術(shù)的數(shù)字化，智能化水平不斷提高。南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)第二章 總體方案設計本電表采用分時計費原則，將電壓，電流等參數(shù)進行采集，并輸入微處理器，進行運算，并最終實現(xiàn)對于電能的準確計量和控制。因此我們可以采用單片機設計一個智能IC 卡電表，采用低功耗設計，正常工作時關(guān)閉顯示功能，當有 IC 卡插入時輪流顯示當前的用戶信息。系統(tǒng)主要功能包括：(1)預付費功能：通過 IC 卡實現(xiàn)先付費后用電。(2)電量報警功能：當電能表剩余電量低于告警電量時，通過報警指示燈和蜂鳴器告警。(3)電能計量功能：配合感應電表及計量芯片實現(xiàn)對電能的計量。(4)保密功能：通過 IC 卡加密，實現(xiàn) IC 卡與電能表的唯一對應，可以嚴格有效地防止偽造和復制 IC 卡的行為，在一定程度上便于電力部門的管理與監(jiān)督。(5)自動復位功能：當電能表受到干擾程序跑飛時，通過看門狗電路實現(xiàn)系統(tǒng)自動復位。(6)數(shù)據(jù)自動存儲與顯示功能：用戶數(shù)據(jù)自動保存在 EEPROM 中。通過 LCD 顯示當前用戶數(shù)據(jù)。2.12.1 方案比較方案比較智能電表的設計，是基于對用戶電壓電流信號進行采集，并通過微處理器進行核心運算，當電壓電流信號通過采集以后，通過高精度的 A/D 采樣保持，最終輸入微處理器，另一方面，通過 IC 卡座實現(xiàn)對 IC 卡內(nèi)部金額的讀取，輸入單片機，并且要求通過功率和電費的計算，進行顯示與報警。對于電力參數(shù)的測試，例如電壓，電流，有功功率，無功功率，視在功率等，現(xiàn)在都有成熟的測量計算方法，對于電壓有效值的測量，可以利用積分電路來實現(xiàn)，也可以利用時間采樣信號，將信號值平方，去均值以后，得到平方根，通過 A/D，進行采樣，有功功率定義為： UICOSP （2.1）第二章 總體方案設計其中和為電壓和電流的有效值，為功率因數(shù)。而對于非正弦波形的計算，UICOS只有通過積分運算來完成。方案一：信號采集信號濾波A/D 轉(zhuǎn)換微處理器LCD 顯示報警鍵盤控制IC 卡圖 2.1 方案一 在本設計方案中，核心器件為微處理器，這里我們選用是 AT89C51 單片機，當信號采樣后通過 A/D 轉(zhuǎn)換，送入微處理器，進行數(shù)據(jù)的分析和計算，智能電表的實現(xiàn)必須對用戶的功率進行準確的計算，在信號采集模塊中，通過電壓互感器和電流互感器，對用戶的電壓和電流信號進行采集，微處理器進行功率和電費的計算，可通過 LCD 顯示，并可以通過鍵盤對分時電價進行調(diào)整，實現(xiàn)顯示的轉(zhuǎn)換和調(diào)整，并運用單片機內(nèi)部時鐘設計計時系統(tǒng)，以實現(xiàn)分時的控制。但是此設計有諸多缺陷，首先，在信號采集方面，由于智能電表對于功率的計算，如果單純的使用單片機，會造成功率計算不準確，如果要提高計算的精度，對于信號的 A/D 轉(zhuǎn)換就必須采用高精度期間，成本費用增加，其次即便使用了高精度的 A/D，在功率計算，補償方面的程序也想當麻煩，再則，由于使用分時計費系統(tǒng)，只用單片機內(nèi)部時鐘信號進行粗略的計時，產(chǎn)生的時間誤差比較大，長時間的使用下會導致計時不準確，而使得電費的計算出現(xiàn)比較大的誤差。南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)軟件系統(tǒng)方面，其核心則是編寫功率計算程序和 A/D 采樣程序，并通過鍵盤掃描的實現(xiàn)顯示的切換。方案二：信號采集ADE7758處理器鍵盤輸入信號濾波LCD 顯示報警警時鐘芯片 IC 卡圖 2.2 方案二本方案的設計思路與方案一大致相同，選用 AT89C51 單片機作為微處理器，通過電壓傳感器，電流傳感器實現(xiàn)對用戶的電壓和電流信息的采集，并在單片機中進行電價的計算，與方案一的不同之處在于，方案二中功率計算部分和 A/D 轉(zhuǎn)換采集部分被一塊電能計量芯片 ADE7758 進行代替，該芯片是以一款高準確度的三相電能采集芯片，適用于計量各種三相，單項配置條件下的有功，無功，視在電能?？墒∪ジ呔?A/D 的費用的同時，也可以減少單片機內(nèi)部處理功率的步驟，轉(zhuǎn)而由 ADE7758 完成。同時，由于該智能電表采用分時計費系統(tǒng)，方案二中特別采用一塊時鐘芯片以提高對于時間的計時準確程度，以確保該電表可以準確計費，同時，由于時鐘芯片本身集成有微型電池，可以在斷電的情況下繼續(xù)運行，保證了在智能電表斷電的同時，計時系統(tǒng)不至于停止工作。在方案二中，由 ADE7758 進行功率的計算并進行校準，在該芯片中，通過每相有功增益寄存器寫入數(shù)據(jù)，可對輸出產(chǎn)生的平均功率經(jīng)行改變，該芯片中在每個相位集成了一個有功偏移寄存器，該寄存器為 12 位寄存器，用以對有功功率經(jīng)行校準，由于實際電第二章 總體方案設計路的工作環(huán)境的復雜和多變，以及芯片本身制造工藝和各通道之間經(jīng)行的干擾，都會造成誤差的產(chǎn)生，有功功率寄存器的一個 LSB 相當于有功功率乘法器輸出的 LSB 的 1/16。在滿刻度輸出時，如果乘法器的輸出為 XCCCCS（838861d） ，LPF2 輸出端的 1 個 LSB 相當于在電流通道滿刻度60dB 計量誤差的 0.0075。在滿刻度時，60dB（輸入信號級別為滿刻度信號輸入的 1/1000） ，LPF2 的平均數(shù)值為 838.861 (838,861/1,000)。LSB1/838.861/16100% = 測量值的 0.0075% 。有功功率偏移寄存器修正分辨率為0.0075% （ 60 dB） 。另外 ADE7758 的各相有擁有一個空載閥值，如果有功公功率的測量值低于滿刻度的0.005%，則該值不會被累加，有效的避免了電表的淺動。ADE7758 通過 41 個電能寄存器連續(xù)累加有功功率以實現(xiàn)對信號的積分作用，這種離散的累加作用就相當于連續(xù)時間的積分作用，平均有功功率的計算時，是有符號運算的，負電能將會在有功功率寄存器中被扣除。當有功功率為正，且達到最大值時，有功功率的數(shù)值將反轉(zhuǎn)到達滿刻度的負值0X800，并繼續(xù)增加，當有功功率為負值，且持續(xù)減小到達最小時，會自動轉(zhuǎn)為正的對大刻度 0X7FFF，并繼續(xù)降低。在軟件系統(tǒng)上，該方案與方案一的區(qū)別在于，重點在對于 ADE7738 和 DS12887 兩塊芯片的讀寫程序的書寫，雖然在硬件的搭建上降低了難度，但是在程序書寫上難度有所增加。 2.22.2 方案選擇方案選擇通過對以上兩種方案的具體描述和對比，對他們各自的優(yōu)缺點有了一定的了解。要完成對于電費的準確計算，并綜合本次畢業(yè)設計成本及可行性進行考慮，最終選擇了方案二為本次畢業(yè)設計的最終設計方案。南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)第三章 器件介紹和單元模塊設計只有各個系統(tǒng)單元模塊的有機結(jié)合，才可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。下面將介紹本次設計中使用的一些特殊器件和具體的各功能模塊電路組成。3.13.1 器件介紹器件介紹3.1.1 AT89C51 單片機本設計采用低功耗，高性能的 AT89C51 單片機, AT89 系列單片機（簡稱 89 系列單片機）是 ATMEL 公司的 8 位 Flash 單片機。這個系列單片機最吸引人的特點就是在片內(nèi)含有 Flash 存儲器， AT89C51 的單片機是一種低功耗，高性能的含有 4K 字節(jié)快擦寫可編程擦除只讀存儲器（EEPORM）的 8 位 CMOS 單片機，時鐘頻率高達 24MHZ，與8086 的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。芯片上的 EEPROM 允許在線（5V）電才擦除，點寫入或采用通用的非易失存儲器對程序存儲器重復編程。此外， AT89C51 還支持由軟件選擇的二種掉電工作方式。非常適用于電池供電或其他要求低功耗的場合。由于芯片內(nèi)的 4程序存儲器可在線或用編程器重復編程，因此它有著十分廣泛的用途，特別是在便攜式和需要特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯得更為有用。圖 3.1 AT89C51 和 AT89C2051 管腳圖3.1.2 ADE7758ADE7758 是一款高精度的電能計量芯片，具有高準確度，適用于三相/三線，三相/四線和其他各種三相系統(tǒng)，該芯片通過 SPI 數(shù)據(jù)串行接口和單片機進行連接，模擬電源端第三章 器件介紹和單元模塊設計（AVDD）=數(shù)字電源（DVDD）=5V5%,模擬地端（AGND）=數(shù)字地（DGND） = 0 V, 使用片內(nèi)基準源,CLKIN =10 MHz XTAL,溫度范圍為40C 至+85C3。ADE7758 的管腳圖如下圖所示：圖 3.2 ADE7758 管腳圖ADE7758 通過 SPI 串口讀寫時序圖：圖 3.3 ADE7758 寫時序南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)圖 3.4 ADE7758 讀時序3.1.3 DS12887DS12887 為一款時鐘芯片，該器件可以提供 RTC/日歷，鬧鐘，三個可屏蔽中斷和一個可編程方波以及一個 114 字節(jié)的 RAM，此 RAM 有電池備份，不會導致斷電后時鐘停止的現(xiàn)象，該器件把石英晶體和電池集成在了一起，少于 31 天的月份月末日期可自動調(diào)整，其中包括閏年補償，該芯片還有一個精密的溫度補償電路用來監(jiān)視 VCC 的狀態(tài)，如果檢測到主電源故障可自動轉(zhuǎn)換到備用供電，該芯片接口支持 Intel 和 Motorola 兩種模式，在本次設計中，采用的是 Intel 模式，具體讀寫時序圖如下：圖 3.5 DS12887 寫時序第三章 器件介紹和單元模塊設計圖 3.6 DS12887 讀時序3.1.4 LCD1602LCD1602 是一款工業(yè)字符型液晶顯示屏，能夠同時顯示 32 個字符，內(nèi)部帶有 80*8位的內(nèi)部 RAM 緩沖區(qū)，可顯示阿拉伯數(shù)字，引文字母大小寫，常用符號和日文的片假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，在本次設計中，可以通過 LCD 顯示萬年歷，分時電價，剩余金額等數(shù)據(jù)信息，可以通過鍵盤來切換顯示。部分主要指令說明如下：表 3.1 LCD1602 指令碼指令碼功能00111000設置 16*2 顯示，5*7 點陣，8 位數(shù)據(jù)接口00001DCBD=1 開顯示；D=0 關(guān)顯示C=1 顯示光標；C=0 不顯示光標B=1 光標閃爍；B=0 光標不閃爍南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)000000NSN=1 當讀或?qū)懸粋€字符后地址加一，光標加一N=0 當讀或?qū)懸粋€字符后地址減一，光標減一S=1 當寫一個字符，整屏顯示左移（N=1）或右移（N=0） ，以得到屏幕移動光標不移動的效果S=0 當寫一個字符，整屏顯示不移動80H+地址碼設置地址數(shù)據(jù)指針01H顯示清屏：所有指針清零，所有顯示清零02H顯示回車：數(shù)據(jù)指針清零LCD1602 讀寫數(shù)據(jù)時序如下圖所示：圖 3.7 1602 讀數(shù)據(jù)時序第三章 器件介紹和單元模塊設計圖 3.8 1602 寫數(shù)據(jù)時序3.1.5 SLE4442SLE4442 是德國西門子公司的接觸式加密型 IC 卡，接口電路簡單，編程方便，保密性好，其內(nèi)部用于一個 256*8 位的 EEPROM 主存儲器，另其還含有一個帶有 PROM 功能的保護存儲器，可進行加密處理，工作溫度范圍在 070，至少可擦寫 10 萬次以上，數(shù)據(jù)保存期最少為 10 年，工作電壓為 5V。對 IC 卡操作的命令分為控制，地址，數(shù)據(jù)三個部分，傳送從控制字節(jié) LSB 開始，其具體命令如下面所示：表 3.2 IC 卡命令格式及功能字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 3控制地址數(shù)據(jù)操作00110000輸入地址無效讀主存儲器00111000輸入地址輸入數(shù)據(jù)升級主存儲器00110100無效無效讀保護存儲器00111100輸入地址輸入數(shù)據(jù)寫保護存儲器00110001無效無效讀加密存儲器00111001輸入地址輸入數(shù)據(jù)升級加密存儲器00110011輸入地址輸入數(shù)據(jù)比較數(shù)據(jù)校驗3.23.2 單元模塊設計單元模塊設計3.2.1 電源模塊電路電源模塊電路從電網(wǎng) 220V 電壓作為輸入，通過該電路后，輸出端輸出大小為 5V 的電壓，作為單片機及其他芯片的 VCC 電源，具體的電路圖如下圖所示：南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)T3TRANS 11234D1B RIDGE1C 10100ufC 110.01ufVin1GND2Vout3U278L05C 120.01ufR 61kVCC12J3C ON2圖 3.9 電源接線圖如圖 3.9 所示為電壓模塊的電路圖，該模塊以電網(wǎng) 220 交流電作為輸入，通過整流橋整流后，再經(jīng)過濾波，最后通過一塊 78L05 穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓，得到一個穩(wěn)定的 5V 電源，78L05 的輸出電流可達到 100mA，無需外接元件，內(nèi)部本身帶有熱過載保護，自帶內(nèi)部短路電流限制。該模塊的仿真電路如下圖所示：TR1TRAN-2P2SC32200uFC40.01uFVI1VO3GND2U27805C50.01uFRV11kVolts+5.00D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007圖 3.10 電源仿真圖圖 3.10 為該電源電路的仿真效果圖，可以看到，該模塊可以很好的工作得到一個穩(wěn)定的 5V 的電源。第三章 器件介紹和單元模塊設計3.2.2 信號采集電路本次設計為智能電表，所以要對用戶的電壓和電流都進行采樣，再通過 ADE7758 芯片來得到一個較為準確的功率值并輸入單片機中，因此電流和電壓的采集電路分別如下圖所示：圖 3.11 采集電路圖 3.11 為電流和電壓的采集電路，在電流采集電路中，通過將電流互感器 TA32BM串聯(lián)到用戶電路中，以采集用戶的電流信息，TA32BM 額定輸入輸出為 5A/2.5mA,通過電流互感器將大電流轉(zhuǎn)換到 ADE7758 可以接受的小電流范圍內(nèi)，然后通過濾波降低信號的干擾，最終輸入芯片，在電壓采集電路中，通過將電壓互感器 TV31B-02 并聯(lián)到用戶的負載上，采集用戶的電壓信息，TV31B-02 是一款電流型電壓互感器，額定電流是2mA/2mA,所以要在電壓互感器的緣邊串聯(lián)一個 51K 的電阻來降低互感器原邊的電流值到可承受的范圍，最后通過 RC 電路濾波后，得到一個近似 0.5V 的電壓以輸入到 ADE7758南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)芯片，和前面的電流值一起，計算出用戶的功率。電壓互感器相當于一個內(nèi)阻很小的電壓源，正常運行時它的負載阻抗會很大，相當于開路狀態(tài)，二次側(cè)只有很小的電流，當二次側(cè)短路時，負載阻抗為零，將產(chǎn)生很大的短路電流，會將電壓互感器燒壞。因此，電壓互感器二次側(cè)嚴禁短路。電流互感器在正常運行時，二次電流產(chǎn)生的磁通勢對一次電流產(chǎn)生的磁通勢起去磁作用，勵磁電流很小，鐵芯中的總磁通就很小，二次繞組的感應電動勢不會超過幾十伏。如果二次側(cè)開路，二次電流的去磁作用消失，其一次電流完全變?yōu)閯畲烹娏?，會引起鐵芯內(nèi)磁通劇增，鐵芯處于高度飽和狀態(tài)，加之二次繞組的匝數(shù)很多，就會在二次繞組兩端產(chǎn)生很高甚至可達數(shù)千伏的電壓，不但可能損壞二次繞組的絕緣，再者，由于磁感應強度劇增，使鐵芯損耗增大，嚴重發(fā)熱，甚至可能燒壞絕緣。3.2.3 計量模塊計量模塊的核心是通過一塊 ADE7758 芯片來完成，通過信號采集電路，將變換后的電壓電流信號輸入到該芯片，ADE7758 是一款高準確度的三相電能計量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個串行接口。ADE7758 集成了二階模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 數(shù)字積分器，基準電路，溫度傳感器，以及所有進行有功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件。第三章 器件介紹和單元模塊設計A PC F1D GN D2D VD D3A VD D4IA P5IA N6IB P7IB N8IC P9IC N10A GN D11R EF12D OU T13S C L K14D IN15C S16C LK O UT17C LK IN18IR Q19V AR C F20V AP21V B P22V C P23V N24U 5A DE 77 58IA PIA NR 11KC 333 nfV APV ANC IC OY 210 H zC 422 pfC 522 pfC OC IC 6C APS XS D 0S C KS D IV C C圖 3.12 ADE7758 接線圖圖 3.12 為芯片 ADE7758 的具體接線圖，ADE7758 作為一款適用范圍極廣且功能強大的電能計量芯片在本次設計中擔任了重要的角色，通過 DOUT 管腳直接與單片機連接，通過 SPI 總線方式，與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間相互通信，從而實現(xiàn)功率的計算，其中 DOUT管腳與單片機的 P1.4 連接，SCLK 與單片機的 P1.3 連接，DIN 與單片機的 P1.7 連接，CS 片選信號與單片機的 P1.2 連接。3.2.4 時鐘及 LCD 顯示模塊本次設計中，該電表要實現(xiàn)分時計費，既必須引入時鐘系統(tǒng)，該時鐘系統(tǒng)必須準確，且在電表短時間斷電之內(nèi)，不會停止工作，因此，該模塊采用了一塊時鐘芯片DS12887，該芯片為一款使用很廣泛的時鐘芯片，具體電路圖如下圖所示：南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)M O T1N C2N C3A D04A D15A D26A D37A D48A D59A D610A D711G ND12V CC13SQ W14N C15N C16N C17IR Q18R ES ET19D S20N C21R /W22A S23C S24D S1 28 87U 3D S1 28 87D SC SD SD SD SA SD SR WD 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7V CC圖 3.13 DS12887 接線圖圖 3.13 為時鐘芯片 DS12887 的連線圖，其中 DS 與單片機的 P2.1 口連接，R/W 與單片機的 P2.5 口連接，AS 與單片機的 P2.4 口連接，CS 與單片機的 2.2 口連接。通過該芯片可以提供比較精確的萬年歷。同時智能電表的顯示模塊選用 LCD 顯示，下圖為LCD1602 顯示電路：VDD1VSS2VEE3RS4RW5LCDEN6D07D18D29D310D411D512D613D714L CD 16 02C S25U 4L CD 16 02D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7E NR SV CCR 1810 K圖 3.14 LCD1602 接線圖通過該 LCD 液晶顯示器，顯示我們需要的一些信息。上述兩個模塊通過與第三章 器件介紹和單元模塊設計AT89C51 單片機進行連接，可以實現(xiàn)萬年歷的功能，且可以保證，在智能電表短時間斷電的情況下，時鐘不會停止運行，繼而實智能電表的分時計費系統(tǒng)可以準確的運行，我們用 Protues 仿真,電路圖如下圖所示：圖 3.15 萬年歷顯示仿真圖圖 3.15 為萬年歷顯示模塊，上圖中可以通過按鍵對 LCD 顯示進行調(diào)整，可以顯示萬年歷，分時電價，余額等信息。3.2.5 接觸式 IC 卡模塊這里 IC 卡模塊我們選用的是西門子的 SLE4442 加密型 IC 卡，SLE4442 是一種具有加密邏輯電路的智能 IC 卡, 內(nèi)含 2568 位 EEPROM 主存儲器和一個 32 位帶 PROM 功能的保護存儲器,其觸點配置和串行接口符合 ISO 7816 標準(同步傳送),具備只有輸入正確的3 字節(jié)可編程密碼(加密存儲區(qū)) 后才能修改數(shù)據(jù)的特性。下圖為具體模塊：南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)V CC1R ST2C LK3N C4G ND5N C6I/O7N C8U 3SL E 444 2-IC CA RDV CCSL E _R STSL E _C LKV CCD 0圖 3.16 SLE4442 卡座第四章 軟件設計第四章 軟件設計本設計中，以 AT89C51 作為微處理器，采用 C 語言進行編程，配合硬件電路，共同構(gòu)成了本次設計的核心部分。4.14.1 主要軟件設計流程框圖及說明主要軟件設計流程框圖及說明 Y報 警程序初始化檢測 IC 有卡?余額為零？ 開 始切斷用戶電源信號采集及計量LCD 顯示NNYY南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)圖 4.1 主程序流程圖本次設計的主要流程為當 IC 卡插入卡座，單片機檢測到 IC 卡并讀取其金額開始計時，當按照開始設定好紅燈亮起，同時，LCD 顯示屏強制轉(zhuǎn)換到余額界面，字體開始閃爍，蜂鳴器長鳴，此時停止計費，并且開始檢測鍵盤，當按下鍵盤 key4 后，警告解除，LCD 顯示界面重新返回時間界面。令一方面，在計費系統(tǒng)正運行時，可以通過鍵盤檢測，切換顯示界面，顯示界面共有 4 種，分別為當前時間，3 種電價，余額，共計 5 種界面，當按下鍵盤 key1 后，在當前時間界面和 3 種電價界面，可以調(diào)整時間和電價，增加或者減少，分別由鍵盤 key2,key3 來控制，由此來完成時間，電價的調(diào)整。比照 DS12887 中去讀的時間參數(shù)，選取電價開始計算余額，當余額定于 30 元時，蜂鳴器每一分鐘鳴一次，當余額為 0 時，蜂鳴器長鳴。4.24.2 主要芯片讀寫程序設計及設計工具主要芯片讀寫程序設計及設計工具本次設計采用 C 語言，C 語言具有簡潔明了的特點，在本次設計中，按照各芯片的讀寫操作時序，以 SPI 總線操作方式，分別對 DS12887 時鐘芯片，ADE7758 電能計量芯片進行讀寫操作，即可基本完成本次設計的主要功能，同時兼顧完成切換顯示時間，電價以及查詢余額，并可以調(diào)節(jié)電價。在讀取 DS12887 時鐘芯片時，按照其讀寫時序，當要寫入數(shù)據(jù)時，先要寫入地址，將 CS 置低，SA,DS 分別置高，RW 置高，然后給 P0 口賦值，即要寫入的地址，然后將AS,RW 置低，再一次給 P0 口賦值，即要寫入的數(shù)據(jù)，最后將 AS,RW,CS,拉高，同理，在讀取數(shù)據(jù)時，也要先寫入一個地址，將 AS,DS,RW 置高，將 CS 置低，給 P0 口賦值地址，然后將 AS,DS 拉低，P0 讀取數(shù)據(jù)，最后 DS,AS,CS,全部拉高，具體 C 語言函數(shù)如下：void write_ds(uchar add,uchar date)dscs=0;dsas=1;dsds=1;dsrw=1;P0=add;dsas=0;dsrw=0;第四章 軟件設計P0=date;dsrw=1;dsas=1;dscs=1;uchar read_ds(uchar add) uchar ds_date;dsas=1;dsds=1;dsrw=1;dscs=0;P0=add;dsas=0;dsds=0;P0=0 xff;ds_date=P0;dsds=1;dsas=1;dscs=1;return (ds_date); 同時，在讀取 ADE7758 芯片中有功功率時，同樣，按照其讀時序圖，先將 CS 拉低，選中信號，再用 SCK 模擬一個時鐘信號輸入，先向 ADE7758 寫入一個地址，再從芯片讀出數(shù)據(jù)，ADE7758 和 DS12887 讀寫程序最大的不同在于，DS12887 可以將 8 位數(shù)據(jù)一次性讀出，而 ADE7758 只能一位一位的讀取，因此，在書寫讀寫函數(shù)的時，需要指明，讀取數(shù)據(jù)的位數(shù)。在 CS 保持低電平的時候，所有的數(shù)據(jù)傳輸必須全部完成，另外，除了整體器件復位以外，沒有其他方法可以讓 ADE7758 返回通信狀態(tài)，所以必須傳輸各寄存器的 LSB,復位的方法是運用軟件進行復位。如前所述，在第一個字節(jié)正在向目標寄存器南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)傳送是，可以同時開始另一個字符的傳送，但是第二個字節(jié)的傳輸過程不應該在第一個字節(jié)傳送完成前至少 900ns 內(nèi)不應該結(jié)束。當 ADE7758 寄存器經(jīng)行讀取操作訪問時，讀取命令個寫入命令之間至少需要有 1.1us 的時間間隔，若果間隔過小，將會導致寫入操作的最后一個字節(jié)丟失，具體位數(shù)參見芯片說明書，具體讀取函數(shù)如下：unsigned long read7753(unsigned char type,unsigned char databit) unsigned char loop=0; unsigned long rtdata=0; type=type&0 x7F; type=type|0 x00; for(loop=0;loop8;loop+) SCK=1; _nop_(); if( type&0X80 )SDO = 1;elseSDO = 0;_nop_(); SCK=0; _nop_(); type=(type1); for(loop=0;loopdatabit;loop+) SCK=1; _nop_(); rtdata=(rtdata1); /上升沿讀出數(shù)據(jù)if(SDI) rtdata+=1; 第四章 軟件設計_nop_(); SCK=0; _nop_(); return(rtdata); 本次設計的另一個重點就是現(xiàn)實程序，1602 的顯示程序同樣按照其讀寫時序圖完成，不同的是，1602 的顯示，需要在主程序的開始寫一個初始化函數(shù)用以設定 1602 的顯示方式，光標等等，在本次設計中，只涉及到 1602 的寫程序，寫數(shù)據(jù)時，同樣需要先寫入地址，寫地址時，先將 RS,EN 置低，延遲后再將 EN 拉高，賦予地址，最后將 EN 拉低，寫數(shù)據(jù)與讀不同之處在于要將 RS 拉高其余同寫地址時一樣，具體初始化函數(shù)，寫函數(shù)如下：void init()lcden=0;dula=0;wela=0;set_time(); write_com(0 x38);write_com(0 x0c);write_com(0 x06);write_com(0 x01);void write_com(uchar com)rs=0;lcden=0;delay(5);lcden=1;P0=com;南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)lcden=0;void write_date(uchar date)rs=1;lcden=0;delay(5);lcden=1;P0=date;lcden=0; 本次設計采用 Keil uVision2 作為編程工具，用 Protues 進行實物制作前的仿真，Keil作為現(xiàn)在主流的單片機編程工作具有操作簡單，快捷的優(yōu)點，同時可以與 Protues 聯(lián)動,方便調(diào)節(jié)和仿真，另用 STC-ISP V31 將程序下載至單片機上運行。在本次軟件設計中，最困難的地方在于對 ADE7758 的讀寫操作，ADE7758 是一塊應用非常廣泛的電能計量芯片，第一次使用該芯片時，對于串行的讀寫操作了解不夠深入，導致在書寫程序的過程中，時序先后發(fā)生錯誤，不知道如何移位讀取等等，后來參考一些例子以后最終調(diào)試成功。第四章 軟件設計南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)第五章 仿真調(diào)試該程序是用 C 語言完成，C 語言具有簡潔緊湊，靈活方便的特點，在調(diào)試程序的時候，軟件部分大致可以分為兩個部分，一部分是萬年歷等信息的顯示部分，一部分是信號采集部分。第一部分，萬年歷等信息的顯示部分，可以用 Protues 進行仿真，Protues 是一款非常實用的仿真原件，通過載入程序到單片機中，利用 DS12887 時鐘芯片構(gòu)成的仿真效果圖，如下圖所示：圖 5.1 仿真演示效果圖如上圖所示，當路燈亮的時候，表示計價開始，圖中 4 個鍵盤，通過鍵盤掃描程序，可以切換顯示萬年歷，電價，余額等信息，當電價為零時，蜂鳴器長鳴，同時，綠燈熄滅，紅燈亮起，LCD 顯示屏顯示余額為零，效果如下圖所示：第五章 仿真調(diào)試圖 5.2 仿真演示效果圖由于 ADE7758 在 Protues 的庫里面沒有，所以無法進行仿真，只有用實物進行演示。本次軟件設計中比較艱難的部分在于 ADE7758 的讀寫程序以及 DS12887 在沒有實物的情況下經(jīng)行仿真，前者是因為對于 SPI 接口的讀取掌握還是不到位，后者是因為軟件版本問題，Protues7.6 版本以前的庫中沒有 DS12887 時鐘芯片，出于經(jīng)費和穩(wěn)妥起見的考慮長時間滯留在此處，后來在朋友的幫助下得以解決。南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)結(jié)語如前期仿真中所示，電源部分使用 220V 交流電，通過變壓器變壓為 12V 之后，利用一塊 L7805 穩(wěn)壓芯片，很好的得到了一個較為穩(wěn)定，且接近 5V 的電壓，誤差在+0.02V 左右，可以利用其很好為單片機與其它核心芯片進行供電，且在自己搭建的電路中，采取了濾波等措施，電源質(zhì)量較良好。采集電路部分，也是自己利用萬用板搭建，運用電壓互感器，電流互感器為核心，進行變壓采樣，變壓后的電壓理想值為 0.5V，由于實際環(huán)境等影響，其電壓真實值為0.55V，但不會對功率計算造成太大的影響，電壓電流信號進 ADE7758 之后，即可由單片機進行讀取，獲得有功功率，用于計算電價，在制作過程中，用 15W 的燈泡作為用戶的負載真實的采集電路。核心處理器件部分以 AT89C51 單片機為核心運行，分別可以顯示萬年歷，電價，余額等信息，整體設計的實物圖應附帶包含效果演示，萬年歷，電價，以及余額等部分。在硬件搭建過程遇見了很多問題，比如，ADE7758 是一塊貼片封裝的芯片，由于條件限制萬用板上不能進行焊接，后來經(jīng)過尋找，在網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)了一種小型 PC 貼片轉(zhuǎn)雙列直插式的 PCB 電路板，但是由于技術(shù)水平有限，PCB 板還是沒做成功。在調(diào)試 LCD1602 顯示的時候，由于操作不當，導致 1602 損壞，屏幕無法顯示，造成了元器件的浪費，同時在采集回路中，由于考慮不全，在采購電阻時，只考慮到其電阻值的大小，沒有考慮到其功率的承受能力，導致 51K 電阻在稍微長時間的運行狀態(tài)下發(fā)熱比較嚴重，也導致功率的計算結(jié)果也產(chǎn)生了一定的誤差。雖然最終沒能做出實物，但我收獲很多。本次畢業(yè)論文的題目為基于單片機的智能 IC 卡電表設計，由于我是負責硬件部分，所有的數(shù)據(jù)計算，電路的設計、修改、完成都是自己獨立完成，進一步了解了產(chǎn)品制作的流程。為了完成設計，我也同時查閱了大量的書籍和資料，自己獨立思考和學習能力得到了很好的鍛煉和提升，在設計同時，大量運用了 Keil,protel99，Protues 等軟件，大大提升了熟練度，在 Protel 繪制電路原理圖，在 protues 中畫了電路仿真圖，通過 keil 編程并將程序?qū)雴纹瑱C中，最后在 protues 中仿真。通過這個過程我了解到仿真與實際電路效果之間存在較大的差距，通過本次設計對于智能電表在設計過程中存在的問題有了一些初步的了解，并著手解決這些問題，并且本次設計是自己和另一個同學共同設計并仿真出來的，雖然沒做出實物，但是大大提升了自己的綜合實踐能力和團隊合作能力。南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)參考文獻1 曹天漢等. 單片機原理與接口技術(shù)M.第 2 版.北京：電子工業(yè)出版社，20062 李建忠. 單片機原理及應用M.第 2 版.西安：西安電子科技大學出版社，20083 陳杰. 黃鴻編著. 傳感器與檢測技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2002.4 王思彤,周暉,袁瑞銘,易忠林. 智能電表的概念及應用J. 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September19 2001南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)23王浩接觸式智能卡讀寫器設計研究J山東電子，200024Simon Newman，Gavin SuRer,Electronic PaymentsTheSmart Card：Smart Cards，e-Payments，&Law- Part I,ComputerLaw and Security Report，2002南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)致謝在本次畢業(yè)論文設計過程中，遇見了很多的困難，但是在指導老師的悉心指導和同學們的熱情幫助下，基本實現(xiàn)了預定功能，完成了設計，從最開始茫然無措，到后來慢慢步入正軌，幾個月的奮斗，讓我收獲良多，在老師的悉心指導下，從最開始的仿真模擬，到后來的功能完成，每一個微小的進步都讓我興奮不已。在此我要特別感謝本次畢業(yè)設計的指導老師，王老師和歐陽老師，通過每周的見面或者打電話，老師對我進行了悉心的指導，對我設計中存在的問題和不足進行了批評和指正，不厭棄煩的進行講解，讓我受益匪淺，因此本次設計的順利完成和老師的悉心指導密不可分，感謝我的指導老師。同時也要感謝其他所有老師和我的同學對我的幫助！南昌工程學院本科畢業(yè)設計(論文)附錄 電路圖