精品毕业论文ic卡电度表控制电路设计

摘 要飞速发展的电力工业对电能的计量与管理提出了更高的要求:先付费、后用电，实施分时电价，实现自动抄表和收费等。IC卡预付费电子电能表应运而生，能够满足上述要求。本论文在大量文献查阅和市场调研的基础上，论述了IC卡预付费电子电能表的工作原理及采用的标准，IC卡的主要技术，论述了电能表的方案设计、电能测量电路芯片的选型及电表控制程序设计中应该考虑的具体技术问题。售电管理系统软件不仅能实现对IC卡和电费的管理，还能实现对生活小区住户及其它各种费用的综合管理，论文详细地说明了售电管理系统的功能分析、模块划分、程序的总体结构、输入输出以及接口设计、数据结构的设计等，并说明了几个主要模块关键技术的实现。因此，预付费电子电能表系统具有广泛的应用前景。关键字:电子电能表；IC卡；预付费；单片机；交流采样ABSTRACTThe electric industry has been developed at very fast speed, it brings forward higher requires to the electricity management. It hopes that the user can prepay electricity before using it，time-sharing electrovalence, copying the datas from watt-hour meters and charging can be cayyied out automatically .In these cases the full electronic watt-hour meter of prepayment of IC card emerges, it can be meet the demands of the management above.Based on consulting a lot of literature and investigating，the paper discussed the principle of the full electronic watt-hour meter of prepayment of IC card, the standard and the technology of IC card. It also discussed the design of the watt-hour meter, the type of the energy measurement chips and the technique problems of the control program.The software of selling electricity management system can carry out not only the management to the IC card, but also the comprehensive management of various fees. The paper explained the analysis of function, module partition, program structure, input and output, interface and structure design of the software in detail. It stressed the critical technology of each module.Therefore the system of the full electronic watt-hour meter of prepayment has widely application prospect.Key words：The full electronic watt-hour meter；IC card；Prepayment；Single chip computer; Ac sampling57目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 IC卡概况11.2 IC卡的分类21.3 IC卡预付费电度表31.4 近几年IC卡预付费电度表发展状态41.5 IC卡在预付费电度表中的功能5第2章 IC卡电度表原理分析62.1 预付费电表原理和常识62.2 市场上常见预付费电表及其比较62.3 IC卡电度表的组成框图7第3章 硬件电路设计93.1 主控芯片的选用93.1.1 AT89C52的封装引脚93.1.2 AT89C52的内部特性93.1.3 AT89C52方框图103.1.4 各引脚功能说明113.1.5 振荡器特性133.1.6 空闲模式133.1.7 掉电模式143.2 接口电路的设计143.2.1 信号检测与传感电路的设计143.2.2 A/D转换通道的设计153.2.3 外部存储器的扩展设计193.2.4 掉电检测及看门狗电路的电路设计203.2.5 键盘及显示电路的设计213.2.6 串行通信接口的设计213.2.7 压电源的设计11243.2.8 警电路的设计253.2.9 硬件系统总框图253.3 硬件地址的确定25第4章 系统软件的设计274.1 主控程序的设计274.1.1 中断源及中断优先级的安排274.1.2 存储器的分配274.2 模块部分的设计284.2.1 掉电中断子程序的设计284.2.2 数据采集中断子程序的设计284.2.3 键盘中断子程序的设计294.2.4 串行口中断子程序的设计314.2.5 显示子程序的设计324.2.6 声光报警子程序的设计324.2.7 数字滤波的设计324.2.8 系统主流程图354.3 软件程序清单见附录235第5章 结束语365.1 设计历程365.2 设计特点365.3 展望和体会37致 谢38参考文献（主要及公开发表的文献）39附录1 IC卡家用电度表硬件框图40附录2 软件程序清单41第1章 绪 论1.1 IC卡概况IC卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的英文简称，在有些国家也称之为灵巧卡（Smart Cart）、智慧卡（Intelligent Card）、微芯片卡（Microchip Card）等。将一个专用的集成电路芯片镶嵌于符合当然也可以封装成纽扣、钥匙、饰物等特殊形状。IC卡的最初设想是由日本人提出来的。1969年12月，日本的有村国孝（Karnataka Arimura）提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获得专利，那时叫ID(Identification Card）。1974年，法国的罗兰莫雷诺（Roland Moreno）发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。1976年法国布尔（Bull）公司研制出世界第一枚IC卡。1984年，法国的PTT（Posts Telegraph sand Telephones）将IC卡用于电话卡，由于IC卡良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织（ISO，International Standardization Organization）与国际电工委员会（IEC International Electro technical Commission）的联合技术委员会为之制订了一系列的国际标准、规范，极大地推动了IC卡的研究和发展。IC卡较之以往的识别卡，具有以下特点：一是可靠性高IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息可保存100年以上，读写次数在10万次以上，至少可用10年；二是安全性好；三是存储容量大；四是类型多。从全球范围看，现在IC卡的应用范围已不再局限于早期的通信领域，而广泛地应用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生、政府行政、商品零售、休闲娱乐、学校管理及其它领域。目前在我国，随着金卡工程建设的不断深入发展，IC卡已在众多领域获得广泛应用，并取得了初步的社会效益和经济效益。2000年，全国IC卡发行量约为2.3亿张，其中电信占据了大部分市场份额。公用电话IC卡1.2亿多张，移动电话SIM卡超过4200万张，其它各类IC卡约6000万张。2001年IC卡总出货量约3.8亿张，较上年增长26%；发行量约3.2亿张，较上年增长40%。从应用领域来看，公用电话IC卡发行超过1.7亿张，SIM卡发行5500万张，公交IC卡为320万张，社保领域发卡为1400万张，其它发卡为8000万张。尽管IC卡的发行量保持了较高的增长率，但市场销售额在IT市场中的比重还很小。据CCID统计，2001年我国计算机市场销售额约2502亿元，而IC卡市场销售额不到21亿元。IC卡市场还构不成我国IT业的亮点，对IT市场的拉动作用并不明显。这一方面制约IT企业对IC卡技术的投入，另一方面，也预示着我国IC卡市场的巨大发展空间。随着政府管理和支持力度的加大、技术研发水平的提升，IC卡市场竞争格局将发生深刻的变化。由于高端芯片、核心模块、金融POS机、生产设备等被国外企业所掌握，造成国外品牌对一些细分市场的相对垄断。随着政府智能卡项目的启动，移动通信市场的逐步开放，国内企业技术实力和工艺流程的优化，使得国外品牌市场份额受到很大程度的限制，而国内品牌将会有快速的发展。2002年乃至今后5年，是我国IC卡应用向纵深发展的时期。我国IC卡市场格局必将由无序走向有序，市场竞争必将由有限走向无限，IC卡市场将逐步走向成熟，进入微利时代。在这种形势下，单纯的发卡量和新产品的数量并不能衡量IC卡产业与市场的发展水平，市场发展的程度最终取决于IC卡的应用水平及其带来的社会效益。从可持续发展的角度讲，加强行业规范，推动IC卡企业由产品和技术型转向应用和服务型，将成为我国IC卡市场发展的重要趋势。在此后的三十多年里，随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及信息安全技术等的发展，IC卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国内外得到了广泛的应用1。1.2 IC卡的分类根据镶嵌的芯片的不同划分为：（1）存储卡：卡内芯片为电可擦除可编程只读存储器EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-only Memory），以及地址译码电路和指令译码电路。为了能把它封装在0.76mm的塑料卡基中，特制成0.3mm的薄型结构。存储卡属于被动型卡，通常采用同步通信方式。这种卡片存储方便、使用简单、价格便宜，在很多场合可以替代磁卡。但该类IC卡不具备保密功能，因而一般用于存放不需要保密的信息。例如医疗上用的急救卡、餐饮业用的客户菜单卡。常见的存储卡有ATMEL公司的AT24C16、AT24C64。（2）逻辑加密卡：该类卡片除了具有存储卡的EEPROM外，还带有加密逻辑，每次读/写卡之前要先进行密码验证。如果连续几次密码验证错误，卡片将会自锁，成为死卡。从数据管理、密码校验和识别方面来说，逻辑加密卡也是一种被动型卡，采用同步方式进行通信。该类卡片存储量相对较小，价格相对便宜，适用于有一定保密要求的场合，如食堂就餐卡、电话卡、公共事业收费卡。常见的逻辑加密卡有SIEMENS公司的SLE4442、SLE4428，ATMEL公司的AT88SC1608等。（3）CPU卡：该类芯片内部包含微处理器单元（CPU）、存储单元（RAM、ROM和EEPROM）、和输入/输出接口单元。其中，RAM用于存放运算过程中的中间数据，ROM中固化有片内操作系统COS（Card Operating System），而EEPROM用于存放持卡人的个人信息以及发行单位的有关信息。CPU管理信息的加/解密和传输，严格防范非法访问卡内信息，发现数次非法访问，将锁死相应的信息区（也可用高一级命令解锁）。CPU卡的容量有大有小，价格比逻辑加密卡要高。但CPU卡的良好的处理能力和上佳的保密性能，使其成为IC卡发展的主要方向。CPU卡适用于保密性要求特别高的场合，如金融卡、军事密令传递卡等。国际上比较著名的CPU卡提供商有Gemplus、G&D、Schlumberger等（4）超级智能卡：在CPU卡的基础上增加键盘、液晶显示器、电源，即成为超级智能卡，有的卡上还具有指纹识别装置。VISA国际信用卡组织试验的一种超级卡即带有20个健，可显示16个字符，除有计时、计算机汇率换算功能外，还存储有个人信息、医疗、旅行用数据和电话号码等。1.3 IC卡预付费电度表简单来说IC卡预付费电度表是以IC卡作为电能量值数据传输介质，在电度表（电子式电度表或机械式电度表）中加入负荷控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结算的智能型电度表。管理售电系统包括用户信息管理子系统、IC卡初始化系统、统计分析子系统和售电子系统。1.4 近几年IC卡预付费电度表发展状态95年前，主要为电钥匙IC卡，以93C46和24C01为主IC卡为可擦写存储芯片（EEPROM）或一般存储卡，IC卡存储方便、使用简单、价格便宜，安全性不高，存在被破解的可能性，用户以物业小区为主。95年99年，主要为电话卡式IC卡，以存储卡（24C01）和逻辑加密卡（4442、4428）为主其中逻辑加密卡（4442、4428）的安全性得到进一步提高，内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑，在访问存储区之前需要核对密码，只有密码正确，才能进行操作。用户从单纯物业小区扩展到电力行业管理部门，开始大规模普及使用。98年至今，主要为金融级IC卡，以CPU卡（CPU卡和SAM模块为加密介质）为主CPU卡内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带有控制器，存储器，时序控制逻辑等外，还带有算法单元和操作系统，存储容量大，处理能力强，信息存储安全等特性。率先在北京供电局全面推广，并在河南、湖南等城市开始推广。IC卡预付费电度表为电力部门的收费及抄表带来了极大的方便和收益，也为生产厂商带来了利润；作为IC卡预付费电度表各生产厂家应充分借鉴该案件所带来的众多思考，积极进行自我反思，防微杜渐，积极淘汰问题产品，做到对企业自身负责、对行业发展负责、对社会负责！共同维护电度表行业的健康发展！特点：(1)不需要人工抄表，有利于现代化管理。IC卡电表的使用避免人工抄表上门收费给客户带来的诸多不便，且历史购电数据均可以保存，便于客户查询。(2)充分体现了电力的商品属性。实行先买电后用电，客户可以根据自己的实际需要有计划地购电、用电，不会因欠费而发生滞纳金，增加不必要的开支。(3)解决了收费难的问题。能很好地解决零散居民客户、临时用电客户、经常欠费客户的收费问题。1.5 IC卡在预付费电度表中的功能该IC卡预付费电度表是以标准的单相（三相）感应式电度表为基表改装而成（借用原感应式电度表的机芯，通过光电传感器读取转盘转数得到用户消耗的电度数），采用具有加密逻辑的存储器卡作为预付费传递媒介，以单片机作为处理和控制系统的核心。使传统型电度表的功能得以更新。用户从电力部门购买的电费通过IC卡传递给电度表，单片机将新购电费与表内剩余电费相加得到新的剩余电费，存于SEEPROM芯片中。电度表的盘转数通过红外光电检测器转换成电脉冲信号，送单片机计数。计数值的大小反映了用电量大小，当用电量达到一个计费单元，单片机计费一次，从剩余电费中扣除用去电费，并对用去电费进行累加。该电表具有以下功能：(1)预付费功能：通过IC卡实现先买电后用电；(2)电能计量功能：配合原感应电度表使用，采用非接触式光电取样，不改变原电表计量精度；(3)数字显示功能：购电量、剩余电量、累计用电量随时可供查询，显示部分采用省电控制方式，即周期扫描显示，每过一段时间显示一次。(4)预告功能：当剩余电量小于设定的警告门限时，点亮提示用电量将尽的发光二极管和驱动提示扬声器发出声音，提醒用户及时购电；(5)监控功能：剩余电量为零时，自动切断用电回路；(6)数据保护功能：电网停电时，数据自行保持；(7)防伪卡功能：一表一卡，购电IC卡采用具有加密逻辑的存储器卡，加上软件算法和“动态”密码技术，严格有效地防止伪造和复制购电卡的行为；(8)错误信息提示功能：对卡坏、卡密码比较错误、非法卡及表内购电量存储单元溢出等情况给予显示提示23。 第2章 IC卡电度表原理分析2.1 预付费电表原理和常识在电子式电度表还未推广时，大部分预付费电表为机电混合预付费电表，是在机械电度表中增加电子处理单元来构成。在电子电度表技术成熟后，机电混合预付费表基本已经淘汰。常见预付费电表都是在电子式电度表基础上增加了微计算机处理单元和存储单元以及控制断电装置等构成的。必须先在电表中预存一定电量或金额才能合闸供电，用电时电表一边计量一边从剩余值中扣减已用的电量或金额，如果扣完则断电，为了保证正常用电必须在断电前再次预存并累加到电表的剩余值中。预存电量或金额必须通过管理部门的售电系统向用户收取预购电费后，才能预存给用户。预存信息通过一定方式送入电表中才能使用。常见的预存方法有两种，一种为代码式，一种为写卡式。代码式原理为，管理系统将用户信息和购电信息结合起来生成一组加密代码，并交给用户自己输入到电表中，电表经过正确解密后得到预存电量或金额并保存。写卡式是将预购电量或金额写入专用电子卡（存储器）中，交给用户持电子卡到对应电表上进行通讯，预购值自动送入电表中。电子卡或称IC卡，也称购电卡，都是由专用的IC芯片经过特殊封装后而成，常见购电卡按通讯方式分为接触式和非接触式，接触式的有：卡片卡、钥匙卡，非接触式的有：射频卡、遥控卡。2.2 市场上常见预付费电表及其比较目前市面上基本上都是电子式预付费电度表，原理大致相同，功能也相似，但是由于厂家间的技术实力和经营模式不同，推出的产品在性能和价格方面有所不同。现将市场常见预付费电表优缺点作简单阐述：（以下为个人讨论，不存在对其他厂家或产品的褒贬，只供有兴趣人士参考）代码式预付费电表，预付式代码形提供给用户，因此在其电表上不需要和外部接口，密封性好，防止人为攻击，但是用户操作比较麻烦；因为考虑到数据安全，代码必须足够长，因此用户在电表上输入代码时极容易出错，而且在装表环境光线不足、装表位置较高、或者是年老体弱者操作时，更加不便。接触型卡式预付费电表，操作上简单，用户购电后，只需将电卡插入电表上即可自动完成预存电累加，但是电表上有外部通讯接口，易受到潮湿和有害气体的侵蚀，使接触金属部分氧化，导致通讯失败甚至数据错误，同时接口还易受到人为干扰和攻击，为解决此问题，有的厂家装有接口防攻击电路，但是增加了成本和售价。非接触卡式预付费电表，成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源和免接触难题。射频卡无需专门的供电电源；它与读写器间无机械接触，避免了接触故障；它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题；射频卡使用时没有正反面。总之，非接触式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点。本文采用非接触式IC卡研制成功了智能预收费电度表45。2.3 IC卡电度表的组成框图IC卡电度表的组成框图如图2所示。它由单片机AT89C52和相关的外围电路组成。外围电路主要包括：A/D转换接口电路（A/D转换芯片ADC0809、双D触发器74LS74等芯片等）外部存储器的扩展电路（存储芯片DS1225等）电源监控及看门狗电路（看门狗芯片MAX705等）键盘和显示接口电路(显示驱动芯片74LS138等)串行通讯接口电路（RS-232C接口、发送器MC1488等）系统稳压电源电路（电源芯片MC7805等）报警电路（LM386功放）图2 IC卡电度表的组成框图第3章 硬件电路设计系统的硬件电路原理图如图2所示。这里采用89C52作为MCU，控制整个系统完成用电度数计量、报警、显示及断电等功能。各季度的收费标准由上位机定时更新，以下分别介绍各电路构造：3.1 主控芯片的选用本IC卡读/写器是以ATMEL公司生产的单片机89C52为核心展开设计。AT89C52单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容。功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合67。3.1.1 AT89C52的封装引脚图3-1 AT89C52封装引脚3.1.2 AT89C52的内部特性AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其主要工作特性是：片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；片内数据存储器内含256字节的RAM；具有32根可编程I/O口线；具有3个可编程定时器；中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的3级程序锁定位；AT89C52工作电源电压为5V；AT89C52最高工作频率为24MHz。3.1.3 AT89C52方框图图3-2 AT89C52方框图3.1.4 各引脚功能说明P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3-1:Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表3-1 P1.0、P1.1的第二功能端口引脚功能特性P1.0T2(定时/计数器2外部计数脉冲输入),时钟输入P1.1T2EX(定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制)P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能,如表3-2所示:表3-2 P3.0P3.7的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2(外中断0)P3.3(外中断1)P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器读选通)此外,P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.5 振荡器特性XTAL1，XTAL2为片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，如图3-3所示。可采用石英晶体或陶瓷振荡器组成时钟振荡器，如需从外部输入时钟驱动AT89C52，时钟信号从XTAL1输入，XTAL2应悬空。由于输入到内部电路是经过一个2分频触发器，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但它必须符合电平的最大和最小值及时序规范。图3-3 内部振荡电路与外部时钟驱动电路3.1.6 空闲模式在空闲模式下，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。P1.0和P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0”，或者在使用上拉电阻的情况下设置为“1”。应注意的是：在用硬件复位终止空闲模式时，AT89C52通常从程序停止一直到内部复位获得控制之前的两个机器周期处恢复程序执行。在这种情况下片内硬件禁止对内部RAM的读写，但允许对端口的访问，要消除硬件复位终止空闲模式对端口意外写入的可能，原则上进入空闲模式指令的下一条指令不应对端口引脚或外部存储器进行访问。3.1.7 掉电模式在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并稳定工作。P1.0和P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0”，或者在使用外部上拉电阻时应设为“1”。3.2 接口电路的设计3.2.1 信号检测与传感电路的设计8(1)电压检测电路的设计电压检测是采用电阻分压的方法取得的。具体做法见下图3-4:图3-4 电压检测电路通过两只1的大电阻对交流电路进行分压，二极管的正负钳位电压使得送入跟随器的电压在-5v+5v之间，经过跟随器的隔离之后再通过比例运算放大器的等比例放大，之后送入采样保持器。这样就得到了被测信号。(2)电流检测电路的设计电流检测和电压检测不同，电流检测采用了电流互感器，先将电网强电信号进行隔离再通过电压跟随器及反向比例放大器后送入采样保持，从而完成了信号的检测。如图3-5所示:图3-5 电流检测电路3.2.2 A/D转换通道的设计(1)A/D转换器主要有以下技术指标:分辨率：A/D转换器的分辨率习惯上以输出二进制数的位数或BCD码位数表示。与一般测量仪表的分辨率表达方式不同，不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示，例如:ADC0809的分辨率为8位，即该转换器的输出数据可以用8个二进制数进行量化，其分辨率为1LSB。如果用百分数来表示分辨率，则其分辨率为： 式（3-1） BCD码输出的A/D转换器一般用位数表示分辨率，而量化误差和分辨率是统一的。量化误差是由于有限数字对模拟数字进行离散取值(量化)而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即提高分辨率可减小量化误差。转换精度：A/D转换器的精度反映了一个实际A/D转换器在量化值上与理想A/D转换器进行模/数转换的差值，可表示成绝对误差，与一般测试仪表的定义相似。A/D转换器的精度参数反映了实际A/D转换器与理想A/D转换器的差别。字节为N的A/D转换器把范围内变化的采样信号，变换为数字0-2n-1，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。 式 （3-2） 转换时间与速率：转换时间被定义为A/D转换器完成一次完整的测量所需要的时间，即从输入端加入信号到输出端出现相应数码的时间。通常，转换速率是转换时间的倒数。在本系统中所采用的A/D转换器ADC0809的转换时间的典型值为100-150us，转换时间对系统的采样精度有非常大的影响。在对A/D转换器的选择来说，转换时间和分辨率是两个重要考虑的参数。特别是转换时间，应该考虑到高速A/D转换需要采样/保持器电路，有时还需要缓冲放大器，这时若采用转换时间为1us的转换器，当把系统中的其它部件都考虑进去时，转换时间已不再是1us了，很可能是10us或更长的时间。这样，在本系统选择A/D转换器时需要考虑的问题有:(1) A/D转换器输出数据的位数是多少?系统应该达到多高的精度和线性程度如何?(2) 提供给A/D转换器的输入信号范围多大?是单极性还是双极性?信号的驱动能力怎么样?是否经过了缓冲滤波和采样/保持?(3) 对转换器输出的数字代码及其逻辑电平有何要求?是否需要带输出锁存或三态门?是否通过计算机接口电路?是用外部时钟、还是内部时钟或不用时钟?输出代码需要二进制码，还是BCD码?是串行，还是并行?(4) 系统是在静态条件下还是在动态条件下工作?带宽要求如何?要求A/D转换器的转换时间为多少?采样速率为多少?孔径时间有何要求?是高速应用还是低速应用?(5) 要求参考电压是内部的还是外加的?是固定的还是可调的?(6) 转换器的工作环境如何?输入信号引进的噪声以及其它外部引进的噪声干扰有多大?环境温度变化范围有多大?湿度、振动冲击条件如何?(7) 其它因素，如共模抑制、电源电压稳定度、功耗、输入阻抗和外形尺寸等。对于某些特殊系统有时还要考虑转换方式。另外，还要考虑成本、资源及芯片来源等因素。综上所述，对于本系统的设计，在考虑采样精度时，因为本系统的采样对象是50Hz的工频交流电，对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。对于一定的转换时间，最大的误差可能发生在信号过零的时刻。因为此时的du/dt最大，孔径时间一定，所以此时U为最大。设: 式（3-3） 式（3-3）中，为正弦模拟信号的幅值;f为信号频率。在信号过零点时：取，则得原点处转换的不确定电压误差为：误差百分数：为了确保A/D转换的精度，使它不低于0.1%，不得不限制信号的频率范围。一个8位的A/D转换器(量化精度0.1%)，孔径时间10us，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为： 式（3-4） (2)为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应工频交流电信号的变化要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。采样保持器的作用就是在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，一般情况下采样信号都不能直接送到A/D转换器转换，还需要加保持器作信号保持。保持器把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换器转换结束。T为采样周期，K=0,1,2,为采样序号。采样保持器的基本组成如图3-6所示，图3-6 采样保持器的组成由输入缓冲器A1,A2和采样开关K、保持电容CH等组成。采样时，K闭合，Vin通过A1对CH快速充电，VOUT跟随Vin;保持期间，K断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT=VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便函应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。本系统采用的是LF398采样保持器，它的CH当取为0.01uf时，信号达到0.01%精度所需的获取时间为25us，保持期间的输出电压下降率为每秒3mv。若A/D转换器的转换时间为100us，转换期间，保持器输出电压下降约300uv。(3)A/D转换器在实际应用上，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行输入模拟信号极性转换等设计。通常，逐次逼近式或并行比较式A/D转换器的模拟输入通道形式较多，例如ADC0809，但它为多路单极性输入方式，由于本系统的信号输入是交流形式即双极性输入的，所以应对输入电路做适当的调整，使其可以适应实际信号的采样要求，具体做法如图所示:在模拟信号输入ADC0809的管脚上接入偏置电阻，加偏置电阻应用下式计算而得到: 式（3-5） 式中，是标称量程输入电压值;R1应包括信号源之内阻。根据本系统的要求需输入的满量程电压值为+5v-5v，经计算可得偏置电阻的阻值为5.1K，系统总数据采集通道如图3-7所示: 图3-7 A/D转换接口电路3.2.3 外部存储器的扩展设计为了简化硬件线路，提高系统的可靠性，将使用锂电池与静态RAM封装在一起的静态RAM存储器。IBBSRAM用法，性能与SRAM存储器相同，引脚与相同容量的SRAM完全兼容，可以相互替换。常见的IBBSRAM芯片型号有DS1220,DS1225,DS1230和DS1245等。本系统采用了DS1225，外部引脚容易完全与SRAM6264,EPROM2764兼容。IBBSRAM芯片具有以下优点:IBBSRAM内部含有一块大容量长寿命的锂电池，在断电状态下，IBBSRAM芯片内部的信息可以保存10年以上，同时内部还有一个电源监控电路监视电压Vcc的变化，当Vcc小于4.75V(对于DS12XXAB芯片)或4.5V(对于DS12XXAD芯片)时自动进入写保护状态，防止意外写入;当Vcc大于3.0V时，改用外部电源Vcc供电;当Vcc上升到写保护阀值之上时，解除写保护状态，恢复芯片的读写功能，无需考虑防写入电路。读写时序与SRAM相同，典型的读写周期为120ms200ms之间。为了避免无谓的损耗，延长片内电池的寿命，全新的DS12XXX芯片的片内电池并未工作，第一次通电后，即在Vcc触发下，电池才工作。IBBSRAM芯片的缺点:价格高，当片内锂电池失效后，不再具备数据保护功能，且不能再生，即片内电池没有充电功能。由于DS1225具有掉电非易失性，可将外部扩展ROM和RAM合二为一，共用一个，DS1225为8K*8的容量可将前6K用于程序存储，后2K用于外部RAM使用。在寻址上，采用两个与门分别接RAM的OE端和CS1。如图3-8所示:图3-8 外部存储器的扩展电路3.2.4 掉电检测及看门狗电路的电路设计当电源非正常时，未稳压的直流电源电压经电阻R1和R2分压，使电源故障输入端PF1的电位大于1.26V，则电源故障输出PF0将从高电平变为低电平，从而引起89C52的INT0中断，CPU响应中断后可迅速执行诸如保护重要数据，发生电源报警等任务。设:未稳压的直流电源V=18V则VPF1=V/(R1+R2)设:R1=10则R2=900如图3-9所示:图3-9 电源监控及看门狗电路看门狗电路监视89C52的P1.7线，正常情况下，P1.7线不超过1.6s触发一次。若在1.6s内单片机不产生触发信号，看门狗输出端WD0将变为低电平。由于WD0与手动复位端MR相连，当WD0的低电平超过140ms,MAX705将自动复位，同时使看门狗定时器清零和使WD0变为高电平。MAX705的复位信号RESET输出低电平经与非门反相后送入89C52的RST端，从而迫使89C52复位，该复位信号维持200ms后结束，89C52也就脱离复位状态，开始恢复程序正常运行，此外，系统按下复位键可使89C52机复位。3.2.5 键盘及显示电路的设计9键盘采用了中断的控制方式，共设四个键，一个键用于中断申请，其他三键用于功能设置。显示采用五位LED七段数码显示器，其中一位小数，四位整数，段码是由CD4511译码锁存驱动器形成的，而地址是和片外存储器统一编址的，由74LS139译码器的Y2线所选通。键盘和显示接口电路如图3-10所示。3.2.6 串行通信接口的设计10AT89C52内部有一个可编程的、全双工的异步通信接口，该接口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲器SBUF(发送缓冲器和接收缓冲器)、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门以及两条独立的收发信号线RXD(P3.0)和TXD(P3.1)等组成。图3-10 键盘和显示接口电路发送缓冲器只能写入要发送的数据，但不能读出。接收缓冲器只能读出接收到的数据，但不能写入。这两个物理上独立的缓冲器却对应着同一个特殊功能寄存器SBUF，且共用一个字节地址99H。特殊功能寄存器SBUF是不可位寻址的。此外，还有两个特殊功能寄存器SCON和PCON分别用于控制串行口的工作方式及波特率等。波特率发生器可用定时器T1来构成，在本系统中用T1定时器工作于方式二所构成的。串行接口标准的确定:利用AT89C52进行串行异步通信时，其串行口的接口电平是TTL电平.若采用TTL电平直接接在电缆上传输信号，传输距离一般不超过1.5M。为了实现可靠性的通信要求，宜采用标准串行接口。异步串行通信接口主要有三类:RS-232C,RS-449,RS-422,RS-423和RS-485,20mA电流环。每种接口都有其相应的通信标准，以及相对应的接口芯片。选择串行通信标准和接口芯片时应考虑可靠性，通信速度及通信距离，抗干扰能力等方面。例如，采用RS-232C所提供的单向数据传输时。最大数据传输率为20KB/S,最大传送距离为15M。RS-232广泛用于数字设备与数据通信设备(调制解调器)之间的接口，以实现远距离通信，如图3-11所示我们可以将RS-232与MODEM相连实现公用电话线的信息传送。但使用电话线进行远程抄表时，必须考虑管理中心计算机定期查询用户用电数据的周期，由于每查询一次，都要拨号，此费用均累计在用户电话账号下，若周期太短，会给用户带来大量额外开销，因此，最好选用适当的查询频率，或使用校园网络。图3-11 带有MODEM的RS-232与计算机通信的接口信号传输的过程中，由于RS-232C接口标准的接收器与发送器之间有公共信号地，不可能使用双端信号(差分信号)，只可能传送单端信号，这样共模噪声就会耦合到系统中。传输距离越长，干扰就越严重。因此，为了可靠地传送信息，不得不增大信号幅度。RS-232标准规定，数据线TXD和RXD采用负逻辑，低电平在-3v-15v之间为逻辑“1”，高电平在+3v+15v之间为逻辑“0”。上述电平称为EIA电平，它与TTL电平不同。然而，微机接口以及内部电路都是采用TTL电平和CMOS型电路(MCS-51串行口的接口电平就是TTL电平)，这些电路都不能直接与RS-232C接口直接连接，中间必须要进行电平转换。目前，RS-232C与TTL的电平转换最常用的芯片是传输线发送器MC1488和传输线接收器MC1489。MC1488内部由三个与非门和一个反相器构成，应用时与非门的两个输入端可以并联。MC1488的最大额定供电压为Vcc=+15V,Vee=-15V，输入电压范围为-15V+7V，极限输出电流为l0mA，最大功耗为1W。MC1489由4个反相器组成，每一个反相器都有一个控制端，高电平有效。输入阻抗为3K7K，输入信号范围为-30V+30V，最大允许供电电压Vcc=l0V，输出负载电流为20mA，允许功耗为1W。两台相连的MCS-51单片机之间的RS-232C接口电平转换调整电路.此电路中MC1488是发送器，它的TTL电平转换为RS-232C电平。MC1489输出转换速率，使转换速率低于30v/us,C1的取值一般在0.001uf0.0luf。MC1489反相器的响应控制端与地之间接一个滤波电容C2用于提高RS-232C抗干扰能力，该电容一般取0.001uf0.01uf，有时可取更小的值，甚至不具体的串行通信接口的设计如图3-12所示:图3-12 串行通讯接口电路3.2.7 压电源的设计11本系统供需两种电压等级，即+12/-12v,+5/-5v，如图3-13所示:图3-13 系统稳压电源首先电源通过降压变压器将220v交流电变成12v的交流电，然后通过桥式整流电路将其整流为脉动直流电，且在整流元件上并接了0.01uf的瓷片无感滤波电容(一般取2200uf或3300uf)其作用有两方面，一是加强对直流电的滤波效果，使直流电的波形变得更加平滑稳定;二是延长在瞬间掉电后维持输出有足够的时间以使单片机完成数据的保持工作，稳压部分采用三端集成稳压器，其芯片内部有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，其稳压性能非常好，两边各接入的C1,C2分别改善纹波，消除自激振荡，改善输出端的瞬间响应。为了防止稳压器输入端短路而烧坏集成稳压器，再输入输出端接一个大电流二极管，为了进一步延长电源掉电后的延时时间，在稳压输出端再次并接470uf的电解电容。3.2.8 警电路的设计图3-14