单相电子式预付费电度表的单片机带PCB.doc

攀枝花学院本科毕业设计（论文） 单相电子式预付费电度表的 设计与实现 学生姓名： 学生学号： 院（系）： 电气信息工程学院 年级专业： 指导教师： 二七年六月 摘 要 单相电子式预付费电度表和传统的电度表相比，能实现从电能数据采集、传 输到处理的自动化，它克服传统人工抄表模式的低效率和不确定性，能推进电能 管理的现代化。单相电子式预付费电度表的设计是以 AT89C52 单片机为核心来 实现的。该课题设计在硬件电路部分完成了计量、复位及晶振、显示、IC 卡接口、 电能存储器、掉电检测等电路的设计；程序部分实现了初始化子程序、计量子程 序、中断子程序、显示子程序等子程序的设计。系统中使用 SM9903 作为计量芯 片，并通过存储 IC 卡 AT24C01 作为电管部门与用户连接的桥梁，来存储由售电 管理系统写入的卡号、电量值等。 单相电子式预付费电度表不仅具有电能计量、预付费等功能，并且具有接口 简单、结构紧凑、计量准确、精度高等特点。同时由于设计中应用了线性稳压电 源，大大减少了来自于电源的干扰，提高了电度表工作的可靠性。 关键词 单片机 AT89C52，计量芯片 SM9903，IC 卡 AT24C01，预付费，电度表 ABSTRACT Compared with the traditional meter ,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 management 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 card interface, energy memory, power-fail detection circuit design; procedures for achieving some of the initialization subroutine, the subroutine measurement, interruption subroutine, the subroutine shown such subroutine design. SM9903 system used as a measurement of chips, and memory IC card AT24C01 as electricity and regulatory departments and users connecting to the bridge, to be sold by the store management system into the card number, the value of electricity. Single-phase electronic Prepayment Meter is not only used for metering, prepaid expenses, it also has a simple interface, compact structure, Measurement accuracy, and high precision characteristics. Moreover, due to the design of linear Regulators Applied Power, greatly reducing the power supply from interference, improve the reliability of the power meter. Key words MCU AT89C52，measurement chip SM9903，IC Card AT24C01，prepayment，Power Meter 目 录 摘摘 要要.I ABSTRACTII 1 1 绪论绪论2 1.11.1 课题研究背景介绍课题研究背景介绍.2 1.1.1 电度表的发展.2 1.1.2 单相电子式预付费电度表的研究意义2 1.1.3 单相电子式预付费电度表的特点与功能.2 1.21.2 单相电子式预付费电度表设计的任务、要求及内容单相电子式预付费电度表设计的任务、要求及内容3 1.2.1 设计任务与要求3 1.2.2 设计内容.3 2 2 单相电子式预付费电度表总体方案的设计单相电子式预付费电度表总体方案的设计4 2.12.1 方案设计与论证方案设计与论证.4 2.1.1 电能计量系统方案设计4 2.1.2 预付费系统方案设计6 2.22.2 系统原理框图的确定系统原理框图的确定.11 3 3 单相电子式预付费电度表硬件电路的实现单相电子式预付费电度表硬件电路的实现12 3.13.1 有功电能测量的基本原理有功电能测量的基本原理12 3.23.2 电能计量电路的实现电能计量电路的实现13 3.2.1 SM9903 芯片介绍13 3.2.2 计量电路的设计15 3.33.3 单片机控制电路的设计单片机控制电路的设计.16 3.3.1 AT89C52 单片机介绍16 3.3.2 单片机复位、晶振电路的设计18 3.43.4 显示电路的实现显示电路的实现.19 3.4.1 SMG12232B-2 显示器介绍20 3.4.2 显示电路的设计22 3.53.5 其他部分电路设计其他部分电路设计.23 3.5.1 IC 卡接口电路23 3.5.2 电能存储器24 3.5.3 掉电检测电路25 3.63.6 单相电子式预付费电度表电路的单相电子式预付费电度表电路的 PCBPCB 设计设计25 3.6.1 系统原理电路25 3.6.2 PCB 设计的基本原则26 3.6.3 电源线和地线设计方法27 4 4 系统程序的设计系统程序的设计28 4.14.1 系统程序流程图的设计系统程序流程图的设计.28 4.24.2 子程序的设计子程序的设计29 4.2.1 系统程序的初始化29 4.2.2 电能计量子程序及中断子程序设计30 5 5 提高预付费电度表可靠性的措施提高预付费电度表可靠性的措施32 5.15.1 提高预付费电度表可靠性的硬件措施提高预付费电度表可靠性的硬件措施32 5.1.1 稳压电源的考虑32 5.1.2 串行 EEPROM 的选择33 5.1.3 IC 卡接口电路33 5.1.4 掉电检测电路.33 5.25.2 提高预付费电度表可靠性的软件措施提高预付费电度表可靠性的软件措施33 5.2.1 单片机程序出错时能自动纳入正轨33 5.2.2 采取措施保证 EEPROM 数据写入的可靠性34 5.2.3 保证 IC 卡与电度表准确地交换数据.34 5.2.4 定时设置 I/O 口状态.35 结结 论论.36 参参 考考 文文 献献37 附录附录 A A 系统原理图系统原理图38 附录附录 B B 单相电子式预付费电度表的单相电子式预付费电度表的 PCBPCB 图图39 附录附录 C C 部分程序部分程序40 致致 谢谢49 1 绪论 1.1 课题研究背景介绍 1.1.1 电度表的发展 电度表作为电能计量工具，在国民经济各部门中得到广泛应用。最初,使用 的都是机械式感应电度表。它具有耗电多、笨重、需要手工抄表、不防窍电、性 能低等缺点。随着微电子技术的迅猛发展，微控制器（单片机）和大规模集成电 路在电能计量领域的广泛应用，使电度表的技术水平和性能得到长足发展。既而 出现了各种各样的电度表，如:单相电子式预付费电度表、单相电子式复费率电 度表、单相电子式多功能电度表、电子式有功电度表、三相电子式有功无功电度 表、三相电子式预付费电度表、三相电子式复费率电度表、三相电子式多功能电 度表等等。他们根据不同的应用环境，以及用户所需要功能的不同，在国民经济 中分别发挥着重要的作用。 目前，单相电子式预付费电度表正处于完善成熟阶段，随着不断引进和采用 国外先进技术与工艺，以及随着科技的迅速发展，单相电子式预付费电度表将以 更加成熟的技术和先进的特色工艺及高可靠性呈现在用户面前。 1.1.2 单相电子式预付费电度表的研究意义 电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节，电能计量系统能实现从电 能数据采集、传输到处理的自动化，它克服传统人工抄表模式的低效率和不确定 性，能推进了电能管理现代化。 现在高等院校的学生公寓，一般对学生用电实行敞开供应，用电收费。因此， 新建的学生公寓应对每一个房间均装有电能表或其他形式的电能计量装置来实现 学生买多少就用多少电。本课题设计的单相电子式预付费电度表完全可满足这种 社会需求的。 1.1.3 单相电子式预付费电度表的特点与功能 单相电子式预付费电度表虽然只是普通的计量工具，但是由于微控制器的 引入，对设计者提出了很高的要求。这是因为由电源等的引入的干扰很容易导 致程序出错，可能引起不可预测的后果，诸如剩余电能等数据的丢失或改变、 电度表死机等情况。像家用电脑和普通仪器仪表对死机是允许的，通过人工复 位、重新设置等手段就可恢复，但对电度表而言则是致命的。而且单相电子式 预付费电度 表的工作条件相当恶劣，因此对该系统的可靠性要求也相对较高，一般说来， 主要体现在以下几个方面： 常年不间断运行，这要求设备具有高质量和高可靠性。 电度表进行校表时要经历最劣的慢上下电考验。所谓慢上电是指电度表 的电源电压从零到最大的时间太长，不能使单片机很可靠的复位，致使 电度表工作异常；慢下电是指电源断开时，单片机的电源不会马上为零， 而需要一段时间，在这段时间中，单片机中的程序指针 PC 可能会出错， 即程序跳出正常轨道，出现混乱，甚至陷入死循环。 由于主要面向广大群众，要求成本要尽可能低，所以在保证可靠性的前 提下，要求硬件电路简单。 电能的计量关系到用户缴纳电费的多少，涉及经济的事实不允许出现差 错，所以电度表要求对电能计量准确、精度高。 正因为如此，该单项电子式预付费电度表与以往的电表相比具有接口简单、 结构紧凑、可靠性高、稳定性好等特点。它主要用于小范围家庭或学校的电能 消耗的测量。它不仅能进行电能计量，电表管理等功能，并且具有计量精度高、 电磁兼容性能好、过载能力强、功耗低、防窃电等特点。 功能： 用户将存有电量的 IC 卡插入卡槽,卡中电量被读入表内，同时把 IC 卡清 “0” 。 专卡专用，一户一卡。当有非本机卡或异物插入卡槽时，能及时发现，切 断卡座的供电，并在液晶显示屏上给出相应的汉字提示信息。保护了电度 表，提高了安全性。 电度表在正常工作时，液晶显示剩余电能值，已用电能值，使用户直观地 了解电度表工作是否正常及用电负荷的大小。 用电时，能随时改写剩余电量和已用电量。 当表内剩余电能20kWh 时，在 LED 显示屏上显示以提醒用户余电不多， 及时购电。 当剩余电能为 0 时，自动断电，这时用户不能用电；在用户将重新购电的 IC 卡插入卡槽时，电表完成第一条的功能，并立即恢复供电。 有负荷限制功能。当用电电流大于 25A 时，自动断电。5 分钟后恢复供电。 有防窃电功能。当不法者试图窃电时，电表仍然在计量电能。 具有掉电保护功能。掉电时，自动把剩余电量从 RAM 转储在 E2PROM 中。 1.2 单相电子式预付费电度表设计的任务、要求及内容 1.2.1 设计任务与要求 任务：设计并制作一个采用 IC 卡的单相电子式预付费电度表。 要求： 电能计量准确、精度高。 电度表正常工作时，能显示剩余电能值、已用电能值，使用户直观地了解 电度表的工作是否正常及用电荷的大小。 当表内剩余电能不足 20kWh 时，能提醒用户余电不多，及时购电。 具有掉电保护功能。 1.2.2 设计内容 单相电子式预付费电度表系统主要包括电能计量系统和预付费系统。电能计 量系统主要应完成电能测量、电能值显示、超负荷断电等功能；预付费系统主要 是利用 IC 卡实现先付费，再用电。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。 根据本课题设计的任务及技术指标要求，本次设计主要应完成两个方面的内 容： 硬件电路设计：电能计量电路的设计、复位晶振电路的设计、显示电路的 设计、IC 卡接口电路的设计、电能存储器、掉电检测等电路的设计 监控程序的设计：初始化、电能计量、中断、显示、掉电检测等子程序的 设计。 2 单相电子式预付费电度表总体方案的设计 2.1 方案设计与论证 2.1.1 电能计量系统方案设计 方案一 机械电子式 前置通道采用原感应式电度表电路，通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。 具体方案是在转盘上涂上大约 1cm 宽的“黑条” ，在转盘的上方或下方设置一红 外线发射接收对管。当红外线照射在“黑条”处，红外线被吸收，无反射，即接 收管受不到红外线；当红外线照在其他部分时，被反射，接受管能接收到红外线。 这样转盘每转一圈，产生一个脉冲，再通过对脉冲的整形、计数、显示完成电能 的计量。这种方案显示直观，读数容易，但它仍然具有机械式感应电度表的缺点， 即耗电多、笨重。 方案二 模数转换式 对电流和电压分别采样，再通过 A/D 转换器转换成数字信号，然后送入单片 机进行相乘运算。并在 CPU 中设置一个定时器定时对功率进行累加，其系统框 图如图 2.1 所示。 这种方案对信号的采样速率快，但 A/D 转换器的精度要求高，而且由于电网 的电力谐波引入前置通道，导致 A/D 转换后产生错误数据。为抑制这种干扰，必 须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大。这将 增加 CPU 的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。 方案三 电压频率转换式 图 2.1 方案二的系统框图 I U I/U 变换 A/D 转换 A/D 转换 CPU IC 卡卡座 控制键盘 液晶显示器 采用电压频率（V/F）转换器加单片机实现对电流和电压的 A/D 转换。这样， 模拟通道中本身的干扰信号被抑制。无须专门的 A/D 转换器，大大减少了硬件成 本。CPU 只需对 V/F 转换后的脉冲进行定时计数，便可测出电压和电流的数字量。 同时，电压和电流分别经过零检测电路。将过零脉冲送 CPU 处理，得出电流和 电压的相位差（） ，经过查表得功率因数（）计算,便得有功功coscosPUI 率,再定时累加就是电能值。系统框图如图 2.2 所示。 这种方案的 CPU 要实现读写卡控制、求功率因数（） 、电能计算等功能，cos 负担较重，一般的 MCS-51、MCS-96 和 PIC 系列单片机难以胜任。 方案四 功率累加式 将端口电流和电压先送入模拟乘法器相乘，得到一个与功率P成正比的模拟 电压（或电流） ，再经过 V/F 变换（或 I/F 变换）变成频率信号。单片机对频f 率信号进行累加，便可得到电能。系统框图如图 2.3 所示。f 这种方案不但兼有方案三的优点，而且对 CPU 的要求低，采用 MCS-51 系列 单片机完全可以胜任。而且，现在已有集成电路（如：BL0932、SM9903）将模 拟乘法器、低通滤波器和 V/F 变换器集成，其性能指标都远远高于分立元件。 基于以上分析，方案四明显优于其他三种方案。其中，模拟乘法器、低通滤 波器和 V/F 变换器采用集成电路 SM9903。CPU 采用 AT89C52，它内部有 8KB I U I U 图 2.3 方案四的系统框图 图 2.2 方案三的系统框图 液晶显示 器 控制键盘 IC 卡卡座 CPU I/U 变换 过零检测 过零检测 V/F 转换 模 拟 开 关 CPU 液晶显示 器 控制键盘 IC 卡卡座 V/F 转换 器 低通滤波器 模拟乘法器 I/U 变换 串行通信 接口 EEPROM 存储器 无 芯片安全保护措施, 无安全控制逻辑 触点 图 2.4 存储器卡的逻辑结构图 的程序存储器，应用于此系统绰绰有余。采用液晶显示器，可大大减少功耗，并 且可显示汉字，使界面清晰、明了。 2.1.2 预付费系统方案设计 方案一 采用非加密存储器卡作为销售电能的传输媒质 非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片，起逻辑结构如图 2.4 所 示 存储器卡的特点： 卡内嵌入的芯片多为通用 EEPROM。 无安全控制逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取。 卡片制造中也很少采取安全保护措施。 多采用 2 线串行通信协议（I2C 总线协议）或 3 线串行通信协议（SPI 协 议） 。 非加密存储器卡信息存储方便、使用简单、价格便宜，很多场合可替代磁卡。 但由于本身不具备信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的场合，其典型 型号有： AT24C01A/02/04/08/16/32/64 二线串行 EEPROM。 AT93C46/56/66 三线串行 EEPROM。 Microchip 24LC01A/02/04/08/16/32/65 二线串行 EEPROM。 SLE4418 智能型 1KB EEPROM。 SLE4432 智能型 256B EEPROM。 AT45D041 大容量（4KB）闪速存储卡。 对于某单位或学校内部进行定量用电，超标付款，则可采用此方案。 方案二 加密存储器卡 加密存储器卡（Security Cards 接触型）的芯片由非易失性存储器和硬件加密 通信接口 EEPROM 存储器 PROM ROM 安全及控制逻辑 有芯片安全保护措施 触点 图 2.5 加密存储器卡的逻辑结构图 表 2-1 加密存储器卡的存储结构 逻辑构成，其逻辑结构如图 2.5 所示。 加密存储器卡的特点： 具有安全控制逻辑，安全性能较好。 同时采用 ROM、PROM、EEPROM 等存储技术。 从芯片制造到交货，均采用较好的安全保护措施。 为提高安全性，加密存储器卡的存储空间被分为多个不同的功能区，典型 的存储结构如表 2-1 所示。 区域名地址 （B） 位数说明 制造区0113 芯片制造商代码（一旦写入，不可更改，用于识别卡 的来源） 发行区2532卡制造商，发行商代码 密码区6824 持卡人密码（PIN，由发行商在卡售于个人时预先写 入，用卡时将之与持卡人输入的密码相比较，相符才 允许对应用区进行读写和修改该密码） 密码计数区98 允许连续输入错误密码的次数（34） ，若达到则卡 自缩，以防止对 PIN 的非法试探 个人区101332持卡人个人信息，可自由读写 应用区1477512应用数据 擦除密码区788024 擦除密码，仅供发行商使用，与发行商输入的密码比 较，相等即可对整个应用区置 1（擦除） ，以实现卡的 重复使用 擦除计数区818864 擦除次数，该区每一个 1 表示可进行 1 次擦除操作， 每输入 1 次擦除密码（无论对错）就将一个 1 置 0， 该区全为 0 时，卡片使用寿命结束，该区本身的擦除 只能在发行前进行，一旦发行，只能置 0 和读出 加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑。在访问存储器前，需要 核对密码。只有密码正确，才能存取数据。允许连续密码核验的错误次数很少 （一般在十次以内） ，可以有效防止非法试探。若在限定的次数密码仍不对，则 卡片死锁作废。这类器件保密性较好，应用较广泛。典型型号和特性参数如表 2- 2 所示。 表表 2-2 加秘存储器卡的典型型号和特性参数加秘存储器卡的典型型号和特性参数 SLE4406SLE446XSLE4442SLE4418 产品描述带保密逻辑的 88B EEPROM 计数卡 带保密逻辑和高级 保密认证的 498B EEPROM 计数卡 带写保护功能和 保密逻辑的 256B EEPROM 计数卡 带写保护功能的 1KB EEPROM 计 数卡 ROM16B16B PROM56B185B32B1024B EEPROM32B36B256B1024B 最小写/擦除 时间(ms) 5355 工作电压(V)5555 最大供电电 流(mA) 3101010 写/擦除次数 (次) 100 000100 000100 000100 000 数据保持(年) 10101010 注释20 000 个计 数单位 20 000 个计数单 位 此方案保密性优于方案一，可用于社区或以村为单位的预付费用电系统。 方案三 CPU 卡 CPU 卡的硬件构成包括 CPU、存储器（含 RAM、ROM、EEPROM 等） 、卡 与读写终端通信的 I/O 接口及加密运算协处理器 CAU，如图 2.6 所示。 其中： CPU 一般均为兼容于 8 位字长单片机等（如 MC68HC05、Intel8051 等） 的微处理器。它将在 COS(Chip Operation System，片内操作系统）控制下， 实现卡与外界的信息传输、加密、解密和判别处理等。 ROM 用于存放 COS,3KB16KB。 RAM 用于存放中间处理结果及作为卡与读写器间信息交换的中间缓冲器， 128B1KB。 EEPROM 则是真正可供用户访问的存储区，用于保存卡的各种信息、密 码、应用文件等，1KB16KB。 CPU 卡（Smart Cards 接触型）内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部 除了带控制器、存储器、时序控制逻辑外，还带有算法单元和操作系统。CPU 卡 有存储容量大、处理能力强、信息存储安全等特性，因此广泛应用于信息安全性 要求特别高的场合。其典型型号有： MC68HC05SC01 1.8KB ROM / 36BRAM / 1KB EPROM / 无 EEPROM； MC68HC05SC21 6KB ROM / 128BRAM / 无 EPROM / 3KB EEPROM； MC68HC05SC26 6KB ROM / 224BRAM / 无 EPROM / 1KB EEPROM； MC68HC05SC27 16KB ROM / 240BRAM / 无 EPROM / 3KB EEPROM； MC68HC05SC28 13KB ROM / 240BRAM / 无 EPROM / 8KB EEPROM； MC68HC05SC29 13KB ROM / 512BRAM / 无 EPROM / 4KB EEPROM； 此方案保密程度高，适用于大范围（如全国性的）预付费售电系统。 方案四 射频 CPU 卡 射频 CPU 卡是射频识别系统的电子数据载体，卡中嵌有耦合元件和微电子 芯片，其结构如图 2.7 所示。在读写器的响应范围之外，射频卡处于无源状态。 通常，射频卡没有自己的供电电源（电池） ，只是在读写器响应范围之内，卡才 是有源的，卡所需要的能量以及时钟脉冲、数据，都是通过耦合单元的电磁耦合 作用传输给卡的。 耦合元件 图 2.6 CPU 卡结构示意 图 RAMEEPROM CPUI/O ROM CAU 输入/输出接口微处理器 协处理器 只读存储器随机存储器可编程存储器 触点 射频 CPU 卡必须配有相应的读写器，典型的射频 CPU 卡读写器包含有高频 模块（发送器和接收器） 、控制单元以及与卡连接的耦合元件，如图 2.8 所示。由 高频模块和耦合元发送电磁场，以提供射频 CPU 卡所需要的工作能量以及发送 数据给卡，同时接收来自卡的数据。此外，大多数射频 CPU 卡读写器都配有上 传接口，以便将所获取的数据上传给另外的系统（如个人计算机、机器人控制装 置等） 。 射频 CPU 卡与接触式 IC 卡相比，有以下特点： 可靠性高、寿命长。由于读写之间无机械接触，避免了因接触读写而产生 的各种故障；且射频 CPU 卡及读写器表面均无裸露的触点，无须担心触 点损坏或脱落、卡弯曲损害所致之卡片失效；卡和读写器均为全封闭防水、 防尘结构，既避免静电、尘污对卡的影响，也可防止粗暴插卡、异物插入 读写器插槽以及读写器“吃卡”等问题。这些都将大大提高卡及机具的可 靠性和使用寿命。 操作快捷便利。无接触通信使读写器在 10范围内就可以对卡片操作， 无须插拔；且射频 CPU 卡使用时无方向性，卡片可以任意方向闪过读写 图 2.7 射频 CPU 卡的基本结构 射频 CPU 卡读写器 耦合元件 计算机 数据 时序 能量 耦合元件 （线圈、微波天线） 射频 CPU 卡 芯片 外壳 图 2.8 射频 CPU 卡系统的基本组成 器表面完成操作，既方便又提高了使用速度。 动态处理。由于射频 CPU 卡与读写器之间通信时处于相对运动的状态， 对电路的处理速度、可靠性等都提出了更高的要求，因此，对应用安全性 要求较高的场合，目前仍主要采用接触式 CPU 卡，射频 CPU 卡正处于发 展中。 成本较高。显然，由于卡和读写器都需要将射频技术结合进去，因此，必 然会增加其成本。 射频 CPU 卡典型型号如表 2-3 所示。 采用射频 CPU 卡作为销售电能的传输媒质，不但安全性甚强，而且可靠性 高，经久耐用。但是读卡器电路复杂，成本高。甚至读卡器成本高于电度表本身 的成本。显而易见，这种方案不适用于民用。 所以在对以上四种方案的比较后，在本设计中，选用第一种方案，以非加密 存储器卡作为售电的传输媒质，具体型号是 AT24C01。用 Visual C+在微机上编 制相应的售电管理系统，配以相应的读卡器实现对 IC 卡的初始化、卡号识别、 充值等操作。 表 2-3 射频卡的典型型号 型号程序存储器容量(KB)RAM 容量(B) AT88SC514128 AT88SC528256 AT88SC5312256 AT88SC5416256 AT88SC54C16256 AT88SC5520512 2.2 系统原理框图的确定 根据以上各种方案的比较与选用，再根据具体设计指标的要求，设计系统的 原理框图如图 2.9 所示 计量模块使用电能计量芯片 SM9903 对用户的电能进行计量，通过光耦连接 到单片机。AT89C52 单片机使用 EEPROM 存储器对用户信息（包括已用电量、 剩余电量等）进行存储。液晶显示电路和 IC 卡接口电路分别采用 SMG12232B-2 液晶显示器和 AT24C01 芯片，再配合掉电检测电路，使得系统有更高的可靠性。 单片机 AT89C52 光耦 计量模块 SM9903 液晶显示 SMG12232B-2 EEPROM IC 卡卡座 AT24C01 掉电检测 电路 3 单相电子式预付费电度表硬件电路的实现 3.1 有功电能测量的基本原理 本设计采用有功电能测量集成电路 SM9903，芯片内部包含了四象限模拟乘 法器、积分器、电压频率转换器 VFC、计数器（分频器）及控制逻辑，它能将 正弦电压和电流相乘后，转换为频率输出。只需对输出脉冲累计计数，就可计量 出电能。 SM9903 内部电路模型如图 3.1 所示。 积分器V/F 转换器 四象 限模 拟乘 法器 u i p P 在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为： 图 3.1 SM9903 内部电路模型示意图 图 2.9 系统原理框图 2cosuUt 2 cos()iIt 式中，为交流电压瞬时值， 为交流电流瞬时值，为交流电压有效值，为交uiUI 流电流有效值，为交流电的角频率，为电压电流的相位差。 ui 经四象限模拟乘法器相乘后的瞬时功率为： 2cos2 cos()puiUtIt coscos()UIt 可见，瞬时功率有恒定分量和正弦分量两部分，正弦分量的频率是cosUI 电压（或电流）频率的两倍。图 3.2 所示为正弦电流、电压和瞬时功率的波形图。 在图 3.2 中，是瞬时电压， 是瞬时电流，是瞬时功率。uip 瞬时功率经积分器后，得有功功率，即pP 00 11 coscos(2) TT PpdtUItdt TT UIUIcos 一段时间内的电能为TW 00 cos TT WPdtUIdt cosTUITUI 以上分析表明，有功功率为恒定分量，将正比于的电压经 V/F 变换后，PP 输出的是频率随变化的脉冲，只需将脉冲累计计数，则计数值即为电能。PN 3.2 电能计量电路的实现 单相电子式付费电度表的硬件电路可分为电能计量电路、复位晶振电路、显 示电路、IC 卡接口、电能存储器、掉电检测几大模块。下面对各部分电路的设计 图 3.2 瞬时功率曲线（）0 情况进行介绍。 3.2.1 SM9903 芯片介绍 电能计量电路采用电子电度表专用集成电路 SM9903。首先有必要介绍一下 SM9903 的相关特点和技术参数。 SM9903 采用 3硅栅 BICMOS 工艺制成。电路设计先进，内部集成有缓m 冲放大器、乘法器、V/F 型 A/D 转换器等电路。本芯片模拟部分和数字部分可分 开供电，所以可靠性较高。封装采用 DIP20 塑封。 特点 精确测量正负两个方向的有功功率，且以同一个方向计算电能。 线性度高，动态工作范围宽。 具有防潜动功能。 MCU 数据接口。 直接驱动步进电机。 适用于单相、三相电度表。 低功耗。 20 年使用寿命。 功能 SM9903 是将取自电阻网络的交流电压和交流电流信号进行放大。应用乘法 器将功率转换成电压，再通过 V/F（电压频率转换）型 A/D 转换器等电路将电 压信号转换成可供 MCU 读取和直接驱动步进电机的数字信号。SM9903 同时具 有测量负向有功功率的功能，测量负向有功功率以正向有功功率计算，并通过 IND（9 脚）输出负电平以指示测量负向有功功率。 管脚图及定义 SM9903 管脚如图 3.3 所示，其管脚定义如表 3-1 所示。 C2 20 COM 19 18 C1 17 VDD VI1 VI2 GNDA Vv 1 2 3 4 OSCOUT 16 OSCIN 15 14 DMO2 13 DMO1 NC VR1 VR2 POUT 5 6 7 8 GNDD 12 IND 9 VSS 11 TC 10 管脚号符号说明 1VI1电流取样信号输入 2VI2电流取样信号输入 3GNDA模拟地端 4VV电压取样信号输入 5NC与 4 脚内部互相联结 6VR1参考电压 1 外调整端 7VR2参考电压 2 外调整端 8POUT有功功率计算输出脉冲 9IND负向有功功率指示 10TC测试控制端 11VSS负电源(-5V) 12GNDD数字地端 13DMO1脉冲电机驱动输出 1 14DMO2脉冲电机驱动输出 2 15OSCIN晶振输入 16OSCOUT晶振输出 17VDD正电源(+5V) 18C1积分电容 1 19COM积分电容公共端 20C2积分电容 2 两种输出波形 将 SM9903 的测试控制端 10 脚接地时，脉冲输出脚（8 脚）输出频率为 8.192kHz 的脉冲调制信号，如图 3.4 所示。 将 SM9903 的测试控制端 10 脚接-5V 时，脉冲输出脚（8 脚）输出无调制的 脉冲信号，如图 3.5 所示。 t V_POUT O -4V O -4V V_POUT t 图 3.3 管脚图 表 3-1 管脚定义 3.2.2 计量电路的设计 在本设计中，用 SM9903 构成的电能计量电路如图 3.6 所示。 在图 3.6 中，采用 340的锰铜片作为电流采样电阻，用精密金属膜作为电 压采样电阻。所以该电能表的常数为 1600/kWh，它表示对应于 1 kWh 电能的输 出脉冲数（pulse）为 1600 个。基本量程为 5A，最大量程可达 20A。220V 交流 电经过 340的锰铜片电阻获得电流采样信号，再通过精密金属膜电阻网络得到 电压取样信号。C4、R17、VD1、VD2、C8、C9、VZ1、VZ2 为电容降压式电源， 为 SM9903 提供5V 的工作电压。其中 VZ1、VZ2 分别为+5V 电源、5V 电源 中的稳压管。 32768Hz 石英晶体为表用晶体振荡器，为 SM9903 提供时钟。 C6、C7 为积分电容。R8 为参考电压调整电位器。从第 8 脚输出的有功功率积算 脉冲，经过光耦合器送至机械式计数器。本电路无须机械计数器。 图 3.4 输出波形图 一 图 3.5 输出波形图 二 图 3.6 SM9903 构成的电能计量电路 C2 20 COM 19 18 C1 17 VDD VI1 VI2 GNDA Vv 1 2 3 4 OSCOUT 16 OSCIN 15 14 DMO2 13 DMO1 NC VR1 VR2 POUT 5 6 7 8 GNDD 12 IND 9 VSS 11 TC 10 AB CD 10A10A 10A10A R14 R15 100 100 RV1 271 R1 430K R12 330K R17 470 R3 47K R2R4 R5 470K820K5.1K R6 680K R8 20K R94.7K R10 4.7K R13 100K R11 3K C1 C2 4700PF 4700PF C4 C5 0.33uF 630V 0.1uF C6C7 4.7nF 4.7nF C8C9 100uF 100uF D1 D2 IN4007 IN4007 Z1Z2 5.1V5.1V C100.1uF 32768Hz SM9903 IC1 OUT 3.3 单片机控制电路的设计 控制部分为整个电度表的心脏，实现电能脉冲、掉电信号、卡信号、串行 EEPROM 数据的采集和读写，完成显示驱动模块的控制和继电器的驱动等功能。 单片机的选择是决定电度表性能的关键因素，本设计采用 MCS-51 系列单片 机，其特点是通用性强，堆栈丰富和编程容易。其 Flash 型如：Atmel 公司的 AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051 等和台湾华帮公司的 W78E51、W78E52 等，使用十分方便。51 系列单片机的指令系统中，23B 的 指令很多。当程序指针 PC 跳飞至某条指令的中间时，会把操作数当成指令码执 行而引起混乱，这一致命的弱点将导致电度表的可靠性下降。所以，在软件中， 必须采用相应的措施加以解决。这在后面的提高付费电度表可靠性的措施中将做 详细的论述。 所以本次设计选用 Atmel 公司的 AT89C52，其内部有 8KB 的程序存储器， 无须外部扩展，使硬件电路简单。 3.3.1 AT89C52 单片机介绍 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、工作特性和指令系统等方面完全兼容。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 5（10.2）V，且典型值为 5V； AT89C52 最高工作频率为 24MHz。 引脚排列及功能 AT89C52 的引脚排列如图所示。 0.1pF C32 0.1pF C31 10pF C13 20pF C14 20pF C15 VD10 1K R50 10K R22 10K R30 4.7K R23 10K R51 S2 12MHZ 12 IC2 TL521 VCC VCC VCC +5 S1 +5 +5 +5 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RESET 9 RXD 10 TXD 11 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 WD 16 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 VCC 40 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 EA 31 ALE 30 PSEN 29 P2.7 28 P2.6 27 P2.5 26 P2.4 25 P2.3 24 P2.2 23 P2.1 22 P2.0 21 AT89C52 P0.3 36 功能： P0 口8 位、漏极开路的双向 I/O 口。 当使用片外存储器及外扩 I/O 口时，P0 口作为低字节地址/数据复用线。在编 程时，P0 口可用于接收指令代码字节；在程序校验时，P0 口可输出指令字节 （这时需要加外部上拉电阻） 。 P0 口也可作通用 I/O 口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向口。当作为普 通输入时，应将输出锁存器置 1。P0 口可驱动 8 个 TTL 负载。 P1 口8 位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。 P1 口是为用户准备的 I/O 双向口。在编程和校验时，可用做输入低 8 位地址。 用做输入时，应先将输出锁存器置 1。P1 口可驱动 4 个 TTL 负载。 P1.0 口可替代 T2 做定时器 2 外部事件输入端；可编程脉冲输出端。P1.1 可 替代 T2EX 作定时器 2 的捕捉重装触发器输入端；定时器 2 的计数方向控制端。 P2 口8 位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。 当使用片外存储器或外扩 I/O 口时，P2 口输出高 8 位地址。在编程/校验时， P2 口可接收高字节地址和某些控制信号。 P2 口也可作普通 I/O 口使用。用做输入时，应先将输出锁存器置 1。P2 口可 驱动 4 个 TTL 负载。 P3 口8 位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。 P3 口作为普通的 I/O 口。用做输入时，应先将输出锁存器置 1。在编程/校验 时，P3 口接收某些控制信号。它可驱动 4 个 TTL 负载。 P3 口还提供各种替代功能，如表所示。 引脚替代功能说明 P3.0RXD串行数据接收 P3.1TXD串行数据发送 图 3.6 AT89C52 引脚 图 表 3-2 P3 口替代功 能 P3.2INT0外部中断 0 申请 P3.3INT1外部中断 1 申请 P3.4T0定时器 0 外部事件计数输入 P3.5T1定时器 1 外部事件计数输入 P3.6WR外部 RAM 写选通 P3.7RD外部 RAM 读选通 RST复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作时候，在 RST 脚 施加两个机器周期（即 24 个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。 VCC电源电压输入引脚。 GND电源地。 XTAL1片内振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入端。使用片内振 荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。 XTAL2片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，外接 石英晶体和微调电容。 当使用外部振荡器时，引脚 XTAL1 接收外振荡器信号，XTAL2 悬空。 3.3.2 单片机复位、晶振电路的设计 设计 AT89C52 单片机复位、晶振电路如图 3.7 所示。 0.1pF C32 0.1pF C31 10pF C13 20pF C14 20pF C15 VD10 1K R50 10K R22 10K R30 4.7K R23 10K R51 S2 12MHZ 12 IC2 TL521 VCC VCC VCC +5 S1 +5 +5 +5 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RESET 9 RXD 10 TXD 11 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 WD 16 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 VCC 40 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 EA 31 ALE 30 PSEN 29 P2.7 28 P2.6 27 P2.5 26 P2.4 25 P2.3 24 P2.2 23 P2.1 22 P2.0 21 AT89C52 P0.3 36 图 3.7 AT89C52 单片机控制电路 IC4 与时钟电路（包括晶体振荡器、电容 C14、C15 和内部电路） ，上电复位 电路（包括 R23、C13、S2、VD10、C31、R50）构成单片机的最小系统。其中， 晶体振荡器选用 12MHz 的高稳定无源晶体振荡器，它与 AT89C52 中的反向放大 器构成振荡器，给 CPU 提供高稳定的时钟信号。电容 C14、C15 可起频率微调作 用，电容值在 5pF30pF 之间选择，本电路选 20pF。电容 C13 和电阻 R23 构成 上电复位电路。电源开启时，电源对电容 C13 充电，在 CPU 的复位端产生一高 脉冲。只要高电平的维持时间大于两个机器周期（24 个振荡周期） 。CPU 就可复 位。二极管 VD10 的作用是当断电时，可使电容 C13 所储存的电荷迅速释放，以 便下次上电时可靠复位。电容 C13 可滤除高频干扰，防止单片机误复位。按键 S2 和电阻 R50 构成按键复位电路。 电阻 R30 和按键 S1 构成键盘，用以实现显示内容的切换。电能脉冲由 IC1 的 8 脚经光电耦合器 IC2 送到 IC4 的 T0 端，用以实现脉冲计数。 3.4 显示电路的实现 本系统采用液晶显示器。其特点是显示内容丰富（可显示汉字） ，功耗小， 可靠性高，电路简单。选用的器件型号是：SMG12232B-2，显示容量为 12232 点阵。采用总线方式连接。 3.4.1 SMG12232B-2 显示器介绍 主要技术参数 SMG12232B-2 的主要技术参数如表 3-3 所示。 显示容量12232 点阵工作温度-10+50 芯片工作电压4.55.5V存储温度-20+60 芯片工作电流5mA(5.0V)背光源类型EL 最佳工作电压5.0V背光源工作电压5.0V 点尺寸0.8mm0.78mm背光源工作电流30mA 接口信号说明 SMG12232B-2 的接口信号说明如表 3-4 所示。 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1RST复位端（高电平复位）9DB1数据口 1 2VCC电源正极10DB0数据口 0 3DB7数据口 711GND电源地 表 3-3 SMG12232B-2 的技术参 数 表 3-4 SMG12232B-2 的