基于单片机的电表控制系统的研究.doc

辽宁科技大学毕业设计 论文 第 I 页 基于单片机的电表控制系统的研究 摘 要 计算机技术和微电子技术的迅猛发展 促进了仪表向智能化方向发展 智能化 仪表的广泛应用 给我们的生活带来深刻的变化 本设计在原有的机械电表的基础上应用新技术 深入研究 IC 卡电表控制系统的 各部分功能以及实现方法和整个系统的实用性 本文选用西门子公司生产的逻辑加 密卡 SLE4442 为信息载体 主要完成 IC 卡电表控制系统的设计并简单介绍 IC 卡技 术 在硬件设计方面 以 80C51 单片机为核心分析和设计了电量采集电路 数码管 显示电路 供电控制电路 报警电路 稳压直流电源电路 并分析了它们的工作原 理和功能 独立完成了电表控制系统内部各器件的选型和接口设计 在软件设计方 面 主要包括主程序 脉冲中断子程序 显示子程序 用户卡子程序等程序的流程 图 本文以硬件为主 采用软硬件相结合的方法对电表控制系统进行研究 并取得 了初步成果 关键词 单片机 IC 卡 电度表 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 II 页 Abstract The rapid development of computer technology and micro electronics technology has promoted the electricity meter development towards intelligence Intelligent electricity meter application on many areas has brought profound changes to our lives With foundation on intrinsic mechanism electricity meter the design introduces some new technology and deeply researches IC card electricity meter controlled system function of every part realization ways and practicability of the whole system This paper chooses Siemens company s logical encrypted card SLE4442 as information medium to complete IC card electricity meter controlled system s design mainly and introduces IC card technology briefly In the aspect of hardware it analyses electronic collected circuit numeral tube display circuit power supply controlled circuit alarming circuit voltage stabled direct current source circuit and analyses their working principle and functions Independently it completes the choice of electricity meter controlled system s inherent devices and the design of interface In the software aspect it includes the flow chart of main procedure pulse interrupt procedure display procedure user s card procedure and soon With the way that gives priority to hardware combines hardware with software it gives research to electricity meter controlled system and finally gets the primary success Keywords Single Chip microcomputer IC card Electricity meter 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 III 页 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 IC 卡电表控制系统设计背景及目的 1 1 2 本文的研究目的 2 1 3 本文的研究内容 2 第 2 章 IC 卡的基础知识 4 2 1 IC 卡的特点 4 2 2 IC 卡的结构 4 2 3 IC 卡的标准及协议 4 2 4 IC 卡的分类 5 2 5 逻辑加密卡 SLE4442 的结构和工作原理 5 第 3 章 IC 卡电表控制系统设计功能及原理图 8 3 1 电表控制系统原理图 8 3 2 硬件电路设计 9 3 2 1 单片机选择 9 3 2 2 电量信号计数采集电路 11 3 2 3 LED 显示电路的设计 12 3 2 4 IC 卡的选择 14 3 2 5 IC 卡的输入电路 14 3 2 6 存储芯片的选用 15 3 2 7 用户供电控制电路和警报电路的设计 15 3 2 8 看门狗复位 电压监控电路的设计 16 3 2 9 电源电路设计 17 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 IV 页 第 4 章 IC 卡电表软件设计 19 结 论 25 致 谢 26 参考文献 27 附录 A 28 附录 B 36 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 1 页 第1章 绪论 1 1 IC 卡电表控制系统设计背景及目的 随着现代信息技术的高速发展 越来越多的高科技产品进入我们的生活中 信 息技术的应用已经渗透到人类社会生活的各个领域 使人类社会发生着深刻的变化 在美国 90 年代初提出了 国家信息基础设施 NII 计划 之后 欧共体 日本 新加 坡等国家也相继制定了信息高速公路计划 以此来加速本国的信息化程度 IC 卡作 为一种新的高科技产品正在引起人们的广泛关注 它标志着又一种新的信息处理手 段的问世 也标志着信息社会的到来 由于 IC 卡具有防磁 防静电 抗破坏性和耐 用性强 防伪性好 数据存储容量大 存储数据安全性高 可加密 应用设备及 系统网络环境成本低 技术规范成熟等特点 其极高的安全性已越来越受到人们的 重视已在越来越多的领域取代磁卡 得到越来越广泛的应用 为此 我国在这方面 的战略举措是中国政府提出的以 金桥 金卡 和 金关 为代表的三金工程 金关 工程指的是对外经贸信息网 金桥 工程指的是国家公用经济信息通信 网 它是三金工程的基础 金卡 工程指的是电子货币工程 它是推进我国国民 经济信息化的重大工程之一 主要是以 IC 卡为媒介 利用我国信息产业部以及银行 的网络资源 通过 金桥 网构成经济信息系统 为银行商贸及旅游的部门服务 正是由于 IC 卡具备诸多无可比拟的优点 因此在金融 税务 公安 交通 邮电 通讯 服务 医疗 保险等各个领域都得到了广泛的重视和应用 未来多功能卡的 普及与应用将改变整个社会的生活方式 是人类全面迈向信息化 电子化时代的钥 匙 在 21 世纪发展最为迅猛的行业主要就是计算机 通讯 电子 生物学等 从发 展走向成熟的过程中 已经在各个行业中广泛应用 尤其在人们日常生活中的应用 给人们带来极大的便利 电子信息行业是个新兴的行业 其中最具核心价值 最具 发展潜力的技术 主要包括微电子技术 计算机技术 网络技术 通信技术 软件 技术和显示技术等 IC 卡电度表就是在原有的机械电表中创造性地加入新兴电子信 息技术 而在这所有技术中 集成电路制造技术是电子信息硬件产品的核心 而集 成电路技术的核心是具有信息处理能力的单片机 单片机的兴起与发展 为电子行 业迅猛发展起到了巨大的推动作用 它的应用领域无所不在 在人们日常生活的应 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 2 页 用主要包括家用电器 通信 仪器仪表和计算机外围设备制造 由于单片机是面向 控制器的 用途对象比较专一而且目标明确 与微机相比价格相对较低 节约了成 本 虽然单片机已经从 4 位机 8 位机发展到了 16 位机 32 位机 但现在单片机的 发展和应用仍然还是以 8 位机为主 MCS 51 系列单片机是美国 INTEL 公司于 1980 年推出的产品 与 MCS 48 系列单片机相比 它的结构更先进 功能更强 在原来 的基础上增加了更多的电路单元和指令 指令数达到 111 条之多 MCS 51 系列单片 机可以算是相当成功的产品 一直到现在 MCS 51 系列或其兼容的单片机仍是应 用的主流产品 MCS 51 单片机以其典型的结构和完善的总线 专用寄存器的集中 管理 众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统而著名 为今后的其它 单片机的发展奠定了基础 正因为其优越的性能和完善的结构 因而常采用它作为 核心来统筹管理整个系统基于这种形式和已有的技术 我们在采用智能化管理的同 时必须兼顾系统的集成性及合理性 研制出一套价格适中 方便实用的产品是可以 的 1 1 2 本文的研究目的 在现阶段 我国的电力收费基本上都是靠人工来完成 即由抄表人员挨家挨户 查抄电表 核实无误后再收取电费 在收费过程中常常会遇到用电客户不在家 而 改天再专门来收取电费 这种落后的抄表收费方式浪费大量的人力 物力 抄表人 员的劳动繁重性可想而知 再者 现代人工作繁忙 楼宇大多装有防盗门 收费工作 更加不便 据资料记载 这种人工收费方式在我国已持续相当长时期 这与当今世 界高度发展的科技水平极其不相称 本设计提出了一种全新的民用电表的收费方式 IC 卡预付费电表收费系统 实现了用电收费电子化 而且还改变了先用电后收费 的状况 电力部门能预先收取每个用户的部分费用 用于电力事业的发展 该收费 系统只需要用户去当地电力部门认购一张 IC 卡 由电力部门将用户个人信息存储到 IC 卡并预付一定的电费 用户可以在家里随时远程交付电费 这样就不需要电力部 门在派专人挨家挨户的收取电费 可以节省大量的人力 物力 1 3 本文的研究内容 本设计主要是完成以 80C51 单片机为核心 并应用 SLE4442 逻辑加密卡技术的 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 3 页 IC 卡电度表控制系统的硬件设计和软件设计 本文共分为四章 第一章绪论 介绍 了 IC 卡技术的应用领域和发展前景 第二章简要介绍了有关 IC 卡的基础知识 包 括 IC 卡特点 结构 标准及协议 分类 较为详细介绍了逻辑加密卡 SLE4442 的 结构 第三章主要是智能表的硬件设计 包括器件选择和工作原理以及与单片机的 接口设计 第四章则对电表控制系统进行了初步的软件设计 该控制系统经过简单 的改进也可以适用于水表 煤气表等仪表控制系统中 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 4 页 第2章 IC卡的基础知识 2 1 IC 卡的特点 IC卡是微电子技术和计算机技术领域的结晶 是一种全新的信息处理方式 IC 卡内部具有高科技产品集成电路 可以存储大量信息 具有极强的保密性能 而且 抗干扰强 无磨损 寿命长 IC卡还具有写入数据和存储数据的能力 IC卡存储器 中的内容根据需要可以有条件地供外部读取和供内部进行信息处理 2 2 IC 卡的结构 IC 卡 又称为 集成电路卡 智能卡 英文名称 Integrated Circuit Card 或 Smart Card 是法国人 Roland Morono 于 1974 年发明的 将具有存储 加密及数 据处理能力的集成电路芯片模块镶嵌在和信用卡尺寸一样大小的塑料基片中 便构 成了 IC 卡 IC 卡一般由不易挥发性的存储器 ROM EPROM EEPROM 保护 逻辑电路 甚至包括微处理器 CPU 组成 2 3 IC 卡的标准及协议 接触型 IC 卡的国际标准是最广为人知的 ISO7816 我国已采用其第 1 2 3 部 分作为中国国家标准 此标准定义了塑料基片的物理和尺寸特性 7816 1 触点的 尺寸和位置 7816 2 信息交换的底层协议描述 7816 3 7816 4 论述了跨行业的 命令集 物理特性应符合 ISO7816 1987 中规定各类识别卡的物理特性和 ISO7813 中 规定的金融交易卡的全部尺寸要求 此外还应符合国际标准 ISO7816 1 1987 中规 定的附加特性 机械强度和静电测试方法 触点尺寸与位置应符合国际标准 ISO7816 2 1982 中的规定 电信号与传输协议 IC 卡与接口设备之间电源及信息交换应符 ISO IEC7816 3 1989 的规定 行业间交换用命令 有相应的国际标准 ISO IEC7816 4 1994 但该版本尚未 正式通过 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 5 页 应用标识符的编号系统和注册过程应符合国际标准 ISO IEC7816 5 1994 的 规定 按照国际标准 ISO7816 对接触式 IC 卡的规定 在 IC 卡的左上角封装有 IC 卡 芯片 其上覆盖有 6 或 8 个触点和外部设备进行通信 如图 2 1 所示 图 2 1 ISO 标 准 的 IC 卡 按 ISO 标准 IC 卡芯片的触点极其定义为 C1 Vcc IC 卡工作电源 C2 RST 复位信号 可选 C3 CLK 有关信号的定时与同步 C5 GND 地 C6 Vpp 存储器编程电源 可选 C7 IC 卡中串行数据的输入 输出 剩余的 2 个触点 C4 C8 视不同情况在有关应用标准中予以定义 2 4 IC 卡的分类 IC 卡按应用领域可分为金融 IC 卡和非金融 IC 卡 IC 卡按读 写方法分类可分为接触型 IC 卡和非接触型 IC 卡 IC 卡按内部结构分类可分为存储卡 IC 卡 逻辑加密 IC 卡 智能卡 CPU 2 5 逻辑加密卡 SLE4442 的结构和工作原理 SLE4442 卡由德国西门子 SIEMENS 公司设计 它由 256X8 位字节的主存储器 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 6 页 和 32 位的保护 PROM 存储器构成 它具有 2K 的存储容量和完全独立的可以控制擦 除 写入主存储器的保护控制逻辑单元 内部高泵电压提升电路保证了芯片能够以单 5V 电压供电 2K 的存储容量能够保证存储电表数据的要求 1 芯片特点 1 芯片采用 NMOS 工艺技术 每字节的擦除 写入时间最多为 2 5m s 2 存储器提供最少 10 万次的擦除 写入次数 数据保存时间至少 10 年 3 SLE4442 采用双线通信协议 其复位应答符合 ISO7816 3 标准 它的触点定 义和串行接口符合 ISO7816 标准 同步传输标准 2 SLE4442 卡的结构 SLE4442 IC 卡芯片主要包括二个存储器和一个保护控制逻辑单元 1 256X6 位 EEPROM 型主存储器 2 32 X1 位 PROM 型保护存储器 3 保护控制逻辑单元 SLE4442 卡的存储器如图 2 2 所示 图 2 2 SLE4442卡的存储器结构图 1 主存储器 主存储器为可重复擦除使用的 EEPROM 型存储器 它的地址是 从 00H 到 FFH 主存储器的擦 写是按照字节进行的 在擦除时 一个数据字节的所 有 8 位被全部设置为逻辑 1 在写入时 待写入数据和字节中的数据做 与 操作 通常 要改变一个数据需要先进行擦除 再进行写入这两项操作 主存储器可分为 保护数据区和应用数据区 保护数据区 主存储器前 32 个字节为保护数据区 地址从 00H 到 31H 这部 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 7 页 分的数据读出不受限制 但擦除和写入操作受到保护数据器内部数据状态的限制 这个 PROM 可以被熔断 从而不被改变 根据这一特性 我们将主存储器的保护数 据区作为 IC 卡的标识数据区 存放一些固定不变的标识参数 应用数据区 主存储器后 224 个字节为应用数据区 其地址从 20H 到 FFH 这 部分的数据读出不受限制 但擦除 写入均受保护控制逻辑单元的数据校验比较结果 的影响 当需要修改应用数据区的内容时 必须先输入一个 3 字节长的 校验字 它与存在保护控制逻辑单元里的 参照字 比较一致时 才允许擦除和写入操作 2 保护存储器 保护存储器是一个 32X1 位的一次性可编程只读存储器 它是 按字位方式寻址和写入 保护存储器每一位对应着主存储器地址从 0 到 31 的每一个 字节 保护存储器每个被写 0 的单元所对应的主存储器的字节单元将不再接受任 何擦除和写入操作命令 从而使得该字节单元内的数据不可再改变 保护存储器本 身的读出操作不受限制 但对其写入操作也受保护控制逻辑单元比较校验操作结果 的控制 3 保护控制逻辑单元 保护控制逻辑单元是一个 4X8 位的 EEPROM 型存储 器 保护控制逻辑单元的第 1 2 3 字节为 参照字 存储区 这 3 个字节的内容在比 较成功前是不可读的 只能进行比较操作 第 0 字节为密码输入错误计数器 EC 密码输入错误计数器的有效位是低 3 位 芯片初始化时 计数器设置成 111 这 一字节是可读的 每次比较密码时 先要判定计数器中是否还有 1 如有 则将 一个 1 写 0 然后进行比较 校验字 操作 如果比较结果一致 密码输入错 误计数器将允许进行擦除操作 同时打开主存储器 保护存储器和保护控制逻辑单 元 并允许进行擦除和写入操作 如果比较结果不一致 则密码输入错误计数器中 1 的个数少 1 位 当连续三次输入错误密码后 则芯片的存储单元将全部被锁死 但只要有一次比较通过 则在下次上电时密码输入错误计数器的低 3 位将被恢复为 111 保护控制逻辑单元写入和擦除操作也受自身比较结果的控制 2 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 8 页 第第3 3章章 ICIC卡电表控制系统设计功能及原理图卡电表控制系统设计功能及原理图 3 1 控制系统原理图 电表控制系统由单片机 80C51 电量采集电路 声光报警断电控制电路 IC 卡 读写系统 外接存储器 EEPROM 六位 LED 数码管显示器和看门狗组成 电表 控制系统原理图如图 3 1 所示 8 0 5 1 看门狗 电量采集电 路 声光报警 断电控制 EEPROMIC 卡座 六位 LED 图 3 1 电表控制系统原理图 电表控制系统可以实现预付费功能 显示功能 报警功能 断电功能和抗干扰 功能 1 预收费功能 用户从电力公司买到一张 IC 卡后 只要向电力公司预交一定 的费用 就可获得相应的用电度数 然后将此卡插在带有计费功能的 IC 卡电表中 电 表会自动读取卡中的买电度数值 而后可以取出卡自己保存 电表在软件控制下 自动 减去用电值 2 显示功能 电表可随时显示表中所剩余的度数 为了节省系统电能的消耗和 电表中电子器件的使用寿命 数码管显示部分并不是总亮着 而是由用户自己控制其显 示功能 当需要显示时 按下启动显示键即可显示 样便于用户了解电量的使用情况 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 9 页 以便及时交费 也可对电力部门的工作进行监督 3 报警功能 当表中剩余的度数值低于一定值时 电表将会进行声光报警 提醒 用户去买电 4 断电功能 如果用户不及时买电 而又继续用电时 电表有自动断电的电路 将 切断电源供应 用户买来电后 再将卡插入电表中 电表读取卡中数值后 又可自动恢 复供电 5 复位和抗干扰功能 采用应用最为广泛的看门狗技术 3 2 硬件电路设计 硬件电路包括单片机 电量采集电路 显示电路 IC 卡接口电路和保护电路等 的设计 硬件电路原理图如图 3 2 所示 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 22 Jun 2006Sheet of File I 111 biyesheji DDBDrawn By EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 8051 R7 10K 5 GND 5 SW1 9 I O 7 CLK 3 RST 2 SW2 10 NC 8 NC 4 NC 6 VCC 1 U4 SL E4442 R8 10K R9 10K Q6 9012 VCC R25 1K 5 Q7 9012 R5 1K R6 1K R22 1K Q8 9012 Q2 9012 R24 1K R30 0 22K Q3 9012 5 P23 12M Q1 9012 Q11 9012 5 C2 30p R1 0 51k R17 0 1K R29 0 22K D2 C3 30p R15 0 2K R11 1K 5 DIN0 1 DIN1 2 DIN2 3 DIN3 4 DIN4 5 DIN5 6 DIN6 7 DIN7 8 GND 9 CMP 10 DOUT 7 11 DOUT 6 12 DOUT 5 13 DOUT 4 14 DOUT 3 15 DOUT 2 16 DOUT 1 17 DOUT 0 18 ULN2803 P24 a bf c g d e DPY12 3 4 5 6 7 a b c d e fg 8 dp dp DS5 DPY 7 SEG DP R16 18K ab Q10 9012 c R3 10k Q4 9012 d ISET 18 V 19 DOUT 24 SE GA 14 SE GB 16 SE GC 20 SE GD 23 SE GE 21 SE GF 15 SE GG 17 SE GDP 22 GND 9 GND 4 DIG7 8 DIG6 5 DIG5 10 DIG4 3 DIG3 7 DIG2 6 DIG1 11 DIG0 2 CLK 13 LOAD 12 DIN 1 MAX7219 e R34 10K P25 fgdp R14 26K a 5 J DK RELA Y b cd R21 1K e f DG 5 12 LS1 g dp 5 a a bf c g d e DPY12 3 4 5 6 7 a b c d e fg 8 dp dp DS4 DPY 7 SEG DP 5 bc P26 Q5 9012 d e P21 DG 5 f R26 0 22K g R32 0 22K dp a b P22 DG c 5 d INT0 P21 R28 0 22K e f 5 DG g dp a R18 1K R10 0 2K b c d RESET e f DG gdp a bf c g d e DPY12 3 4 5 6 7 a b c d e fg 8 dp dp DS3 DPY 7 SEG DP dp Q9 9013 DG INT0 g B1 fe d c b P25 dp 5 1 2 3 45 6 7 8 A0 A1 A2 GNDSDA SCL TE ST VCC 24C02 g f R35 1K R19 1K R20 1K a bf c g d e DPY12 3 4 5 6 7 a b c d e fg 8 dp dp DS2 DPY 7 SEG DP R31 0 22K e P24 d 1 2 3 A 4093 c a bf c g d e DPY12 3 4 5 6 7 a b c d e fg 8 dp dp DS1 DPY 7 SEG DP D1 a R4 1K b D3 5 a P04 R23 1K a bf c g d e DPY12 3 4 5 6 7 a b c d e fg 8 dp dp DS1 DPY 7 SEG DP P06 P23 R33 0 22K P22 5 INT1 5 R27 0 22K P04 5 C1 0 1uF Q12 3DU5 R2 1K P06 5V FUSE 250V 1A T1 TRAN S1 C10 104 C9 104 C7 104 C8 470uF 16V C6 2200uF 35V R36 0 1K 1 2 3 JL CON3 1 2 3 4 D3 BRIDGE1 5 C11 470uF 16V Vin 1 GND 2 5V 3 7805 Vin 1 GND 2 12V 3 7812 R39 1K R38 0 1K 12V R37 1K 9012Q12 VCC IC 7407 L1 C12 104 5 GND C5 470uF R40 0 1K P26 RESET 5 B3R12 10K R13 1K CS 1 SI 5 SCL K 6 SO 2 Vss 4 WP 3 VCC 8 RESET 7 X5045 C4 10uF 图 3 2 硬件电路原理图 3 2 1 单片机选择 智能电表控制系统的核心是 80C51 单片机 它运算速度快 功耗低 采用 CMOS 工艺制造 稳定性很高 3 为适应现在全民节约的形势 可以在软件设计时 采用中断唤醒方式 能够大量减少单片机的工作时间 以降低系统的功耗 达到节 约的目的 80C51 单片机的结构如下 8 位中央处理器单元 CPU 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 10 页 4 KB 可 改编程序 Flash 存储器 可实现 3 个级别的程序存储器保护功能 可 经受 10000 次的写入 擦除 128 X8 字节的内部数据存储器 32 个可编程 1 0 引脚 2 个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 2 个优先级别 1 个可编程的串行通信寄存器 1 个片内时钟振荡器 80C51 结构如图 3 3 所示 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 8051 图 3 3 单片机结构图 51 系列的单片机大都是双列直插式 40 脚封装 引脚分配如图 3 3 所示 它们的 功能简述如下 VSS 引脚号为 20 电源地线 VCC 引脚号为 40 芯片的主电源 接 5V ALE PROG 引脚号为 30 地址锁存有效信号 在它的下降沿序时使 BUS P0 分时用作地址总线低 8 位和数据总线 PSEN 引脚号为 29 外部程序存储器选择信号 并在外部程序存储器读取指令 时产生 指令内容读到数据总线上 在执行内部程序存储器读取指令时 PSEN 无 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 11 页 效 RST VPD 引脚号为 9 复位输入信号 在震荡器工作时掉电情况下 VPD将为 芯片内 RAM 提供备用电源 EA VDD 引脚号为 31 访问外部程序存储器控制信号输入端 当为低电平时单 片机都到外部程序存储器读取指令 当 EA 为高电平且 PC 值小于 0FFFH 时 CPU 执行内部程序存储器的程序 P0 BUS 引脚号为 32 39 单片机的双向数据总线和低 8 位地址总线 在 分时操作时 先用作地址总线 在 ALE 信号的下降沿 地址被锁存 然后作为数据 总线 也可以作为双向并行 I O 口 P1 引脚号为 1 8 在对 Flash 存储器编程和程序校验时 P1 口接收低 8 位地 址 P2 引脚号为 21 28 在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器 时 P2 口送出高 8 位地址 P3 引脚号为 10 17 P3 口可用作输入口 P3 口的每一还有特殊的第二功能 如表 3 1 所示 表表 3 1 P3口的功能口的功能 端口引脚复用功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外部中断0 P3 3INT1 外部中断1 P3 4T0 定时器0的外部输入 P3 5T1 定时器1的外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 XTAL1 和 XTAL2 为内部荡振器外接晶振的二个输入端 引脚号分别为 19 18 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 12 页 3 2 2 电量信号计数采集电路 电量信号的采集原理十分简单 只需要在电度表的铝盘上贴一个反光标志 利 用光电耦合器对电表计数转盘上的反光标志进行检测 检测结果再经过非施密特触 发器 CD4093 整形后 以脉冲中断方式送入单片机外部中断 INT0 引脚 光电耦合器 的发光二极管长期通电发光 每当铝盘上的反光标志转到发光二极管所在位置时 反光标志将光反射到光敏三极管上 此时光敏三极管导通 非施密特触发器 CD4093 就会输出一个低电平到单片机的 INT0 中断端口 当铝盘的反光标志转离发 光二极管所在位置 则没有光反射到光敏三极管上 光敏三极管截止 此时非施密 特触发器 CD4093 就会输出高电平到单片机的 INT0 端口 其工作原理图如图 3 4 所 示 4 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title Num berRevisionSize A2 Date 22 Jun 2006Sheet of File I 111 biyesheji DDBDrawn By 5 R1 0 51k R3 10k R2 1K Q12 3DU5 C1 0 1uF INT0 D1 1 2 3 A 4093 图 3 4 电量采集器电路图 3 2 3 LED 显示电路的设计 当用户想了解剩余电量和累计用电量时 按下按钮 B2 单片机获得一个中断信 号 INT1 并且检测到 P04 为 0 则首先显示输出剩余电量 持续 5 秒钟后再显示用 户累计用电量 1 LED 数码管的显示方式及设定 LED 数码管是由 8 段发光二极管构成 因此也称为 8 段数码管显示器 其中八 个管脚分别是对七个发光二极管和小数点的驱动 另外两个管脚是对字段驱动 它 的 8 个发光二极管有两种接法 一种是把 8 个发光二极管的阳极连在一起构成了一 个公共的阳极 称为共阳极接法 另一种是共阴极接法 而我们所采用的就是共阴 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 13 页 极接法的发光二极管 LED 数码管的显示方法有两种 一种是静态显示 另一种是动态扫描显示 动 态扫描显示电路相对简单 因此采用动态扫描显示的方法可以满足单片机 I O 资源 的使用 对于动态显示则采用分时的方法即逐个循环地点亮各位显示器 为了在 LED 显示器上显示数字或符号 必须使 LED 的各个发光二极管按给定 的组合发光 这就需要为 LED 提供合适的定形代码 a g 组成 7 个数字表示显示字 段 dp 表示小数点显示字段 本设计的数码管显示器为五位 第一位为小数位 第 二位为个位 第三位为十位 第四位为百位 第五位为千位 第六位为万位 其中 第二个数码管的 dp 表示小数点 在软件设计中使其发光 2 数码管驱动芯片的选择及其应用 现在常用的数码管显示电路驱动芯片主要是 MAX7219 它连线简单 不占用数 据存储器空间 使用方便灵活 MAX7219 是八位串行共阴极 LED 数码管动态扫描 驱动电路的驱动芯片 其峰值段电流可达 40mA 仅使用单片机 3 个 I O 口即可完成 对六位 LED 数码管的显示控制和驱动 线路非常简单 控制方便 能方便的修改其 内部参数 外围电路仅需一个电阻设定峰值段电流 MAX7219 内部含有硬件动态扫描显示控制 它可以直接驱动 64 段 LED 条形图 显示器 数据通过单片机处理后送给 MAX7219 采用 16 位数据串行移位接收方式 当工作处于关闭方式时 单片机仍可对其传送数据和修改控制方式 而且芯片耗电 仅为 150uA MAX7219 是共阴极 LED 显示数码管的驱动器 具有多显示可控方式 DIN 为串行数据输入端 CLK 为串行时钟输入端 SGA SGP 为 LED 七段显示器段 驱动输出端和小数点驱动输出端 要在动态显示器的第二位上显示小数点 设置一 个控制字 当扫描到显示小数点的这位显示器时 就用到控制字来修改字位代码 使对应的小数点发光 DIG0 DIG7 为 8 位字驱动端 MAX7219 的字驱动端与数码 管的公共阴极相连 公共阴极由此吸入电流 为实现 LED 的动态扫描 除了把所有 显示器的 8 个显示段从左到右同名端连在一起外 还须对每个数码管显示器的公共 极 DG 实行独立的 I O 控制 这里只用到 DIG0 DIG5 驱动六位显示器输出字选信 号 LOAD 为装载数据控制端 Iset 为 LED 段峰值电流提供端 它通过一个电阻与 电源相连 以便给 LED 段提供峰值电流 GND 接地端 VCC 5V 电源端 MAX7219 驱动六位 LED 显示器 它的连线如图 3 5 所示 其中 P23 为 MAX7219 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 14 页 提供串行数据 装载数据由 P24 控制 P25 为它提供串行时钟脉冲 为数码管显示 器提供位控信号和段控信号 由于数码管位驱动是低电平有效 而 SEG 段控口是高电平有效 所以 MAX7219 后要加 ULN2803 作为驱动装置来作为反向驱动器 ULN2803 接到所有 字段口线 然后经过三极管和限流电阻来驱动 LED 显示器的每一个显示字段 这样 当所有显示器接收到 CPU 向显示段输出口送出的字形代码时 由 MAX7219 为显示器提供位控信号和段控信号 位控信号再经 ULN2803 反向器的取 反 将电平转换 然后通过三极管和限流电阻的驱动所有显示器 考虑一定的电路 需要 选 5V 作为电源来提供整个显示部分 动态显示必须由段控信号决定某一显 示器是否点亮 采用分时方法 循环地控制各个显示器的 DG 端 使各个显示字段 轮流点亮 在 LED 显示器扫描过程中 任何时刻只有一位显示器亮 但由于人眼的 视觉惰性 显示刷新很快时 可以认为全部显示 数码管显示器电路图如图 3 5 所 示 5 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 22 Jun 2006Sheet of File I 111 biyesheji DDBDrawn By Q6 9012 R25 1K Q7 9012 R22 1K Q8 9012 Q2 9012 R24 1K R30 0 22K Q3 9012 P23 Q1 9012 5R29 0 22K 5 DIN0 1 DIN1 2 DIN2 3 DIN3 4 DIN4 5 DIN5 6 DIN6 7 DIN7 8 GND 9 CMP 10 DOUT7 11 DOUT6 12 DOUT5 13 DOUT4 14 DOUT3 15 DOUT2 16 DOUT1 17 DOUT0 18 ULN2803 P24 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS5 DPY 7 SEG DP a b c Q4 9012 d ISET 18 V 19 DOUT 24 SEGA 14 SEGB 16 SEGC 20 SEGD 23 SEGE 21 SEGF 15 SEGG 17 SEGDP 22 GND 9 GND 4 DIG7 8 DIG6 5 DIG5 10 DIG4 3 DIG3 7 DIG2 6 DIG1 11 DIG0 2 CLK 13 LOAD 12 DIN 1 MAX7219 e R34 10K P25 fg dp a 5 b c d R21 1K e f DG 5 g dp R27 0 22K 5 5 a a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS4 DPY 7 SEG DP b c R33 0 22K Q5 9012 d e DG f R26 0 22K g R32 0 22K a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS1 DPY 7 SEG DP dp a b R23 1K DG a 5 c 5 b d R28 0 22K e a a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS1 DPY 7 SEG DP c f d 5 DG g e R31 0 22K a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS2 DPY 7 SEG DP R20 1K dp R19 1K f a R18 1K g b 5 dp c d b c e d f DG g e dp a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS3 DPY 7 SEG DP dp f DG g 图 3 5 数码管显示器电路图 3 2 4 IC 卡的选择 由于采用的是预付费 远程核算方式 需要用户先到电力部门认购 IC 卡和与其 相应的 IC 卡电表 因此要在 IC 卡上储存个人信息 IC 卡号和电表号 IC 卡密码以 及预付费金额等关键数据 必须将它们加密成密文保存 根据以上的实际情况 本 设计选择逻辑加密存储型的 IC 卡 它的存储容量为 2K 2K 的容量可以满足存储相 关数据的需要 存储的数据可能会在 IC 卡保留一段时间 所以 IC 卡要有非易失性 EEPROM 存储器 它的工作电压为 4 75V 5 25V 使用寿命为一万次擦写次数 综 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 15 页 合以上因素 本设计采用德国西门子公司生产的逻辑加密存储卡 SLE4442 为所选 IC 卡 3 2 5 IC 卡的输入电路 IC 卡输入电路由电阻 R7 R8 R9 按钮 B1 和 IC 卡接口组成 本设计采用的 IC 卡接口有 10 个引脚 引脚 1 接 5V 电源 引脚 2 3 7 分别和单片机的 P00 P01 P02 相连 这三个引脚要接上拉电阻 R7 R8 R9 引脚 9 和引脚 10 是一对常开触点 引 脚 10 接地 引脚 9 接按钮 B1 后再和单片机的 INT1 相接 当 IC 卡插入 IC 卡接卡 槽中时 引脚 9 和引脚 10 之间的触点闭合 此时单片机并不立即对 IC 卡操作 只 有在按下按钮 B1 单片机获得一个中断请求 并且检测到 P04 为 1 IC 卡获得供电 后才去对 IC 卡进行操作 这样可以有效去抖 提高了系统的稳定性 3 2 6 存储芯片的选用 存储芯片是一种用可电擦除的可编程只读存储器为核心的 能多次重复使用的 芯片 它本身就是一种数据存储介质 本设计采用美国 ATMEL 公司生产的 AT24C02 芯片作为数据存储器 它采用低功耗 CMOS 工艺制造 片内采用的高压泵 升电路 使芯片可采用单一电源方式工作 它的容量为 2K 位 内部组态为 256 个 8 位字节 随机寻址时需一个 8 位地址 支持 ISO IEC7816 3 同步协议 芯片数据的 擦写次数超过 10 万次 数据保存期可达 10 年以上 它是 8 引脚芯片 芯片的触点 配置符合 ISO IEC7816 2 标准 3 2 7 用户供电控制电路和警报电路的设计 1 用户供电控制电路设计 用户供电控制电路用于控制用户供电以及停止供电 供电控制电路由晶体管 Q9 继电器 J 限流电阻 R11 电阻 R10 和续流二极管 D3 组成 当用户的剩余电 量达到跳闸限值时 单片机从 P07 输出高电平 经电阻 R10 加到晶体管 Q9 的基极 使得 Q9 导通 则继电器 J 线包有电流流过 继电器吸合 使得继电器的常闭触点断 开 从而使供电电路断开 停止向用户供电 当用户的剩余电量尚未达到跳闸限值 时 单片机从 P07 输出低电平 使得晶体管 Q9 截止 继电器 J 线包没有电流流过 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 16 页 继电器不吸合 常闭触点接通 供电电路闭合 向用户供电 供电控制电路如图 3 6 所示 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 22 Jun 2006Sheet of File I 111 biyesheji DDBDrawn By C4 10uF R11 1K J DK RELAY 12 D3 R10 0 2K Q9 9013 图 3 6 供电控制电路 2 报警电路设计 本设计的报警电路的主要目的是提示用户的 IC 卡预付的电费不足 应及时去电 力部门预付电费 当用户的剩余电量达到预先设定的报警值时 单片机的 P22 P21 引脚分别输出低电平使晶体管 Q10 Q11 导通 报警电路就会发出语音提示 提醒 用户应及时预付电费 报警部分分为光报警和声报警两部分 如图 3 7 和 3 8 所示 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 21 Jun 2006Sheet of File I Backup of Backup of Backup of qingguo DDBDrawn By P22 R14 26K Q10 9012 R15 0 2K D2 5 图 3 7 光报警显示电路 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 22 Jun 2006Sheet of File I 111 biyesheji DDBDrawn By Q11 9012 R17 0 1K R16 18K LS1 P21 5 图 3 8 声报警电路 辽宁科技大学毕业设计 论文 第 17 页 使用时应特别注意发光二极管不要超过最大功耗 最大正向电流和反向击穿电 压等极限参数 3 2 8 看门狗复位 电压监控电路的设计 X5045 是集看门狗 电压监控 复位和存储等功能于一身的可编程电路 这种 组合设计减少了对电路板空间的设计需求 X5045 的性能稳定可靠 具有多功能 反应速度快 抗干扰能力强等特点 使用它可在 IC 卡电表控制系统对