基于IC卡的智能预付费电表的设计.doc

青岛理工大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 选题背景电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。近几年，国家连续出台的多项与电能表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电能表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。 随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。城乡电网改造，使电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品。因此研究本课题具有重要的实用意义。1.2 课题意义近几年，国家连续出台多项相关政策，尤其是国家十一五规划期间，对电工仪表的投入达到了前所未有的程度，政策带动了电能表需求的平稳上升。未来5年将对本行业带来影响的政策主要包括分时电价政策和民用电收费及装备发展政策。 2003年，国家发改委出台了关于运用价格杠杆调节电力供求合理用电有关问题的通知。在保持电价总体水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时电价，鼓励发电企业充分利用发电能力，促进用户用电移峰填谷。政策的出台，为复费率电能表的生产带来广阔的市场空间。 国家电网公司和中国南方电网公司对电网的改造及建设明显提速，根据十一五规划，各大电网已经做好了后续的改造规划，新一轮的电能表产品需求浪潮即将来临。面对新的形势，全面提高电子式电能表，尤其是技术含量高的产品的市场竞争力，重点突破多费率表和多功能表的现状，使电能表从数量优势向技术优势转变是电能表产业的发展趋势。电子式电能表是今后一段时间内的发展主流，技术含量高的产品发展空间大，经济效益也好，更应该作为今后发展重点。而要发展电子式电能表，核心技术是关键。1.3 国内外研究现状1.3.1 现有电表种类的分析 电气仪表有模拟式和数字式两种类型。模拟仪表史悠久，其原理及制造工艺均已成熟，该类仪表(带附加装置)可以实现指示、记录、调节、报警等功能，其特点是通过指针的移动，能连续、直观地反映被测变量(参数)的测量结果及变化过程。模拟仪表存在固有的局限性，其显示精度受到表盘刻度限制，精确度提高很困难；读数存在主观误差；模拟显示的跟随速度不能太快；模拟记录是一种纸制记录，换纸、换笔既不方便也很浪费；记录结果在纸上，利于信息的进一步处理。特别是在当代电力系统中变电站综合自动化系统的广泛应用的情况下越来越不适应工业自动化发展的需求。数字仪表是电子技术、计算机技术与精密测量技术结合的产物，已成为仪器仪表领域中一个独立分支。数字式仪表有响应快、分辨率高(分辩率不受表盘刻度的限制)等优点，还能实现人机对话。生产的发展对显示记录仪提出了越来越高的要求，需要仪表既准确的显示、记录参数大小，又能借助电脑连续反映出参数变化的过程和趋势。用户需要通过测量仪表准确判断设备运行状态从而有效分析数据和实现遥测，传统的单圈指示已经不能满足要求。因此，这种带有CPU的智能数字式显示记录仪，能与电脑有效连接以实现连续记录和数字显示仪表保护等的优点于一体，对仪表技术的开发和应用都有重要探讨价值。1.3.2 智能电表的发展及现状 1880年电能表诞生。19世纪末感应系电能表的制造理论就已基本形成。后来，为适应工业化和电能管理现代化发展的需求，电子式电能表应运而生。最初的电子式电能表仍基于感应系测量机构，只是表盘的旋转变成了电脉冲；随后出现了基于各种乘法器原理的电子式电能表。电能管理现代化需要访问多种信息并要求决策与电价器具之间能双向通信。数字乘法器型电子式电能表扩展功能方便，适合与配电自动化系统集成，将成为电子式电能表的主要发展方向。经过多年的发展，电力已经成为国家最重要能源之一，并逐步满足了工业用电和居民用电需求，解决了电力能源的供需矛盾。同时，电子技术、计算机技术和网络技术的发展，给供电部门和用电部门、居委会或物业管理部门在供用电管理的规范化、自动化和收费网络化方面提供了可能。在电度表改造或研制方面，出现了磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表、全电子电表、带有通信接口的电度表等多种类型的表计。在抄表方式上，使用远程自动抄表系统，解决了传统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程度低等问题。经过几年的实际应用，收到了较好的效果，已成为我国用电管理的主流。1.3.3 国内智能电表的发展情况目前，我国感应式表仍占据相当的市场。由于价格和使用条件等的制约，预计农网用户还将继续使用感应式单相表，而城网用户则会逐步推广电子式表。峰谷分时电价和避峰电价政策的出台，多费率表市场需求将进一步加大，尤其是大工业用户，对三相多费率表的需求，可能会产生快速的增长。另外三相高精度多功能表今后也将得到重点发展，这种表目前主要用于发电厂、变电站和各大用户，今后则将扩大应用到一般用电大户，甚至扩大到普通三相表用户中，这就意味着小用户电表市场容量将进一步扩大。此外具有远程抄表功能的电子表今后也将逐步发展，成为市场主流之一。 2000年初，电力供应紧张，国家试行并加大两部制电价和分时计费的应用范围，上海市推行黑白表也使得多费率电能表得以迅速发展，促进了电子式多费率电能表的使用。2002年，国家发改委正式发布推荐使用分时计费的产业政策。在市场的推动下，电子式电能表发展迅猛。中国目前已成为世界电能计量行业最具活力的市场。1.3.4 国外智能电表的发展情况国外电子表发展很快。芬兰、瑞典、挪威等北欧各国和法、英、德、西班牙、比利时和意大利等西欧国家，目前已经全部完成了工商用户电能表的100%电子化。居民用户表也正在逐步向电子化过渡，如法国2001年起已停止购装感应表；意大利也从2005年开始逐步把感应表更新为自动抄表的电子表；而英国目前已经有80%居民用上了电子式表。1.3.5 智能电表的发展趋势智能化电表，大体上可分为两种类型：带有微处理器的机电式和全电子式。机电式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来测量用户的用电量，如磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表等；而全电子式电度表则采用电压电流隔离方式，进行AD转换，将采样值相乘并累计计算用户的用电量。机电式智能电表成本较低，主要用于单相电度表，适合于居民用户使用。全电子式电表主要用于三相电计费，针对企业应用。为了实现远程自动抄表，应选择配有通信接口的智能电表，通常有RS485、RS232、CAN总线收发器或红外等几种接口形式。通信方式远程自动抄表系统的核心是利用计算机网络与通信技术，通过双绞线、电话线、电力线、无线电或红外线等通信方式，自动统计各个用户的用电量，并送传到远程监控中心，实现抄表自动化。电话线方式，电力线载波方式电力线载波(PowerLineCarrier，PLC)方式自动抄表系统，ASK(幅频键控)电力载波方式，SC(扩展频谱电力载波)方式的集成电路方案，无线通信方式，基于LonWorks技术的抄表方式等。 1.4 关于IC卡预付费电表功能的介绍 1.4.1 IC卡的介绍随着微电子技术的迅猛发展， 微控制和大规模集成电路在电能计量领域广泛应用， 使度表的技术水平和性能得到长足发展。一般情况是用户先用电， 再由电管部门抄表， 用再付费。所谓预付费是指用户 “先付款， 后用电” ，符合一般商品的消费特点。必须有一种媒介把用购买的电量送入电度表内， 这种媒介就是 IC卡。购电是在微机外连接一专用 IC 卡读写器， 与用高级言编写的售电管理软件一并构成售电管理系统。户将写有电量的 IC 卡插入预付费电度表的卡槽，在单片机的控制下将卡中电量读出， 且写入表内EEPROM 中， 同时把 IC卡中清 “0” 。 电子式预付费电度表集计量技术、电子技术、自化控制及计算机技术于一体 ,其原理是利用电能量集成电路对电压、电流取样信号进行计算处理 ,输出与有功功率成正比的频率信号(脉冲) ,微处器通过对脉冲计数来计算所消费的电量。单相电子式预付费电度表的主要功能: (1) 用户将本机的 IC卡插入卡槽 ,按一下按钮 ,卡中电量读入表内 ,与表内原电量相加 ,然后写入表内EPROM 中 ,同时把 IC 卡清“0” ; (2) 计量和显示能功能 ,使用户直观地了解电表工作是否正常及电负荷的大小; (3) 电量不足语音报警功能 ,即当表内剩余电量为 10 kW h 时 ,每隔半分钟语音报一次 ,以此提醒用户剩余电量不多 ,及时购电（4）有负荷限制功能。当用电电流 25 A (负荷限由供电部门设置)时 ,发出语音报警提示; (5) 防电及掉电保护功能。1.4.2 lC卡电能表管理信息系统的简介（1）lC卡电表系统是以IC卡安全技术为核心实现售电的智能化管理系统，达到一户一表、先买后用的目的，能够杜绝费用拖欠和流失现象，同时保证销售和供应过程的可靠性和安全性，利用很高的安全机制有效地防止恶意攻击和欺诈行为，供电公司作为应用提供方(Service Provider)，能够把整个系统应用置于自身全面的安全控管之下。（2）IC卡电表预付费系统采用智能卡(CPU卡)作为银行购电用户卡，同时采用嵌入式安全模块ESAM (Embedded Security Access Module)，在电表内实现安全数据存储以及和用户卡之间的相互认证和线路加密保护，达到了很高的安全水平。由于采用了符合国际、国家标准的智能卡和ESAM安全模块的应用模式，具备了安全性、灵活性、开放性、标准化、潜在的一卡多用以及容易移植和升级等众多方面的优点。（3）对于城市售电管理这样一个社会影响大、应用面广、使用时间长、安全性和可靠性要求高的系统工程项目，IC卡电表系统同时也考虑了延长产品和整个应用系统的生命周期等多方面的因素，因而具有较高的性能价格比，也符合国内外发展的趋势和潮流。（4）售电管理软件基本上均是采用3层BS结构的广域网网络版，同时采用银联接1：3同银行联网，采用多种售电方式，具有强大、灵活的查询功能，完善的安全机制等。第2章 电能表原理设计2.1 有用功电能测量的基本原理在测量电能功率时 ,220 V 的交流电压和负载上的电流不能直接输入运算 ,而是经分压取样得到电压取样 V v ;负载电流也需取样 ,得到电流取样电压 V i 才能输入。若 V v、 V i 是工频交流 V x、 I x 的取样值 ,则有:V v = Kv Umsin (t ) (1)V i = Ki Imsin (t + ) (2)式中: Kv 为 V x 转变为 V v 的转换系数; Ki 为I x转换为 V i 的转换系数; 为 V x 和 I x 之间的相位角。V v 和 V i 经乘法器运算产生功率 P ：P( t ) = Kv Umsin (t ) Ki Imsin (t + )= Kp UIcos (t ) - Kp UIcos (2 wt + ) (3)式中: Kp = Kku Ki ; cos 为功率因数; U 为幅值为 Um 的交流电压之有效值;I 为幅值为 Im 的交流电流之有效值。一段时间 T 内的电能 W ：W = P( t ) d t= Kp UIcos d t - Kp UIcos (2t + ) d t (4)式(4)中,第一项为直流成分 Kp UIcos ,它与视在功率 UI 和功率因数cos 成正比,即与有功功率成正比;而第二项是经相乘产生的 2 倍于被测功率的交流成分 Kp UIcos (2t + V + ,比较器输出低电平;当电源掉电时 , V - 跟随电源电压下降 ,而 V + 在一段时间内保持 2. 5 V 电压不变。当下降到 V - V +时 ,比较器输出高电平。微处理器通过定时(10 ms)采样该输出端(RC4)以判别是否要立即作出掉电处理 将剩余电量存入EEPROM 中。VD1、 R34为施密特电路 ,是为了避免电压在阈值左右波动时引起反复的写操作。 图 7掉电检测电路3.6磁保持继电器驱动电路磁保持继电器能使电磁线圈中保持上次驱动脉冲所注入的磁场不变 ,即在正常工作时不需加驱动电流 ,仅在需要改变触点状态时加上 200 ms左右的反向脉冲即可 ,随后不需要加任何驱动。这就大大地降低了整个装置的功耗。磁保持继电器驱动电路如图 8 所示 ,由单片机的 RC7、 RC6 发出控制信号。RC6 为高电平时线圈中有正向电流;RC7 为高电平时线圈中流入反向电流; L 为电磁线圈。驱动电路由 R5 R12 , PNP 三极管 VT5、 VT6 ,NPN 三极管 VT1VT4 组成。当RC6 = 1、 RC7 = 0 时 ,三极管 VT1、 VT2、 VT5 导通 ,而 VT3、 VT4、 VT6 截止。流经 L 的电流方向为+ 12 V VT5 的 E极 VT5 的 C极 线圈的B 端线圈A 端 VT2 的 C极 VT2 的 E极 地 ,继电器触点接通 ,向用户供电;当 RC6 = 0、 RC7 = 1 时 ,三极管 VT1、 VT2、 VT5 截止 ,而 VT3、 VT4、 VT6 导通。流经 L 的电流方向为 + 12 V VT6 的 E极 VT6 的 C 极 线圈 A 端 线圈的 B 端 VT3 的C极VT3 的 E 极 地 ,继电器触点断开 ,切断向用户供电;RC6 = RC7 = 0 时 ,所有三极管均截止 ,线圈无电流;RC6 = RC7 = 1 时 ,所有三极管均导通 ,这时功耗很大 ,是不允许的。图 8磁保持继电器驱动电路3.7防窃电电路单相电子式预付费电度表电流回路的阻抗非常小(一般小于 2 m) 。若在正常供电时要进行跨接窃电 ,其效果很不明显。但一旦发生跳闸断电 ,此刻要“跨接”短路电表进线和出线 ,则会达到明显的偷电效果(因为电流全部从跨接线上流过) 。采用电流失衡法可以有效地防止跨接窃电。如图 9 所示 ,不论何时流过L (相)线和流回 N(零)线的电流应完全相等(平衡) ,单片机的 RB6 点应为高电平。一旦跨接偷电 ,则很难保证 L (相)线和 N (零)线的电流平衡 ,此时 RB6 点为低电平 ,应判为“跨接”窃电。不论电表是否跳闸断电 ,都能做出相应判断。图 9防窃电电路3.8 语音报警电路语音报警电路如图10 所示 ,触发器74LS74 的D端与 Q 端短接 ,单片机通过 RC5 端向触发器输送语音脉冲信号。每当 D 触发器 74LS74 的 CP 端接收到一个脉冲信号 ,将使其输出端 Q 改变一次状态 ，从而完成 1 位 D/ A 转换。信号通过 MPSA13 放大后 ,驱动扬声器工作。图 10 语音报警电路3.9 总结综上所述本设计方案的硬件电路由电能测量电路，显示电路，IC卡接口电路，电量存储器电路，掉电检测电路，磁保持继电器驱动电路，防窃电电路，和语音报警电路组成。 下图为本设计方案的总设计图11。图11 总图第4章 软件设计4.1 有关软件设计方案的介绍系统软件由一个主程序和若干子程序组成。主程序流程如图 4 所示，定时器/计数器 T0 中断服务程序流程见图 5。开户后，允许定时器/计数器 T1运行和中断，根据电表常数设定 TH1、 TL1 的初始化参数，当铝盘转过的圈数等于电表常数时，表示已经用了1 度电，剩余电量减1。插卡时，首先判断购电卡的密码 1是否为相应写卡机的密码，若是，则判断购电卡的密码2 是否与IC卡电度表相同，相同则进行购电操作，定时器/计数器 T0工作于定时器方式。设置定时周期为3ms，周期性地扫描动态显示 LED，检查是否有卡插入，同时兼职WATCHDOG 的中断服务。在正常情况下，定时器/计数器T0 的溢出中断是一定会发生的，因为它有多种工作要完成。另外设置了1 个单元TIME 作为计数器，统计 T0 中断的次数，当T0中断次数达到30次时作出错处理。各相关子程序将要正确返回时，将计数器 TIME 清零。这样，系统正常运行时，该计数器的值不断被清零，故不会引起出错处理。当系统进入死循环后，T0中断使程序退出死循环，将计数器TIME 中的值加1，然后返回到死循环中继续死循环，接着再中断，直到TIME中的值等于 30，便作出错处理。 4.2 主程序流程图YNYYNNYN初始化开户了吗？剩余电量为0？电路闭合允许T0运行和中断有卡插入？读 卡是本系统卡吗？执行相应子程序显示0-9循环有卡插入？读 卡把卡中信息写入控制器电路断开禁止T0运行和中断显示错误类型5s判断是开户卡吗YYN 图12 主程序流程图4.3 中断服务程序流程图NY保护现场置定时数初值计数器（Time）加1（Time）30?执行其他程序恢复现场中断返回定时器溢出中断出错处理图13 定时器/计数器T0的中断服务程序流程图第5章 结论与展望5.1 本次设计基于IC卡智能电表的主要功能总结（1）电能卡 电能卡采用单一电源EEPROM技术，一表一卡制，用户相互之间不通用，数据回写多重加密，IC卡 可重复使用。 （2）电量显示 电表采用4位LED显示，最大显示9999KWh，用电时倒计数，显示方式： 上电时显示F1F6,平时每30秒显示F1F3一次 F1 - 本次读卡电量（最大为9999度） F2 - 剩余电量（最大为9999度） F3 - 累计电量（最大为9999度） F4 - 负荷设定（最大为99.99千瓦） F5 - 报警电量（最小为1度，最大为99度） F6 - 最大负荷（最大为9999千瓦） （3）数据保护 数据保护采用全固态集成电路技术，无需电池，断电后数据可保存十年以上。 （4）报警 用户用电时，电能表中电量递减计数，当表中剩余电量等于报警电量时（报警电量可根据各电业局不同情况在099度 中预置），跳闸断电一次，用户需插入电能卡，就可恢复供电。 （5）断电 当电能表中剩余电量为零时，电能表自动拉闸，中断供电，直到插入电量有效电能卡。 （6）负荷控制 通过电能卡可设定用户的最大用电负荷，负荷以千瓦为单位设置，并可通过电能卡改变设置。当实际用电负荷超过设定负荷时，电能表自动拉闸断电，提醒用户减小负荷，5分钟后自动恢复供电。 （7）回写功能 电能卡能将用户的累计用电量、剩余电量、超负荷次数、非正常用电时间回写到售电系统中，便于管理部门的统计管理。 （8）防窃电功能 当剩余电量为零时，继电器就跳闸而用户短路继电器方式用电时，该表记录非正常用电的时间，并在用户下次购电时回写至售电系统，便于电力管理部门作相应的处理。本表还采用了双向记录芯片，防止进出线反接的窃电行为。 （9）用户抽检功能 当电力部门需对用户进行抽检时，售电软件为其提供数据参数，根据电力部门要求，提供优先抽检的用户序列。 （10）为了便于管理，还为电力局设计了专用的复位、测试、显示IC卡。5.2 针对本次设计的展望基于PIC16C57 单片机的SLM4442 逻辑加密IC卡，该系统具有稳定性高、工作可靠、抗干扰能力强、成本低、功耗小等优点，有一定的实用价值和应用前景。本系统具有电能计量、用电信息管理等多种功能，同时实现先购电后用电的管理方式，是改革用电体制，实现电能商品化，解决电力用电收费难等问题的理想解决方案。该集中式智能 IC 卡网络电能表控制系统采用集成化和单片机技术，提高了电能表的精度，有效杜绝了偷电和漏电现象，实现了方便的容量管理，并且具有灵活的软件设置功能和电量追补功能。同时，降低了电表自身功耗。系统的主要电路采用模块化设计，并且采样与计量、强电与弱电分离，使安装和维护更为方便。随着社会经济和电网的快速发展，供电企业采用人工方式对客户用电进行抄表核算的压力将与日俱增，由此增加的成本也越来越高。所以，供电企业采用技术、安全等方面都日渐成熟的lC卡电能表及管理信息系统来进行抄表收费是实际工作的需要，是时代发展的需要，是大势所趋。致 谢毕业设计的完成离不开老师和同学的帮助，向为我提供大量帮助王素珍老师和同宿舍的同学表示深深的敬意和感谢。指导老师王素珍老师在课题的选择收集资料，设计的过程中倾注了悉心的指导和尽心所能的帮助，解决了我在设计过程中遇到的问题，并在很多地方给予了提示，在此特表示诚挚的感谢。同宿舍的同学在电路设计，程序编制，软件使用上给了我很多的宝贵意见，使我能顺利的完成毕业设计，再次也为我宿舍的同学们表示诚挚地感谢。参考文献1 易霞，滕召胜，张向程，周良璋Mifarel射频卡在预付费电能表中的应用自动化仪表，2007；2 张元良，杨加林逻辑加密IC卡芯片SLM442及其应用国外电子元器件，2005；3 李峰IC卡技术在预付费电能表的应用电力建设，2006；4 王爱英智能卡技术北京：清华大学出版社，2000；5 王有绪，PIC 系列单片机接口技术及应用系统设计, 北京：北京航空航天大学出版社，2000；6 李广弟 ,单片机基础. 北京：北京航空航天大学出版社，1993；7 张雄伟，曹铁勇 DSP 芯片的原理与开发应用. 北京：电子工业出版社，1999 ；8 王卓人IC卡的技术与应用M北京：电子工业出版社，2002；9 万福军，潘松峰单片机原理系统设计与应用M安徽合肥：中国科学技术大学出版社，2001；10 郑毛祥单片机原理及应用M四川成都：电子科技大学出 ，2000；11 Smart Low Resistance Measuring Instrument Based on PIC16C57 inglechipYBD Yi - 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