单相电子式预付费电度表的设计

单相电子式预付费电度表的设计摘 要： 基于单片机 AT89C52 对单相电子式预付费电度表系统进行了系统的设计，是以AT89C52 单片机为控制核心，预付费电度表的硬件电路包括电能计量电路、控制电路、显示电路、IC 卡接口、电能存储器、掉电检测和电源几大模块等组成。电能计量系统是完成电能测量、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。使用户必须先付费方可用电的电能表。它使收费从过去繁琐的人工抄表、手工计价转变为用户持卡购电，实现了电费收缴管理自动化。主要追求可靠性，后者要求安全性高。安全可靠、功耗小、成本低符合设计要求。关键词：AT89C52；电度表；单片机；集成电路Single-phase Electronic Pre-paid Energy Meter DesignAbstract：Single-phase electronic type prepaid electricity meter system was designed systematically based on Single-chip microcomputer AT89C52, where the AT8952 was control center. Hardware electric road of the prepayment electricity meter was consisting of electricity measurement circuit, control circuit and showing circuit, IC card interface, electrical energy packet, off electrical testing and power source. Electricity measurement system has the function of electric power measurement,electric power value shows,overload breakpoint, etc. While the prepayment system mainly makes use of IC card to achieve the goal of supplying power after prepayment. The user must first pay Party can power electric energy meter. It makes the charge from the past cumbersome manual meter reading, handmade valuation into user card to buy electricity, realizes the automatic management tariff collection.The former pursues the reliability and the latter pursues the saftety. The work meets the designing requirements of safety,reliability,little power consumption and low cost.Key words：AT89C52; Electricity meter; Single chip microcomputer; Integrated circuit目 录摘 要 .1关键词 .11 前言 .12 单相电子式预付费电度表概述 .12.1 硬件部分 .22.2 软件部分 .23 电度表的方案设计与比较论证 .33.1 电能计量系统方案设计 .43.2 有功电能测量的基本原理 .63.3 预付费电度表电路 .63.3.1 电能计量电路 .73.3.2 控制部分 .83.3.3 显示电路 .113.3.4 IC 卡接口电路 .133.3.5 电能存储器 .133.3.6 掉电检测电路 .133.3.7 磁保持继电器驱电路 .144 IC 卡的简介和设计方案 .154.1 IC 卡知识简介 .154.2 设计方案 .164.2.1 方案以接触式 IC 卡实现预付费电表系统 .164.2.2 方案以 TM 卡实现预付费电表系统 .174.2.3 方案以非接触式 IC 卡实现预付费电表系统 .175 电能表的制作工艺与功能调试 .195.1 电路板（PCB 板）的设计与焊接操作要求 .195.1.1 电路板（PCB 板）的设计 .195.1.2 电路板焊接操作要求 .196 系统的软件设计 .206.1 主程序设计流程图以及相应代码 .206.2 IC 卡检测及读写程序设计 .216.3 外中断 0 服务程序的流程图 .246.4 定时器 0 中断服务程序 .267 结论 .35参考文献 .35致 谢 .错误！未定义书签。附录 .3611 前言我国传统的电表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后，再到各家索取，误差大、统计工作量大，人为的错误给电力部门和用户带来极大不便,也造成了用户和电力部门的纠纷。随着城市经济的发展以及人民生活水平的提高,家用电器的大量使用。抄表难、收费难困扰着电力部门，抄表人员的不断增加提高了电业公司的经营成本，也给管理带来许多麻烦，造成了人力资源的巨大浪费。针对这一问题，人们开始思考解决这一问题的方法。在美国，智能电网作为美国总统奥巴马经济刺激方案的重要项目之一，几乎在一夜之间“成名”，而且美国还为此制定了 35 亿美元规模的预算，于是是 IC 卡电度表应运而生。2011 年 5 月 21 日，国家电网公司总经理刘振亚在“2009 特高压输电技术国际会议上”指出：国家电网将立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。于其发展势头迅猛，锐不可当。IC 卡预付费电表的成功推广应用，达到了控制电能和节约电能的双重效果，改革了沿袭几十年的消费模式，即先用电后付费的模式，而以先充值购电后消费的模式取而代之。作为使用者，用数一目了然，不再和邻里发生用量上的矛盾，还做到了即时控制：作为管理者，解决了抄表难、算帐麻烦、收费难等一系列令人头痛的难题；作为供电部门，将先行回收投资,提高管理效能，利国利民。如果集体消费群体，也使用智能 IC 卡表，将使管理者不再为收费为难，不再为分摊劳神，省心省力，事半功倍 1。2 单相电子式预付费电度表概述电度表虽然只是非常普通并常见的电能计量设备，但是由于微控制器引入，对设计者提出了很高的要求。这是因为由交流电源等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，比如像剩余电能数据的丢失或改变、电度表死机等情况。家用电脑和普通仪器仪表对死机是允许的，通过人工复位、重新设置等操作就可以恢复，但对电度表而言则是致命的 2。而且，预付费电度表的工作环境大部分都是在户外，条件相当恶劣，因此，对其可靠性的要求也相对较高。电子式预付费电度表集计量技术、电子技术、自动化控制及计算机技术于一体，其原理是利用电能测量集成电路对电压、电流取样信号进行计算处理，并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 3。电能计量系统采用成熟的电子式电能表技术，整体结构合理、工艺先进，实现电能测量、2电能值显示、超负荷断电等功能，并具有电子式电能表的各种优点。预付费电度表的设计内容主要包括电能计量系统设计和预付费系统设计两方面。从整体上进行考虑，具体分硬件设计和软件设计等两个方面进行讨论。2.1 硬件部分预付费电度表根据设计任务的需要，其硬件电路主要包括电能计量电路、控制电路、显示电路、IC 卡接口、电能存储器、掉电检测和电源等模块 4。电能计量电路：采用电子电度表专用集成电路 SM9903。芯片内部包含了模拟乘法器、电压频率转换器、VFC（ Voltage Frequency Converter） 、计数器（分频器）及控制逻辑。控制部分为整个电能表的心脏，实现电能脉冲、掉电信号、IC 卡信号、串行EFPROM 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。显示电路：采用液晶显示，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。IC 卡接口电路：采用 Atmel 公司的存储 IC 卡 AT89C52，用于存储由售电管理系统写入密码、卡号、电度数等。2.2 软件部分硬件是系统的基础，软件则是系统的灵魂。本系统的软件设计主要依托于硬件设计，采用模块化编程，可分为系统初始化程序、主程序 MAIN、IC 卡检测及读写程序、定时器 0 中断服务程序、外中断 0 服务程序（掉电保护）等。结合用户的群众性及经济利益等诸多特殊要求与条件，本电度表引入微控制器，其具有更多的技术特点和优越功能，具体如下 5：1) 电能计量准确、精度高、要求至少达到二级表（误差为 2%）的精度；2) 用户将存有电能的 IC 卡插入卡槽卡中电能被读入表中，同时把 IC 卡清”0” ；3) 专卡专用：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，且保密性高；4) 电度表正常工作时，液晶显示剩余电能值、已用电能值，并随时改写剩余电能和已用的工作是否正常及用电负荷的大小；5) 当表内剩余电能不足 20KWH 时，在液晶显示器上显示 “请及时购电”以提醒用户余电不多，及时购电；6) 当表内剩余电能为 0 时，自动断电，这时用户不能用电。在用户将重新购电3的 IC 卡插入槽中时，表完成上述第一项的功能，恢复供电；7) 有负荷限制功能：当用户电流大于 25A 时自动断电， 1 分钟后恢复供电；8) 具有掉电保护功能：掉电时，自动把剩余电能从 RAM 转储在 EEPROM 中。因此，电度表有多少功能并不是最重要的，关键是做到低功耗、高可靠性。预付费电度表的工作过程如下：1) 上电时，在液晶屏上显示“电子电能表” 。随后将存放在 EEPROM 中的剩余电能调出到 RAM 中。2) 当单片机工作正常时，能显示剩余电能和已用电能。3) 当有本机 IC 卡插入卡槽时，根据有电卡和无电卡（空卡）做出不同的处理。若为有电卡，则显示“正在读卡，主稍候” 。稍候显示：“请抽卡” 。这时卡中的电 4、能被写入表中，且将卡清零；若为空卡，则显示“空卡” 。4) 当用电时，剩余电能递减，已用电能递增。5) 当插入无效卡时，系统提示“IC 卡型号不对，请换卡” 。6) 当电用完时，切断电源，并显示：“电用完，请及时购电” 。液晶显示器显示的内容与处理，如表 1 所示。表 1 液晶显示内容Table1 The contents of the LCD display显示内容 处 理超负荷 减少用电负荷密码有误 非本机卡，请换卡卡短路 卡座的电源短路，可能是认为破坏非法卡 IC 卡型号不对，请换卡读写错误 IC 卡可能已坏，请换卡电子电能表 上电复位正在读卡，请稍后 将 IC 卡中数据送入表中，清 IC 卡请抽卡 IC 卡已读写完空卡 所插 IC 卡无电能3 电度表的方案设计与比较论证预付费电度表主要包括电能计量系统和预付费系统。电能计量系统完成了电能测量、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4用电的模式。前者追求可靠性，后者追求高安全性。3.1 电能计量系统方案设计根据电能计量系统的功能要求，有以下一些设计方案，对各类方案进行描述并比较论证，得出结论 6。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 的“黑条” ，在转盘上方或者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，即接收管接收不到红外线；当红外线照在其他部分时，被反射，接收管能接收到红外线。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，即耗电多并且笨重。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（模数转换器）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，其系统如图 1 所示。图 1 方案二的系统图Fig 1 The system diagram of option 这种方案对信号的采样速度快，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器。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，大大减小了硬件成本。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，A/D 变换IU 变换 A/D 变换CPU液晶显示器控制键盘IC 卡卡座5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（cos） ，按公式 P=UIcos计算，便得有功功率，再定时累加就是电能值。系统框图如图 2 所示。IU 变换 模拟开关过零检测过零检测V/F 转换CPU液晶显示器控制键盘IC 卡卡座图 2 方案三的系统图Fig 2 The system diagram of option 这种方案 CPU 要实现读写卡控制、求功率因数（cos） 、电能计算等功能，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，得到一个与功率成正比的模拟电压(或电流 )，再经过 VF 变换(或 IF 变换)变成频率信号 f。单片机对频率信号 f 进行累加便可得到电能。系统框图如图 3 所示。iCPU液晶显示器控制键盘信息传输V/F转换器低通滤波器模拟乘法器I/U 转换图 3 方案四的系统图Fig 3 The system diagram of option 这种方案对 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6成，其性能指标都远远高于分立元件。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 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。3.2 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 7。SM9903 内部电路模型如图 4 所示。图 4 SM9903 内部电路模型示意图Fig4 The diagram of SM9903 internal circuit model 在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为：(1)2cosuUt(2)()iI式中，u 为交流电压瞬时值，i 为交流电流瞬时值， U 为交流电压有效值，I 为交流电流有效值， 为交流电的角频率， = u- i 为电压电流的相位差。经四象限模拟乘法器相乘后的瞬时功率为：(3)2cos*cs()cos(2)piUtItIt可见，瞬时功率有恒定分量 UI 和正弦分量两面三量两面三刀部分，正弦分量的频率是电压（或电流）频率的两倍。瞬时功率 p 经积分器后，得有功功率 P，即P= (4)11coscs(2-)cos00TTdtUIwtdtUIIl以上分析表明，有功功率 P 为恒定分量，将正比于 P 的电压经 V/F 变换后，输出的是频率随 P 变化的脉冲，只需将脉冲累计计数，则计数值 N 即为电能。四象限模拟乘法器积分器 V/F转换器 73.3 预付费电度表电路预付费电度表的硬件电路可分为电能计量电路、显示电路、IC 卡接口、电能存储器、掉电检测和电源几大模块。下面分别介绍各部分电路。3.3.1 电能计量电路电能计量电路采用电子电度表专用集成电路 SM9903。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)输出负电干以指示测量负向有功功率。SM9903 采用 3 m 硅栅 BICMOS 工艺制成。电路设计先进，内部集成有缓冲放大器、乘法器、V/F 型 A/D 转换器等电路。本芯片模拟部分和数学部分可分开供电，所以可靠性较高。封装采用 DIP20 塑封。SM9903 其管脚定义如表 2 所示，管脚图如图 5 所示。图 6 所此即为由 SM9903 构成的电能计量电路。该电路采用 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。C4、R4、VD1 、VD2、C7、C8、VZ1、VZ2 为电容降压式电源，为 SM9903 提供5V 的工作电压。32768Hz 为表用晶体振荡器，为 SM9903 提供时钟。C5、C6 为积分电容。R9 为参考电压调整电位器。本电路无须机械计数器。表 2 管脚定义Table2 The pin of definition管脚号 符 号 说 明1 VI1 电流取样信号输入2 VI2 电流取样信号输入3 GADA 模拟地端4 VV 电压取样信号输入5 NC 与 4 脚内部互相连接6 VR1 参考电压 1 外调整端7 VR2 参考电压 2 外调整端8 POUT 有功功率计算输出脉冲9 IND 负相有功功率指示10 TC 测试控制器8续表 211 VSS 负电源（5V）12 GNDD 数字地端 13 DMO1 脉冲电机驱动输出 1 管脚号 符号 说明14 DMO2 脉冲电机驱动输出 215 OSCIN 晶振输入16 OSCOUT 晶振输出17 VDD 正电源（ +5V）18 C1 积分电容 119 COM 积分电容公共端20 C2 积分电容 2图 5 SM9903 的管脚Fig5 The pin of SM99033.3.2 控制部分 控制部分为整个电度表的心脏,实现电能脉冲、掉电信号、IC 卡信号、串行EEPROM 数据的采集与读写，完成显示驱动模块的控制和驱动等功能。单片机的选择是决定电度表性能的关键因素，本设计选用 Atmel 公司的 AT89C52。A T89C52 是 51 系 列 单 片 机 的 一 个 型 号 ， 它 是 Atmel 公 司 生 产 的 。 一 个 低 电 压， 高 性 能 CMOS8 位 单 片 机 ， 片 内 含 8K bytes 的 可 反 复 擦 写 的 Flash 只 读 程 序 存9储 器 和 256 bytes 的 随 机 存 取 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 ， 兼 容 标 准 MCS-51 指 令 系 统 ， 片 内 置 通 用 8 位 中 央处 理 器 和 Flash 存 储 单 元 ， 功 能 强 大 的 AT89C52 单 片 机 可 为 您 提 供 许 多 较 复 杂 系统 控 制 应 用 场 合 。图 6 SM9903 构成的电能计量电路Fig 6 The SM9903 constitute circut of a power measurementAT89C52 有 40 个 引 脚 ， 32 个 外 部 双 向 输 入 /输 出 （ I/O） 端 口 ， 同 时 内 含 2个 外 中 断 口 ， 3 个 16 位 可 编 程 定 时 计 数 器 ， 2 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ， 2 个 读 写 口线 。 兼 容 MCS51 指 令 系 统 8k 可 反 复 擦 写 (1000 次 ） Flash ROM、 32 个 双 向 I/O口 、 256x8bit 内 部 RAM 、 3 个 16 位 可 编 程 定 时 /计 数 器 中 断 、 时 钟 频 率 0-1024MHz、 2 个 串 行 中 断 、 可 编 程 UART 串 行 通 道 、 2 个 外 部 中 断 源 、 共 6 个 中 断源 、 2 个 读 写 中 断 口 线 、 3 级 加 密 位 、 低 功 耗 空 闲 和 掉 电 模 式 、 软 件 设 置 睡 眠和 唤 醒 功 能 。 采 用 40 脚 双 列 直 插 封 装 的 8 位 通 用 微 处 理 器 。 功 能 包 括 对 会 聚 主IC 内 部 寄 存 器 、 数 据 RAM 及 外 部 接 口 等 功 能 部 件 的 初 始 化 ， 会 聚 调 整 控 制 ， 会聚 测 试 图 控 制 ， 红 外 遥 控 信 号 IR 的 接 收 解 码 及 与 主 板 CPU 通 信 等 。 主 要 管 脚 有 ：XTAL1 和 XTAL2 为 振 荡 器 输 入 输 出 端 口 ， 外 接 12MHz 晶 振 。 RST/Vpd 为 复 位输 入 端 口 ， 外 接 电 阻 电 容 组 成 的 复 位 电 路 。 VCC 和 VSS 为 供 电 端 口 ， 分 别 接+5V 电 源 的 正 负 端 。 P0P3 为 可 编 程 通 用 I/O 脚 ， 其 功 能 用 途 由 软 件 定 义 ， 在 本设 计 中 ， P0 端 口 被 定 义 为 N1 功 能 控 制 端 口 ， 分 别 与 N1 的 相 应 功 能 管 脚 相 连 接 ，13 脚 定 义 为 IR 输 入 端 ， 10 脚 和 11 脚 定 义 为 I2C 总 线 控 制 端 口 ， 分 别 连 接 N1的 SDAS 和 SCLS 端 口 。 其内部有 8KB 的程序存储器，无须外部扩展。使硬件电路简单电路图如 8 所示。AT89C52 与时钟电路，上电复位电路构成的单片机的最小系统。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 提供稳定的时钟信号。电容 C14、C15 可起频率微调作用，电容值 5pF30pF 之间选择，本电路选择的是 20 pF。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。只要高脉冲的时间维持两个机械周期，CPU 就可以复位。二极管 D10 的作用是当断电时，可以使电容 C13 所存储的电荷迅速释放，以便下次上电时可靠复位。电容 C31 可过滤掉高频信号的干扰，防止点偏激误复位，电阻 R30 和 S1 构成键盘，用以实现显示内容的切换。电能脉冲由 SM9903 的 8 脚过光电耦合送到 AT89C52 的 T0端，用以实现脉冲计数。其引脚图如图 7。图 7 AT89C52 引脚图Fig7 The pin of AT89C5211P1.023P1.243VCP0.1P0.24039837P1.45567P1.687P0.45P0.6633REST9XD10T12IN0 7EALPSEN231029T130145T116WR2.7P62.5P4822D7XTAL2189120VS 2.3P2.1P022+5VCU+5V +5V+5VR301KS1S2C130uFR23D10IN48C31R50204.7K0.uFIC2TL5210KR2C14C1520PF20PF12MHz R510KC320.1uFIC4AT89C52图 8 由 AT89C52 组成的主控电路Fig 8 By the AT89C52 composition of the main control circuit3.3.3 显示电路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。器件型号是：SMG12232B-2 ，显示容量为 122*32 点阵。采用总线方式连接，液晶显示器 SMG12232B-2 的片选信号引脚 CS2 或 CS1 被选中时，液晶显示器 SMG12232B-2 处于工作状态。当数据 /命令选择端 A0 为低电平时，执行命令操作，且在写信号 WR 是有效，单片机 P0 口向液晶显示器显示 SMG12232B-2 的 DB7-DB0 位输出状态字（如液晶显示状态、读写操作使能状态）和显示指令码。当数据/命令选择端 A0 高电平时且在写信号 WR 分别有效时，单片机 P0 向液晶显示器SMG12232B-2 的 DB7-DB0 输出数据和显示数据（如正在读卡；请稍后；空卡；卡短路；非法卡；超负荷等） 。电路如图 9 所示。12图 9 液晶显示接口电路Fig 9 LCD display interface circuit图 10 IC 卡接口电路Fig 10 IC card interface circuit P1.6P1.5P1.432AT89C52CU VCGNDSDACLK21IC卡 卡 座R1920R18Q39014Q2901R24R29 R28D5D61K5.1K 3K5.K+5V+5VIN418IN418KP1.02324P1.3VCP0.1240398745567P1.687P0.345P0.663REST9XD102INT07EALPSN21302911345T16WR.726P5.48D7XTAL2819120VS23P.1202+5V VCDB012DB345DB67A0CS12RDWSTGNDSM123B-2液晶显示器CU10KR37-4133.3.4 IC 卡接口电路IC 卡接口电路采用的是 Atmel 公司的存储 IC 卡 AT89C52，用于存储由售电管理系统写入的密码、卡号、电度数等，是电管部门与用户连接的桥梁。为了提高 IC 卡操作的可靠性，必须有卡上下电控电路、卡插入检测电路、卡短路检测电路等辅助电路，结合软件可以大大提高其读写的准确性和可靠性。IC 卡接口电路如图 10 所示3.3.5 电能存储器电能存储器由串行 EEPROM 和上拉电阻组成，在串行时钟和数据端接了上拉电阻 R25 和 R27，分别连接到 IC4 的 P3.0 和 P3.1 端。串行 EEPROM 选用AT24C04，AT24C04 为低电压（2.5V-5.5V） 、长寿命（可擦写 10 万次以上）器件。在掉电时存储剩余电度数。电能存储电路如图 11 所示。图 11 电能存储电路Fig 11 Energy storage circuit 3.3.6 掉电检测电路掉电检测电路比较器（运放 LM393） 、电压基准 LM336（2.5V ） 、R31、 R32、 R33、R34、 R35、R36 和二极管 VD7 组成 8。图 12 掉电检测电路Fig 12 Brown-out detection circuit VCA012GND 5.1KWPSLDA P3.105.1KR2R27+5VT240 AT89C52CU+5VR31R32R34R35 R3620KD7IN418接 AT89C52的 P3.2脚IC5LM39K5.1K10K10KLM36Z3 84123-+14R31 为 VZ3 提供合适的工作电流，VZ3 上端作为电压基准，R32、R33 对 5V 电压分压，为 VZ 做比较。电源电压正常时，V-V+时，比较器输出低电平，使微处理器产生外中断，做掉电处理。VD7、R36 为施密特电路，是为了避免电压在阀值左右波动时引起反复的写操作。3.3.7 磁保持继电器驱电路磁保持继电器使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要加驱动电流，只在需要改变触点状态时加上 200ms 左右的反向脉冲即可。随后不需要任何驱动，这就大节省了能量，降低了功耗。磁保持继电器由 AT89C52 的 P1.0、P1.1 发出控制信号， P1.1 为高电平时线圈中有正向电流，P1.0 为高电平时线圈渡过反向电流。驱动电路由电阻R21、 R45、 R46、R47、 R48、R49、R50、R51、 PNP 三极管 Q1、Q4 ，三极管Q5、Q6、Q7、Q8 组成。L 为电磁圈。当 P1.1=1、P1.0=0 时三极管 Q4、Q7 、Q8 导通，而 VT1、 Q5、Q6 截止。流经 L 的电流方向为 +12VQ4 的 E 极Q4 的 C 极线圈 A 端线圈 B 端Q7 的 C 极VT7 的 E 极 地，继电器触点接通；当P1.1=0、P1.0=1 时三极管 VT4、VT7 、VT8 截止，而 Q1、Q5、Q6 导通。流经 L 的电流方向为+12V Q1 的 E 极Q1 的 C 极线圈 B 端线圈 A 端Q6 的 C 极Q6 的E 极 地，继电器触点断开。当 P1.1=P1.0=0 时，所有三极管均截止，线圈无电流。P1.1=P1.0=1 是不允许的情况，因为这时所有的三极管导能，功耗很大。图 13 磁保持继电器驱动电路Fig13 Latching relay driver circuit+5VP1.0 P1.LA BR45 R46R47 R48R49 R50R21R51Q14Q5Q6Q7Q89029013901390139013K 1K2K K1K 1K.K .7K154 IC 卡的简介和设计方案IC 卡是集成电路卡（integgrated circuit card）的英文简称，在有些场合又称之为智能卡、灵巧卡和智慧卡等等。将一片专用的集成电路镶嵌于符合 ISO/IEC7816 标准的基片中，即制成一张 IC 卡。当然也可以封装成纽扣、钥匙牌和各种装饰物等特殊形状。4.1 IC 卡知识简介其外型和信用卡一样，但卡上含有符合国际标准化组织(ISO)有关标准的集成电路芯片(IC)。由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成便于携带的卡片；具有暂时或永久性的数据存储能力，其内容可供外部读取或供内部处理、判断使用；具有逻辑和数学运算处理能力，用于识别和响应外部提供的信息和芯片本身的处理需求。实际上，IC 卡就是集成电路卡。它是一种随着半导体技术的发展和社会对信息安全性等要求的日益提高应运而生的，是一种将具有微处理器及大容量存储器等集成电路芯片嵌装于塑料基片上而制成的卡片。在 IC 卡的左上角封装有 IC 芯片，其上覆盖有 6 或 8 个触点和外部设备进行通讯。IC 卡属于半导体卡。半导体卡片采用微电子技术进行信息的存储、处理，又可以分为：有接触点卡和无接触点卡。前者由读写设备的接触点和卡片上的触点相接触，进行信息的读写；而后者则与读写设备无电路接触，由非接触式的读写技术进行读写 9。有接触点卡又分为：存储卡和智能卡(带微控制器） 。 存储卡又可分成 RAM 卡(可读写 )和 ROM 卡(只读） 。此外，从功能上 IC 卡大致可分成三类:：存储器卡、智能卡（带微控制器）和超级智能卡。其中，存储器卡由于价格便宜、开发应用相对简单等原因，目前在各个领域已有大量的应用, 还可以再分为以下两种：普通存储器 IC 卡、 智能存储器 IC 卡等。IC 卡的主要特点：内含 RAM、EPROM、EEPROM、CPU、I/O、保密逻辑、通讯接口等，是一个智能化的微处理系统，能存储大量信息，便于一卡多用。安全性高，能脱离网络使用由于芯片上有 CPU 和加密逻辑，可核对密码，发现错误时，可拒绝读写，错误超过一定次数后，可自毁卡上的数据。IC 卡采用了国际上各开发者与使用者所共同认可的半导体密码存放和软件加密技术，它可以有效的阻止卡的非法复制与数据的篡改。应用设备可以在脱离网络的情况下，不许人工干预，即可对 IC 卡进行鉴别，以确定该卡是否是本系统所许可的，是16否可在该应用场合使用等。通过持卡人输入 PIN（个人标识号） ，与卡内的一组密码比较，可以确认持卡人的身份。这些特点使 IC 卡能成为传导媒介，再加上认证和数据加密等功能，使卡能脱离网络使用。具有良好的机读性IC 卡是一种电路卡，它在机器上的读写性能远优于磁卡和光卡，无需往复的机械运动即可完成人机卡之间的多次会话过程，使卡在应用中更容易进行操作和相互验证，给卡的开发者与使用者带来了极大的便利。存储能力强大，在一个应用系统中，系统必须对所有的持卡人建立一份身份与使用的档案。在磁卡系统中，这组档案存放在中心数据库系统内，持卡人每次使用都必须通过终端，以网络形式从数据库系统中提出那份与自己相关的档案。现在由于 IC卡存储能力增加了，这份相关的使用档案可以存放在 IC 卡中，终端设备无需联网即可得到使用者的相关信息，交易的实时性也明显改善。根据卡中所镶嵌的集成电路的类型不同，IC 卡可分为以下几种：1、存储器卡卡中集成电路为 EEPROM（可用电擦除的可编程只读存储器，也可写作E*2PROM） ；2、逻辑加密卡卡中集成电路具有加密逻辑功能和 EEPROM 存储器；3、智能卡 卡中集成电路包括了中央处理器（CPU） 、程序存储器（Program Memory） 、 数据存储器（RAM ）以及相应的操作系统软件（Chip Operation System） 。4.2 设计方案4.2.1 方案以接触式 IC 卡实现预付费电表系统接触式的 IC 卡，它具有存储量大(以兆为单位)，保密功能强(有多重密码设置和认证功能) ，可实现一卡多用，通过机械触点从读写器获取能量和交换数据。 接触式 IC 卡与磁卡比较：其先进的硅片制作工艺完全可以保证卡的抗磁性、抗静电及抗各种射线的能力，而且由于硅片的体积很小，里面有环氧液的保护，外面有PCB 板及基片的保护。因此，抗机械、抗化学破坏的能力也很强；其容量远比磁卡大，可以作到几千字节(当前已达到 2M 位)，而且 EEPROM 可以分区，并且可以有不同的访问级别，这就为不同的信息处理及一卡多用提供了方便；加密性为磁卡远不及，首先体现在芯片的结构和读取方式上，由于容量大而且存贮器的读取和写入区域可以任意选择，因此，灵活性大，即使一般的非加密存贮器卡，采用特定的技术，也具备较17强的保密性，对于加密存贮器卡，存贮区的访问受逻辑电路的控制，只有各密码核对无误后，才能进行读写操作。而且密码核对次数有规定，超过限制的次数，卡将被锁死；其相关设备的成本，也是磁卡的高。因此，目前市场上广泛使用的磁卡有被 IC卡替代的趋势。4.2.2 方案以 TM 卡实现预付费电表系统TM 是 Touch Memory 的缩写，TM 卡亦称 iB 卡,iB 是 iButton 的缩写，故有人称之谓智能钮扣。九十年代开始使用 TM，尺寸相当于一个钮扣大小，外壳是由完全密封的不锈钢制造的，很象一个钮扣电池，厚度为 1mm、3.1mm、5.89mm；几种直径有：3.5mm 、5mm 、16.30mm。和 IC 卡一样，内部可以存储数据。TM (Touch Memory) 卡是美国 DALLAS 公司的专利产品，它采用单线协议通讯，通过瞬间碰触完成数据读写，既具有非接触式 IC 卡的易操作性，又具有接触式 IC 卡的廉价性，是当前性价比最优秀的 IC 卡之一。TM 卡外形与钮扣电池相似，以不锈钢外壳封装，不怕弯折、冲击，不怕磨损，不怕雨水、潮气，不怕油污、灰尘，不怕电磁干扰，耐高低温(-4080)，因此，最适宜应用在随身携带、频繁操作、工作环境复杂的场合。无易损部件，维护成本低；触式操作，不怕高频干扰；读写头无缝隙，不怕人为破坏；读写头造价低，只有接触式 IC 卡读写头的 1/3，非接触式 IC 卡的读写头的 1/10。完成同样的功能，TM 卡读写设备的造价最低；读写头的寿命是接触式 IC 卡读写头的 100 倍，是非接触 IC 卡读写头的 10 倍，设备终生不需要更换读写头；M 卡可镶嵌在塑料柄、取电板、 PVC 卡片上，也可与戒指、电子手表做在一起，携带极为方便；TM 卡只需在卡座上轻轻一碰即可完成数据读写传递；TM 卡采用单总线协议，对读写设备要求低，设备投资少；TM 卡是当前真正能实现一卡多用的多功能智慧卡。卡内有多个独立的存储分区，每个分区有独立的密码和识别码，可完成不同的功能；4.2.3 方案以非接触式 IC 卡实现预付费电表系统非接触式 IC 卡又称射频 CPU 卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和 IC 卡技术结合起来，解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。系统由控制器、读写器、IC 卡组成。系统按 13.56MHz 的工作频率以半双工方式在读写器与 IC 卡之间双向传递数据。读写器将要发送的信号，编码后加载在频率为13.56MHz 的载波信号上经天线向外发送,进入读写器工作区域的 IC 卡接收此脉冲信号,一方面卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压、复位信号、时钟信号;同时卡18内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断，若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后经卡内天线发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至后台计算机处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写 EEPROM 时所需的高压，以便对 EEPROM 中的内容进行改写。若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。与接触式 IC 卡相比较，非接触(感应)式 IC 卡具有以下优点：操作方便、快捷由于采用非接触无线通讯，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了插拔卡，所以非常方便用户使用;而且非接触卡在使用时既没有正反面之分也没有方向性与角度限制，卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需 0.1 秒，这就大大提高了每次使用的速度。抗干扰性高非接触式 IC 卡中有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，在多卡同时进入读写范围内时，