单相电子式预付费电度表的设计(论文)

毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 自动化专业 专本 XX X 班 学生 XXX 毕业设计题目 单项电子式预付费电度表的设计 二 设 计 专 题 无 三 设计原始资料 1 单片机应用开发技术 2 一种新型智能电表 的研制 3 晨辉电子厂参观实习老师对电表的讲解 4 四 设计应解决下列各主要问题 1 方案设计及论证 2 电表硬件 及软件的设计 3 提高电表可靠性的措施 4 五 设计说明书应附有下列图纸 电表整体电路图 六 命题发出日期 20XX XX XX 设计应完成日期 20XX XX XX 设计指导人 签章 系 主 任 签章 院 长 签章 指导教师对毕业设计的评语指导教师对毕业设计的评语 指导教师 签章 年 月 日 特特 邀邀 评评 阅阅 人人 意意 见见 评阅人 签章 职 称 签章 年 月 日 答辩 考试 委员会鉴定意见答辩 考试 委员会鉴定意见 答辩 考试 成绩 鉴定意见 主 任 签章 副主任 签章 年 月 日 摘要摘要 本论文主要是单相电子式预付费电度表的设计 包括电能计量系统方 案选择 预付费系统方案选择 电源电路 控制电路 显示电路 掉电保 护电路 电能存储器 磁保持电路 IC 卡接口电路等模块的设计 程序编 写 电表稳定性设计等部分 电能计量系统中采用有功电能测量集成电路 SM9003 芯片中包含了四象限模拟乘法器 积分器 电压率频转换器 VFC 计数器及控制逻辑 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 显示电路中选用 LCD 1602 液晶显示屏 控制电路中选用 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机 电 能存储电路中选用 AT24C04 存储器 在保证功能的情况下减少成本增强 稳定性 可靠性 预付费电表是以先充值购电后消费的模式 作为使用者 用数一目了 然 还做到了即时控制 提高管理效能 利国利民利业 如果集体消费群 体 智能 IC 卡表的应用 将使管理者不再为收费为难 省心省力 事半 功倍 关键词 关键词 电度表 单片机 预付费 电能计量 I AbstractAbstract This thesis mainly single phase watt hour meter is the design of electronic prepaid including energy metering system scheme selection prepayment system power supply circuit control circuit and display circuit protection energy storage and magnetic circuit keeping circuit IC card interface circuit module design programming and design etc Meter stability Energy metering system used in measuring SM9003 meritorious electric integrated circuit chips contains four quadrant simulation on time multiplier integrators voltage frequency converter rate VFC counter and the control logic it can be sinusoidal voltage and current multiplication convert frequency output Just click on the out put pulse accumulative total count the electricity display circuit measurement in 1602 LCD LCD control circuit ATMEL company in AT89C51 energy storage circuits AT24C04 choose memory In order to ensure function under the condition of the stability and reliability of reducing cost increase Prepayment meter is first after the power purchase cost as users of consumption mode with several clear Also do a real time control To improve the management efficiency and benefits the country and the industry If the collective consumer groups smart IC card application form will make no charge for managers and saving besides Keywords electrograph MCU Prepaid Electricity measurement 目录目录 摘要摘要 I Abstract II 1 绪论绪论 1 1 1 电度表的发展及现状 1 1 2 单项预付费电度表研究的目的及意义 2 2 方案设计及论证方案设计及论证 4 2 1 电能计量系统方案设计 4 2 2 预付费系统方案设计 6 3 单相电子式预付费电度表的工作过程单相电子式预付费电度表的工作过程 11 3 1 功能介绍 11 3 2 工作过程 11 4 硬件电路及工作原理硬件电路及工作原理 13 4 1 有功电能测量的基本原理 13 4 2 电表电路工作原理 14 4 2 1 电能计量电路 15 4 2 2 控制部分 18 4 2 3 显示电路 24 4 2 4 IC 卡接口电路 25 4 2 5 电能存储器 26 4 2 6 掉电检测电路 36 4 2 7 磁保持继电器驱动电路 36 5 软件系统软件系统 38 6 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 40 6 1 硬件措施 40 6 1 1 稳压电源考虑 40 6 1 2 串行 EEPROM 的选择 41 6 1 3 IC 卡接口电路 41 6 1 4 掉电检测电路 41 6 2 软件措施 41 6 2 1 采取措施保证 EEPROM 数据写入的可靠性 41 6 2 2 保证 IC 卡与电度表准确地进行交换数据 42 6 2 3 定时设置 I O 口状态 43 参考文献参考文献 44 致谢致谢 45 附录一附录一 总体电路图总体电路图 46 附录二附录二 部分程序部分程序 47 附录三附录三 中英文资料中英文资料 54 山东科技大学学士学位论文 0 1 绪论绪论 1 1 电度表的发展及现状电度表的发展及现状 1880年电能表诞生 19世纪末感应式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式测量机构 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 在房地产市场日益理智的今天 购房者对楼盘物管质量越来越重视 由于多种原因 水 电 气往往出现跑 冒 滴 漏现象 为此而产生的 业主与业主之间 业主与物业公司之间 业主与水电气供给部门之间的纠 纷 甚让开发商特别是物管部门 水电气供给部门感到头疼 提高楼盘智 能化水平采用智能IC卡表预付费系统 无疑会避免产生这类矛盾 房地产 山东科技大学学士学位论文 1 市场竞争激烈的城市 正是从提高楼盘智能化水平 率先在某些高档楼盘 高档办公大楼 公建设施中采用了智能IC卡表预付费系统 如著名的珠鹰 大厦 碧桂园凤凰城等著名楼盘 中国南方航空公司 广州军区司令部 陆军总医院 广东工业大学等部队 院校 均通过采用智能IC卡表预付费 系统 极大地促进了管理水平 提升了品位 智能IC卡预付费电表的成功推广应用 达到了控制和节约的双重效果 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 作为新楼盘的开发者 智能IC卡表的应 用 作品将锦上添花 增加卖点 提升品牌价值 作为电供给部门 将先 行回收投资 提高管理效能 利国利民利业 如果集体消费群体 智能IC 卡表的应用 将使管理者不再为收费为难 省心省力 事半功倍 1 2 单项预付费电度表研究的目的及意义单项预付费电度表研究的目的及意义 电度表作为一种电能计量工具 在国民经济各部门中得到广泛的应用 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 长期以来 人们 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 防 窃电性能低等特点 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 单相电子式预付费电度表就是其中的一种 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 山东科技大学学士学位论文 2 预付费电度表虽然只是普通计量器具 但是由于微控制器的引入 设 计起来有一定的难度 这是因为由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 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 而且付费电度表的工 作条件相当恶劣 对其可靠性也相对较高 一般来说主要表现在以下几个 方面 1 常年不间断运行 这要求设备具有高质量和高可靠性 2 电度表进行校表时要经历最严厉的满上下电考研 所谓满上电是 指电度表的电源电压从零达到最大的时间太长 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 为零而需要一定时间单片机的程序指针可能会出错 即程序跳出正常轨道 出现混乱 甚至陷入死机循环 3 由于主要面向广大群众要求成本可能低 所以在保持可靠性的前 提下 要求硬件电路简单 4 电能的计算关系到用户交纳电费的多少 涉及经济的实际 不允 许出现错误 所以电能表对电能计算准确精度高 因此 电度表有多少功并不是最重要的 关键是做到低功耗高可靠性 因 此研究本课题具有重要的实用意义 山东科技大学学士学位论文 3 2 方案设计及论证方案设计及论证 单相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 卡实现付费再用电 前者主要追求可靠性 后者要求高安全性 下面分 别对方案进行设计和论证 2 1 电能计量系统方案设计电能计量系统方案设计 方案 1 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 方设置一红外线发生接受对管 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 当红外线照射到其他部位时被反射 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 耗电多 笨重 方案 2 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 I V变换 A D转换 CPU 液晶显示 控制键盘 IC卡卡座 A D转换 I U 图 2 1 模数转换式系统框图 这种方案对信号的采样速率快 山东科技大学学士学位论文 4 但 A D 转换器的精度要求高 而且由于电网的电力的谐波引入前置通道 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 3 电压频率转换式 采用电压 频率 U F 转换器加单片机实现对电流和电压 A D 转换器 这样 模拟通道中 本身的干扰信号被抑制 无需专门的 A D 转换器 大 大减少了硬件设备 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 将零脉 冲送 CPU 处理 得出电压和电流的相位差 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 2 2 如所示 I U 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 图 2 2 电压频率转换式 这种方案 CPU 要实现读写卡控制 求功率因数 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 4 功率累加式 将端口电流和电压先选入模似乘法器相乘 得到一个与功率 P 成正比 的模似电压 或电流 再经过 V F 变换 或 I F 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 2 3 所示 山东科技大学学士学位论文 5 I V变换 模 拟 变 换 器 低 通 滤 波 器 VF 变 换 器 CPU 液晶显示 IC卡卡座 I U 图 2 3 功率累加式系统框图 这种方案不但兼有方案 3 的优点 而且对 CPU 的要求低 采用 51 系列单片机完全可以胜任 而且 现在已有集成电路将模似乘法器低通滤 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 模似乘法器 低通滤波器和 V F 变换器采用集成电路 SM9003 CPU 采用 TA89C51 它 内部有 4KB 的程序储存器 应用于此系统绰绰有余 采用液晶显示器 可以大大减少功耗 使界面清晰明了 2 2 预付费系统方案设计预付费系统方案设计 方案 1 采用非加密储存器卡作为销售电能的传输媒质 非加密储存器卡内嵌入芯片为通用储存器芯片 其逻辑结构如图 2 4 所示 串行通信接口 EEPROM存储器 触点 无芯片安全保护措 无安全控制逻辑 图 2 4 非加密储存器卡逻辑结构图 储存器卡的特点 卡内嵌入的芯片多为通用 EEPROM 无安全控制逻 山东科技大学学士学位论文 6 辑 可对片内信息不受限制的任意存取 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 存储器卡的典型型号有 AT24C01AL02 04 08 16 32 64 二线串行 EEPROM AT93C46 56 66 三线串行 EEPROM SLE4418 智能型 1KB EEPROM 等等 非加密存储器卡信息存储方便 便用 简单 价格便宜 很多场合可 替代磁卡 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 如某单位或学校内部进行定量用电 超标付款等 方案 2 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 件加密逻辑构成 其逻辑结构如图 2 5 所示 串行通信接口 触点 ROM PROM EEPROM 安全及控制逻辑 图 2 5 加密存储器卡逻辑结构 加密存储器卡的特点 具有安全控制逻辑 安全性能好 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不同的功能 区 加密存储器卡内嵌芯片在存储区外加了控制逻辑 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 可有效防止非法试探 若在限定的次数密码仍 山东科技大学学士学位论文 7 不对 则卡片死锁作废 这种器件保密性好 实用广泛 此方案可用于社 区或以村为单位的预付费用电系统 方案 3 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 接口及加密运算处理器 CAV 如图 2 6 所示 触点 I OCPU RAM CAV EEPROM ROM 图 2 6 CPU 卡逻辑结构 其中 CPU 一般均为兼容于 8 位字长单片机 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 3KB 16KB RAM 用于存放中间处理结果及作为卡与读写器间的信息 交换的中 间缓冲器 128B 1KB 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 1KB 16KB 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 所以此方案适用于大范围 如全国性的 预付费售电系统 典型型号有 mc68Hco5sc26 6KB ROM 224BRAM 山东科技大学学士学位论文 8 方案 4 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 其中结构如图 2 7 所示 在读写器的响应范围之外 射频 CPU 卡处于无源状态 通常 它没有自己的供电电源 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 芯片 耦合元件 外壳 图 2 7 射频 CPU 卡结构 射频 CPU 卡必须配备相应的读写器典型的射频 CPU 卡读写包含有高 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件发送电磁场 以提供射频 CPU 卡所需的工 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 如计算机 机器人控制装置等 射频CPU 卡读写器 计算机 耦合元件 耦合元件 线圈 微波天线等 数据 能量 时序 射频CPU卡 山东科技大学学士学位论文 9 图 2 8 射频 CPU 卡读写器接口 射频 CPU 卡与接触式 IC 卡相比有以下特点 1 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接触 无需 担心触点损坏或脱落 卡弯曲损害所致之卡片失效 卡与读写器均为全封 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 操作快捷便利 无接触通信使读写器在 10cm 范围就可以对卡片操作 无需插拔 且射频 CPU 卡使用时无方向性 卡片可以任意方向闪过读写 器表面完成操作 2 动态处理 由于射频 CPU 卡与读写器之间通信处于相对运动状态 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 要求高的场合目前及主要采用接触式 CPU 卡 射频正处于发展中 3 成本较高 由于卡与读写器都需要将射频技术结合进去 因此会增 加成本 采用射频 CPU 卡作为销售电能的传输煤质 安全性强 可靠性 高 经久耐用 但是读卡器电路复杂 成本高 甚至读卡器高于电度表本 身的成本 显而易见 这种方案不适用于民用 通过以上四种方案的综合比较可以看出 方案一适合学校的定量用电 在设计中选用 AT24C04 为存储器卡 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 山东科技大学学士学位论文 10 3 单相电子式预付费电度表的工作过程单相电子式预付费电度表的工作过程 3 1 功能介绍功能介绍 1 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 2 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 保护电度表 提高安全性 3 电度表正常工作时液晶显示剩余电能值 已用电能值 使用户直观 的了解电度表的工作是否正常及用电负荷的大小 4 用电时 能按二级表的精度计量电能 并随时改写剩余电能和已用 电能 5 当表内剩余电能不足 20Kwh 时在液晶显示器上显示 low power 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 新购电的 IC 卡插入卡槽时 完成上诉第一项的功能 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 五分钟后恢复 供电 8 具有掉电保护功能 掉电时 自动把剩余电能从 RAM 转存储在 EEPROM 中 3 2 工作过程工作过程 1 上电时 液晶显示屏上显示 electrograph 随将存放在 EEPROM 山东科技大学学士学位论文 11 中的剩余电能调入到 ROM 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 reading 稍后提示 ok 这时卡中电能被写 入卡中 且将卡清零 若为空卡 则显示 emport 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 wrong card 6 当电用完时 切断电源 并显示 no electricity 山东科技大学学士学位论文 12 4 硬件电路及工作原理硬件电路及工作原理 4 1 有功电能测量的基本原理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 SM9003 芯片中包含了四象限模 拟乘法器 积分器 电压率频转换器 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 SM9003 内部电路模型如图 4 1 所示 u i p P 四象 限模 拟乘 法器 积分器V F转换器 图 4 1 SM9003 内部电路模型 在正弦稳态情况下 设正弦电压和电流分别见公式 4 1 公式 4 1 tUu cos2 cos 2 tIi 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 I 为交流电流有效值 为交流电的角频率 u i 为电压电流相位差 经四象限模拟乘法器相乘后的瞬时功率见公式 4 2 公式 4 2 2cos cos cos 2cos2 tUItItUuip 可见瞬时功率有恒定分量 UIcos 和正弦分量两部分 正弦分量的频率 是电压 或电流 频率的两倍 正弦电流电压和瞬时功率的波形如图 4 2 所示 山东科技大学学士学位论文 13 图 4 2 正弦电流电压和瞬时功率的波形 在图 10 中 u 是瞬时电压 i 是瞬时电流 p 是瞬时功率 瞬时功率 p 经积分器后 得有功功率 p 见公式 4 3 公式 UIdttUI T pdt T p TT 2 cos 11 00 4 3 一段时间 T 内的电能 W 见公式 4 4 公式 TT TUITUIdtUIpdtW 00 coscos 4 4 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 的变化的脉冲 只需将脉冲累计计数 则计数 值 N 即为电能 4 2 电表电路工作原理电表电路工作原理 电表的硬件电路可分为电能计量电路 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 下面是各个模块的工作原理 山东科技大学学士学位论文 14 4 2 1 电能计量电路电能计量电路 电能计量电路采用电子电度表专用集成电路 SM9003 首先有必要介 绍一下 SM9003 的相关特点和技术参数 SM9003 采用 3um 桂栅 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 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 SM9003 是将取自由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 SM9003 同时具有测量负向有功功率的有功功率的功能 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 SM9003 管脚图如图 4 3 所示 其管脚定义如表 4 1 所示 山东科技大学学士学位论文 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VI1 VI2 GNDA Vv Nc VR1 VR2 POUT IND IC C2 COM VDD OSCOUT OSCIN DM02 DM01 GNDD VSS C1 图 4 3 SM9003 管脚图 表 4 1 SM9003 管脚定义 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 10IC 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 山东科技大学学士学位论文 16 两种输出波型 将 SM9003 的测试控制端 10 脚接地时 脉冲输出脚 8 脚 输出频率 8 192KHZ 的脉冲调制信号 如图 4 4 所示 将 SM9003 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 4 5 所示 V POUT 0 4V 图 4 4 输出频率 8 192KHZ 的脉冲调制信号 V POUT 0 4V 图 4 5 输出无调制的脉冲信号 在设计中 用 SM9003 构成的电能计量电路如图 4 6 所示 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 16 Feb 2010Sheet of File C Users ASUS Desktop MyDesign ddbDrawn By C2 VI1 COMVI2 C1 DNDA VDD Vv OSCOUT Nc OSCINVR1 DM02 VR2 DM01 POUT GNDD IND VSSTC SM9003 R14 100 R2 470K R3 47K R1 430K R12 330K R17 270 R16 271 R15 100 32768HZ C6 4 7 F C1 4700pF C8 100 F C9 100 F C7 4 7 F C4 0 33 F C5 0 1 F C10 0 1 F C2 4700pF VD2 VD1 VZ1 5 1V VZ2 5 1V R4 820K R5680K R6 5 1K R10 4 7K R9 4 7K R13 100K R820K R11 3K CD BA OUT 10A10A 10A10A 图 4 6 用 SM9003 构成的电能计量电路 在图 4 6 中采用 340u 的锰铜片作为电流采样电阻 用精密金属作为 电压采样电阻 C4 R17 VD1 VD2 C8 C9 VZ1 VZ2 为电容降压 式电源 为 SM9003 提供 5V 的工作电压 32768HZ 为表用晶体振荡器 为 SM9003 提供时钟 C6 C7 为积分电容 R8 为参考电压调整电位器 山东科技大学学士学位论文 17 本电路无需机械式计数器 4 2 2 控制部分控制部分 控制部分为整个电度表的心脏 实现电能脉冲计数 掉电信号 IC 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 51 系列的 单片机 其特点是通用性强 堆栈丰富和编程容易 其中 Flash 型如 Atmel 公司的 AT89C51 AT89C52 AT89C1051 AT89C2051 等和台湾华邦 公司的 W78E51 W78E52 等 使用十分方便 51 系列单片机的指令系统中 2 3B 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可以解决 本设计选用 Atmel 公司的 AT89C51 其中内部有 4KB 的程序存储器 硬件电路简单 电路如图 4 7 所示 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 16 Feb 2010Sheet of File C Users ASUS Desktop MyDesign ddbDrawn By P1 0VCC P1 1P0 0 P1 2P0 1 P1 3P0 2 P1 4P0 3 P1 5P0 4 P1 6P0 5 P1 7P0 6 RESET P0 7 RXDEA TXD ALE INT0 PSEN INT1P2 7 T0P2 6 T1P2 5 WRP2 4 RDP2 3 XTAL2P2 2 XTAL1P2 1 VSSP2 0 AT89C51 R51 10K R50 220 R22 10K R23 4 7K C13 10 F C31 0 1 F C14 20pF C15 20pF 12MHZ C32 0 1 F S 5V IC2 TL521 VD10 5V 5V 5V IC4 图 4 7 Atmel 公司的 AT89C51 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 AT89C51 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 电容值在 5PF 30PF 之间选择 本电路选 20PF 电容 C13 和电阻 23 构成上电复位电路 电源启动时 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 山东科技大学学士学位论文 18 期 24 个震荡周期 CPU 就可复位 二极管 VD10 的作用是当断电时 可使电容 C13 所存储的电荷迅速释放 所以下次上电时可靠复位 电容 31 可滤除高频干扰 防止单片机误复位 按键 S 和电阻 R50 构成按键复 位电路 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 51 系列单片机简介 单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机 这些部件中包 括中央处理器 CPU 数据存储器 RAM 程序存储器 ROM 定时器 计数 器和多种 I O 接口电路 51 单片机的基本结构如图 4 8 所示 时钟电路ROMRAM定时器 计时器 并行接口 中断系统 串行接口 CPU P0 P1 P2P3 TXDRXDINT0INT1 T0T1 图 4 8 51 单片机的基本结构 其结构特点如下 8 位 CPU 片内振荡器及时钟电路 32 根 I O 线 外部存储器 ROM 和 RAM 寻址范围各 64K 2 个 16 位的定时器 计数器 5 个中断源 2 个 山东科技大学学士学位论文 19 中断优先级 全双工串行口 布尔处理器 单片机的内部结构如图 4 9 所示 I O锁存 驱动器 P0 P1 P2P3 DPTRRAMROMPC ACC TMP ALU PSWSP 控制中 段 定 时 串行 口的特殊 功能寄存 器 定 时 与 控 制 ACC 指 令 寄 存 器 工作 寄存 器 PSEN ALE EA RST 内部总线 图 4 9 单片机的内部结构 1 中央处理器 51 单片机的中央处理器 CPU 由运算器和控制逻辑构成 其中包括若 干特殊功能寄存器 算术逻辑单元 ALU 能对数据进行加 减 乘 除等算术运算和 与 或 异或 等逻辑运算以及位操作运算 ALU 只能进行运算 运算的 结果可以实现存放爱在累加器或暂存器中 运算结果可以送回 ACC 通用 寄存器或存储单元中 暂存器在乘法指令中用来存放乘数 在除法指令中 用来存放除数 运算后其中为部分运算结果 程序状态字 PSW 是 8 位寄存器 用来寄存本次运算的特征信息 用 到其中的 7 位 山东科技大学学士学位论文 20 控制逻辑主要包括定时和控制逻辑 指令寄存器 译码器以及地址指 针 DPTR 和程序计数器 PC 等 时钟是时序的基础 51 单片机片内由一个反向放大器构成震荡 可 以由他产生时钟 时钟可有两种方式产生 即内部方式和外部方式 内部 方式是在 XAT1 和 XAT2 端外接石英晶体作定时元件 内部反向放大器自 激震荡 产生时钟 时钟发生器对震荡脉冲二分频 因此 时钟是一个 双向信号 一条指令译码产生一系列微操作信号在时间上有严格的先后顺序 这 种次序就是计算机的时序 单片机的基本时序已有 振荡周期 振荡源的 周期 时钟周期 振荡周期的二倍 机器周期 含 6 个时钟周期 指 令周期 完成一条指令所占有的全部时间 指令部件有 程序计数器 PC 指令计数器 IR 指令译码器 ID 数据指针 2 存储器组织 51 单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开 并有自己的存储机构和寻址方式 51 单片机在物理上有 4 个存储空间 片内程序存储器和片外程序存储 器 片内数据存储器和片外数据存储器 51 片内有 256 字节数据存储器 RAM 和 4KB 的程序存储器 ROM 除 此之外 还可以在片外扩展 RAM 和 ROM 并且各有 64KB 的寻址范围 也就是最多可以在外部扩展 2 64KB 存储器 64KB 的程序存储器 ROM 空间中 有 4KB 地址区对于片内 ROM 和片外 ROM 是公用的 这 4KB 地址为 0000H 0FFFH 而 1000H FFFFH 地址区为外部 ROM 专用 CPU 的控制器专门提供一个控制信号 用来 区分内部 ROM 和外部 ROM 的公用地址区 当是高电平时 单片机从 山东科技大学学士学位论文 21 片内 ROM 的 4KB 存储区指令 而当指令地址超过 0FFFH 后 就自动地 转向片外 ROM 取指令 当接低电平时 CPU 只从片外 ROM 取指令 3 片内并行接口 P0 P1 P2 P3 口都是 8 个引脚的 I O 口如图 4 10 所示 P0 是 OC 门输出 带载能力为 8 个 TTL 门 P1 P2 的带载能力是 4 个 TTL 门 初始状态所有端口为高电平 1 1 2 D CL Q MUX 地址 T P2x 引脚 P2x 锁存 器 内部上拉电阻 内部总线 向锁存器写 读引脚 读锁存器 控制 Vcc 1 2 D CL Q 读锁存器 第二输出功能 内部上拉电阻 内部总 线 向锁存器 写 读引脚 T P3x 引脚 P3x 锁存 器 Vcc 3 第二出入功 能 sbit RW P2 1 sbit EN P2 2 sbit P1 6 P1 6 sbit P1 5 P1 5 sbit P1 2 P1 2 void Delay uint ms 延时 unchar i while ms for i 0 i 12 i unchar Read LCD state unchar state RS 0 寄存器选择 RW 1 读状态寄存器 EN 1 开始读 Delay 1 state P0 EN 0 Delay 1 return state void LCD Busy wait while Read LCD state Delay 5 void write LCD command unchar cmd 写 LCD 命令 LCD Busy wait 山东科技大学学士学位论文 46 RS 0 RW 0 EN 0 P0 cmd EN 1 Delay 1 EN 0 void write LCD data unchar dat 写 LCD 命令数据 LCD Busy wait RS 1 RW 0 EN 0 P0 dat EN 1 Delay 1 EN 0 void Intialize LCD void write LCD command 0 x38 设置字体 Delay 1 void write LCD command 0 x01 清屏 Delay 1 void write LCD command 0 x06 屏不动 字符后移 Delay 1 void write LCD command 0 x0c 显示开关光标 Delay 1 Void showstring unchar x unchar y unchar str unchar i 0 If y 0 write LCD command 0 x80 x If y 1 write LCD command 0 xc0 x For i 0 i 16 i write LCD data str i Void format unchar d unchar a a 0 d 1000 0 a 1 d 1000 100 0 山东科技大学学士学位论文 47 a 2 d 1000 100 10 0 a 3 d 1000 100 10 0 IIC C define NOP4 NOP NOP NOP NOP sbit SDAC P1 3 sbit SCLC P1 4 void startc SDAC 1 SCLC 1 NOP4 SDAC 0 NOP4 SCLC 0 void stopc SDAC 0 SCKC 1 NOP4 SDAC 1 SCLC 0 NOP4 void RASKC SDAC 1 SCKC 1 NOP4 SCLC 0 SDAC 1 Void NO ACKC SDAC 1 SCKC 1 NOP4 SCLC 0 SDAC 0 Void write A Bytec unchar b Unchar i For i 0 i 8 i b 1 SDAC CY NOP SCLC 1 NOP4 SCLC 0 RACKC Void write IICC unchar addr unchar dat Startc write A Bytec 0 xa0 write A Bytec addr write A Bytec dat stopc Delay 山东科技大学学士学位论文 48 Unchar Read A Bytec Unchar i b For i 0 i 8 i SCLC 1 b 1 b SDAC SCLC 0 Return b Unchar Read Currentcc Unchar d Startc write A Bytec 0 xa1 d Read A Bytec NO ACKC Stopc Return d Unchar Random Readc unchar addr Startc write A Bytec 0 xa0 write A Bytec addr stop return Read Currentc sbit SDA P3 0 sbit SCL P3 1 void start SDA 1 DCL 1 NOP4 SDA 0 NOP4 DCL 0 void stop SDA 0 SCK 1 NOP4 SDA 1 SCL 0 NOP4 void RASK SDA 1 SCK 1 NOP4 SCL 0 SDA 1 山东科技大学学士学位论文 49 Void NO ACK SDA 1 SCK 1 NOP4 SCL 0 SDA 0 Void write A Byte unchar b Unchar i For i 0 i 8 i b 1 SDA CY NOP SCL 1 NOP4 SCL 0 RACK Void write IIC unchar addr unchar dat Start write A Byte 0 xa0 write A Byte addr write A Byte dat stop Delay Unchar Read A Byte Unchar i b For i 0 i 8 i SCL 1 b 1 b SDA SCL 0 Return b Unchar Read Current Unchar d Start write A Byte 0 xa1 d Read A Byte NO ACK Stop Return d Unchar Random Read unchar addr Start 山东科技大学学士学位论文 50 write A Byte 0 xa0 write A Byte addr stop return Read Current 定时器 0 中断