单相电子式IC卡预付费电度表.doc

西华大学毕业设计说明书 电气信息学院毕 业 设 计 说 明 书题 目： 单相电子式IC卡预付费电度表 专 业： 电气工程及其自动化年 级： 2009级学 生： 胡 辉 学 号： 指导教师： 王 萌完成日期： 年 月 日单相电子式IC卡预付费电度表摘 要：本文介绍了基于单片机的可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗等优点设计的单相电子式IC卡预付费电度表。在设计中主要是利用单相电子式电能表专用集成芯片ADE7755来实现用户对所使用电能计量，再利用单片机AT89C52作为电路的控制中心。在设计电能计量电路之前需先将电压、电流信号进行采集再通过电能计量芯片ADE7755进行电能计量，将所测得电量传到单片机，再利用IC卡设置预付费系统，最后再利用LCD进行显示，最后再通过软件调试实现基本的要求。通过此方法所测得的电能准确，且整个系统的精度高、保密性好、抗干扰强。关键词：电度表，ADE7755，电能计量，AT89C52，IC卡Abstract: This paper introduces the microcontroller-based, high reliability, easy to expand, control functions, low voltage, low power consumption, etc. Design of single-phase electronic type IC card prepaid meter. Mainly used in the design of single-phase electronic energy meter to achieve specific integrated chip ADE7755 energy metering users use, reuse AT89C52 microcontroller as the circuit control center. In the design of energy measurement circuit is required before the first voltage and current signals are collected and then carried through energy metering IC ADE7755 energy metering, the measured energy spread microcontroller, re-use IC card prepaid system settings, and finally re-use LCD display, Finally, through the realization of the basic requirements for software debugging. By this method the measured energy accurate, and overall system accuracy, confidentiality, and strong anti-interference.Keywords: meter, ADE7755, energy metering, AT89C52, IC card目录1 前言11.1电能表的发展11.2电子式电能表的功能21.3预付费电能表的特点31.4 预付费电能表的应用前景41.5选题背景52.总体方案设计62.1 设计内容62.2方案设计62.2.1电能计量系统设计方案62.2.2预付费系统设计方案72.2.3显示器的设计方案92.3方案选择103电子式电能表工作原理113.1预付费电能表的结构113.2电能测量原理123.3电子式电能表的的工作原理123.4 ADE7755的工作原理133.4.1 ADE7755简介133.4.2 ADE7755工作原理134 硬件设计154.1 电源电路的设计164.2单片机控制电路164.2.1 AT89C52介绍174.2.2 控制回路的设计194.3电能计量电路204.3.1 ADE7755引脚排列及功能204.3.2 ADE7755的特点214.3.3电能计量电路224.4 其他部分电路254.4.1 IC卡接口电路254.4.2 电能存储单元264.4.3 实时时钟电路274.4.4 显示电路284.4.5 掉电检测电路304.4.6 串口电路305软件设计315.1 软件选择315.2软件设计步骤325.3程序设计336系统调试346.1 Keil软件简介346.2 软件调试346.2.1 时钟芯片调试346.2.2 显示部分调试356.3 仿真电路总图356.4 系统仿真参数设置367结论378总结与体会389谢词399参考文献40附录一41附录二42附录三43 1 前言作为测量电能的专仪表电能表，自诞生至今已有100多年的历史。因为1KWh的电能量被定义为一度电，所以按计量单位，电能表又俗称电度表或千瓦时表。电能表在电能管理用仪器仪表中占有很大比例，其性能直接影响着电能管理的效率和科学文化水平。100多年来，随着电力系统、所有以电能为动力的产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。近几十年来，我国国民经济增长很快，其中电力行业作为重中之重有了长足的发展。而电力行业的发展需要电能计量仪表制造业的进步与之相适应，发电、输电、配电与用电均与用电均需要准确地计量电能。在世界性能源匮乏的今天，电能的节约与有效利用均具有十分重要的意义。为此，对电能的精确测量也越来越受到电能供需双方及其他有关方面的高度重视。1.1电能表的发展感应系电能表世界上最早的电能表是爱迪生于1880年利用电解原理制成的直流电能表。交流电的出现和被利用，对电能计量仪表的功能提出了新的要求。1888年，意大利物理学教授费拉里斯首先想到用旋转磁场理论服务于交流电能的测量。于此同时，美国某电工技术学校的一物理教师爷根据旋转磁场的原理试制出了感应系电能表的雏形。1889年，德国人布勒泰制作出了无单独电流铁心的感应系电能表。1890年，带铁心电流的感应系电能表出现了，不过其转动元件是一个铜环，反作用力矩靠交流电磁铁产生。直到19世纪末，电能表才逐步改由永磁铁产生反作用力矩，以降低转动元件旋转速度并增加转矩；表的计数机构也几经改进，铜制的圆转盘由铝圆盘所取代。至此，感应系电能表的制造理论基本形成。在电力系统发展的早期，感应系电能表被广泛用于工频电能的测量。感应系电能表示利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的。经过近100年的不断改进与完善，感应系电能表的制作技术已经成熟。通过双重绝缘、加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振动被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。因此，至今在包括我国在内的许多发展中国家甚至一些发达国家，感应系电能表仍作为主要的电能计量仪表被广泛使用。电子式电能表电能开发及利用加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。电力系统的不断扩大以及电能合理利用的探索，使感应系电能表暴露出不少甚至是致命的缺点。一般感应系电能表的准确度为2.0级和1.0级，其性能所达到的最高准确度受制造和机理所限只能达到0.5级，但对大用户和大电网的电能管理，要求电能计量仪器应有更高的准确度。现代电能管理强调自动化、智能化，要求以高新技术手段确保经济杠杆调配电能的使用，以更高的供用电效率。这便对电能计量仪器仪表提出了多功能化的要求，希望它不仅能计量电能，也能应用于管理。为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化飞速发展的需求，电子式电能表应运而生。早期的电子式电能表并没有完全摆脱感应系电能表，它采用精密感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感器完成电能-脉冲转换，然后经电子电路对脉冲进行适当处理，从而实现对电能的测量。由于此种表的显著特点是感应系测量机构配以脉冲发生装置，因此被称为感应系脉冲电能表，也称为机电式电能表，或简称脉冲式电能表。该种电能表在国外早有成熟产品，并自70年代初开始在一些工业化国家被大面积采用。尽管直到90年代还有人在不断地改进脉冲式电能表的某些技术性能，但以感应系测量机构作为其测量主回路的原理缺陷，决定了其测量准确度级别只可能与感应系电能表一样，一般为2.0级和1.0级，而不可能再高。为了替代由感应系测量机构测量交变电能，人们研究并试验了许多不同的测量方式方法与实现方案。70年代就出现采用全电子电路的测量试验，这些试验揭示了后来的电子式电能测量仪器仪表的进一步发展，并且已经让人相信，吧不同的新技术合理地应用于电能的测量的可行性，使建立以这些仪器为基础的电能测量手段成为可能。由于电能是电功率对时间的积分，所以，任何全电子式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量功率和电能的全电子式测量方案的共同特点。电子式电能表由于其线性度高、过载能力强、功耗低、抗高次谐波能力强、灵敏度高等一系列的优点，最终将取代传统的感应系电能表，逐步会在现代电能计量与管理中占据主导地位。1.2电子式电能表的功能电子式电能表的基本功能有十多种，加上辅助功能，据文献介绍，国外某些型号的工业用电子式电能表的功能甚至多达上百种。电子式电能表的功能科划分为用电计量、监视、控制、管理等四类。计量功能电子式电能表的计量功能具体地又分累计和实时计量两部分。累计电子式计量功能主要包括累计双向供电的有功电能、无功电能和视在电能的消耗量、断电时间、断电次数及超功率时间等。而实时计量功能的内含为测量并显示工频电能的所有参数，如各相电流、相电压及线电压、单相和三相的有功功率、无功功率、视在功率，单相和三相的功率因数，电源频率和时钟等等。监视功能主要的监视功能为最大需量和防窃电监视；次之的有缺相指示、停电和复电时间记录、预付费表的所购电能将用尽时的报警及电压异常报警等。控制功能主要的控制功能为时段控制与负荷控制。前者用于多费率分时计费；后者则是指通过接口接收远方控制指令或通过表计内部的编程控制。预付费表还具有所购电能将用尽时的报警延时拉闸停电的控制功能。管理功能电子式电能表的管理功能包括按时段/费率进行计费、预付费提示、为抄表提供必要信息数据、课参与组网进入电能管理系统等。在电子式电能表中，费率的转换由内部钟控或外部触发实现，季节、星期、日或节假日等不同的具体电价，统一由供电部门设定。先购电在用电的预付费管理模式，是通过使用电卡（又称电钥匙或电子钥匙或IC卡）、磁卡或光卡完成的。1.3预付费电能表的特点随着微电子技术、计算机技术及信息安全技术的不断发展，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等基片上而制成的卡片即现在常称的IC卡技术日趋成熟。进入90年代，IC卡技术在国外已得到广泛应用。智能型IC卡预付费电能表应运而生。预付费电度表又叫购电式电能表，它有电能计量单元和数据处理单元构成，是一种用户必须先付费才可用电的特殊电能表。用户可通过介质将所购电能数预置到该电能表中，电能表据此数据经处理、识别而提供用户供电。当剩余电能量将要用尽时，电能表可预先发出警告信号。当剩余电能量为零时，电能表发出断电信号从而控制断电机构断电。预付费电度表的特点主要有：不需要人工抄表预付费电能表采用的计量方式是用户持卡先到供电管理部门买电，然后才能用电。因此不需要采用人工抄表，有效的解决了抄表难得问题。可以解决一些电费收缴困难户的收费问题随着经济的发展和文化交流的活动增加，流动人口越来越多。由于流动人口的活动不确定性，抄收人员很难找到他们，这些人的电费收缴和困难。使用预付费电能表是先购电在使用的方式，就可有效的解决电费回收的问题。同时，它也能很好的解决零散居民用户、临时用电用户、经常欠费用户的收费问题。可以实行功率限定按照规定，用户用电应如实申报用电容量，以便于电力部门确定供电方式及准确计算应缴电费。但有些用户为达到少交电费的目的，故意烧包用电量，从而造成了电费的流失。感应式电能表没有功率限定的功能，且其过载能力较大，不能限制用户超容量用电。用户超容量用电或供电方式选择不符合现场实际，会使线路负载过重，造成线路过热且加大了线路过热且加大了线路损耗，严重的会影响电力系统的安全运行，预付费电能表具有功率限制功能，当用户虚报用电容量时，其实际负荷会超过表内设置的限定功率，表计会自动跳闸，可迫使用户如实申报用电容量。具有一定的防窃电能力预付费电能表对方向用电的处理方式，是将反响用电计入正向用电，因此，当用户采取反接电流进出线或采用窃电器窃电时，其反转电量还会叠加在正向电量中去，窃电是无法得逞的。有利于培养用户电是商品的意识电是一种商品，商品交换的一个基本原则就是实行等价交换，也就是当你使用、占有商品时就必须支付一定的货币。长期以来，由于计划经济的影响，一些人头脑中还没有电是商品的概念，因此，“偷电不是偷”、“欠电费不算欠”等错误观念还有一定市场。预付费电能表实行的是先买电在用电，完全是按商品交换的原则进行，改变了过去先用电在交费的方式，有利于培养用户电是商品的意思。有利于用电管理部门提高现代化管理水平随着科学技术的发展，计算机已应用于各个行业、各个部门。用电管理工作也将由传统的管理模式向现代化管理模式转变，实现无纸化管理。预付费电能表的使用必须配合计算管理才能进行，因此，有利于提高用电管理部门应用计算机管理的水平，提高劳动生产率。1.4 预付费电能表的应用前景电力系统管理部门对预付费电能表表计的需求呈多样化的发展趋势，以下是一些目前电力系统管理部门和具体使用客户都共同需要的多种预付费电能表：（1） 适宜解决流动性较大、有欠费倾向的中小动力客户/商住户的三相预付费电能表。（2）适宜解决多个农民家庭水浇地使用的一表多卡的三相预付费电能表。（3）适宜有费率和时段使用需要的三相多费率预付费电能表。（4）适宜实行居民分时电价政策的单相复费率预付费电能表。（5）适宜普通居民使用的单相预付费电能表等。我们可以从多个信息渠道获知，与前几年相比，表计电子元器件性能和使用寿命的稳步提高，预付费电能表的产品质量、功能、使用寿命、可靠性等都有明显的改善。目前各地区电力系统管理部门接受机电一体式/全电子式预付费电能表的意见日趋缓和，尤其对全电子式单、三相系列预付费电能表正呈现需求逐步上升趋势。同时随着各地区电力管理部加大实施分时电价政策，新型复费率预付费表计的使用已经开始。一个表计产品是否符合电力系统管理部门和具体使用客户的实际需要，最终检验的标准是时间、是客户对该表计的认同。1.5选题背景在现代化社会中，电能已经成为了最重要的能源。作为国民经济支柱产业的电路工业的发展，需要电能测量仪器仪表技术的进步与之相适应；发电、输电、配电盒用电均需要对电能进行准确测量，而且在世界性能源匮乏和环境污染日益严重的今天，电能的节约与更高效利用，对人类的发展都有十分重要的意义。正因如此，对电能的准确测量越来越受到人们的普片关注。在我国，收电费难是各地普遍存在的现象，长期以来令管理部门大伤脑筋。许多用户法律观念淡薄，用电后迟交、托欠甚至不交费。供电管理部门为催收电费花费大量人力，仍有数额可观的电费收不上来，严重地影响了电力工业的发展。为解决电费托欠问题，供电部门提出了预收费的办法，而这种办法的实施，促使许多科研和生产单位争相研制开发各种具有预付费功能的电能计量仪表。本设计就是针对单相电子式IC卡电度表的设计，该电度表是将微电子技术、计算机技术及信息安全技术运用于实际。IC卡电能表的使用免去了供电部门抄表的繁重工作，而由单片机智能控制，大大减轻了工作量。同时用户对自己所购电量心中有数，能更合理地安排使用。2.总体方案设计2.1 设计内容单相电子式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卡实现先付费，再用电。前者主要追求可靠性，后者要求安全性高。2.2方案设计由于电能是电功率对时间的积分，所以，任何全电子式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而使用乘法器是实现测量功率和电能的全电子式测量方案的共同特点。2.2.1电能计量系统设计方案电能计量系统主要有三种设计方案可供选择。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。其中，采用对脉冲的整形、计数、显示完成电能的计量。与原感应式电度表相比，显示直观，读数容易。但仍然具有耗电多、笨重的缺点。 方案二： 模数转换式 对电流和电压分别采样，再通过转换成数字信号，然后送入单片机相乘运算，同时在CPU内部设置一定时器定时对功率累加,其系统设计框图如图2.1所示：显示器IC卡卡座卡电流变换器A/D转换CPUI电压变换器A/D转换 U图2.1 方案二的系统框图 这种方案对信号的采样速率快，但对A/D转换器的精度要求极高，不宜采用。方案三:电压频率转换式 电压和电流分别经过零检测电路，经过零脉冲送处理。得出电流和电压的相位差（）。经过查表得功率因数（），再与电流、电压相乘便得到功率，定时累加就是电能值，其系统设计框图如图2.2所示：CPU过零检测显示器过零检测电流变换器模拟开关IIC卡卡座电压变换器V/F转换U图2.2 方案三的系统框图这种方案要实现读写卡控制、求功率因数（）、电能计算等功能，负担较重。一般的、和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，得到与功率成正比的模拟电压（或电流），再经过变换（或变换）变成频率信号。在一定的时间内记数为，便得到这段时间内的电能。其系统设计框图如图2.3所示：电流变换器CPUV/F转换器低通滤波器乘法器显示器IIC卡卡座电压变换器U图2.3 方案四的系统框图 这种方案兼具以上三种的优点且对CPU的要求不高，且可以用集成电路集成了模拟乘法器、低通滤波器、V/F转换器，其性能指标远远高于分立元件。 2.2.2预付费系统设计方案 预付费系统即系统中的IC卡部分，而IC卡按其加密方式不同科分为：加密存储卡（普通软件加密卡）、机密存储卡（硬加密卡）、CPU卡。所以预付费系统的设计方案主要有以下几种： 方案一：采用非加密存储器卡作为销售电能的传输煤质非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片，其结构如图2.4所示： 图2.4通用存储器的结构图由图可知，卡中的电路为EEPROM（电可擦除存储器），其加密方式主要依靠密码算法（如DES算法或RSA算法）进行加密。非加密存储器卡存储方便、使用简单、价格价格便宜，很多场合可替代磁卡，但由于本身不具信息保密功能，因此只能用于保密要求不高的场合。方案二：加密存储器卡加密存储器卡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： 触 点微处理器地 址 ER R EA O PM M R O M 数 据 图2.5加密存储器的结构图该种类型的存储卡是在非加密存储卡的基础上加了逻辑加密电路，在访问该存储器前需要核对密码，只有密码正确，才能存取数据，若在限定次数内密码仍不对，则卡片死锁。这类器件保密性较好，应用广泛。方案三：CPU卡 CPU卡的硬件构成包括CPU、存储器、卡与读写终端通信的I/O接口及加密运算协处理器CAU。并且能够实现双向认证，具有数据存储，命令处理和数据安全保护等功能。CPU卡内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带有控制器、存储器、时序控制逻辑外，还带有算法单元和操作系统。CPU卡有存储量大、处理能力强、信息存储安全等特性，因此广泛用于信息安全要求特别高的场合。2.2.3显示器的设计方案 电能表作为电能的计量产品且必须一天24h连续工作，这就要求其显示器在选择上必须满足以下要求：1) 长寿命：10年以上；2) 功率小：1mW以下；3) 显示对比清晰、直观；4) 各种气候环境：温度-3065、温度95%以下、气压86106kPa、耐霉菌、酸碱等腐蚀性气体、耐紫外线。 目前常见的显示器件有三种：液晶（LCD）、发光二极管(LED)、荧光管（FIP），当然还有传统感应式电能表采用的机械计度器。其中液晶（LCD)的工作原理是利用液晶在一定电场下发生光学偏振而产生不同透光率来实现显示功能的；发光二极管(LED)的工作原理是利用特殊结构和材质的二极管在施加正向工作电压、具有一定工作电流时，发出某一特定波长的可见光来实现显示功能的；荧光显示板(FIP)的工作原理是利用特种荧光物质在一定电场和一定红外线热能下产生一定亮度的可见荧光来实现的。下面就三种发光器件在寿命、耗电、亮度、成本等多方面进行对比如表2.1所示：表2.1 LCD、LED、FIP优缺点比较一览表 项 内 容 目名称寿命（h）强背景光 下对比度弱背景光下对比 度 功耗 成本驱动线路得分液晶显示器（LCD)长：10万（带光源）（无光源）（小于10uA）（一般） （复杂）3发光二极管（LED）短：10万100万 （低）（简单）2荧光显示板（FIP）短：3万5万 （高）（一般）-2注：表中代表优越（1分）；代表一般（0分）；代表差（-1分）2.3方案选择通过电能计量系统、预付费系统、显示器的方案比较可知：在电能计量系统中采用的是方案四：功率累加式；在预付费系统中采用的是方案二即采用加密存储器卡作为售电的传输煤质；在显示器中根据表2.1比较的结果，优先选用液晶显示器（LCD)。3电子式电能表工作原理3.1预付费电能表的结构电子式预付费电能表主要由6部分组成：电能测量单元、数据处理及功能单元、显示器、功能介质（IC卡接口）、电源电路、跳闸断电保护电路。其电气结构图如图3.1所示： 显示器数据处理及功能单元显示器驱动电路存储器功能介质功能介质驱动数据运算功能逻辑断电驱动分频器电能测量单元V/F转换器电源电路积分器模拟乘法器Vv*Ii断电机构分压器分流器电压电流图3.1 电子式预付费电能表电气结构图3.2电能测量原理 单相电能表的计量对象是用户的所有负载消耗的有功电能，其额定电压为220V、额定频率为50Hz。假设电压U（t）和电流I（t）均为正弦波，则在t时刻负载两端的电流、电压的表达式为： 在上式中，U（t）为电压有效值，I（t）为电流有效值，Um为电压峰值，Im为电流峰值，w为角频率，为电压、电流的相位差。如果已知电压、电流的有效值及相位差，则消耗的瞬时功率为： 而有功功率P为瞬时功率P（t）在一个周期内的平均值，则有：式中T为正弦周期，则一个周期内的电能为： 单相交流有功电能表所计量的是负载上所消耗的有功电能，而实际上用户的负荷是不断变化的，无法快速而准确的测得每个周期的电压有效值和电流有效值，以及电压与电流之间的相位差，所以无法直接用上式测得一个周期的电能W。目前在实际应用中常用的电能表是电子式电能表，本次设计采用的就是单相电能计量芯片ADE7755所构成的测量电路。3.3电子式电能表的的工作原理 电子式电能表一般都要经过电压电流采样后经乘法器，再经U/f变换成频率电能计量单元送给计数器，显示出电能。其工作原理框图如图3.2所示：U电压变换器fUf计数显示控制乘法器fiUU/f变换I电流变换器 图3.2 电子式电能表工作原理框图其中的乘法器分为模拟乘法器和数字乘法器两类，根据本次设计方案选用的的是数字模拟乘法器。其构成的电能专用芯片是计算单元控制双通道A/D转换，同时对电压、电流波形进行采样，然后由芯片计算单元完成相乘并累计电能。数字乘法器以A/D变换原理分为两类：用逐次比较型A/D进行采样的数字乘法器和用-原理进行A/D转换的数字乘法器。前一类产品是南非Sames公司生产的SA91系列单、三相电能测量专用芯片。后一类是美国ADI公司于1998年首先研制出AD7755系列产品，而在此次设计中我采用的就是美国ADI公司生产的ADE7755电能计量芯片。3.4 ADE7755的工作原理3.4.1 ADE7755简介 ADE7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。其内部框图如图3.3所示。电压、电流通道里各有一个16位A/D转换器，所以它是采用数字乘法器进行功率运算，运算结果经以数字频率转换器，变成电能计量的高、低频标准脉冲CF和F1、F2，然后进行输出，可测单相有功功率。图3.3 ADE7755的内部结构框图3.4.2 ADE7755工作原理两个模数转换器（ADC）对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位二阶-模数转换器，过采样速率达900kHz。ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口（可与传感器直接连接），也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道中的程控放大器（PGA）进一步简化了传感器接口。电流通道中的高通滤波器（HPF）滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推到计算出来的，瞬时功率信号时用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就可以了。其信号处理框图如图3.4所示： 图3.4 ADE7755信号处理框图图3.4的信号处理框图显示了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率，此也能正确的计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加（例如通过计度器累加），就能获得电能计量信息。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF的输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验时很有用的，当然也可以进行进一步累加而获得电能计量信息。4 硬件设计在设计中采用的是Potel 99SE软件进行硬件电路画图，Protel 99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。Protel 99SE 由两大部分组成：电路原理图设计（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library）。在此设计中采用的是电能计量系统采用的是将模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器的集成电路ADE7755芯片进行电能的采集与处理；CPU采用AT89C52芯片作为控制芯片，它内部有8KB的程序存储器，应用于此系统绰绰有余在此设计中使用EEPROM存储器对用户信息（剩余电量等）进行存储；显示器采用的是LCD12864；IC卡接口电路分别采用SLE4422集成芯片并采用实时时钟芯片DS12887作为总线与单片机相连，再配合跳闸断电电路，使得系统有更高的可靠性。其系统原理框图如图4.1所示： EEPROM 单片机 AT89C52计量芯片电路（ADE7755) IC卡卡座（SLE4442） 显示电路（LCD12864）跳闸断电电路实时时钟（DS12887）图4.1系统原理框图预付费电度表的硬件电路可分为单片机控制电路、电能计量电路、显示电路、IC卡接口电路、电能存储电路、掉电检测电路和电源电路等组成，下面就简单介绍各电路。4.1 电源电路的设计 电源是整个系统能够工作的基础，在实际运用中比较容易获得的电源是220V交流电。而在系统中主要是以集成芯片为硬件基础，其需要+5V的直流电源。直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路等四部分组成，其组成框图和稳压过程如图4.2所示：图4.2系统基本框图及稳压过程 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列，而在设计中需要的是+5V电压，所以在设计中采用的而是7805三端正稳压电路，其实物及管脚图如图4.3所示：图4.3 7805实物及引脚由7805设计的电源电路如图4.4所示：图4.4电源电路4.2单片机控制电路控制部分为整个电路的核心，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等功能。单片机的选择是决定电度表性能的关键因素，在设计中选用的是Atmel公司生产的AT89C52。4.2.1 AT89C52介绍AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B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，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。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、工作特点和指令系统等方面兼容。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；中断系是具有统8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；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（1+0.2）V，且典型值为5V；最高工作频率为24MHz。AT89C52的引脚排列及实物图如图4.5所示： 图4.5 AT89C52实物图及引脚图其中40只引脚按其功能来分，可分为如下三类：电源及时钟引脚：VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。控制引脚：、ALE、RESET(即RST）。I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚AT89S52主要引脚的主要功能： VCC：接+5V电源。 VSS：接地。P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输出口使用时，由于输出电路是漏极开路（因为此时上拉场效晶体管截止），必须外接上拉电阻才能有高电平输出。P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。P1口作为输出口使用时，外电路不需外接上拉电阻；作为输入口使用时，应先向其锁存器先写入1，使输出驱动电路的FET截止。P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。由于MCS-51的引脚数目有限，因此在P3口电路中增加了引脚的第二功能，如下表4.1所示。表4.1 P3口的第二功能定义端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部计数输入）P3.5T1（定时器1外部计数输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST：RST（RESET)是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚0.5V低电平。ALE/ ：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲输出，此频率为时钟振荡器频率的1/6。为本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。：程序存储器输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的(输出允许端)。端可驱动8个LS型TTL负载。 /VPP：功能为内外程序存储器选择控制端。当引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH，即超出片内程序存储器的4KB地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当引脚为低电平时，单片机则只访问外部程序存储器，无论是否有内部程序存储器，对于8031来说，因其无内部程序存储器，所以该引脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。为了执行内部程序指令，应该接VCC。4.2.2 控制回路的设计此次设计的主控回路是以AT89C52单片机为核心设计的复位、报警、晶振电路，主要完成IC卡读写电路的逻辑控制与一些相关信息的处理，而这些功能的实现比较主要是靠软件设计来完成的，其硬件电路相对简单。一般情况下单片机的最小系统就能完成其功能，其硬件电路如图4.6所示：图4.6 控制电路图在图4.5中时钟电路（包括晶体振荡器（Y1）、电容C12、C13），上电复位电路（包括R17、R18、S1、C21）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C11、C12可起频率微调作用，电容值在5pF30pF之间选择，在本次设计中我选的是20pF。4.3电能计量电路4.3.1 ADE7755引脚排列及功能在电能计量电路中主要采用电子电能表专用集成芯片ADE7755,其实物图和引脚如图4.7所示： 图4.7 ADE7755实物图及引脚图ADE7755引脚功能说明如表4.2所示表4.2 ADE7755引脚功能引脚号符号说明 1 DVDD数字电源引脚。该引脚提供ADE7755数字电路的电源，正常工作电源电压应保持在5V5%,该引脚应使用10uF电容并联100nF瓷介电容进行去耦。 2 AC/DC高通滤波器HPF选择引脚。当该引脚输入高电平时，通道1（电流通道）内的HPF被选通，该滤波器所涉及的相位相应在45Hz至1KHz范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中，应使HPF选通。 3 AVDD模拟电源引脚。该引脚提供ADE7755模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在5 V5%，为使电源的纹波和噪声减小到最低程度，该引脚应使用10uF电容并联100nF瓷介电容进行去耦。4，19 NC不连接5，6V1P,V1N通道1（电流通道）的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大信号电平为470mV，相对于AGND的最大信号电平为1V。7，8V2N,V2P通道2（电压通道）的负、正模拟引脚。完全差动方式输入方式，正常工作最大输入电压为660mV，相对于AGND的最大信号电平为1V。 9 RESFT复位引脚。当为低电平时，ADC和数字电路保持复位状态，在RESEF的下降沿，清除ADE7755内部寄存器。 10 REF基准电压的输入、输出引脚。片内基准电压标称值为2.5V8%，典型温度系数为30ppm/。外部基准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源，该引脚都应使用10uF钽电容和100nF瓷介电容对AGND进行去耦。 11AGND这是ADE7755模拟电路（即ADC和基准源）的接地参考点，该引脚应连接到印刷电路板的模拟地面。 12 SCF校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率。13，14 S1，S0这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数，这为电度表的设计提供了很大灵活性。15，16G1，G0这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1的增益。 17 CLKIN外部时钟可从该引脚接入，也可把一个石英晶体接在CLKIN和CLKOUT之间，为ADE7755提供时钟源，规定时钟频率为3.579545MHz。作为石英晶体负载的33pF瓷介电容应和振荡器门电路连接。 18CLKOUT如上所述，可把一个石英晶体接在CLKIN和CLKOUT之间，为ADE7755提供时钟源，当CLKIN上接有外时钟时CLKOUT引脚能驱动一个CMOS负载。 20 REVP当检测到负功率时，即电压和电流信号的相位差大于90时，该引脚输出逻辑高电平，该输出没有被锁存。当再次检测到正功率时，该引脚的输出复位。即该输出的逻辑状态随CF输出脉冲同时变化4.3.2 ADE7755的特点（1）输入信号范围宽。电压、电流通道里各有一个高阻抗的输入放大器。它们带有内部保护电路，从而避免了芯片在持续过压、欠压或静电放电（ESD）时损坏器件。电压通道的最大差动输入信号660mV（峰值），由于电流通道的增益可编程，不同增益时有不同的允许值，如表4.3所示。电流在500:1的动态范围内，误差小于0.1%，所以可允许有高的过载倍数（6倍）注意：任何一个输入端对AGND的电压，不的超过1V。 表4.3 最大差动输入信号范围G1G2增益输入信号（峰值）001470mV012235mV10860mV111630mV （2）乘法器前后带有高通（HPF）和低通（LPF）滤波器。HPF可滤除通道里的漂移信号，以免漂移信号影响乘积（功率），LPF可滤除乘积里的高次谐波。（3）能输出标准高、低频脉冲CF和F1、F2，并且高、低频脉冲的频率及比值可以控制。这样就可灵活设计电表常数。数字频率转换电路可按照所测功率大小，在S1，S0和SCF控制下，将时钟端CLK的频率变为所需的高、低频标准脉冲频率。高、低频电能计量脉冲波形如图4.8所示。其中F1（或F2）代表有功功率平均值（内部积分常数大），供电能计量用。CF代表有功功率瞬时值（内部积分常数小），供检验用。图4.8 高、低频电能计量脉冲波形（4）单电源，+5V供电。ADE7755内含电源监控电路，当模拟供电电源AVdd未升至4V或已降至4V时，它能自动复位，以保证芯片上的电能正常启动，断电时能可靠断开。（5）片内除ADC和基准源为模拟电路外，其余均为数字