ic卡电度表控制电路设计

IC卡电度表控制电路设计学生学号专业班级指导教师二OO九年六月摘要飞速发展的电力工业对电能的计量与管理提出了更高的要求先付费、后用电，实施分时电价，实现自动抄表和收费等。IC卡预付费电子电能表应运而生，能够满足上述要求。本论文在大量文献查阅和市场调研的基础上，论述了IC卡预付费电子电能表的工作原理及采用的标准，IC卡的主要技术，论述了电能表的方案设计、电能测量电路芯片的选型及电表控制程序设计中应该考虑的具体技术问题。售电管理系统软件不仅能实现对IC卡和电费的管理，还能实现对生活小区住户及其它各种费用的综合管理，论文详细地说明了售电管理系统的功能分析、模块划分、程序的总体结构、输入输出以及接口设计、数据结构的设计等，并说明了几个主要模块关键技术的实现。因此，预付费电子电能表系统具有广泛的应用前景。关键字电子电能表；IC卡；预付费；单片机；交流采样ABSTRACTTHEELECTRICINDUSTRYHASBEENDEVELOPEDATVERYFASTSPEED,ITBRINGSFORWARDHIGHERREQUIRESTOTHEELECTRICITYMANAGEMENTITHOPESTHATTHEUSERCANPREPAYELECTRICITYBEFOREUSINGIT，TIMESHARINGELECTROVALENCE,COPYINGTHEDATASFROMWATTHOURMETERSANDCHARGINGCANBECAYYIEDOUTAUTOMATICALLYINTHESECASESTHEFULLELECTRONICWATTHOURMETEROFPREPAYMENTOFICCARDEMERGES,ITCANBEMEETTHEDEMANDSOFTHEMANAGEMENTABOVEBASEDONCONSULTINGALOTOFLITERATUREANDINVESTIGATING，THEPAPERDISCUSSEDTHEPRINCIPLEOFTHEFULLELECTRONICWATTHOURMETEROFPREPAYMENTOFICCARD,THESTANDARDANDTHETECHNOLOGYOFICCARDITALSODISCUSSEDTHEDESIGNOFTHEWATTHOURMETER,THETYPEOFTHEENERGYMEASUREMENTCHIPSANDTHETECHNIQUEPROBLEMSOFTHECONTROLPROGRAMTHESOFTWAREOFSELLINGELECTRICITYMANAGEMENTSYSTEMCANCARRYOUTNOTONLYTHEMANAGEMENTTOTHEICCARD,BUTALSOTHECOMPREHENSIVEMANAGEMENTOFVARIOUSFEESTHEPAPEREXPLAINEDTHEANALYSISOFFUNCTION,MODULEPARTITION,PROGRAMSTRUCTURE,INPUTANDOUTPUT,INTERFACEANDSTRUCTUREDESIGNOFTHESOFTWAREINDETAILITSTRESSEDTHECRITICALTECHNOLOGYOFEACHMODULETHEREFORETHESYSTEMOFTHEFULLELECTRONICWATTHOURMETEROFPREPAYMENTHASWIDELYAPPLICATIONPROSPECTKEYWORDSTHEFULLELECTRONICWATTHOURMETER；ICCARD；PREPAYMENT；SINGLECHIPCOMPUTERACSAMPLING目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111IC卡概况112IC卡的分类213IC卡预付费电度表314近几年IC卡预付费电度表发展状态415IC卡在预付费电度表中的功能5第2章IC卡电度表原理分析621预付费电表原理和常识622市场上常见预付费电表及其比较623IC卡电度表的组成框图7第3章硬件电路设计931主控芯片的选用9311AT89C52的封装引脚9312AT89C52的内部特性9313AT89C52方框图10314各引脚功能说明11315振荡器特性13316空闲模式13317掉电模式1432接口电路的设计14321信号检测与传感电路的设计14322A/D转换通道的设计15323外部存储器的扩展设计19324掉电检测及看门狗电路的电路设计20325键盘及显示电路的设计21326串行通信接口的设计21327压电源的设计1124328警电路的设计25329硬件系统总框图2533硬件地址的确定25第4章系统软件的设计2741主控程序的设计27411中断源及中断优先级的安排27412存储器的分配2742模块部分的设计28421掉电中断子程序的设计28422数据采集中断子程序的设计28423键盘中断子程序的设计29424串行口中断子程序的设计31425显示子程序的设计32426声光报警子程序的设计32427数字滤波的设计32428系统主流程图3543软件程序清单见附录235第5章结束语3651设计历程3652设计特点3653展望和体会37致谢38参考文献（主要及公开发表的文献）39附录1IC卡家用电度表硬件框图40附录2软件程序清单41第1章绪论11IC卡概况IC卡是集成电路卡（INTEGRATEDCIRCUITCARD）的英文简称，在有些国家也称之为灵巧卡（SMARTCART）、智慧卡（INTELLIGENTCARD）、微芯片卡（MICROCHIPCARD）等。将一个专用的集成电路芯片镶嵌于符合当然也可以封装成纽扣、钥匙、饰物等特殊形状。IC卡的最初设想是由日本人提出来的。1969年12月，日本的有村国孝（KARNATAKAARIMURA）提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获得专利，那时叫IDIDENTIFICATIONCARD）。1974年，法国的罗兰莫雷诺（ROLANDMORENO）发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。1976年法国布尔（BULL）公司研制出世界第一枚IC卡。1984年，法国的PTT（POSTSTELEGRAPHSANDTELEPHONES）将IC卡用于电话卡，由于IC卡良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织（ISO，INTERNATIONALSTANDARDIZATIONORGANIZATION）与国际电工委员会（IECINTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION）的联合技术委员会为之制订了一系列的国际标准、规范，极大地推动了IC卡的研究和发展。IC卡较之以往的识别卡，具有以下特点一是可靠性高IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息可保存100年以上，读写次数在10万次以上，至少可用10年；二是安全性好；三是存储容量大；四是类型多。从全球范围看，现在IC卡的应用范围已不再局限于早期的通信领域，而广泛地应用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生、政府行政、商品零售、休闲娱乐、学校管理及其它领域。目前在我国，随着金卡工程建设的不断深入发展，IC卡已在众多领域获得广泛应用，并取得了初步的社会效益和经济效益。2000年，全国IC卡发行量约为23亿张，其中电信占据了大部分市场份额。公用电话IC卡12亿多张，移动电话SIM卡超过4200万张，其它各类IC卡约6000万张。2001年IC卡总出货量约38亿张，较上年增长26；发行量约32亿张，较上年增长40。从应用领域来看，公用电话IC卡发行超过17亿张，SIM卡发行5500万张，公交IC卡为320万张，社保领域发卡为1400万张，其它发卡为8000万张。尽管IC卡的发行量保持了较高的增长率，但市场销售额在IT市场中的比重还很小。据CCID统计，2001年我国计算机市场销售额约2502亿元，而IC卡市场销售额不到21亿元。IC卡市场还构不成我国IT业的亮点，对IT市场的拉动作用并不明显。这一方面制约IT企业对IC卡技术的投入，另一方面，也预示着我国IC卡市场的巨大发展空间。随着政府管理和支持力度的加大、技术研发水平的提升，IC卡市场竞争格局将发生深刻的变化。由于高端芯片、核心模块、金融POS机、生产设备等被国外企业所掌握，造成国外品牌对一些细分市场的相对垄断。随着政府智能卡项目的启动，移动通信市场的逐步开放，国内企业技术实力和工艺流程的优化，使得国外品牌市场份额受到很大程度的限制，而国内品牌将会有快速的发展。2002年乃至今后5年，是我国IC卡应用向纵深发展的时期。我国IC卡市场格局必将由无序走向有序，市场竞争必将由有限走向无限，IC卡市场将逐步走向成熟，进入微利时代。在这种形势下，单纯的发卡量和新产品的数量并不能衡量IC卡产业与市场的发展水平，市场发展的程度最终取决于IC卡的应用水平及其带来的社会效益。从可持续发展的角度讲，加强行业规范，推动IC卡企业由产品和技术型转向应用和服务型，将成为我国IC卡市场发展的重要趋势。在此后的三十多年里，随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及信息安全技术等的发展，IC卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国内外得到了广泛的应用1。12IC卡的分类根据镶嵌的芯片的不同划分为（1）存储卡卡内芯片为电可擦除可编程只读存储器EEPROM（ELECTRICALLYERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY），以及地址译码电路和指令译码电路。为了能把它封装在076MM的塑料卡基中，特制成03MM的薄型结构。存储卡属于被动型卡，通常采用同步通信方式。这种卡片存储方便、使用简单、价格便宜，在很多场合可以替代磁卡。但该类IC卡不具备保密功能，因而一般用于存放不需要保密的信息。例如医疗上用的急救卡、餐饮业用的客户菜单卡。常见的存储卡有ATMEL公司的AT24C16、AT24C64。（2）逻辑加密卡该类卡片除了具有存储卡的EEPROM外，还带有加密逻辑，每次读/写卡之前要先进行密码验证。如果连续几次密码验证错误，卡片将会自锁，成为死卡。从数据管理、密码校验和识别方面来说，逻辑加密卡也是一种被动型卡，采用同步方式进行通信。该类卡片存储量相对较小，价格相对便宜，适用于有一定保密要求的场合，如食堂就餐卡、电话卡、公共事业收费卡。常见的逻辑加密卡有SIEMENS公司的SLE4442、SLE4428，ATMEL公司的AT88SC1608等。（3）CPU卡该类芯片内部包含微处理器单元（CPU）、存储单元（RAM、ROM和EEPROM）、和输入/输出接口单元。其中，RAM用于存放运算过程中的中间数据，ROM中固化有片内操作系统COS（CARDOPERATINGSYSTEM），而EEPROM用于存放持卡人的个人信息以及发行单位的有关信息。CPU管理信息的加/解密和传输，严格防范非法访问卡内信息，发现数次非法访问，将锁死相应的信息区（也可用高一级命令解锁）。CPU卡的容量有大有小，价格比逻辑加密卡要高。但CPU卡的良好的处理能力和上佳的保密性能，使其成为IC卡发展的主要方向。CPU卡适用于保密性要求特别高的场合，如金融卡、军事密令传递卡等。国际上比较著名的CPU卡提供商有GEMPLUS、GF为信号频率。M在信号过零点时FUTM2/取，则得原点处转换的不确定电压误差为DTAT/ADMTFU2误差百分数ADMTF2/10为了确保A/D转换的精度，使它不低于01，不得不限制信号的频率范围。一个8位的A/D转换器量化精度01，孔径时间10US，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为式（34）ZHSF20108262为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应工频交流电信号的变化要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。采样保持器的作用就是在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，一般情况下采样信号都不能直接送到A/D转换器转换，还需要加保持器作信号保持。保持器把TKT时刻的采样值保持到A/D转换器转换结束。T为采样周期，K0,1,2,为采样序号。采样保持器的基本组成如图36所示，图36采样保持器的组成由输入缓冲器A1,A2和采样开关K、保持电容CH等组成。采样时，K闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN保持期间，K断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUTVC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便函应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。本系统采用的是LF398采样保持器，它的CH当取为001UF时，信号达到001精度所需的获取时间为25US，保持期间的输出电压下降率为每秒3MV。若A/D转换器的转换时间为100US，转换期间，保持器输出电压下降约300UV。3A/D转换器在实际应用上，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟开关等电路外，还应根据实际选择的具体芯片进行输入模拟信号极性转换等设计。通常，逐次逼近式或并行比较式A/D转换器的模拟输入通道形式较多，例如ADC0809，但它为多路单极性输入方式，由于本系统的信号输入是交流形式即双极性输入的，所以应对输入电路做适当的调整，使其可以适应实际信号的采样要求，具体做法如图所示在模拟信号输入ADC0809的管脚上接入偏置电阻，加偏置电阻应用下式计算而得到式（35）2B1NFSRV式中，是标称量程输入电压值R1应包括信号源之内阻。根据本系统NFSV的要求需输入的满量程电压值为5V5V，经计算可得偏置电阻的阻值为51K，系统总数据采集通道如图37所示电压检测电流检测Y0Y1Y2Y3ABE_74LS139P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07P30P31P32P33P34P35P36P37XTAL1XTAL2VSSP20P21P22P23P24P25P26P27PSENALE/PROGEA/VPP_VCCRST/VPDAT89C52VCCCLKD0D1D2D3D4D5D6D7STARTALEOEEOCABCVREFVREFADC0809QQCKD_74LS745V51KLF399CLKD0D1D2D3D4D5D6D7STARTALEOEEOCABCVREFVREFADC0809QQCKD_74LS745V51KLF399当VCC大于30V时，改用外部电源VCC供电当VCC上升到写保护阀值之上时，解除写保护状态，恢复芯片的读写功能，无需考虑防写入电路。读写时序与SRAM相同，典型的读写周期为120MS200MS之间。为了避免无谓的损耗，延长片内电池的寿命，全新的DS12XXX芯片的片内电池并未工作，第一次通电后，即在VCC触发下，电池才工作。IBBSRAM芯片的缺点价格高，当片内锂电池失效后，不再具备数据保护功能，且不能再生，即片内电池没有充电功能。由于DS1225具有掉电非易失性，可将外部扩展ROM和RAM合二为一，共用一个，DS1225为8K8的容量可将前6K用于程序存储，后2K用于外部RAM使用。在寻址上，采用两个与门分别接RAM的OE端和CS1。如图38所示D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS1CS25VDS1225123123D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OE_G373Y0Y1Y2Y3ABE_74LS139P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07P30P31P32P33P34P35P36P37XTAL1XTAL2VSSP20P21P22P23P24P25P26P27PSENALE/PROGEA/VPP_VCCRST/VPDAT89C52图38外部存储器的扩展电路324掉电检测及看门狗电路的电路设计当电源非正常时，未稳压的直流电源电压经电阻R1和R2分压，使电源故障输入端PF1的电位大于126V，则电源故障输出PF0将从高电平变为低电平，从而引起89C52的INT0中断，CPU响应中断后可迅速执行诸如保护重要数据，发生电源报警等任务。设未稳压的直流电源V18V则VPF1V/R1R2设R110K则R2900如图39所示10KP10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07P30P31P32P33P34P35P36P37XTAL1XTAL2VSSP20P21P22P23P24P25P26P27PSENALE/PROGEA/VPP_VCCRST/VPDAT89C52PF0RESET_PF1MR_WD0WD1VPF1_未稳压的直流电源9001K图39电源监控及看门狗电路看门狗电路监视89C52的P17线，正常情况下，P17线不超过16S触发一次。若在16S内单片机不产生触发信号，看门狗输出端WD0将变为低电平。由于WD0与手动复位端MR相连，当WD0的低电平超过140MS,MAX705将自动复位，同时使看门狗定时器清零和使WD0变为高电平。MAX705的复位信号RESET输出低电平经与非门反相后送入89C52的RST端，从而迫使89C52复位，该复位信号维持200MS后结束，89C52也就脱离复位状态，开始恢复程序正常运行，此外，系统按下复位键可使89C52机复位。325键盘及显示电路的设计9键盘采用了中断的控制方式，共设四个键，一个键用于中断申请，其他三键用于功能设置。显示采用五位LED七段数码显示器，其中一位小数，四位整数，段码是由CD4511译码锁存驱动器形成的，而地址是和片外存储器统一编址的，由74LS139译码器的Y2线所选通。键盘和显示接口电路如图310所示。326串行通信接口的设计10AT89C52内部有一个可编程的、全双工的异步通信接口，该接口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲器SBUF发送缓冲器和接收缓冲器、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门以及两条独立的收发信号线RXDP30和TXDP31等组成。ABFCGDE1234567ABCDEFG8DPDPABFCGDE1234567ABCDEFG8DPDPABFCGDE1234567ABCDEFG8DPDPABFCGDE1234567ABCDEFG8DPDPABCDEGFCD451120074LS138LTBTLE_ABCY0Y1Y2Y3ABCDLTBTLE_Y0Y1Y2Y3ABE_74LS139P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07P30P31P32P33P34P35P36P37XTAL1XTAL2VSSP20P21P22P23P24P25P26P27PSENALE/PROGEA/VPP_VCCRST/VPDAT89C525V图310键盘和显示接口电路发送缓冲器只能写入要发送的数据，但不能读出。接收缓冲器只能读出接收到的数据，但不能写入。这两个物理上独立的缓冲器却对应着同一个特殊功能寄存器SBUF，且共用一个字节地址99H。特殊功能寄存器SBUF是不可位寻址的。此外，还有两个特殊功能寄存器SCON和PCON分别用于控制串行口的工作方式及波特率等。波特率发生器可用定时器T1来构成，在本系统中用T1定时器工作于方式二所构成的。串行接口标准的确定利用AT89C52进行串行异步通信时，其串行口的接口电平是TTL电平若采用TTL电平直接接在电缆上传输信号，传输距离一般不超过15M。为了实现可靠性的通信要求，宜采用标准串行接口。异步串行通信接口主要有三类RS232C,RS449,RS422,RS423和RS485,20MA电流环。每种接口都有其相应的通信标准，以及相对应的接口芯片。选择串行通信标准和接口芯片时应考虑可靠性，通信速度及通信距离，抗干扰能力等方面。例如，采用RS232C所提供的单向数据传输时。最大数据传输率为20KB/S,最大传送距离为15M。RS232广泛用于数字设备与数据通信设备调制解调器之间的接口，以实现远距离通信，如图311所示我们可以将RS232与MODEM相连实现公用电话线的信息传送。但使用电话线进行远程抄表时，必须考虑管理中心计算机定期查询用户用电数据的周期，由于每查询一次，都要拨号，此费用均累计在用户电话账号下，若周期太短，会给用户带来大量额外开销，因此，最好选用适当的查询频率，或使用校园网络。计算机MODEM单片机MODEMRS232RS232电话线图311带有MODEM的RS232与计算机通信的接口信号传输的过程中，由于RS232C接口标准的接收器与发送器之间有公共信号地，不可能使用双端信号差分信号，只可能传送单端信号，这样共模噪声就会耦合到系统中。传输距离越长，干扰就越严重。因此，为了可靠地传送信息，不得不增大信号幅度。RS232标准规定，数据线TXD和RXD采用负逻辑，低电平在3V15V之间为逻辑“1”，高电平在3V15V之间为逻辑“0”。上述电平称为EIA电平，它与TTL电平不同。然而，微机接口以及内部电路都是采用TTL电平和CMOS型电路MCS51串行口的接口电平就是TTL电平，这些电路都不能直接与RS232C接口直接连接，中间必须要进行电平转换。目前，RS232C与TTL的电平转换最常用的芯片是传输线发送器MC1488和传输线接收器MC1489。MC1488内部由三个与非门和一个反相器构成，应用时与非门的两个输入端可以并联。MC1488的最大额定供电压为VCC15V,VEE15V，输入电压范围为15V7V，极限输出电流为L0MA，最大功耗为1W。MC1489由4个反相器组成，每一个反相器都有一个控制端，高电平有效。输入阻抗为3K7K，输入信号范围为30V30V，最大允许供电电压VCCL0V，输出负载电流为20MA，允许功耗为1W。两台相连的MCS51单片机之间的RS232C接口电平转换调整电路此电路中MC1488是发送器，它的TTL电平转换为RS232C电平。MC1489输出转换速率，使转换速率低于30V/US,C1的取值一般在0001UF00LUF。MC1489反相器的响应控制端与地之间接一个滤波电容C2用于提高RS232C抗干扰能力，该电容一般取0001UF001UF，有时可取更小的值，甚至不具体的串行通信接口的设计如图312所示123712VMC1488MC148911RS23223712V12375V12VMC1488MC14891112VRXDTXDAT89C52RS232TXDRXDAT89C525V273图312串行通讯接口电路327压电源的设计11本系统供需两种电压等级，即12/12V,5/5V，如图313所示1234D14C2C1T1AC220VMC7805C3C412VVIN1GND2VOUT3图313系统稳压电源首先电源通过降压变压器将220V交流电变成12V的交流电，然后通过桥式整流电路将其整流为脉动直流电，且在整流元件上并接了001UF的瓷片无感滤波电容一般取2200UF或3300UF其作用有两方面，一是加强对直流电的滤波效果，使直流电的波形变得更加平滑稳定二是延长在瞬间掉电后维持输出有足够的时间以使单片机完成数据的保持工作，稳压部分采用三端集成稳压器，其芯片内部有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，其稳压性能非常好，两边各接入的C1,C2分别改善纹波，消除自激振荡，改善输出端的瞬间响应。为了防止稳压器输入端短路而烧坏集成稳压器，再输入输出端接一个大电流二极管，为了进一步延长电源掉电后的延时时间，在稳压输出端再次并接470UF的电解电容。328警电路的设计LM3861M100K001UF017PF图314报警电路图在此电路中当VI为高电平时，由门电路构成的方波振荡器便起振，形成占空比为11的方波信号，其输出频率F1/222RTCT一般RS10RT当RT100K,CT001UF时输出信号频率为1KHZ左右通过C1的耦合经过LM386功放块的功率放大输出推动扬声器发出警报响声。329硬件系统总图见附录133硬件地址的确定1外部存储器的分配由于外部采用了掉电非易失性RAM，故可将外部存储器和外部数据存储器合二为一，共用一片8K的IBBRAM来代替。其地址分配如下ROM所占地址范围为8000H9C00H6KRAM所占地址范围为9C01H9FFFH2K2A/D转换器的地址分配电流通道的地址为2000H电压通道的地址为6000H3LED显示器地址分配LED显示器与外部扩展存储器地址统一编址，地址为C000H。第4章系统软件的设计41主控程序的设计12411中断源及中断优先级的安排系统将掉电中断设为高级中断,键盘中断、采样中断和串行口中断均为同级低级中断。412存储器的分配13本系统中存储器分为四个部分。一是内部ROM，89C52内部有4KB的掩模ROM，我们知道，用户不能重写掩模ROM，其中的信息由芯片生产商在生产过程中写入，除非用户将自己调试好的程序代码交给生产商制定，才适合大批量生产。因此，对于样品研制和小批量投产阶段，用户就无法使用其中的掩模ROM存储器存放自己的程序。所以在本系统中采用外部扩展的方法来处理。在AT89C52单片机内部有128B的RAM用于存放随机数据。空间分配00H1FH为工作寄存区，在编程种不同子程序中使其工作于不同的工作区，以免出现程序混乱。20H3FH留于用户随机使用。40H7FH定义为堆栈区。由于内部RAM空间太小，难以满足系统的要求，另外内部RAM在掉电时会出现数据丢失的现象，因此，在片外扩展了一片防掉电数据丢失的外部来解决上面的问题。由于外部RAM是一片比较特殊的数据存储器，在它内部集成了锂电池，在掉电时可保证数据不丢失在正常情况下，它可保证10年数据不丢失。这样一来，为了方便以后的系统升级及节约硬件，提高系统可靠性，本设计将外部程序存储器和外部数据存储器共用这一片存储器，其空间分配如下8000H9C00H共6KB用作程序存储器使用。9C01H9FFFH共2KB用于外部随即存储器。其中，9C02H为掉电标志9D0BH9D0DH存放电度数9D01H9D10H存放电压值9D11H9D13H存放电流值9D20H9D34H共20个单元存放电流采样值9D36H9D50H共20个单元存放电压采样值42模块部分的设计141516421掉电中断子程序的设计当电源正常时，未稳压的直流电源电压经电阻R1和R2分压，使电源故障输入端PFI的电位大于126V，则电源故障输出端PF0将从高电平变为低电平，从而引起AT89C52的INT0中断，CPU响应中断后可迅速执行诸如保护重要数据，产生电源报警等任务。工作寄存器设为0区，掉电标志设于外部RAM的9C02H单元，内部256B的内容搬入外部所占空间为9C05H9D05H。寄存器B存于外部9C03H单元，堆栈指针SP存于9C04H单元。INTO中断入口掉电中断将寄存器与数据压栈将内部RAM移入RAM置掉电标志声光报警图41采样中断流程图422数据采集中断子程序的设计T0定时器中断初始化在主程序中完成，开中断后当定时器申请中断系统将进入数据采集中断子程序，在中断子程序中，首先应清除中断标志，重新置T0初值，启动定时中断后，开始进行数据采集。当采样次数到后进行相关计算。具体存储单元的分配如下9D0BH9D02H存放电度数9D0EH9D10H存放电压9D11H9D13H存放电流值9D20H9D34H存放电流采集数据9D36H9D50H存放电压采集数据寄存器B存放采样次数设工作寄存器组工作于3区。采样中断流程图见图43423键盘中断子程序的设计为了提高CPU的利用率键盘采用了中断的控制方式，在这种控制方式下CUP并不需要经常监视键盘有无按键输入。在这种设计下当键盘上有键按下时，系统就会产生中断，只要在中断程序中设定好相应功能就可以实现键盘所要达到的控制目的了。本系统中键盘共设四个键，一个键用于中断申请，其他三键用于功能设置。选择工作寄存器工作1区9D06H为显示设置单元，P12控制显示翻页，P13控制开、关机，P14为确定键。程序结构如图42所示。调显示判断P1、20调延时程序判断P1、20判断P1、30显示标志位加1判断P1、21调延时判断P1、30CPLP1、6判断P1、31判断P1、40调延时判断P1、40中断返回图42键盘中断子程序中断入口寄存器压栈保护选择工作寄存器清中断标志重装定时器初值判断采样数据到否数字滤波电压电流有效值计算是否过压、欠压、过流关闭电源声光报警电压、电流值存入显示缓冲区进行电度计算放入显示缓冲区有电度预置否N预置电度数1关闭电源声光报警启动采样调显示等待（150S）读入电压采样值保存（20个字）读入电流采样值保存（20个字）NYNYNNYY中断返回图43采样中断子程序424串行口中断子程序的设计从机工作采用中断方式，即收到就进行串行口中断申请。CPU响应之后，进入中断服务程序。而串行口的初始化，定时器初始化，中断系统初始化等工作应在主程序中完成。设SLAVE为本机地址，程序中用F0PSW5和PSW1作为从本身发送和接收准备就绪的状态位。R0接收数据指针，R2发送数据块的长度，R3接收数据块的长度，这些参数应在进入子程序前准备好。图44为从机程序流程图。425显示子程序的设计显示采用五位LED七段数码显示器，段码是由4511译码锁存驱动器形成的，而地址是和片外存储器统一编址的，由74LS193译码器的Y2线所选通。它的硬件地址为C000H电压显示缓冲区地址为9D17H9D19H电流显示缓冲区地址为9D1AH9D1CH电度显示缓冲区地址为9D1DH9D1FH静态显示驱动程序简单，但CPU利用率低，且每一个LED数码管需要一个锁存器，以便锁存每一位的笔段代码，硬件开销大无件数目多印刷板面积也会随之增加，仅适用于显示位数不多的场合。在这里我采用CD4511作为译码、驱动器，CD4511的锁存输入端LE接片选信号，译码的输出由输入端ABCD的编码决定。显示采用随机动态扫描的方式，显示段码值是由ASCII码转换成压缩的BCD码而形成，而位扫描码由软件运算产生。426声光报警子程序的设计声光报警采用方波震荡器产生1000HZ左右的方波输出，然后再通过LM386进行功率放大后驱动扬声器发出报警声响。在程序设计上采用专用子程序控制方式使P15引脚每隔550US反转一次，连续工作3个周期关闭声光报警停止工作。427数字滤波的设计当随机干扰混入输入信号时，可采用滤波器滤掉信号中的无用成分，提高信号质量。模拟滤波器在低频和超低频时实现是比较困难的。而数字滤波器不存在这些问题，它具有高精度、高可靠性和高稳定性的特点，因而被广泛用于克服随机误差。数字滤波器有如下特点中断保护现场地址相符NY是命令字接收下一个字符NY命令分类非法命令00从机接收就绪接收完送RRDY1接收数据NYAABBNY开机NY关机CCNY置电度数置标志位DDNY撤销预置电度标志位清0EENY读电压值FFNY88NY读电流值读电度值将存储单元地址送DPTR从机发送就绪送RRDY1发送数据发送完YYNNY取出数据送SBUF恢复现场返回送RRDY0送TRDY0图44从机通信中断流程图1数字滤波是由软件程序实现的，不需硬件，不存在阻抗匹配的问题。2对于多路信号输入通道，可以共用一个软件“滤波器”，从而降低设备的硬件成本。3只要适当改变滤波器程序或运算参数，就能方便地改变滤波特性，这对于低频脉冲和随机噪声的克服特别有效。对目标参数进行连续采样，然后求取算术平均值作为有效采样值，该算法适用于抑制随机干扰。综上所述，本系统采用算术平均值滤波的方法。按输入的N个采样数据XII1N，寻找一个Y，使Y与各采样值之间的偏差的平方和最小，既（式1）NIIXE12MN由一元函数求极值原理，可得（式2）NY1II上式即为算术平均滤波的基本算式。设第1次测量的采样值包含信号成分SI和噪声成分NI，则进行N次测量的信号成分之和为（式3）SN1I噪声的强度是用均方根来衡量的，当噪声为随机信号时，进行N次测量的噪声强度之和为（式4）NNI12上述S、N分别表示进行N次测量后和噪声的平均幅度。这样对N次测量进行算术平均后的信噪比为（式5）SN式中S/N是求算术平均前的信噪比，因此采用算术平均后，信噪比提高了倍。N由式5可知，算术平均法对信号的平滑滤波程度完全取决于N。当N较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量结果Y的影响小当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。为方便求值，N一般取4,8,16之类的2的整数幂，以便用移位来代替除法。428系统主流程图系统初始化流程图见下图45开始声光报警调延时程序判断开机键是否按下判断开机键是否释放程序初始化启动供电开总中断调显示等待中断NYYNYNYN进入掉电恢复子程序进入程序正常工作状态判断开机键是否按下检测掉电标志位否图45系统软件设计初始化流程图43软件程序清单见附录217第5章结束语51设计历程非接触式IC卡技术先进，具有接触式IC卡、磁卡等其他卡类不可比拟的优势，应用范围广泛，能够在大多数场合代替接触式IC卡的使用。针对不同的应用场合，非接触式IC卡可以使用同一种IC卡，但是读卡器必须针对不同的应用场合单独设计。读卡器的设计看起来东西小，但实际上它是一个非常完整的控制系统，是一个硬件和软件都很齐全的系统，哪个环节都不能少，每一个部分的选择都需要花大量的精力、查阅大量的资料，谨慎参考前人的设计才能确定，很多部件还要查阅英文原始资料，反复对照比较才能确定。尤其是平时不被我们所关注的一些细节、小地方，到了制作产品时往往就不是无足轻重的，反而是重要的，需要你认真考虑，否则系统就会出这样或那样的问题，甚至根本不能运行。读卡器的设计是一项工程设计，要用电子CAD软件PROTEL99SE画出电路原理图。读卡器的软件设计工作量大，实际上在调试中软硬件是不可分的。要用到汇编语言，C语言，还要用仿真器来调试程序。软件设计还涉及到C51与汇编的混合编程问题，有些直接对接口的操作用汇编语言更好，尤其是对一些时序要求高的编程更是这样。52设计特点为了减小体积，本读卡器采用的芯片全部是串行接口的。串行接口的种类多，有I2C总线，SPI总线，两线串行总线，三线串行总线。功能齐全。有实时时钟，有存储器，有LED显示，声光报警，串行通信接口。通用性强，适用面广。在现有硬件的基础上，只要将软件作适当的修改就可以将其设计成作其它方面的使用。如发卡器、公交车的车载机，校园一卡通等用途。系统采用当今世界上最先进的PHILIPS公司的MIFARE产品，从源头保证了系统的高技术含量，性能和质量可靠，有好的后续技术支持，有进一步产品扩展的保证。53展望和体会随着科学技术的发展，非接触式IC卡的应用会越来越广。以前用磁卡、接触式IC卡的地方会逐步被非接触式IC卡代替。在非接触式IC卡领域，PHILIP、公司的产品以其高质量、高技术含量、高性能等得了社会的广泛认可，可以说掌握了它就是掌握了未来非接触式IC卡技术。PHILIPS公司还在不断推出非接触式IC卡技术新产品，如有4K存储器的大容量卡MF1S70，可以在更大范围使用。PHILIPS公司还根据市场的不同需求开发相应市场细分的产品，有适合低成本车票应用的超轻型卡。在读写器方面，新型读写器芯片集成RS232串行通信口，有些读写芯片甚至集成RS422串行通信口，内含射频天线。这些都为我们使用PHILIPS公司产品提供了充分的后备支持。随着芯片技术的发展和产量的提高，非接触智能卡的制作成本将进一步下降、性能会更加提高，低功耗、大容量、高速度、完善的加密功能、多用途是其发展方向，高性能读写终端的出现也进一步推动了非接触智能卡的发展，从而为它的应用打开更广阔的空间。致谢“IC卡电度表控制电路设计”课题论文终于完成了，可以说她是我多年知识的集中体现，是我心血和智慧的结晶。论文从开始准备到查阅资料，消化其中关键技术，从原理图设计，从用汇编语言对各部分调试到C52设计、混合编程完成整体读卡程序设计，整个历程既有试验的艰辛又有成功的喜悦。这不仅是本人辛勤汗水的结晶，更是凝聚了导师和许多同学及家人的支持、鼓励、帮助和关心。首先要感谢我的导师李茵李老师，她不仅在课题的理论研究上给我以精心的指导，而且还在设计的细节上给以指导，甚至在过年的时间还在为我的课题准备资料，写指导文件。正是李老师的细心指导，我才能顺利的完成本课题的设计开发和论文的撰写。李老师治学严谨，对我的论文进行了细致的阅读，提出了洋细的修改意见，几次的论文修改让李老师付出了大量的时间和心血。她的这种认真负责的工作态度将永远值得我学习，将激励我在今后的工作和人生道路上更加发奋努力，不断进取。她的平易近人，智慧的头脑，扎实的专业知识，丰富的实践经验给我的影响很大，帮助很多，从他身上我看到了差距和我努力的方向。在论文撰写上引用了很多别人的论文资料和成果，在此特致谢。最后，向所有关心帮助过我的人表示最诚挚的谢意。参考文献（主要及公开发表的文献）1陆永宁，编著，IC卡应用系统东南大学出版社M，200551252马海峰，唐涛，非接触式IC卡及其发展和应用J，电子技术，1998年第4期3朱灿，基于非接触式IC卡的读卡器的设计与开发C，武汉理工大学学位论，2006年4月4杨耿杰，万如敏，预付费电度表的设计J，中国仪器仪表，1997，12522255庞桂云，瞿晓东，闫广明，智能IC卡电能表设计J，哈尔滨工业大学，1500016ATMELCORPORATION8BITMICROCONTROLLERWITH8KBYTESFLASHAT89C527余永权，ATMEL89系列单片机应用技术M，北京北京航空航天大学出版社，20028何希才，传感器及其应用电路M，北京电子工业出版社，200192000FAIRCHILDSEMICONDUCTORCORPORATIONDS006391WWWFAIRCHILDSEMICOM10李战明，基于串行接口芯片的单片机智能控制器的设计与实现M，电子技术应用，199912666711SEMICONDUCTORCOMPONENTSLNDUSTRIES,LLC,2007MAY,HTTP/ONSEMICOM12吴金戎等，8051单片机实践与应用M，北京清华大学出版社，200213何立民，MCS51系列单片机应用系统设计M系统配置与接口技术，北京航空航天大学出版社，19982,P32332414徐爱钧，单片机高级语言C51应用程序设计C，北京电子工业出版社，199815何立民，单片机高级教程单片机应用与设计M，北京北京航空航天大学出版社，200016万福君，单片微机原理系统设计与应用M，合肥中国科学技术大学出版社，200317马忠梅，单片机的C语言应用程序设计M，北京北京航空航天大学出版社，199618江思敏，PROTEL电路设计教程M，北京清华大学出版社，2002附录1IC卡家用电度表硬件框图ABFCGDE1ABCDEFGDPDPABFCGDE1ABCDEFGDPDPABFCGDE1ABCDEFGDPDPABFCGDE1ABCDEFGDPDPABCDEGF451120074LS138LTBTLE_ABCY0Y1Y2Y3ABCDD0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS1CS25VDS1225123123D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OE_G373Y0Y1Y2Y3ABE74LS139LTBTLEP10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07P30P31P32P33P34P35P36P37XTAL1XTAL2VSSP20P21P22P23P24P25P26P27PSENALE/PROGEA/VPPVCCRST/VPDAT89C52VCCLM38690125V5V12375V12VMC1488MC148911RS232237PF0RESET_PF1MR_WD0WD1VPF1_12VCLKD0D1D2D3D4D5D6D7STARTALEOEEOCABCVREFVREFADC0809QQCKD_74LS745V51KLF399CLKD0D1D2D3D4D5D6D7STARTALEOEEOCABCVREFVREFADC0809QQCKD74LS745V51KLF399P15P16主程序入口ORG0003HINTO中断入口LJMPEXINT0NOP；冗余指令NOPLJMPERR陷阱ORG000BHT0中断入口LJMPCYZDNOPNOPLJMPERRORG0013HINTL中断入口LJMPEXINT1NOPNOPLJMPERRLJMPERRT1中断未使用，设陷阱NOPNOPLJMPERRORG0023H串行口中断入口LJMPCHANNOPNOPLJMPERRLJMPERRNOPNOPLJMPERRLJMPERRNOPNOPORG0030HMOVA,7FHMOVP1，ALCALLSHEN声光报警MOVDPTR9C02H取掉电标志位MOVXA,DPTRANLA,0AAHJZPDOWN结果为零，说明属掉电后的操作，需恢复数据，否则转入正常上电后的初始化操作LJMPSTARTNOPNOPLJMPERRPDOWNLJMPFEIFU转入掉电中断子程序内恢复数据处运行NOPNOPLJMPERRSTARTMOVSP,40H正常上电时的初始化操作，设置堆栈区UTYNOPNOPJBPL14,UIY读入SB2的状态，如没按下等待UIYOLCALLYSZCX1如SB2按下调延时25MSNOPNOPJBP14,UIY再次读入SB2状态，如为1，说明误动作，返回操作UIY1JNBP14,UIY1如两次状态均为0，说明属真实操作，再判断按键是否弹开SETBIT1如弹开置IT1为边延触发CLRIT0置IT0为电平触发方式SETBPX0置IT0为高优先级CLRET1定时器/计数器T1中断关闭SETBET0定时器TO中断开放MOVTMOD,20H置定时器T1为定时方式2,TO为方式0MOVTL1,0F9H装入初值，波特率设定为9600MOVTH1,0F9HMOVTL0,18H设采样频率为1000HZMOVTH0，0E0HSETBTR1开始定时器T1MOVPCON,00H波特率不倍增MOVSCON,0D4H串口工作于方式3,RB81REN1UIY3MOVDPTR,9D07HMOVXR1，DPTRCJNER1，BB,UIY4SJMPUIY3UIY4MOVDPTR,9D07HMOVXR0,DPTRCJNER0,AA,UIY3CLRP16开始送电MOVIE，97H开放工NT1,INTO，串行及点中断允许NEXT0MOVB,32置采样次数为32次SETBTR1开定时器TO中断NEXT1LCALLXIANNOPNOP掉电中断服务子程序EXINT0PUSHPSW将程序状态字PSW压入堆栈PUSHACC将累加器压入堆栈PUSHR0将寄存器R0压入堆栈PUSHR1将寄存器R1压入堆栈PUSHR2将寄存器R2压入堆栈PUSHR3PUSHR5PUSHR6P