电子式预付费电度表毕业设计

1、 0 前言老式的电度表大都灵敏度差、测量精度低、易受电磁干扰，并且大量非线性元件的使用，增加了电网高次谐波，其电压电流并非标准正弦波，因而导致误差增大，测量精度下降。特别是当波形畸变较大甚至不能正常工作。这种情况是不承担超重负荷功率测量1。为了改变这个状态，也为了改善用电量不均衡的现象、调节负荷曲线、合理利用电能，国内部分省市的供电部门已开始逐步推广使用多费率电能表、电子式多功能测量仪表、ic卡预付费电表、基于ad的电能自动测量系统、基于单片机的电能自动测量系统、这一系列电表的设计是促进均衡用电的一种经济有效的方式。电度ic卡预收费系统是为了满足科学技术的进步和社会生产力的发展而研制的，具有使

2、用之前预先收费、用电管理现代化和分时间段计费等功能的新型电度表2。ic卡预付费电度表是以ic卡作为电能量值数据传输媒介，在电度表（电子式电度表或机械式电度表）中加入负荷控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结算功能的智能型电度表。 采用ic卡电度表后，可以改变现有的管理和收费模式，使得更加快捷有效。用ic卡实现预付费，实现先付费后用电，ic卡结算的管理模式，使电费收取更加方便及时，减少欠交，迟交的现象。它避免过多的现金交易出现的纠纷，减轻了工作人员的工作手续和强度，而且，供电公司建立了用户信息管理系统，存储在ic卡内，保证一户一卡，信息系统里有完善的财务核算系统，实现了科学管理，使工作人员

3、的日常工作实现自动化，按照管理系统流程开展工作，减少出错概率，更加科学化，自动化，提高了公司服务质量，增强公司的市场竞争力。另一方面，ic卡电度表的ic卡缴费功能更便于用户日常查询，及时了解自家用电情况。1 电度表的简介1.1 电度表的发展 电表作为电力测量工具,广泛用于国民经济各部门。最初,使用机械感应电度表。它有更多的功耗,重,需要手工抄表,不防窃电、低性能的缺点3。随着微电子技术的迅速发展,单片机(mcu)和大规模集成电路广泛应用于电能计量领域,提高了仪表的技术水平和性能，然后出现了各种各样的电力仪表，如:单相电子式复费率电度表、单相电子式预付费电度表、三相电子式多功能电度表、三相电子式

4、预付费电度表等。 目前，预付费电表发展到今天，已经有很多的集成技术，以提高智能化程度，未来甚至可能成为一个智能数据终端，可以与电力供应公司、用户进行人际沟通5。按照国家电网公司的新标准的要求，除了具有测量，最基本的预付费控制功能，对电气安全的要求更加重视，操作方便等优点。单相电子式预付费电度表也日趋成熟，在引进和利用国外先进的技术和工艺，并随着科学技术的飞速发展，单相电子式预付费电能表将技术和先进的技术和高可靠性的特点更成熟的呈现在用户面前6。1.2 ic卡国内外发展现状ic卡又称集成电路卡，是1974年一名法国新闻记者发明的。95年之前ic卡电表多为可擦除存储芯片（eeprom）或一般存储卡

5、，以93c46和24c01 为主；95年后以存储卡和逻辑加密卡为介质出现了大范围使用ic卡表的状态；98年后使用以cpu卡和esam模块方式为加密介质的ic卡表并逐渐向cpu卡和esam模块方式过渡。随着国内各个行业服务意识的增强，ic 卡技术的发展越来越迅速，在居民用户日常生活中，ic 卡技术的应用越来越广泛78。尤其是在相关的计量表计中，例如电表、燃气表、水表、暖气表，ic卡技术的应用已经很成熟了。目前，很多居民区都已经开始采用 ic 卡来数据管理，包括抄表、收费、控制，这使 ic卡表成为目前国内应用技术发展的一个亮点。ic卡预付费电度表是以ic卡作为电能量值数据传输媒介，在电度表（电子式

6、电度表或机械式电度表）中加入负荷控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结算功能的智能型电度表。非接触式ic卡又称射频卡是国外近几年发展起来的新技术它成功地将ic卡技术和射频识别技术结合起来，解决了无源和免接触的难题。射频卡与读写器间无机械接触，不需专门的供电电源，从而避免了接触故障；表面无裸露芯片，使用时没有正反面之分，可防水，且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题9。总之，非接触式ic卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点。1.3 单相电子式预付费电度表的研究意义长期以来，我们使用的是机械感应式电度表，它具有笨重、耗电多、需要人工抄表，防窃电性能低、需要手工抄表等缺点。随着微电子技术的快

7、速发展，单片机（mcu）和电源广泛用于测量领域的大规模集成电路，其技术水平和仪表的性能得到了长足的发展。电能计量是现代电力营销系统的一个重要组成部分，电能计量系统，可以实现数据的采集，从电能到加工自动化传输，它克服了传统的人工抄表方式和不确定性的低效率，可以促进能源管理现代化10。现在高等院校的学生公寓，一般对学生用电实行敞开供应，用电收费。因此，新建的学生公寓应对每一个房间均装有电能表或其他形式的电能计量装置来实现学生买多少就用多少电。本课题设计的单相电子式预付费电度表完全可满足这种社会需求的。1.4 单相电子式预付费电度表的特点与功能 特点：单相电子式预付费电度表虽然只是普通的计量工具，但

8、是由于微控制器的引入，对设计者提出了很高的要求。而且单相电子式预付费电度的工作条件相当恶劣，因此对该系统的可靠性要求也相对较高，一般来说，主要体现在以下几个方面: 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劣的慢上下电考验。所谓慢上电是指电度表的电源电压从零到最大的时间太长，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，而需要一段时间，在这段时间中，单片机中的程序指针pc可能会出错，即程序跳出正常轨道，出现混乱，甚至陷入死循环。 3) 由于主要面向广大群众，要求成本要尽可能低，所以在保证可靠性的前提下，

9、要求硬件电路简单11。 正因为如此，该单项电子式预付费电度表与以往的电表相比具有接口简单、结构紧凑、可靠性高、稳定性好等特点。它主要用于小范围家庭或学校的电能消耗的测量。 功能： 1) 用户将存有电量的ic卡插入卡槽,卡中电量被读入表内，同时把ic卡清“0”。 2) 用电时，能随时改写剩余电量。 3) 当表内剩余电能20kwh时，在led显示屏上显示以提醒用户余电不多，及时购电。 4) 具有掉电保护功能。掉电时，自动把剩余电量从ram转储在e2prom中12。2 单相电子式预付费电度表总体方案的设计2.1 电能计量系统方案设计 1）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

10、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，即接收管受不到红外线；当红外线照在其他部分时，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，即耗电多、笨重。2）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。这种方案对信号的采样速率快

11、，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。这将增加cpu的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。图2-1 方案二的系统框图fig. 2-1 program ii of the system3）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，大大减少了硬件成本。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，电压和电流分别经过零

12、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（）计算,便得有功功率,再定时累加就是电能值。系统框图如图2-2所示。图2-2 方案三的系统框图fig. 2-2 program iii of the system这种方案的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。4）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p成正比的模拟电压（或电流），再经过v/f变换（或i/f变换）变成频率信号。单片机对频率信号f进行累加，即可得出电能。系统框图如图2-3所示。这种

13、方案不但兼有方案三的优点，而且对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变换器集成，其性能指标都远远高于分立元件。图2-3 方案四的系统框图fig. 2-3program iv of the system基于以上分析，方案四明显优于其他三种方案。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。采用液晶显示器可显示汉字，使界面清晰、明了。2.2 预付费系统方案设计1) 方案一采用非加密存储器卡作为销

14、售电能的传输媒质非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片。其逻辑结构图如图2-4所示图2-4非加密储存器卡的逻辑结构图 fig. 2-4 memory card logic structure 存储器卡的特点：l 卡内嵌入的芯片多为通用eeprom。l 无安全控制逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取。l 卡片制造中也很少采取安全保护措施。l 多采用2线串行通信协议（i2c总线协议）。非加密存储器卡信息存储方便、使用简单、价格便宜，很多场合可替代磁卡。但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，其典型型号有：l at24c01a/02/04/08/16/32/64二线串行

15、eeprom。l microchip 24lc01a/02/04/08/16/32/65二线串行eeprom。l sle4418智能型1kb eeprom。l sle4432智能型 256b eeprom。l at45d041大容量（4kb）闪速存储卡。对于某单位或学校内部进行定量用电，超标付款，则可采用此方案。2) 方案二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，其结构图如图2-5所示图2-5 加密存储卡的逻辑结构图fig. 2-5 memory card encryption logic structure 加密存储器卡的特点：

16、l 具有安全控制逻辑，安全性能较好。l 同时采用rom、prom、eeprom等存储技术。l 从芯片制造到交货，均采用较好的安全保护措施。l 为提高安全性，加密存储器卡的存储空间被分为多个不同的功能区。加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑。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），可以有效防止非法试探。若在限定的次数密码仍不对，则卡片死锁作废。这类器件保密性较好，应用较广泛。此方案保密性优于方案一，可用于社区或以村为单位的预付费用电系统。所以在对以上两种方案的比较后，我在本设计中，选用第一种方案，以非加密存储器卡作为售电

17、的传输媒质，具体型号是at24c01。 3 单相电子式预付费电度表硬件电路的实现3.1 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，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。sm9903内部电路模型如图3-1所示积分器v/f转换器四象限模拟乘法器图3-1 sm9903内部电路模型示意图fig. 3-1 sm9903 internal circuit diagram circuit simulation在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为：式中，为交流电压瞬时值，为交

18、流电流瞬时值，为交流电压有效值，为交流电流有效值，为交流电的角频率，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：可见，瞬时功率有恒定分量和正弦分量两部分，正弦分量的频率是电压（或电流）频率的两倍。图3-2所示为正弦电压、电压和瞬时功率的波形图。图3-2 瞬时功率曲线fig. 3-2 instantaneous power curve在图3-2中，u是瞬时电压，i是瞬时电流，p是瞬时功率。瞬时功率经积分器后，得有功功率，即 一段时间内的电能为以上分析表明，有功功率为恒定分量，将正比于的电压经v/f变换后，输出的是频率随变化的脉冲，只需将脉冲累计计数，则计数值即为电能。3.2 预付

19、费电表电路原理 预付费电度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、磁保持继电器驱动电路和电源几大模块。以下分别介绍各部分工作原理。3.2.1 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。首先有必要介绍一下sm9903的相关特点和技术参数。sm9903采用3硅栅bicmos工艺制成。电路设计先进，内部集成有低通滤波器、乘法器、v/f型a/d转换器等电路。 1）特点l 精确测量正负两个方向的有功功率，且以同一个方向计算电能。l 线性度高，动态工作范围宽。l mcu数据接口。l 直接驱动步进电机。l 适用于单相、三相电度表。l 低功耗

20、。l 20年使用寿命。2）功能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）输出负电平以指示测量负向有功功率。3）管脚图及定义sm9903管脚如图3-3所示，其管脚定义如表3-1所示。图3-3 管脚图fig. 3-3 pin map表3-1 管脚定义table 3-1 pin definition管脚号符号说明1vi1电流取样信号输入2vi2电流

21、取样信号输入3gnda模拟地端4vv电压取样信号输入5nc与4角内部互相联结6vr1参考电压1外调整端7vr2参考电压2外调整端8port有功功率计算输出脉冲9ind负向有功功率指示10tc测试控制端11vss负电源（-5）12gndd数字地端13dmo1脉冲电机驱动输出114dmo2脉冲电机驱动输出215oscin晶振输入16oscout晶振输出17vdd正电源（+5）18c1积分电容119com积分电容公共端20c2积分电容2 4） 两种输出波形 将sm9903的测试控制端10脚接地时，脉冲输出脚（脚8）输出频率为8.192khz的脉冲调制信号，如图3-4所示。图3-4 输出波形一fig.

22、 3-4 output waveform one 将sm9903的测试控制端10脚接-5时，脉冲输出脚（8脚）输出无调制的脉冲信号，如图3-5所示图3-5 输出波形二fig.3-5 output waveform two在本设计中，用sm9903构成的电能计量电路如图3-6所示。在图3-6中，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。所以该电能表的常数为1600个/kwh，它表示对应于1 kwh电能的输出脉冲数（pulse）为1600个。基本量程为5a，最大量程可达20a。220v交流电经过340的锰铜片电阻获得电流采样信号，再通过精密金属膜电阻网络得到电压取样信号。c

23、4、r17、vd1、vd2、c8、c9、vz1、vz2为电容降压式电源，为sm9903提供5v的工作电压。其中vz1、vz2分别为+5v电源、5v电源中的稳压管。 32768hz石英晶体为表用晶体振荡器，为sm9903提供时钟。c6、c7为积分电容。r8为参考电压调整电位器。从第8脚输出的有功功率积算脉冲，经过光耦合器送给at89c52。图3-6 sm9903构成的电能计量电路fig. 3-6 sm9903 constitute a circuit of the electric energy metering3.2.2 单片机控制电路的设计控制部分为整个电度表的心脏，实现电能脉冲、掉电信号、

24、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，本设计采用mcs-51系列单片机，其特点是通用性强，易。其flash型如：atmel公司的at89c51、at89c52、at89c1051、at89c2051等和台湾华帮公司的w78e51、w78e52等，使用十分方便。所以本次设计选用atmel公司的at89c52，其内部有8kb的程序存储器，无须外部扩展，使硬件电路简单，电路图如图3-7所示。图3-7 由at89c52组成的主控电路fig. 3-7 main circuit composed of at89c52ic4与时钟电路

25、（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c14、c15可起频率微调作用，电容值在5pf30pf之间选择，本电路选择20pf。电容c13和电阻r23构成上复位电路。电源开启时，电源对电容c13充电，在cpu的复位端产生一个高脉冲，只要高电平的持续时间大于两个机器周期（24个振荡周期）。cpu就可复位。二极管vd10的作用是当断电时，可使电容c13所储存的电荷迅速释放，以

26、便下次上电时可靠复位。电容c31可滤除高频干扰，防止单片机误复位。按键s2和电阻r50构成按键复位电路。电阻r30和按键s1构成键盘，用以实现显示内容的切换。电能脉冲由ic1的8脚经光耦合器ic2送到ic4的t0端，用以实现脉冲计数。、3.2.3 显示电路的实现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。选用的器件型号是：smg12232b-2，显示容量为12232点阵。采用总线方式连接。 smg12232b-2显示器介绍 1）主要技术参数smg12232b-2的主要技术参数如表3-2所示。表3-2 smg12232b-2的技术参数table 3-2

27、smg12232b-2 of the main technical parameters显示容量12232点阵工作温度-10+50芯片工作电压4.55.5v储存温度-20+60芯片工作电流5ma背光源类型el最佳工作电压5.0v背光源工作电压5.0v点尺寸0.8mm0.78mm背光源工作电流30ma 2）接口信号说明 smg12232b-2的接口信号说明如表3-3所示。表3-3 smg12232b-2的接口信号说明table 3-3 smg12232b-2 interface signal description编号符号引脚说明编号符号引脚说明1rst复位端9db1数据口12vcc电源正极10

28、db0数据口03db7数据口711gnd电源地4db6数据口612写信号5db5数据口513读信号6db4数据口414cs1片选ic1信号7db3数据口315cs2片选ic2信号8db2数据口216a0数据/命令选择端el+背光源电压el-背光源电压输入端 3）smg12232b-2控制器接口说明l 基本操作时序（l为低电平，h为高电平）读状态：输入a0=l，cs1或cs2=l，rd=l，wr=h输出 db7db0=状态字写指令：输入a0=l，cs1或cs2=l，rd=h，wr=l，db7db0=指令码 输出无读数据：输入a0=h，cs1或cs2=l，rd=l，wr=h输出 db7db0=数据

29、写数据：输入a0=h，cs1或cs2=l，rd=h，wr=l，db7db0=数据输出无 4） smg12232b-2读写操作时序图，如图3-10所示图3-10 smg12232b-2读写操作时序图fig.3-10 smg12232b-2 to read and write operation timing diagram smg12232b-2的读写操作时序参数如表3-4所示。表3-4 smg12232b-2的读写操作时序参数table 3-4 smg12232b-2 operation of the read and write timing parameters时序参数符号极限值单位测试条

30、件最小值典型值最大值地址建立时间20ns引脚a0，cs地址保持时间10ns引脚a0，cs系统时钟1000ns引脚，读写低脉冲宽度200ns数据建立时间（读操作）90ns引脚db7db0数据保持时间（读操作）1060ns数据建立时间（写操作）80ns数据保持时间（写操作）10ns 显示电路如图3-11所示。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有效时，单片机p0口向液晶显示器smg12232b-2的db7db0位输出状态字（如液晶显示状态、读写操作使能状态）

31、和显示指令码。当数据/命令选择端a0为高电平时，且在写信号wr分别有效时，单片机p0口向液晶显示器smg12232b-2的db7db0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）。图3-11 液晶显示接口电路fig. 3-11 lcd interface circuit3.2.4 ic卡接口电路ic卡接口电路采用的是atmel公司的存储ic卡，用于存储由售电管理系统写入的卡号、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，必须有卡上下电控制电路、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。at24cxx系

32、列ec卡的引出端符合iso/iec7816-2标准。,工作电压；,串行时钟；,地；,串行数据（输入/输出）；,未接。1） sda和scl信号在at24cxx系列ic卡的应用中，与逻辑控制有关的引出端线只有2条：scl和sda。所有的地址、数据及读/写控制命令等信号均从sda端输入/输出。为了分区sda线上的数据、地址、操作命令以及各种状态的“开始”和“结束”，卡片内设计了多个逻辑控制单元。其中，启动与停止逻辑单元产生控制读/写操作的“开始”和“停止”标志信号。“开始”状态：当scl处于高电平时，sda从高电平转向低电平，即产生“开始”标志信号。“停止”状态：当scl处于高电平时，sda从低电平

33、转向高电平，即产生一个“停止”标志信号，如图3-12所示。图3-12 读/写的启动与停止时序fig. 3-12 read / write timing of the start and stopsda和sdl通常各自通过一个电阻拉到高电平。当scl为高电平时，对应的sda上的数据有效；而当scl为低电平时，允许sda上的数据变化。数据输入/输出应答逻辑单元产生数据输入/输出操作应答信号。操作是所有的地址和数据字均为8位码串行输入/输出卡片。卡片每收到一个8位码或数据字后，都以置sda线为低电平方式“确认”应答信号。其波形如图3-13所示。图3-13 输入/输出的确认时序fig.3-13 inp

34、ut / output timing of the recognition2）ic卡的写操作在器件地址吗之后，紧跟着的是字节地址码。地址码长度为8位。时序中的数据为写字节时，有ic卡读/写器中的单片机在sda发送一个8位码长的数据；卡片每收到一个数据字节后，都要通过sda回送一个“确认”信号（ack）。写操作时序如图3-14所示。图3-14 写操作时序fig. 3-14 write operation timing3）ic卡的读操作读操作有3种：现行地址读、随机地址读及顺序读。现行地址读：如果最后1次操作的地址在n，则现行地址为n+1.其如图3-15中的第二部分。随机地址读：从选定的地址单元开

35、始读，时序如图3-15所示。时序中器件地址和字地址概念同写操作，不同的是，ic 卡读/写器中的单片机在给出数据字地址之后，不发任何数据字，而是在卡片发出“确认”应答之后，又发出一个“开始”状态，进入“现行地址读”操作。单片机读入1个数据字后，使sda处于高电平，随后产生一个“停止”状态，结束本次操作。图3-15 读操作时序fig. 3-15 read timing 顺序读：可以从“现行地址读”和“随机地址读开始”。当ic卡读/写器的单片机收到第一个数据字后，不发“停止”状态，而是回答一个“确认”信号。一旦卡片收到单片机发出的“确认”信号，则将卡片内的地址计数器的地址自动加1，并将此地址单元中的

36、数据从sda线上串行输出。只要单片机收到数据字后的回答“确认”信号，顺序读操作就继续进行，直到单片机发出“停止”信号位置。ic卡芯片操作地址（器件地址）1010对ic卡而言，a2,a1,a0地址线均为0；因此，写地址为0a0h，读地址为0a0h。 原理分析与说明4） ic卡座ic卡座的引脚如图3-16所示。其中，引脚t，p为微动开关的两触点。此开关在无ic卡状态时，处于断开状态；有卡插入时，ic卡卡座上的微动开关动和，因此开关往往是用来判断是否插入ic卡的传感器件。图3-16 ic卡示意图fig. 3-16 schematic diagram of ic card ic卡接口电路如图3-17所

37、示。图3-17 ic卡接口电路fig. 3-17 ic card interface circuitr24、vd5、vt2组成卡上下电电路。当ic4的p1.6=0时，vt2导通，ic卡座之vcc得电；当ic4的p1.6=1时，vt2截止，ic卡座之vcc失电。ic卡的vcc同时经vd6送至cpu的p1.5，检测有无卡电源短路现象，以防人为破坏。k1、k2为ic卡座的一对常闭触点，当有卡插入时，k1、k2开路，vt3导通，给ic4的p1.2口送入低电平，此信号用来检测有无卡插入。3.2.5 电能存储器由于ic卡上有许多用户信息，如用户号、电表号、电表剩余电量、累计用电量、电表状态等，在电表上电和

38、掉电时需要对这些数据进行必要的保护，因此需要选择合适的eprom来存放cpu读取到的ic卡上的信息以及保护ic卡电表的工作状态参数。串行eeprom选用at24c04，at24c04为低电压（2.5v5.5v）、长寿命（可擦写10万次以上）器件。在掉电时存储剩余电度数。 1) at24c04芯片介绍 at24c04是atmel公司生产的4kb（512bytes）e2prom芯片，引脚图如图3-18，该芯片采用i2c总线设计，主要性能指标与at24c02类似，不同点为：l 容量为at24c02的两倍，分为两部分存储空间，每部分256bytes。l 有2个器件地址选择脚，一个i2c总线最多能够挂接

39、4个at24c04器件 l 32页，每页16字节，每次可连续写入16字节数据。l wp引脚为高电平时，at24c04的0255地址空间的数据被写保护。l 需要9位的地址进行数据寻址。a0a1a2gndvccwpsclsda12345678 图3-18 at24c04引脚 figure 3-18 the at24c04 pin 接口说明如表3-5a0为空引脚，a1,a2口为器件地址设定口，通过a1,a2口来设定at24c04的器件地址。wp口接低电平时，可以对整个at24c04器件的512个字节进行读写操作。当wp口接高电平后，器件前256个地址的数据被保护，只能读，不可写入，后256个字节数据

40、可进行读写操作 表3-5 at24c04接口说明table 3-5 at24c04 interface specification管脚名称功能a0、a1、a2器件地址选择sda串行数据/地址scl串行时钟wp写保护vcc+1.8v6v工作电压gnd地 2) i2c器件at24c04的原理与应用i2c(interintegrated circuit)总线是一种由philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。i2c总线产生于上世纪80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。i2c总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接

41、在组件之上，因此i2c总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10kbps的最大传输速率支持40个组件。i2c总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。l i2c总线的构成 i2c总线是由数据线sda和时钟scl构成的串行总线，可发送和接收数据。在cpu与被控ic之间、ic与ic之间进行双向传送，最高传送速率100kbps，采用7位寻址，但是由于数据传输速率和应用功能的迅速增加，

42、i2c总线也增强为快速模式（400kbits/s）和10位寻址以满足更高速度和更大寻址空间的需求。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址。在信息的传输过程中，i2c总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能14。cpu发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。 l i2c总线的信号类型 i2c总线在传送

43、数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：起始信号、终止信号和应答信号。起始信号：scl为高电平时，sda由高电平向低电平跳变，开始传送数据。终止信号：scl为高电平时，sda由低电平向高电平跳变，结束传送数据。如下图3-19所示图3-19 i2c总线开始和结束信号定义figure 3-19 the i2c bus signal the start and end of definitionl i2c总线上一次典型的工作流程1 开始，发送开始信号，表明传输开始。 2 发送地址，主设备发送地址信息，包含7位的从设备地址和1位的指示位（表明读或者写，即数据流的方向）。 3 发送数据，根据指示位，数据

44、在主设备和从设备之间传输。数据一般以8位传输，最重要的位放在前面；具体能传输多少量的数据并没有限制。接收器上用一位的ack（应答信号）表明每一个字节都收到了。传输可以被终止和重新开始。 4 停止，发送停止信号，结束传输。目前有很多半导体集成电路上都集成了i2c接口。带有i2c接口的单片机有：cygnal的c8051f0xx系列，philipsp87lpc7xx系列，microchip的pic16c6xx系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供i2c接口。 3) 电能存储电路电能存储器由串行eeprom和上拉电阻组成，电路如图3-20所示。在串行时钟和数据端接了上拉电阻r25和r27，分别

45、连接到ic4的txk和rxd端。串行eeprom选用at24c04。图3-20 电能存储电路fig. 3-20 electrical energy storage circuit3.2.6 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。电路如图3-21所示。r31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+，比较器输出高电平；当电源掉电时，v-跟随电源电压下降，而v+在一定时间内保持2.5v不变。当下降到v-v+时，比

46、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。图3-21 掉电检测电路fig.3-21 brown-out detection circuit3.2.7 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便，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的反向脉冲即可。随后不需要任何驱动。这就大大节省了能量，降低了消耗。电路图如3-22所示图3-22 磁保持继电器驱动电路fig. 3-22 magnetic self-perpetuating relay drive

47、 circuit 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为高电平时线圈中有反向电流。驱动电路由r21、r45、r47、r48、r49、r50、pnp三极管vt1、vt4，三极管vt5、vt6、vt7、vt8组成。l为电磁线圈。 当p1.1=1、p1.0=0时三极管vt4、vt7、vt8导通，而vt1、vt5、vt6截止。流经l的电流方向为+12vvt4的e极vt4的c极线圈的b端线圈的a端vt7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vt1、vt5、vt6导通

48、。流经l的电流方向为+12vvt1的e极vt1的c极线圈的a端线圈的b端vt6的c极vt6的e极地，继电器触点断开。当p1.1=p1.0=1时，所有三极管均截止，线圈无电流。当p1.1=p1.0=0是不允许的情况，因为这时所有的三极管均导通，功耗很大。4 系统程序的设计4.1 系统程序流程图的设计 由于一些硬件芯片不易买到，而且实现起来有一定的局限性。在此我基于对以上硬件电路功能的了解，设计了简单的模拟电路，以下就是模拟设计中的各个程序流程图。系统的主程序流程图如4-1所示：电源打开后，系统开始工作，首先对各个模块进行初始化，然后从at24c04中读取剩余电度数，调用各个函数，再将剩余电度数读

49、入at24c04中，判断剩余电度数是否小于20kwh,如果是，则报警，否则停止报警，然后返回到调用函数进行循环操作，最后结束任务。图4-1主程序流程图fig. 4-1 the main program flow chart图4-1所示为软件系统主程序的流程图。图4-2所示为外中断0服务流程图，外中断0用于实现电能的外中断保护，当电源突然断开时，由于掉电保护的作用，使单片机产生中断，迅速将电能保存至at24c04中，以便下次来电时重新恢复电能值。图4-2所示为定时器0中断服务流程图用以实现脉冲计数，从而实现电能的累加。 中断入口 中断入口保护现场保护现场剩余电能加1已用电能加1将剩余电能存入ee

50、prom中是否超负荷是显示“超负荷”，延迟5min恢复现场否恢复现场中断返回中断返回图4-2 定时器0中断服务程序与外中断0服务程序流程图fig. 4-2 timer 0 interrupt service routine with the external interrupt 0 service routine flowchart5 单相电子式预付费电度表的原理及工作过程5.1 功能介绍用户将存有电能的ic卡插入卡槽，卡中电能被读入表中，同时把ic清“0”。专卡专用。当有非本机卡或异物插入卡槽时，能及时发现，切断卡座电源，并在液晶屏幕上显示相应的汉字提示信息。保护电度表，提高了安全性。电度表

51、正常工作时，液晶显示剩余电能值、以用电能值、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。用电时，能按二级表（误差为2%）的精度计量电能，并随时改写剩余电能和以用电能。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”以提请用户余电不多，及时购电。当表内剩余电量为0时，自动断电，这时用户不能用电。在用户将重新购电的ic卡插入卡槽中时，表完成上述第一项的功能，恢复供电。有负荷限制功能。当用户电流大于25a时自动断电，1min后恢复供电。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。5.2 工作过程预付费电度表的工作过程如下：上电时，液晶屏上显示“电子

52、电能表”。随后将存放在eeprom中的剩余电能调出到ram中。当单片机工作正常时，能显示剩余电能和已用电能。当有本机ic卡插入时，根据有电卡和无点卡（空卡）做出不同的处理。若为有电卡，则显示“正在读卡，请稍等”。稍后提示：“请抽卡”。这时卡中的电能被写入表中，且将卡清零；若为空卡，则显示“空卡”。当用电时，剩余电能递减，已用电能递增。当插入无效卡时，系统提示“ic卡型号不正确，请换卡”。当电能用完时，切断电源，并显示：“电量用完，请及时购电。”液晶显示器显示内容与处理，如表5-1所示。表5-1 液晶显示器显示内容与处理table 5-1 lcd display and processing显示

53、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，可能是人为破坏非法卡ic卡型号不对，请换卡读写有误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6 提高预付费电度表抗干扰的措施 如何提高可靠性是电度表设计的关键问题，应该从软件和硬件两方面采取措施。6.1 提高预付费电度表抗干扰的硬件措施 1) 稳压电源 实践证明，系统的失效和硬件的损坏时由各种干扰引起的，而90%左右的干扰来自于电源，可见电源地优劣对系统的影响相当大，目前有以下几种电源可供选择。 阻容分压式 采用简单的电阻电容分压、滤波、这种电源稳压性能差、电源波动大、带负载能力小、电网干扰极易窜入。 开关电源 这种电源稳压性能好、波纹小，但成本高。 线性电源 这种电源稳压性能好、隔离性能好，价格适中，电路如图6-1所示。图6-1 线性电源电路fig. 6-1 linear power supply circuit电子式预付费电度表有三组电压：供单片机，供磁保持继电器，供电能采集模器滤波即可，无需稳压。电能采集模块使用采用阻容分压即可满足要求，电路如图6-2所示图6-2 阻容分压电源电路fig. 6-2 r