-IC卡式单片机预付费电度表的设计

《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计题目：IC卡式单片机预付费电度表的设计专业：计算机科学与技术班级：姓名：学号：指导老师：成绩：(2010.1)目录《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计第1节引言…………………………………………………………………………11.1IC卡式单片机预付费电度表概述……………………………………………11.2本设计任务和主要内容…………………………………………………………2第2节系统主要硬件电路设计………………………………………………………42.1方案设计与比较论证……………………………………………………………42.1.1电能计量系统方案设计…………………………………………………42.2预付费电度表工作过程及基本原理……………………………………………52.2.1预付费电度表工作过程…………………………………………………52.2.2有功电能测量的基本原理………………………………………………62.3预付费电度表电路………………………………………………………………72.3.1电能计量电路……………………………………………………………72.3.2控制部分………………………………………………………………82.3.3显示电路………………………………………………………………92.3.4IC卡接口电路…………………………………………………………102.3.5电能存储电路…………………………………………………………112.3.6掉电检测电路…………………………………………………………12《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计2.3.7磁保持继电器驱动电路………………………………………………12第3节系统软件设计…………………………………………………………………143.1主程序设计流程图以及相应代码………………………………………………143.2IC卡检测及读写程序设计………………………………………………………153.3外中断0服务程序流程图以及相应代码………………………………………183.4定显示器0中断服务程序流程图以及相应代码………………………………20第4节结束语…………………………………………………………………………30参考文献………………………………………………………………………32IC卡式单片机预付费电度表的设计第1节引言在工业和日常生活中，电已经成为不可或缺的生活品之一，其重要地位不言而喻。同时，电度表作为电能计量产品被国家列为影晌国计民生的重点仪器仪表产品，无论是计划经济时代还是市场经济时代电度表都是国家重点支持的产品。在我国发展过程中，电度表技术经历了“仿制探索阶段、联合攻关阶段、引进消化阶段、自举创新阶段”四个阶段的发展。使用的电度表种类有机械式、电子式等，但是，诸如此类的电度表均存在数据的重复性和一致性较差、笨重、耗电、需要手工抄表、防窃电差、抗恶劣环境能力差等缺点。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。本系统利用单片机的可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗等优点展开设计，并采用IC卡《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计1设置预付费系统，得到电能计量准确、精度高、保密性好、抗干扰强的优质预付费电度表。1.1IC卡式单片机预付费电度表概述IC卡式单片机预付费电度表是一种新型的IC卡式预付费仪表，具主要包括电能计量系统和预付费系统。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、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；预付费系统主要利用IC卡实现先付费、再用电。该表在设计过程中，充分考虑到在线仪表的特点，在可靠性和抗干扰能力方面采取了一系列措施，完全符合电磁兼容性标准。该产品各项性能指标符合JBT8328-1996《预付费电度表》标准中对单相电子式预付费电能表的全部技术要求。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：(1)采用新型IC卡，一户一卡，互不通用，具有良好的可靠性和安全性。(2)具有负荷设定功能，超负荷跳闸功能并记录超负荷次数（可选功能）(3)可在20A电流下长期工作，温升小于30度(4)具有数据回写功能，回写累积电量，剩余电量，超负荷次数，非正常用电时间，电能脉冲常数至售电系统，便于电力部门管理。(5)剩余电量为0时跳闸断电，此时若用户使用短路方式窃电，该表可记录窃电时间，并回写至售电系统。(6)剩余电量不足报警。(7)IC插座自保护功能，当金属片等异体物质插入IC插座时，读卡部分自动保护但不影响正常计费和其他功能，确保电表不会损坏。1.2本设计任务和主要内容本论文主要研究IC卡式单片机预付费电度表，分别对电能计量、预付费系统、控制电路、显示、IC卡接口等方面进行了深入研究，并增加采用IC卡付费和掉电保护功能。预付费电度表的设计任务是实现相关的功能及要求，符合现实生产生活的需要。其必须满足具备以下一些要求和功能：(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，并随时改写剩余电数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计2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20KW.H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，1min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。预付费电度表的设计主要内容包括电能计量系统设计和预付费系统设计两方面的内容。此处，预付费系统并非本论文讨论的重点。但是为了描述的方便，我们从整体上进行考虑，具体分硬件设计和软件设计等两个方面进行讨论。[1]硬件设计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。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N频率转换器、VFC、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AT23C01,用于存储由售电管理系统写入密码、卡号、电度数等。[2]软件设计硬件是系统的基础，则软件是系统的灵魂。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。数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计3第2节系统主要硬件电路设计2.1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，再用电的模式。前者追求可靠性，后者追求高安全性。因为预付费系统在此设计中并非重点，所以接下去仅对电能计量系统方案进行设计和论证比较。2.1.1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。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。这样转盘每转数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计4一圈，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。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，其系统如图2-1所示。图2-1方案二的系统图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，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（cosΦ），按公式P=UIcosΦ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。A/D变换I／U变换A/D变换CPU液晶显示器控制键盘IC卡卡座数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计5图2-2方案三的系统图这种方案CPU要实现读写卡控制、求功率因数（cosΦ）、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。2．2预付费电度表工作过程及基本原理2.2.1预付费电度表工作过程结合系统设计的要求，我们可知，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”；（7）液晶显示器显示的内容与处理，如表2-1所示。表2-1液晶显示器显示内容以及处理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I／U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卡卡座数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——IC卡式单片机预付费电度表的设计6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2.2.2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。SM9903内部