畢業(yè)設(shè)計(jì)--智能預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）</p><p>　　題 目：智能預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b></p><p>　　專 業(yè)：自動(dòng)化</p><p>&

2、lt;b>　　班 級(jí)： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　智能預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在世界能源匱乏和環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，電能的節(jié)約與高效利用，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展具有重要意義。

3、用電制度的不斷改革，計(jì)量?jī)x表也隨之向多功能的方向發(fā)展。當(dāng)電力負(fù)荷高峰和低谷差別過大時(shí)，若不能充分利用發(fā)電設(shè)備和供電設(shè)備的容量，則會(huì)使電網(wǎng)運(yùn)行效率大打折扣。為了平擬電網(wǎng)負(fù)荷曲線，提高電網(wǎng)負(fù)荷率，可以針對(duì)用戶實(shí)施用電引導(dǎo)分流，使其避開用電高峰期，并鼓勵(lì)用戶低谷期用電，利用經(jīng)濟(jì)杠桿，在用電高峰期和低谷期按照不同的費(fèi)率收取電費(fèi)不失為一種嘗試，有利于消峰填谷，改善用電質(zhì)量，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　預(yù)付費(fèi)技術(shù)

4、，是我國近幾年形成的新型技術(shù)領(lǐng)域，旨在解決公共事業(yè)領(lǐng)域收費(fèi)難(特別是在人口流動(dòng)頻繁的地區(qū))的問題。預(yù)付費(fèi)控制技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)品化，并形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。預(yù)付費(fèi)電能表可以將供電部門的收費(fèi)方式由過去的上門查表收費(fèi)改變?yōu)橛捎脩糁鲃?dòng)繳費(fèi)，免去了供電部門抄表的繁重工作，而且電能表由單片機(jī)智能控制，大大減輕了供電管理人員的工作量，它的采用將在很大程度上解決長(zhǎng)期困擾我國供電部門的收費(fèi)難問題。在預(yù)付費(fèi)電能表中，購電介質(zhì)有多種，IC卡是使用最為普遍的一種。IC

5、卡具有讀寫方便、可靠性高、安全性好、易于實(shí)現(xiàn)智能控制等突出優(yōu)點(diǎn)，使用IC卡預(yù)付費(fèi)電能表可以獲得可觀的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　智能預(yù)付費(fèi)電能表的詳細(xì)設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)。智能預(yù)付費(fèi)電能表以單片機(jī)AT89S52和ADE7755為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)。該電表不僅具有電能計(jì)量、費(fèi)率管理等功能，還可以分時(shí)段計(jì)量用戶的電能使用量，達(dá)到避峰填谷的目的，提高了電網(wǎng)的利用率，且體積小，功耗低。</p>

6、<p>　　關(guān)鍵詞：電能表；預(yù)付費(fèi)；IC卡；電能計(jì)量</p><p>　　Smart Prepaid Energy Meter</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In the world energy shortage and environmental pollution is serious

7、 today, energy saving and efficient use of human and social development of great significance. Continuing reform of power system, measuring instruments also will be the direction of the multi-functional. When the load is

8、 too large differences between peaks and troughs, if not full use of power equipment and power supply equipment capacity, the efficiency of power grid operation will be greatly reduced. In order to level the load </p&

9、gt;<p>　　Prepaid technology, is formed in recent years and new technology, designed to address areas of public utility charges is difficult (especially in the area of ??intense population movement) problems. Contr

10、ol technology has been pre-paid product of, and formed a new industry. Prepayment meter charges for the electricity sector can be way of look-up table from the previous site the user take the initiative to pay fees to ch

11、ange the ground, eliminating the need for meter reading of the heavy workloa</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p&g

12、t;<b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的背景、來源及意義1</p><p>　　1.2 電能計(jì)量?jī)x表的發(fā)展歷程1</p><p>　　第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計(jì)要求4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4</p><p><b>　　2

13、.2設(shè)計(jì)要求5</b></p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7</p><p>　　3.1單片機(jī)控制芯片的選擇7</p><p>　　3.1.1主要性能7</p><p>　　3.1.2功能特性描述7</p><p>　　3.1.3引腳功能介紹8</p><p&

14、gt;　　3.2電能計(jì)量模塊10</p><p>　　3.2.1 ADE7755芯片特點(diǎn)10</p><p>　　3.2.2 ADE7755功能介紹11</p><p>　　3.2.2.1 ADE7755芯片結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.2.2.2ADE7755工作原理12</p><p>　　3.2.3

15、電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.3.1 電流、電壓采樣電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.2.3.2基準(zhǔn)源電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.3.3脈沖輸出17</p><p>　　3.2.3.4電源電路17</p><p>　　3.3 時(shí)鐘芯片與控制器的連接18</p>

16、;<p>　　3.3.1時(shí)鐘芯片介紹18</p><p>　　3.3.2 I2C總線20</p><p>　　3.3.2.1 I2C總線特性20</p><p>　　3.3.2.2 啟動(dòng)和停止條件20</p><p>　　3.3.2.3 位傳送20</p><p>　　3.3.2.4 標(biāo)志位2

17、0</p><p>　　3.3.2.5 I2C總線協(xié)議21</p><p>　　3.3.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C0222</p><p>　　3.4.1 AT24C02簡(jiǎn)介22</p><p>　　3.4.2 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)23</p><p>

18、　　3.5 IC卡接口電路24</p><p>　　3.5.1 IC卡概述24</p><p>　　3.5.2 lC卡的分類25</p><p>　　3.5.3 SLE4442IC邏輯加密卡26</p><p>　　3.5.3.1 SLE4442IC卡主要功能26</p><p>　　3.5.3.2 SL

19、E4442IC卡的存儲(chǔ)器配置26</p><p>　　3.5.3.3操作模式29</p><p>　　3.5.4 IC卡與單片機(jī)的接口電路31</p><p>　　3.6 鍵盤與顯示電路31</p><p>　　3.6.1 HD7279A簡(jiǎn)介31</p><p>　　3.6.2 CL5461AS簡(jiǎn)介33&

20、lt;/p><p>　　3.6.3 鍵盤與顯示電路設(shè)計(jì)34</p><p>　　3.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì)35</p><p>　　3.7.1 74LS74簡(jiǎn)介35</p><p>　　3.7.2 報(bào)警電路圖36</p><p>　　3.8斷電控制電路36</p><p>　　3.9電源及掉電

21、檢測(cè)電路37</p><p>　　第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)38</p><p>　　4.1 系統(tǒng)主程序39</p><p>　　4.2 脈沖中斷處理子程序40</p><p>　　4.3 插卡中斷處理子程序41</p><p>　　4.4 I2C總線讀寫子程序42</p><p>　　4.

22、5鍵盤與顯示電路46</p><p>　　4.5.1 下載數(shù)據(jù)且按方式0譯碼46</p><p>　　4.5.2 下載數(shù)據(jù)且按方式1譯碼47</p><p>　　4.5.3讀鍵盤數(shù)據(jù)指令48</p><p>　　4.5.4 鍵盤中斷流程圖48</p><p>　　第五章結(jié)論與展望49</p>

23、<p><b>　　參考文獻(xiàn)51</b></p><p><b>　　致謝52</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1課題的背景、來源及意義</p><p>　　預(yù)付費(fèi)技術(shù)是我國近幾年形成的新型技術(shù)領(lǐng)域，旨在解決公共事

24、業(yè)領(lǐng)域(特別是人口流動(dòng)頻繁的地區(qū))收費(fèi)難的問題。預(yù)付費(fèi)控制技術(shù)己經(jīng)產(chǎn)品化，并形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，預(yù)付費(fèi)技術(shù)的控制水平也在不斷提高，許多科研和生產(chǎn)單位爭(zhēng)相研制和開發(fā)各種具有預(yù)付費(fèi)功能的電能計(jì)量?jī)x表。 預(yù)付費(fèi)電能表可以將供電部門的收費(fèi)方式由過去的上門查表收費(fèi)改變?yōu)橛脩糁鲃?dòng)繳費(fèi)，如不繳費(fèi)或欠費(fèi)電能表就會(huì)自動(dòng)切斷電路。預(yù)付費(fèi)電能表的采用將在很大程度上解決長(zhǎng)期困擾我國供電部門的收費(fèi)難問題。<

25、;/p><p>　　在預(yù)付費(fèi)電能表中，購電介質(zhì)有很多種，IC卡是使用最為普遍的一種，IC卡具有讀寫方便、可靠性高、安全性好、易于實(shí)現(xiàn)智能控制等突出優(yōu)點(diǎn)，而且免去了供電部門抄表的繁重工作，由單片機(jī)智能控制，大大減輕了供電管理人員的工作量，同時(shí)用戶對(duì)自己的購電量心中有數(shù)，可以更合理的安排使用。</p><p>　　采用IC卡智能電能表后，可以改變用電收費(fèi)及管理的現(xiàn)狀，達(dá)到以下管理目標(biāo)：</p

26、><p>　　1．智能電能表代替?zhèn)鹘y(tǒng)電能表后，用IC卡實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)，實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)后用電”持卡結(jié)算的理想管理模式，從根本上杜絕了欠繳、遲繳、漏繳電費(fèi)的現(xiàn)象，使供電公司應(yīng)收費(fèi)用及時(shí)到位。</p><p>　　2．建立供電公司計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電、用電用戶及供電公司員工的科學(xué)化管理；建立完善的財(cái)務(wù)核算管理，使供電公司的日常工作和管理流程化、自動(dòng)化、科學(xué)化，提高供電公司的服務(wù)質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。&l

27、t;/p><p>　　3．減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，消滅／減少現(xiàn)金交易，減少人為差錯(cuò)和杜絕貪污案件的發(fā)生。</p><p>　　4．提供方便的統(tǒng)計(jì)查詢功能，便于全面、及時(shí)地了解情況，為決策提供依據(jù)。</p><p>　　綜上，采用IC卡預(yù)付費(fèi)電能表于國于民都有利，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益都十分明顯。</p><p>　　1.2 電能計(jì)量?jī)x表的發(fā)展歷程 &

28、lt;/p><p>　　電能表是電力部門的一桿“秤”。準(zhǔn)確、可靠是追求的目標(biāo)。它作為測(cè)量電能的專用儀表自誕生至今已有一百多年的歷史。 </p><p>　　最早出現(xiàn)且至今仍在普遍采用的是感應(yīng)式電能表。感應(yīng)式電能表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高且價(jià)格便宜，目前我國生產(chǎn)電能表的廠家約有600多家，年產(chǎn)量約1億萬臺(tái)，其中70％以上為感應(yīng)式電能表。但是感應(yīng)式電能表存在的問題不容忽視 ： </p>&

29、lt;p>　?。?）合格率低，誤差嚴(yán)重。資料表明，1996年、1997和1999年國家曾三次對(duì)感應(yīng)式電能表進(jìn)行抽查，其合格率分別為7.1%、30.4%和55.6％。有的產(chǎn)品最大實(shí)測(cè)基本誤差竟高達(dá)-13.4％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國家規(guī)定的+2％的技術(shù)指標(biāo)要求。機(jī)械磨損是感應(yīng)式電能表無法克服的缺陷，必須定期進(jìn)行誤差調(diào)整校驗(yàn)，這對(duì)于大用戶表可以這樣處理，而對(duì)于小用戶及居民用戶，則很難實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　（2）偷

30、竊電現(xiàn)象嚴(yán)重。感應(yīng)式電能表由于電流、電壓接線端子外露，很容易采用改接線或倒表方式來偷竊電，這是包括我國在內(nèi)的發(fā)展中國家普遍存在的嚴(yán)重問題。在我國一些地區(qū)或單位，偷漏電量竟超過了總用電量的30％，其經(jīng)濟(jì)損失非常嚴(yán)重。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國每年因竊電而造成的電費(fèi)損失超過50億。 </p><p>　?。?）抄表方式單一落后。感應(yīng)式電能表采用的是人工登門手工抄表方式，隨著電能表的數(shù)量增加，抄表、核算的工作量越來越大。抄表

31、人員要走家串戶，上樓，下樓，極不方便，這與現(xiàn)代化用電管理極不適應(yīng)。目前市場(chǎng)上，有配以光電脈沖轉(zhuǎn)換裝置的感應(yīng)式電能表，稱之為機(jī)電式電能表，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，但其應(yīng)用并未得到推廣。 </p><p>　?。?）功能單一，測(cè)量準(zhǔn)確度較低。目前，以機(jī)械式電能表為前身發(fā)展而來的機(jī)械電子式多功能電能表，給計(jì)量管理帶來許多方便，但其擴(kuò)展的功能并不夠豐富，推廣不易。感應(yīng)式電能表由于存在摩擦力矩等因數(shù)的影響，誤差較大，達(dá)到0.

32、5級(jí)已很不易，若要進(jìn)一步提高就顯得十分困難。且受其工作原理和制造工藝所限，在最小負(fù)載和最大負(fù)載情況下測(cè)試，其誤差數(shù)據(jù)各有不同，在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，誤差曲線不夠平直，表計(jì)誤差的調(diào)整比較困難。 </p><p>　　當(dāng)今，電能已成為最重要的能源，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下，人們對(duì)電能的計(jì)量要求準(zhǔn)確度高，使用壽命長(zhǎng)，而對(duì)用電的管理要求實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化，這些都是感應(yīng)式電能表所無能為力的。近20年來，由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)

33、的高速發(fā)展，出現(xiàn)的高準(zhǔn)確度、長(zhǎng)壽命且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表等多種功能的智能電能表，取代傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表已勢(shì)在必行。 </p><p>　　智能電能表采用電子技術(shù)，將單相或三相交流功率轉(zhuǎn)換為脈沖量或數(shù)字量，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理以及擴(kuò)展功能。與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表相比，具有很大優(yōu)勢(shì)，智能電能表的特點(diǎn)是高技術(shù)、高工藝、高效益，它使電能表從傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型變?yōu)榧夹g(shù)密集型 。現(xiàn)將其主要特點(diǎn)分析如下： </

34、p><p>　　（1）測(cè)量精度高。智能電能表是在數(shù)字式功率表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采用電子乘法器實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的測(cè)量，使其在很寬的電壓、電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.0級(jí)及以上高精度的電能測(cè)量。與普通感應(yīng)式電能表相比，智能電能表從負(fù)載下限到最大負(fù)載，誤差數(shù)據(jù)基本不變，在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)曲線保持平直，表計(jì)誤差易于調(diào)整，且其每年的校驗(yàn)數(shù)據(jù)變化較小。 </p><p>　?。?）本身功耗低。智能電能表接入電壓互感器

35、（PT）二次回路后，電壓二次回路的輸入電流僅為10mA左右，感應(yīng)式電能表則有70～100mA；而且1只智能電能表可同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功、無功及最大需量測(cè)量，即至少取代3只感應(yīng)電能表；并且，可適當(dāng)減小PT二次回路壓降，這對(duì)于提高電能計(jì)量精度、減小電量損失作用較大。 </p><p>　?。?）抄表方便，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方測(cè)量。智能電能表以LCD屏顯示時(shí)間、表號(hào)、電量數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)信息，所有的電量數(shù)據(jù)都配以相應(yīng)的代碼自動(dòng)循環(huán)顯示，這使得

36、抄表人員一目了然，也可以通過紅外抄表器或掌上電腦抄表。此外，智能電能表配有脈沖輸出端子及數(shù)據(jù)通信接口，很容易實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的采集與傳送，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。 </p><p>　?。?）易于實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。智能電能表采用單片機(jī)處理與控制技術(shù)，可方便地實(shí)現(xiàn)正／反向有功、感／容性無功、四象限無功的累計(jì)和多月電量的存儲(chǔ)，并依據(jù)內(nèi)部時(shí)鐘分時(shí)計(jì)量，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)段／費(fèi)率功能。同時(shí)，又具有最大需量計(jì)算功能，并很方便地改變需量積分周期

37、和滑差時(shí)間。另外，根據(jù)需求，表計(jì)可實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)荷曲線記錄、失壓次數(shù)記錄、失壓累計(jì)時(shí)間記錄、接線方式判別、編程時(shí)間及次數(shù)記錄、異常情況報(bào)警等功能。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計(jì)要求</p><p>　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖是系統(tǒng)產(chǎn)品化的基礎(chǔ)，它包含了系統(tǒng)的硬件選擇及軟件開發(fā)，是在對(duì)系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)、性價(jià)比、元器件

38、的可購性等因素進(jìn)行可行性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)方案比較權(quán)衡后確定。 </p><p>　　預(yù)付費(fèi)電能表又叫做定量電能表、IC卡電能表，除了具有普通電能表的計(jì)量功能外，特別的是用戶先買電，買電后才能用電，若用完電后用戶不繼續(xù)買電，則自動(dòng)切斷電源停止供電。智能預(yù)付費(fèi)電能表是一個(gè)集電能計(jì)量、收費(fèi)管理、配電保護(hù)等多功能于一體的控制裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、安裝維護(hù)方便、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且能把電能計(jì)量、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳

39、輸集成在一起，很好地達(dá)到智能控制的效果。本設(shè)計(jì)采用的是IC卡式預(yù)付費(fèi)電能表。</p><p>　　IC卡預(yù)付費(fèi)電能表的工作原理是：用戶先買IC卡（用戶卡），并攜IC卡至收費(fèi)工作站或指定銀行交費(fèi)購電，工作人員將購電量等信息寫入卡中。用戶將卡插入IC卡電能表（以下簡(jiǎn)稱卡表），卡表內(nèi)控制單片機(jī)識(shí)別IC卡及進(jìn)行IC卡與卡表的相互認(rèn)證并確認(rèn)IC卡密碼無誤后，將卡中購電量和表內(nèi)剩余電量相加后，寫入卡表內(nèi)存儲(chǔ)器，進(jìn)而控制電磁閥

40、開啟。用戶用電過程中，卡表內(nèi)剩余電量相應(yīng)減少。當(dāng)剩余電量低于一定量，如5KWh時(shí)，卡表報(bào)警，提示用戶購電。當(dāng)電量用完時(shí)，卡表內(nèi)電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，停止供電。當(dāng)用戶重新購電讀卡存入后，打開電磁閥供電。也可以根據(jù)供電部門的規(guī)定，實(shí)行可透支方式。當(dāng)剩余電量為零時(shí)，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，切斷電流回路，以報(bào)警提醒電量已經(jīng)用完；用戶插入IC卡（無電卡），開啟電磁閥，接通電流回路透支繼續(xù)供電；當(dāng)透支電量達(dá)到最大透支電量時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，切斷電流回路，停止供電

41、。輸入新的購電量后自動(dòng)恢復(fù)供電。</p><p>　　電能表的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示，為了便于調(diào)試和檢修，本系統(tǒng)的電路采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用單片機(jī)AT89S52和ADE7755為核心，采用I²C總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器AT24C02，時(shí)鐘芯片PCF8563和IC卡的讀寫，利用鍵盤設(shè)置顯示當(dāng)前余量、時(shí)間及日歷等。</p><p>　　圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><

42、;p><b>　　2.2設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　本系統(tǒng)應(yīng)用于IC卡單相電能表中，以實(shí)現(xiàn)居民用電的預(yù)付費(fèi)，方便人們生活，提高電力部門的管理水平。</p><p>　　電能表的主要設(shè)計(jì)任務(wù)</p><p><b>　　1．基本性能參數(shù)：</b></p><p>　　①參比電壓：220

43、V</p><p>　?、陔娏鞣秶?jiǎn)斡脩糌?fù)載最大電流30A</p><p>　　③頻率范圍：50Hz±5%</p><p>　?、軠?zhǔn)確度等級(jí)：1.0級(jí)</p><p>　　⑤電能脈沖常數(shù)：3200imp／KWh</p><p><b>　　2．功能要求：</b></p>

44、<p>　?、匐娔苡?jì)量功能：?jiǎn)蜗郔C卡電能表計(jì)量芯片采用ADE7755。</p><p>　?、陔娔芾奂庸δ埽壕哂袦y(cè)量有功累計(jì)（遞增）電量的功能，能夠計(jì)量（遞減）剩余電量的功能。</p><p>　　③時(shí)段控制功能：將用電時(shí)段分為峰、平、谷三段。</p><p>　　④費(fèi)率可預(yù)置功能：用軟件編程來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?、蒿@示功

45、能：能夠顯示日歷、時(shí)間、有功電量、剩余電量、費(fèi)率、時(shí)段等。⑥警示功能：超限定功率跳閘及剩余少電量報(bào)警功能。</p><p>　?、呋爻δ埽河秒奍C卡插入電能表時(shí)，電能表自動(dòng)將剩余電量、累計(jì)電量、電能表清零次數(shù)、插卡操作結(jié)果、電能表用電狀況等數(shù)據(jù)和狀態(tài)返寫到IC卡上，以供售電管理系統(tǒng)查詢與管理。</p><p>　?、嘤洃浌δ埽簲嚯姾螅鏀?shù)據(jù)不丟失，并能保存10年以上。</p>

46、;<p>　　第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　本章節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、功能模塊劃分和元器件選型。圍繞ADE7755外圍電路設(shè)計(jì)，闡述了電能計(jì)量原理，并進(jìn)行有關(guān)電路參數(shù)計(jì)算；圍繞AT89S52外圍電路設(shè)計(jì)，闡述了各功能模塊與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)；最后介紹了電源模塊設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)。</p><p>　　3.1單片機(jī)控制芯片的選擇</p><

47、;p>　　AT89S52芯片是本系統(tǒng)的核心，其主要功能是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，接收電能脈沖信號(hào)、IC卡數(shù)據(jù)信息、時(shí)間信息等，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后存儲(chǔ)、顯示和輸出處理結(jié)果。</p><p>　　3.1.1主要性能 </p><p>　　●與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 </p><p>　　●8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器 </p><p&

48、gt;　　●1000次擦寫周期 </p><p>　　●全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz </p><p>　　●三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 </p><p>　　●32個(gè)可編程I／O口線 </p><p>　　●三個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 </p><p><b>　　●八個(gè)中斷源 </b></

49、p><p>　　●全雙工UART串行通道 </p><p>　　●低功耗空閑和掉電模式 </p><p>　　●掉電后中斷可喚醒 </p><p><b>　　●看門狗定時(shí)器 </b></p><p><b>　　●雙數(shù)據(jù)指針 </b></p><p>&

50、lt;b>　　●掉電標(biāo)識(shí)符</b></p><p>　　3.1.2功能特性描述 </p><p>　　AT89S52是一種低功耗、高性</p><p>　　能CMOS8位微控制器，具有8K在 圖3.1 AT89S52引腳圖</p><p>　　系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用 Atmel <

51、/p><p>　　公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，</p><p>　　與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位 CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 </p><p>　　AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k

52、字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位 I／O 口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。</p&

53、gt;<p>　　3.1.3引腳功能介紹</p><p>　　P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I／O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻

54、。 </p><p>　　P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器／計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0／T2）和定時(shí)器／計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1／T2EX）

55、，具體如表3.1所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。</p><p>　　表3.1 P1口第二功能</p><p>　　P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì) P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電

56、流（IIL）。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送“1”。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 </p><p>　　P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I

57、／O 口，P3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì) P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.2所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。</p><p>　　表3.2 P3口第二功能</p><p>

58、　　RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST引腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 </p><p>　　ALE／PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳（PROG）也用作

59、編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行 MOVX 或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個(gè) ALE使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。</p>

60、;<p>　　PSEN：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（PSEN）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。 當(dāng) AT89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN將不被激活。 </p><p>　　EA／VPP：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器。讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在

61、flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。 </p><p>　　XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 </p><p>　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p><b>　　3.2電能計(jì)量模塊</b></p><p>　　3.2.1 ADE7755芯片特點(diǎn)</p>

62、<p>　　ADE7755是AD公司最新推出的脈沖輸出高精度電功率測(cè)量芯片，相對(duì)于其前身AD7755提升了更加優(yōu)良和精確的計(jì)量性能，在電量測(cè)量中具備更實(shí)用的價(jià)值。ADE7755是一種用于功率測(cè)量和電能計(jì)算的高準(zhǔn)確度專用集成電路芯片，它可與不同量程的傳感器直接相連，從而簡(jiǎn)化了接口設(shè)計(jì)。該芯片可完成有功功率的測(cè)量和數(shù)字／頻率轉(zhuǎn)換，由于它的輸出為脈沖信號(hào)，所以CPU通過中斷引腳可以方便準(zhǔn)確的進(jìn)行電量累計(jì)。它只在ADC和基準(zhǔn)原中使

63、用模擬電路，其他信號(hào)都使用數(shù)字電路，即使在惡劣的環(huán)境條件下，ADE7755仍然保持較好的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。</p><p>　　ADE7755測(cè)量電流的動(dòng)態(tài)范圍為500：1，讀數(shù)的誤差百分率小于0.1%，可在輸出端同時(shí)輸出平均功率和瞬時(shí)功率的頻率信息。ADE7755的2路模擬輸入端傳輸高阻抗的雙極性電壓輸入信號(hào)，并帶有內(nèi)部保護(hù)電路，可避免芯片在持續(xù)過電壓、欠電壓和有靜電放電等情況下被損壞。該芯片還具有以下特點(diǎn)：模擬

64、電源一直處于電源監(jiān)視器的監(jiān)視狀態(tài)中，當(dāng)電壓低于4V±5%，ADE7755被復(fù)位；具有正負(fù)電能指示、防竊電功能；輸出頻率可選，可作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的低頻脈沖或校正測(cè)試的高頻脈沖輸出；包含無負(fù)載門檻和初始電流，可消除電能表的潛動(dòng)效應(yīng)。ADE7755規(guī)定了最小輸出頻率，如果任何負(fù)載產(chǎn)生的頻率低于最小頻率，則不再輸出端引起脈沖輸出。</p><p>　　3.2.2 ADE7755功能介紹</p>&

65、lt;p>　　3.2.2.1 ADE7755芯片結(jié)構(gòu)</p><p>　　ADE7755的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖3.2所示，它主要由信號(hào)輸入和信號(hào)處理兩部分組成。</p><p>　　圖3.2 ADE7755功能框圖</p><p>　　電流輸入通道中的增益可編程放大器可根據(jù)引腳G1和G0的輸入信號(hào)來選擇不同的放大倍數(shù)。通過G0和G1來選擇通道1的增益的具體

66、方法如表3.3所示。</p><p>　　表3.3 通道1的增益選擇</p><p>　　兩個(gè)16位的A／D轉(zhuǎn)換器采用Σ-△結(jié)構(gòu)，采樣頻率為900kHz，這種模擬輸入結(jié)構(gòu)可使得芯片在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)直接與傳感器相連接，因而簡(jiǎn)化了與傳感器的接口設(shè)計(jì)。芯片的REVP腳能夠檢測(cè)電路的正負(fù)功率，其邏輯狀態(tài)隨CF輸出脈沖同時(shí)變化，即在CF產(chǎn)生一個(gè)脈沖的同時(shí)檢測(cè)正負(fù)功率，這樣可以有效地防止用戶利用反接

67、線進(jìn)行竊電。信號(hào)處理部分包括相位校正環(huán)節(jié)、高通濾波器（High Pass Filter，HPF）、乘法器、低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）和數(shù)字／頻率轉(zhuǎn)換電路等。</p><p>　　ADE7755有24腳DIP和SSOP兩種封裝形式。下表3.4對(duì)其做了詳細(xì)的闡述。</p><p>　　表3.4 ADE7755引腳說明</p><p>　　3.

68、2.2.2ADE7755工作原理</p><p>　　兩個(gè)ADC對(duì)來自電流和電壓傳感覺器的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，這兩個(gè)ADC都是16位二階∑—△模數(shù)轉(zhuǎn)換器，過采樣速率達(dá)900KHz，ADE7755的模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動(dòng)態(tài)范圍，大大簡(jiǎn)化了傳感器接口(可以與傳感器直接連接)，也簡(jiǎn)化了抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)。被測(cè)電流經(jīng)可編程增益放大器(PGA)放大后接電流通道的ADC，并由ADC轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。再經(jīng)相位校驗(yàn)和高通濾波，

69、進(jìn)入乘法器。乘法器的另一路輸入是由電壓通道ADC轉(zhuǎn)換而來的與被測(cè)電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。相乘后產(chǎn)生瞬時(shí)功率信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾除其中的交流分量，提取出負(fù)載消耗的瞬時(shí)有功功率。ADE7755對(duì)這個(gè)瞬時(shí)有功功率信號(hào)進(jìn)行一段時(shí)間的累計(jì)和平均后，求得平均有功功率，并從管腳F1，F(xiàn)2輸出。與此同時(shí)，以較短時(shí)間對(duì)瞬時(shí)有功功率進(jìn)行累計(jì)，求得與瞬時(shí)有功功率成正比的高頻頻率并經(jīng)CF輸出。圖3.3給出了信號(hào)處理框圖。ADE7755引腳F1和F2以較低頻率

70、形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器。引腳CF以較高頻率輸出有功功率瞬時(shí)值，用于較驗(yàn)或于MCU接口相連。</p><p>　　圖3.3 信號(hào)處理框圖</p><p>　　內(nèi)部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的，無論通道1內(nèi)的高通濾波器是接通的還是斷開的。電壓和電流信號(hào)通過乘法器相乘后再經(jīng)低通濾波器的數(shù)字輸出包含有功功率信息，然而這個(gè)LPF不是理想的濾波器，因此輸出信號(hào)

71、仍含有經(jīng)衰減的線路的基波和諧波頻率成分，即cos(hwt)，其中h=l，2，3……。</p><p>　　該濾波器的幅頻響應(yīng)特性為：</p><p>　　︱Hf︱=1／(1+f／8．9Hz) 式（3.1） </p><p>　　在線路頻率為工頻50Hz的情況下，對(duì)20w(100Hz)成分的衰減大約為

72、-22dB，</p><p>　　這是兩倍于線路頻率的主諧波，即cos(20t)，這是由瞬時(shí)有功功率引起的。LPF輸出的瞬時(shí)有功功率信號(hào)還包含了相當(dāng)大的瞬時(shí)功率信息，即cos(20t)。這個(gè)信號(hào)通過數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器，隨時(shí)間被積分(累加)，進(jìn)而產(chǎn)生輸出頻率。這種累加起到平均作用，將抑制了瞬時(shí)有功功率信號(hào)中的非直流成分，正弦信號(hào)的平均值等于零。因此，ADE7755產(chǎn)生的頻率與平均有功功率成正比。</p>

73、<p>　　由圖3.3可知，即使在穩(wěn)定負(fù)載條件下CF輸出頻率仍然隨時(shí)間變化，這種頻率的變化主要是由瞬時(shí)有功功率信號(hào)中的cos(20t)成分引起的。CF輸出頻率能高達(dá)F1和F2輸出頻率的2048倍。CF能以較高的頻率輸出，是因?yàn)樵趯?duì)瞬時(shí)有功功率進(jìn)行累加完成頻率轉(zhuǎn)換的過程中，采用了較短的累加時(shí)間。較短的累加時(shí)間意味著減弱了對(duì)cos(20t)成分的平均作用，于是部分瞬時(shí)功率信號(hào)成分通過了數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)中CF用于帶MCU的電能計(jì)

74、量場(chǎng)合，CF是進(jìn)行平均后再進(jìn)行功率計(jì)算的。頻率輸出CF端連接到單片機(jī)的計(jì)度器，MCU在內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)內(nèi)對(duì)CF輸出的脈沖計(jì)數(shù)，平均功率正比與平均頻率。</p><p>　　平均功率=平均頻率 式（3.2）</p><p>　　=脈沖個(gè)數(shù)／積分時(shí)間</p><p>　　在一個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能為：&

75、lt;/p><p>　　電能=平均功率×積分時(shí)間 式（3.3） </p><p>　　=(脈沖個(gè)數(shù)／積分時(shí)問)×積分時(shí)間 </p><p><b>　　=脈沖個(gè)數(shù)</b></p><p>　　3.2.3電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)</p><p

76、>　　ADE7755采用+5V、功耗15mV的單電源供電，加電后，ADE7755芯片被初始化后開始工作，電流通道和電壓通道的信號(hào)經(jīng)放大器放大后，通過內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為2路數(shù)字信號(hào)。在進(jìn)行功率測(cè)量時(shí)，電流通路信號(hào)還需要通過高通濾波器以去除通道中的直流偏置，此時(shí)可能引起2通道的相位不一致，對(duì)此，可通過相位調(diào)整電路對(duì)相角變化量進(jìn)行補(bǔ)償，然后將2路信號(hào)同時(shí)加到數(shù)字乘法器，再經(jīng)過低通濾波器，最后進(jìn)入數(shù)字∕頻率轉(zhuǎn)換器，得到與瞬時(shí)功率成比例

77、的高頻脈沖及與平均功率成比例的低頻脈沖，并分別在CF、F1、F2端輸出，從電網(wǎng)采樣獲得電壓信號(hào)送入通道2上的V2P和V2N后，直接進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后進(jìn)入乘法器以提供功率計(jì)算，芯片內(nèi)的2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器共用1個(gè)25V的基準(zhǔn)電源。工作原理如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4電能計(jì)量模塊工作原理框圖</p><p>　　3.2.3.1 電流、電壓采樣電路設(shè)計(jì)</p><

78、;p>　　電流采樣電路使用分流器，如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 電流采樣電路</p><p>　　其中R1、R2為采樣電阻，C1、C2為采樣電容，他們?yōu)椴蓸油ǖ捞峁┝瞬蓸与妷盒盘?hào)，采樣電壓信號(hào)的大小由分流器的阻值和流過其上的電流決定。電流采樣通道采用完全差動(dòng)輸入，V1P為正輸入端，V2P為負(fù)輸入端，電流采樣通道最大差動(dòng)峰值電壓應(yīng)小于470mV，電流采樣通道的PGA其

79、增益可由ADE7755的G1和G0來選擇，見表3.1</p><p>　　當(dāng)使用分流器采樣時(shí)，G1和G0都接高電平，增益選16，通過分流器的峰值電壓為±30mV。本設(shè)計(jì)電表為5（30）A規(guī)格，分流器阻值選擇350uΩ，當(dāng)流過分流器的電流為最大電流時(shí)，其采樣電壓為350uΩ×30A=10.5mV，不超過峰值電壓半滿度值。</p><p>　　電壓采樣電路如圖3.6，電壓輸

80、入通道也為差分電路，V2N引腳連接到電阻分壓電路的分壓點(diǎn)上，V2P接地。電壓輸入通道的采樣信號(hào)是通過衰減線電壓得到的，其中R4至R14為校驗(yàn)衰減網(wǎng)絡(luò)，通過短接跳線J1至J9可將采樣信號(hào)調(diào)節(jié)到需要的采樣值上，當(dāng)電能表為基本電流時(shí)，電壓采樣值為174.2mV，為了允許分流器的容差和片內(nèi)基準(zhǔn)源8％的誤差，衰減校驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該允許至少30％的校驗(yàn)范圍，根據(jù)圖3.6的參數(shù)，其調(diào)節(jié)范圍為168.9 mV —250 mV，完全滿足了調(diào)節(jié)的需要。這個(gè)衰減網(wǎng)

81、絡(luò)的-3dB頻率是由R4和C3決定的，R15、R16、R17確保了這一點(diǎn)，即使全部跳線都接通，R15、R16、R17的電阻值仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R4， </p><p>　　圖3.6 電壓采樣電路</p><p>　　R4和C3的選取要和電流采樣通道的R1、C1匹配，這樣才能保證兩個(gè)通道的相位進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠ヅ?，消除相位失調(diào)帶來的誤差影響。</p><p>　　3.2.3.2基

82、準(zhǔn)源電路設(shè)計(jì)</p><p>　　ADE7755片內(nèi)基準(zhǔn)源電路的溫度系數(shù)典型值為30×10-6／℃,但A級(jí)ADE7755的溫度系數(shù)高，達(dá)80×10-6／℃。在-20℃或+60℃情況下，80×10-6／℃的溫度系數(shù)使ADE7755相對(duì)25℃標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的誤差高達(dá)0.65％。本基準(zhǔn)源采用LM336-2.5集成電路，它是精密的2.5V并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，芯片的第三個(gè)引腳能夠方

83、便的對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行微調(diào)。其設(shè)計(jì)如下圖3.7</p><p><b>　　圖3.7基準(zhǔn)電源</b></p><p>　　3.2.3.3脈沖輸出</p><p>　　ADE7755的CF為頻率校驗(yàn)輸出引腳，其輸出頻率反應(yīng)瞬時(shí)有功功率的大小，常用于儀表校驗(yàn)，電路如3.8圖所示。</p><p>　　圖3.8 脈沖輸出電路&l

84、t;/p><p>　　R19為限流電阻，LED為脈沖指示燈，在檢驗(yàn)時(shí)，可用常規(guī)光電法采集脈沖指示燈發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行誤差校驗(yàn)，U3為隔離光耦，C6為去耦電容，其作用一是濾除高頻干擾信號(hào)對(duì)LED的影響，二是在高溫高濕環(huán)境下，對(duì)疊加到U3的輸入引腳的干擾信號(hào)起到一個(gè)放電通路的作用，防止U3誤導(dǎo)通。</p><p>　　3.2.3.4電源電路</p><p>　　ADE7755采

85、用+5V、功耗15mV的單電源供電。其設(shè)計(jì)電路如圖3.9</p><p>　　圖3.9 ADE7755電源電路</p><p>　　3.3 時(shí)鐘芯片與控制器的連接</p><p>　　3.3.1時(shí)鐘芯片介紹</p><p>　　PCF8563是PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片，芯片最大總線速度為400kbits／s，

86、每次讀寫數(shù)據(jù)后，其內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。PCF8563可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、便攜儀器、傳真機(jī)、電池電源等產(chǎn)品。</p><p>　　圖3.10 PCF8563的引腳排列圖</p><p>　　PCF8563的引腳排列如圖3.10所示，各引腳功能說明如表3.5所列。</p><p>　　PCF8563有16個(gè)8位寄存器，其中包括：可自動(dòng)增量的地址寄存器、內(nèi)

87、置32.768kHz的振蕩器（帶有一個(gè)內(nèi)部集成電容）、分頻器（用于給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供源時(shí)鐘）、可編程時(shí)鐘輸出、定時(shí)器、報(bào)警器、掉電檢測(cè)器和400kHz的I2C總線接口。</p><p>　　表3.5 PCF8563的引腳說明</p><p>　　所有16個(gè)寄存器設(shè)計(jì)成可尋址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。當(dāng)一個(gè)RTC寄存器被讀時(shí)，所有計(jì)數(shù)器的內(nèi)容將被鎖存，因此，在傳送條件下，可以禁

88、止對(duì)時(shí)鐘／日歷芯片的錯(cuò)讀。</p><p><b>　　表3.6寄存器概況</b></p><p>　　表3.6、表3.7所列為各寄存器概況及對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址和功能，同時(shí)列出了它們的BCD格式編碼。表中“——”表示無效位，“0”表示此位應(yīng)置邏輯。表3.7中的世紀(jì)位C=0指定世紀(jì)數(shù)為20XX，C=1指定世紀(jì)數(shù)為19XX。當(dāng)年寄存器中的99變00時(shí)，世紀(jì)位才會(huì)改變。<

89、;/p><p>　　表3.7 BCD格式寄存器概況</p><p>　　3.3.2 I2C總線</p><p>　　3.3.2.1 I2C總線特性</p><p>　　I2C總線用兩條線（SDA和SCL）在芯片和模塊間傳遞信息。SDA為串行數(shù)據(jù)線，SCL為串行時(shí)鐘線，這兩條線必須用一個(gè)上拉電阻與正電源相連，其數(shù)據(jù)只有在總線不忙時(shí)才可傳送。I2C總

90、線的系統(tǒng)配置參見圖3.11，產(chǎn)生信號(hào)的設(shè)備是傳送器，接收信號(hào)的設(shè)備是接收器，控制信號(hào)的設(shè)備是主設(shè)備，受控制信號(hào)的設(shè)備是從設(shè)備。</p><p>　　圖3.11 I2C總線的系統(tǒng)配置</p><p>　　3.3.2.2 啟動(dòng)和停止條件</p><p>　　總線不忙時(shí)，數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線保持在高電平。數(shù)據(jù)線（SDA）在下降沿而時(shí)鐘線（SCL）為高電平時(shí)，為起動(dòng)條件（S）

91、；數(shù)據(jù)線在上升沿而時(shí)鐘線為高電平時(shí)為停止條件（P），參見圖3.12。</p><p>　　圖3.12 I2C總線的啟動(dòng)和停止條件</p><p>　　3.3.2.3 位傳送</p><p>　　每個(gè)時(shí)鐘脈沖傳送一個(gè)數(shù)據(jù)位，SDA線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖高電平時(shí)應(yīng)保持穩(wěn)定，否則將成為控制信號(hào)。</p><p>　　3.3.2.4 標(biāo)志位</

92、p><p>　　在起動(dòng)條件和停止條件之間，傳送器傳送給接收器的數(shù)據(jù)數(shù)量沒有限制。在每個(gè)8位字節(jié)后加一個(gè)標(biāo)志位，傳送器便產(chǎn)生一個(gè)高電平的標(biāo)志位，這時(shí)主設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)附加標(biāo)志位時(shí)鐘脈沖。</p><p>　　從接受器必須在接收到每個(gè)字節(jié)后產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志位，主接收器也必須在接收從傳送器傳送的每個(gè)字節(jié)后產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志位。在標(biāo)志位時(shí)鐘脈沖出現(xiàn)時(shí)，SDA線應(yīng)保持低電平（應(yīng)考慮起動(dòng)和保持時(shí)間）。傳送器應(yīng)在從設(shè)備接

93、收到最后一個(gè)字節(jié)時(shí)變?yōu)榈碗娖?，而使接收器產(chǎn)生標(biāo)志位，這時(shí)主設(shè)備即可產(chǎn)生停止條件。參見圖3.13</p><p>　　圖3.13 I2C總線上的位標(biāo)志</p><p>　　3.3.2.5 I2C總線協(xié)議</p><p>　　用I2C總線傳遞數(shù)據(jù)前，接收的設(shè)備應(yīng)先標(biāo)明地址，在I2C總線起動(dòng)后，這個(gè)地址與第一個(gè)傳送字節(jié)一起被傳送出去。PCF8563可以作為一個(gè)從接收器或

94、從傳送器，此時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)線SCL只能輸入信號(hào)線，數(shù)據(jù)信號(hào)線SDA則為一條雙向信號(hào)線。PCF8563的從地址參見圖3.14。</p><p>　　圖3.14 PCF8563的從地址</p><p>　　3.3.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)</p><p>　　依據(jù)I2C總線協(xié)議，PCF8563有唯一的器件地址0A2H，PCF8563與單片機(jī)接口電路原理圖如圖3.15所示，R27，

95、R28為上拉電阻，BT為備用電源，二極管D4，LED3使得在+5V供電時(shí)，不合用備用電源BT，時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線分別接至單片機(jī)的I／O口，電容C11為晶振的起振電容。C12，CD3為電源的去耦電容，當(dāng)時(shí)鐘備用電源失壓時(shí)，發(fā)光二極管LED3點(diǎn)亮，起到指示作用。</p><p>　　圖3.15 PCF8563與單片機(jī)接口電路原理圖</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)AT24C02</p&

96、gt;<p>　　3.4.1 AT24C02簡(jiǎn)介</p><p>　　AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)， CATALYST 公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02 有一個(gè)16字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過I2C總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。</p><p>　　AT24C02支持 I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)

97、議，I2C總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控制的。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，通過器件地址輸入端 A0 、A1 和A2可以實(shí)現(xiàn)將最多8個(gè)AT24C02器件連接到總線上。管腳封裝如圖3.16所示。為雙列直插式封裝，是最簡(jiǎn)單的一種封裝技術(shù)。</p><p>　　

98、圖3.16 AT24C02管腳封裝</p><p><b>　　SCL 串行時(shí)鐘</b></p><p>　　AT24C02串行時(shí)鐘輸入管腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘，這是一個(gè)輸入管腳。</p><p>　　SDA 串行數(shù)據(jù)／地址</p><p>　　AT24C02雙向串行數(shù)據(jù)／地址管腳用于器件所有數(shù)據(jù)的

99、發(fā)送或接收， SDA 是一個(gè)開漏輸出管腳，可與其它開漏輸出或集電極開路輸出進(jìn)行線或（ wire-OR ）。</p><p>　　A0 、A1、A2 器件地址輸入端</p><p>　　這些輸入腳用于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)時(shí)設(shè)置器件地址，當(dāng)這些腳懸空時(shí)默認(rèn)值為 0 。當(dāng)使用 AT24C02 時(shí)最大可級(jí)聯(lián)8個(gè)器件。如果只有一個(gè)AT24C02被總線尋址，這三個(gè)地址輸入腳（ A0 、A1 、A2 ）可懸空

100、或連接到 Vss，如果只有一個(gè) AT24C02 被總線尋址，這三個(gè)地址輸入腳（ A0 、A1 、A2 ）必須連接</p><p><b>　　到Vss 。</b></p><p><b>　　WP 寫保護(hù)</b></p><p>　　如果WP 管腳連接到Vcc，所有的內(nèi)容都被寫保護(hù)只能讀。當(dāng)WP管腳連接到Vss或懸空允許器

101、件進(jìn)行正常的讀／寫操作 。</p><p>　　3.4.2 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　存儲(chǔ)芯片采用AT24C02。該芯片具有I2C總線接口，具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失的特點(diǎn)。與單片機(jī)的接口電路參考圖3.17所示。存儲(chǔ)主要是電量參數(shù)的存儲(chǔ)?？紤]到AT24C02芯片擦寫次數(shù)的有限性，能量的累加在單片機(jī)的RAM存儲(chǔ)空間中完成，采用定時(shí)方式進(jìn)行電量參數(shù)的存儲(chǔ)。單片機(jī)不斷檢測(cè)時(shí)間參數(shù)，當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間到

102、則啟動(dòng)I2C總線把電量參數(shù)存儲(chǔ)到AT24C02中分配的地址單元。AT24C02存儲(chǔ)單元配置參考表3.7所示。</p><p>　　表3.7 AT24C02存儲(chǔ)單元配置</p><p>　　為了保證電量參數(shù)存儲(chǔ)的可靠性，在軟件設(shè)計(jì)上要有充分的冗余和糾錯(cuò)。比如考慮到這種情況，在進(jìn)行電量存儲(chǔ)時(shí)突然發(fā)生掉電事故，新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)尚未完</p><p>　　圖3.17 AT

103、24C02與單片機(jī)的接口電路</p><p>　　成，而原有數(shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋，造成數(shù)據(jù)的丟失。為了避免這種情況，對(duì)每一個(gè)電量參數(shù)分配兩組存儲(chǔ)單元；以E0為例，0x00~0x03為一組存儲(chǔ)單元，0x04~0x07為另一組存儲(chǔ)單元。即使一組數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)被損壞，另一組數(shù)據(jù)則不受影響。</p><p>　　3.5 IC卡接口電路</p><p>　　3.5.1 IC卡概述&

104、lt;/p><p>　　IC卡是集成電路卡(IniegratedCireultcard)的英文簡(jiǎn)稱，它將大規(guī)模集成電路(IC)封裝在卡片中，卡片上印有說明文字和圖像。由于其內(nèi)部具有現(xiàn)代高科技產(chǎn)品：集成電路，因此，IC卡不僅可以存儲(chǔ)大量的信息，具有較強(qiáng)的保密性能，而且抗干擾能力強(qiáng)、無磨損、壽命長(zhǎng)。因此已在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。IC卡采用了先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)和信息安全技術(shù)，它相對(duì)于其它種類的卡具有以下幾大特點(diǎn)：&

105、lt;/p><p>　　1.存儲(chǔ)量大。其內(nèi)部有RAM、ROM、EEPROM等存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量從幾個(gè)字節(jié)到幾兆字節(jié)，卡上可以存儲(chǔ)文字、聲音、圖形、圖像等各種信息。</p><p>　　2.體積小、重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，便于攜帶，易于使用。</p><p>　　3.安全性高。IC卡從硬件和軟件等幾個(gè)方面實(shí)施其安全策略，可以控制卡內(nèi)不同區(qū)域的存取特性。存儲(chǔ)卡本身具有安全密碼，

106、如果試圖非法對(duì)之進(jìn)行數(shù)據(jù)存取則卡片自毀，即不可進(jìn)行讀寫。</p><p>　　4.對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求不高。IC卡的安全可靠性使其在應(yīng)用中對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、敏感性要求降低。</p><p>　　3.5.2 lC卡的分類</p><p>　　根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，IC卡有多種分類方法，通常劃分IC種類的依據(jù)有：IC卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)讀取的方式、IC卡與外界傳輸數(shù)據(jù)的方式、IC卡

107、的應(yīng)用領(lǐng)域等。根據(jù)IC卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為非加密存儲(chǔ)卡、加密存儲(chǔ)卡、CPU卡和超級(jí)智能卡。</p><p><b>　　(l)非加密存儲(chǔ)卡</b></p><p>　　這種IC卡的芯片一般為電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM。它的特點(diǎn)是：存儲(chǔ)容量大；信息可以長(zhǎng)期保存，也可以在讀寫器中進(jìn)行擦除和改寫；讀寫速度快，操作簡(jiǎn)單。卡上數(shù)據(jù)的保護(hù)主要依賴于讀寫器中的軟件口令以及

108、向卡上寫入的加密信息，軟件讀出時(shí)破譯，因此這種IC卡的安全性能不高，主要應(yīng)用于對(duì)安全性要求不高的場(chǎng)合。</p><p><b>　　(2)邏輯加密卡</b></p><p>　　邏輯加密卡除了具有非加密存儲(chǔ)卡的EEPROM外，還帶有加密邏輯，每次讀／寫操作之前要先進(jìn)行密碼驗(yàn)證。如果連續(xù)幾次密碼驗(yàn)證錯(cuò)誤，卡片將會(huì)自鎖，成為死卡。從數(shù)據(jù)管理、密碼校驗(yàn)和識(shí)別方面來說，邏輯加

109、密卡是一種被動(dòng)型卡，該類卡片的存儲(chǔ)容量相對(duì)較小，價(jià)格相對(duì)便宜，適用于有一定保密要求的場(chǎng)合。</p><p><b>　　(3)CPU卡</b></p><p>　　CPU卡芯片內(nèi)部包含微處理器(CPU)、存儲(chǔ)單元(RAM，ROM和EEPROM)和輸入／輸出接口單元。其中，RAM用于存放運(yùn)算過程中的中間數(shù)據(jù)，ROM中固化片內(nèi)操作系統(tǒng)COS(eardOperatingSy

110、stem)，而EEPROM用于存放持卡人的個(gè)人信息以及發(fā)行單位等有關(guān)信息。CPU管理信息的加／解密和傳輸，防范非法訪問卡內(nèi)信息，若發(fā)現(xiàn)數(shù)次非法訪問，將鎖死相應(yīng)的信息區(qū)(可通過高一級(jí)命令解鎖)。CPU卡的容量有大有小，價(jià)格比邏輯加密卡要高。CPU卡的良好處理能力和上佳的保密性能，使其成為IC卡發(fā)展的方向。CPU卡適用于保密性要求特別高的場(chǎng)合，如金融卡、軍事密令傳遞卡等。</p><p><b>　　(4)