电气工程系毕业设计基于单片机的低功耗智能IC卡电表设计.docx

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电气工程系毕业设计基于单片机的低功耗智能IC卡电表设计

基于单片机的低功耗智能IC卡电表设计

2012.3

基于单片机的低功耗智能IC卡电表的设计

摘要:

低功耗智能IC卡电表是自动计量并显示通过电能累计值、金额消耗值的一种功耗较小的表计，它以IC卡为收费媒介，以单片机为微控制中心。

本文从传统电表的原理和特性出发，设计出了智能IC卡电表，传承了传统电表的计量电量方式，充分利用现代高科技手段，弥补了传统电表要人工抄写费时费力低效率又低准确率的不足，采用低功耗芯片来实现节省能源的利用，容易实现对电能的计量、收费、监视、控制和管理。

在整个智能IC卡电表的系统硬件结构设计上，采用模块化的设计方法，以速度快、功耗低、体积小的AT89C2051单片机为核心，利用数字处理运算的AD7750实现电能采样，将集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电路的X5045做存储器以加密的SLE4428IC卡做收费媒介以低功耗多功能通用型8段式液晶显示模块LCM103做显示单元，具备完成自动计算用电量、自动计算用电金额、自动拉闸断电、自动读写IC卡上的数据的功能，是一种智能化电表。

此表广泛应用于社会生活的各个领域，具有很大的发展前景。

关键词：

低功耗智能IC卡电表电能采样单片机

第一章序言

长期以来，我国生产的交流电表均为感应式机械电表，几十年来不得不采用人工抄读电表的原始方式。

目前全国大部分电力公司、电业局完成了用电营业计算机管理系统的开发和应用。

但作为用电管理最重要也是最基础的用电数据仍采用原始落后的人工抄收的方法，不但劳动强度大、效率低，而且还会存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题，对窃电的防治更无从谈起在社会走向信息化，网络化，电力系统大踏步现代化的今天，手工抄表更是与无人值班等高度的自动化形成了鲜明对比，成为制约供电系统现代化管理的一大障碍。

就系统的完整性而言，电力系统从发电，配电，传输一直到区域变电所已基本实现网络化管理，而唯独用户终端没有和网络连接上，造成了系统的不完整，直接或间接的影响了系统潜能的发挥。

正是由于以上背景，智能IC卡电表应运而生。

而IC卡作为一种高效、安全、方便、实用的新型信息载体，正以不可抵挡之势风靡世界，科技界对采用IC卡技术的智能水表、煤气表、热量表及电能表进行了广泛的研究，并取得了很大的进步，使得这些技术越来越成熟。

智能IC卡电表不但能实现用电收费的电子化，而且还改变了先用电后收费的不合理状况，让电能真正成为商品，变被动为主动，完善电力销售环节，从根本上解决了人工抄表收费耗工费时的弊端，特别是可杜绝拖欠电费现象，加速电力资金回笼，从而实现用户自我服务，改善供需关系，促进用电计量、收费的科学化管理。

普及智能IC卡电表是提高现代化管理的最佳途径，推广使用势在必行。

而在计算机技术、网络技术及数据库技术的发展背景下，为电能计量收费管理引入现代管理信息系统概念，更是使智能IC卡电能表的广泛应用如虎添翼，使电力工业在现代化管理的步伐上取得了很大的提高，在社会生产力的发展上也起到了积极的作用。

第二章课题的目的

IC卡的使用与其应用系统是密切相关的。

一方面，采用IC卡可以使系统的运作更富创造性；另一方面,应用系统又会不断地对IC卡提出新的要求，促使其功能更加完善。

因此怎样把IC卡与实际应用有机地结合起来。

充分发挥IC卡的优越性，一直是IC卡技术的一个重要课题。

智能IC卡电表就是IC卡技术的一种实际应用。

因此成为相关科研单位关注的重点，具有很好的经济效益与社会效益。

本课题的目的是要设计一个能够为用户提供一个设计先进、技术含量高、功能完备、计量准确、性能可靠、体积小、显示直观、外形精美以及安装便捷、使用方便的IC卡智能电表，智能IC卡电表收费系统的出现，解决了有些用户偷电的问题，使得收费方式更加方便、灵活，提高了物业管理水平。

智能IC卡电表具有成本低、可靠性高、使用寿命长、安全性高等优点，并可提高居民用电收费的管理水平，确保供电部门能及时收到电费，智能IC卡电表是将传统的电能表的机芯和高水平的测控电路集成在一个整体的表壳内，既保持了计量精度，又具备了表计运行状态的自动化管理功能。

同时能杜绝人为破坏系统和私自开启IC卡控制系统导致的控制失灵行为。

这种IC卡智能电表，由IC卡、控制器、单片机组成，其解决的关键问题有液晶显示总用电量和IC卡余额;实行预付电费的体制，改变了普通电表抄表收费困难的现象；电价由供电公司根据市场写入；能有效地识别非法的IC卡电表，数据传输纠错能力强，解决偷电等问题；有效抑制用户的非法用电现象，提供声音报警和供电管理；由电池供电，尽量降低了该系统的消耗；本设计属于实用型设计，据有设计合理、安全可靠、技术性能优良、低功耗、功能齐全、适用性强以及成本低等优点，为供电系统的现代化管理提供了一套很先进的技术。

第三章电表的发展及IC卡的介绍

3.1电表概述

电能测量仪表——电表，是社会拥有量相当多的计量仪表，它是一种计量某一段时间内通过的电能累计值的表计。

普遍应用的是感应式电能表，它是在1889年人们根据意大利的费拉里斯教授最早提出的感应式电能表原理而设计制造而成的，到19世纪末形成了较完整的感应式电能表的基本制造理论。

到目前为止感应式电能表的制造技术己相当成熟，价格较低，经久耐用，平均使用寿命超过10年。

但由于受到其原理和结构等因素制约，要进一步提高计测精度和扩展功能是有限度的。

3.2电能表在我国的发展情况

我国电能表行业，已有近40年的生产历史，产品达几十种，目前国内己获取生产许可证、定点的电能表厂家达70多个，具有年产4500万只电能表的生产能力。

但是，由于任务不足且国际市场打不进去，出口量很小，多年来实际产量不足2500万只。

我国电能表行业多年来产品结构不良、性能不稳、寿命短，因而长期坐失从国际市场获取巨大经济效益的良机。

即便在国内市场中也因产品结构落后，性能与质量欠佳，销售价格不合理，而使一批骨干企业连年亏损。

尤其近些年，DD28型等一批老电能表，虽定型生产多年，但限定售价过低，多数企业不盈利，甚至连年亏损。

1987年电力部统一组织设计、推广的DD862型新电能表，技术性能虽较DD28表稍有改进，但自耗电能近2W，比DD28高近一倍，售价也从DD28表的28元/只提高到68元/只，用户一时难以接受。

故几年来一直推广不开，形成目前的“老表生产停不了，新表生产没人要”的僵持局面。

为了改进和提高国产电能表的质量和技术性能，从1984年开始，国内各大电能表生产企业和研究所都对新型电能表的改进和开发做了很多努力，同时也取的了不少进步。

电能表更新工作经过几年的波折之后，目前正逐步走向正轨，市场也正在逐渐复苏。

一些产品的更新工作，已经引起了产、购、销部门乃至社会上许多单位的极大关注。

几年来电能表生产厂及其主管部门，对用户和市场反映出来的该产品在设计、生产、使用和销售等环节存在的问题非常重视，及时进行协调、解决，使得产品质量在原有的基础上不断提高。

当前大部分生产厂家在不断提高产品质量的同时，不断扩大生产能力，上海电度表厂、杭州仪表厂、江北机械厂、长沙电表厂、苏州红旗电表厂、上海第五电表厂、无锡市电度表厂、哈尔滨电表仪器厂等主要生产厂家的生产能力都在几十万只，生产规模不是很大。

目前国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。

机电一体式即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既完成所需功能，又降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构。

不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置，变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表，使电子记数与机械记数同步。

其计量精度一般不低于机械计度式计量表。

这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术，多用于老表改造。

全电子式则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件。

从而取消了电表上长期使用的机械部件，与机电一体化电度表相比具有电表体积减小，可靠性增加,更加精确，耗电减少，并且生产工艺大大改善，不必只在原有意义上的专业电度表厂生产等优越性，最终会取代带有机械部件的计量表。

3.3我国电能表收费和管理现状

我国目前流行的抄表收费管理方式主要是以下三种：

1.人工抄表收费方式。

用户安装的是普通电能表（如感应式电能表），在固定时间内由管理人员上门抄表和收费。

其优点是：

电表的成本低，采用付费方式已为普通用户所习惯，更易接受，基本不存在用户电源被切断的问题；缺点是需要管理人员多工作量大而又十分繁琐，而且容易出错。

此外，目前人们工作繁忙，很多楼宇又装有防盗门锁，收费工作更加不便。

2.自动抄表收费方式。

用户安装的是具有通信能力的电能表（如电子式电能表），通过通信网络系统自动完成用户电表的数据抄收，再通过金融网点方式以自动或人工方式完成缴费。

这种方式的优点是自动化程度高、节省人力；但是缺点是技术难度高，通信网络建设及维护成本大。

此外电力部门也曾先后试用过无线抄表系统、集中抄表系统、联网式抄表收费系统、融卡式电表等。

其中有的没有从根本上摆脱抄表的麻烦，有的系统过于复杂成本高而不实用。

3.IC卡收费方式。

用户安装智能IC卡电表，以IC卡为收费载体，在用户和电力管理部门之间传递信息，实现电费的抄收和缴费工作，从而实现了抄表、收费和控制三位一体，彻底杜绝了欠费现象的发生，而且管理人员少和管理费用低。

通常，智能IC卡电表管理模式如图2.1所示。

图3.1智能IC卡电表管理模式

纵观以上三种方式，在我国占主导地位的还是最原始的人工抄表、按户收费的方式，这种落后的入户查表收费管理模式与现代经济的发展和市场经济时代很不相称，而IC卡技术的发展，采用IC卡为收费传递媒介的收费管理模式以其独有的优势与特点，正得到越来越多用户的认可。

3.4IC卡技术

IC（IntergratedCircuitCard）卡即集成电路卡。

尺寸通常为信用卡的大小。

ID-1的ISO/IEC7810标准定义为85.60 × 53.98毫米。

另一种流行的ID-000尺寸是25 × 15毫米（常用的SIM卡）。

两者都是0.76毫米厚。

包含一个安全系统的防干扰性能（例如，一个安全的密码，安全文件系统，人类可读的功能），并有能力提供安全服务（如对信息保密的记忆）。

自动化芯片是由德国的火箭科学家HelmutGröttrup和他的同事JürgenDethloff在1968年发明，最后在1982年获得审批的专利。

它的首次大规模使用是始于1983年法国用来缴付电话费。

实际上RolandMoreno于1974年已经取得记忆卡的概念型专利。

1977年，来自HoneywellBull的MichelUgon发明了首个智能IC卡微处理器。

1978年，Bull获得可定义必要结构、可自动编程的SPOM（自可编程单片机）芯片的专利。

三年后，摩托罗拉公司在此基础上发明了第一个CP8芯片。

与目前使用较多的标识卡（如磁卡、条码卡和凸字卡等）相比，IC卡具有以下特点：

1.存储容量大：

智能卡的容量可以做到几千个字节，能为信息处理及一卡多用提供方便。

2.防磁、防静电、抗干扰能力强，抗破坏性和耐用性高：

智能卡是由硅片来存储信息的，可以保证卡的抗磁性、抗静电及抗各种射线的能力。

而且由于硅片的体积很小，里面有环氧层的保护，外面有PCB板及基片的保护，因此，抗机械和抗化学破坏能力也很强。

现在智能卡的信息保存期都在100年以上，而且读写次数高达10万次以上，一张智能卡至少可以使用10年。

3.数据安全可靠，保密性强。

4.对网络要求不高，系统设计和使用比较方便。

5.读写机构简单、可靠、造价便宜。

第四章智能IC卡电表的硬件组成

本章主要介绍全电子式智能IC卡预付费电能表的硬件组成结构。

IC卡电能表作为一种智能仪器，需要在硬件电路设计中采用模块化设计方法。

它以AT89C2051单片机为核心，利用AD7750实现电能采样，具备完成自动计数、自动拉闸断电、自动读写IC卡上的数据、自动报警、自动显示电表状态等功能。

下面对该表的硬件设计进行详细介绍。

4.1IC卡电能表的工作原理

IC卡电表首先通过AD7750芯片对电压/电流进行采样，并转换成脉冲信号输入AT89C2051单片机的外部中断0引脚，由单片机进行计数，并转换成相应电度数完成计量。

用户所使用IC卡中有电量的单价信息，单片机能自动的计量用户所用电的数量，并转化为相应的金额从IC卡中扣除。

用户购电时，智能IC卡电表按照购电卡（开户卡第一次插入电表后，由电表CPU对其返写数据改变其卡类型，使之成为购电卡）输入的信息及用电情况，AT89C2051首先进行密码校验，并判断购电卡中的信息（用户号、电表号等）是否与本电度表一致，否则不写入数据并显示错误信息；只有判断一致时才读入本次所剩余额，同时将其它信息（如总购电量、总用电量、剩余金额、购电次数等）返写入IC卡，并通过显示设备显示用户的总用电量，剩余金额等信息。

当电表剩余金额低于额定报警金额时，电表报警系统以声光报警的方式提示用户进行充值。

而当IC卡中所剩的金额为0时，电表自动拉闸断电，直到用户进行了有效充值才能继续使用。

4.2IC卡电能表的总体设计

本设计中，采用专用电能计量芯片AD7750实现对电能信号的采集，并转换为电脉冲信号，通过AT89C2051单片机实现计数，以AT89C2051为总的控制中心，采用X5045型EEPROM作为系统的存储单元，显示电路以LCM103显示总的用电量与剩余金额，继电器拉闸断电控制电路采用固态继电器，实现自动拉闸断电及有效的防止用户窃电。

此外，电表还设有电源电路，IC卡卡座电路等。

其仪表基本组成的硬件结构如图4.1所示。

图4.1IC卡电能表硬件结构框图

4.3系统主要元器件的选择及硬件组成

4.3.1电能计量芯片的选择

智能IC卡电表的技术核心就是使用专用电能计量芯片。

电能计量芯片主要实现对电压、电流信号的采集，并将采集的电信号转化成脉冲信号输出给单片机进行计数。

电能计量芯片选择的好坏，将直接影响到IC卡电表的精确程度。

因此，一定要慎重的选择。

目前国内生产该种功能的芯片的公司有：

上海贝岭、苏州华芯、深圳国微等多家公司；国外计量IC公司有美国AD公司，南非Sames公司等；其中AD公司先后推出了AD7750、AD7751、AD7755等系列产品，而且性价比优于国内产品。

因此本设计采用该公司的AD7750。

电能计量芯片AD7750

1．AD7750简介

AD7750乘积频率转换器（PFC）是美国模拟器件公司（ADI）1997年推出的一种功能很强的高性能器件。

它能够将两个输入模拟信号（电压或电流）相乘积转换成与其成正比的输出频率。

AD7750是专为检测市电电能而开发的IC。

电能通常用kWh表示，AD7750是将输入的电流和电压相乘，再随着时间的积累量而输出脉冲数，所有的运算都是数字处理。

图4.2为AD7750的内部框图。

图4.2AD7750的内部框图

输入级的两个放大器是差动输入，分别输入电流和电压，然后利用两个MD转换器进行同步转换，得到的数字信号相乘，其乘积经过数字／频率转换（DTF）被输出，得到与电能相对应的输出脉冲。

A／D转换器的基准电压源内藏在芯片中。

AD7750为20脚封装，供电电源为单电源5V，适用于单相两线交流市电的电能检测，目标是用小型、价廉、使用方便的电子式电度表取代机械式电度表。

2.AD7750工作原理

（1）输入级

从框图可知，输入缓冲级由差动放大器构成，分为两个通道，其高的输入阻抗有利于双极性信号的输入。

通道1用于电流输入，其信号取自电流互感器（CT）副边两端的电压，两端电压极性相反。

缓冲级后的放大器增益可选为1倍或16倍，这可由G1（脚）的接法来选择。

通道2为电压输入，其后级增益固定为2倍。

这两个通道，不管是输入单一信号电压，还是相位差为180°的差动输入电压，加在输入脚上的最大电压都是±1V，其输入波形见图4.3。

在检测市电电能时，要注意输入电流、电压的峰峰值在上述范围内，各输入脚的保护值最高为+6V。

图4.3输入波形

AD7750的应用电路如图4.4所示。

图4.4应用电路

（2）数字运算级

AD7750内设的A／D转换器由二次Σ△调制器构成，为差动输入，其最大输入电压是+2V。

由于通道2的放大器增益为固定的2倍，故像图3b那样的输入信号，其峰峰值不能超过±0.5V，A／D转换器之后的处理，完全为数字信号的处理。

通道1的信号经A／D转换后进入高。

通滤波器（HPF）。

利用ACDC（脚）的设定，可以将此高通滤波器短路，即信号直通。

在只检测交流的场合，可以使高通滤波器起作用，而把直流误差减小到最低程度。

经过高通滤波的数字信号，被送至延时电路，以便纠正因高通滤波而产生的相位超前。

通道2的电压信号经A／D转换后送入乘法器，与来自延时电路的电流信号相乘，乘积可选择为2象限或4象限：

在2象限乘法时只是得到输出的大小，而在4象限乘法时可得到大小和方向。

（3）数字频率转换（DTF）

为了从来自乘法器的乘积获得电能的大小，先将乘积量通过低通滤波器（LPF）滤除无益的高频成分，再经数字／频率转换变成一定频率的脉冲，该频率的高低与电能的大小成正比，DTF共输出F1、F2、FOUT三个脉冲信号，由F1、F2输出的是宽度为275ms的低频脉冲，直接驱动步进马达或电子式脉冲计数器，以显示电能值。

FOUT输出较高频率的脉冲，可用来作校准等。

通过选择工作模式，可以使FOUT只输出与通道1的信号成比例，或只与通道2的信号成比例的脉冲信号。

3．AD7750有功测量计算

设u（t）、i（t）为某一线性常无源负载的端口电压、电流，则u（t）、i（t）为同一周期的时间函数，负载的瞬时功率p（t）=u（t）i（t），若将u（t）、i（t）作为两个模拟信号输入AD7750，根据AD7750的转换特性，其输出频率Fm与负载的瞬时功率成正比：

Fm=Ku（t）i（t）=Kp（t）。

由于负载在任意时间T内所消耗的有功电度为瞬时功率在时间T内的积分：

=

若将该公式离散化可表示为：

，由此可见，要测量任意时间T内负载消耗的有功电度，只要对AD7750的输出频率在时间T内进行计数即可。

式中K为与AD7750的设置和调节有关的常数。

4.3.2微控制器

微控制器（MCU，Micro-controllerUnit）是IC卡电能表的核心。

所谓微处理器，就是利用超大规模集成工艺，把原来体积很大的中央处理单元（CPU）的复杂电路，制成一片或几片集成电路芯片上，这种微缩的具有CPU功能的大规模集成电路被称为微处理器，也称单片机。

单片机控制显示电路，将系统中要显示的总的用电量，剩余金额等信息通过I/O口线传送到LCD显示电路。

单片机还完成IC卡和表内存储器的读写操作及其他各种数据的处理，并协调、控制表内的其他逻辑模块。

单片机控制各设备的软件程序见附录一。

目前流行的单片机种类很多，51系列就有数十种，但是为了更好的完成系统的要求选择的单片机应满足速度快、功耗低、电磁兼容性能好、体积小等优点。

为了充分利用单片机的硬件资源，减少系统的成本，最大限度的降低系统功耗，在众多单片机中，本设计选择了ATMEL公司的AT89C2051单片机。

AT89C2051的标准特性如下：

2K字节闪存，128字节RAM，15个I/O口，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，一个精准模拟比较器，芯片级振荡器和时钟电路。

另外，AT89C2051用静态逻辑设计，可在低至0HZ下工作，支持两种软件可选节能模式。

空闲模式下CPU不工作，而RAM，定时器/计数器，串口和中断系统继续工作。

微功耗模式（power-downmode）下保存RAM的内容，但冻结振荡器，禁止其它所有的芯片功能，直到下一个硬件复位到来。

由于AT89C2051内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为0～20MHz,也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。

相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHz，因为其内部的RAM是动态刷新的。

AT89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR一类的引脚。

引脚功能说明:

VCC：

电源电压

GND：

接地

P1口：

P1口是一8位双向I/O口。

口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。

P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。

P1口图4.589C2051引脚图

输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。

当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流（IIL）。

P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。

P3口：

P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。

P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号，并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流（In）。

P3口还用于实现AT89C2051的特殊功能,如表4.1所示。

表4.1P3口引脚的功能介绍

引脚

功能特性

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器1外部输入）

P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。

当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

XTAL1：

作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。

XTAL2：

作为振荡器反相放大器的输出

编程方法：

要对AT89C2051进行编程，推荐使用以下方法。

1.上电次序：

在VCC和GND引脚之间加上电源。

设置RST和XTAL1为GND电平。

其它引脚置空，等待至少10ms以上。

置RST引脚为高电平，置P3.2引脚为高电平。

2.对引脚P3.3、P3.4、P3.5、P3.7正确组合加上逻辑高“H”或“L”电平即可对PEROM进行编程操作。

3.在000H地址单元对P1.O-P1.7输入数据代码字节。

4.置RST端为+12V，激活编程。

5.使P3.2跳变一次来编程PEROM阵列中的一字节或加密位，写字节周期是自身定时的，一般需1.2ms。

当校验已编程的数据,使RST从+12V降到逻辑电平“H”,置P3.3-P3.7引脚到正确的电平即可从P1口读取数据。

6.对下一地址单元编程字母,使XTAL1引脚正脉冲跳变一次,使地址计数器加1,在P1口输入新的数据字节。

7.重复5至8，可对整个2K字节阵列全部编程,直到目标文件结束。

8.下电次序:

置XTAL1为低“L”电平

置RST为“L”电平

置空所有其它I/O引脚

关闭VCC电源

4.3.3IC卡的选择

IC卡是电能表和售电管理系统之间联系的媒介，用户和管理部门之间供购电也是通过IC卡传递信息的方式进行联络，从而完成对电表的初始化。

用户购电、管理部门送电等操作，实现用户用电的过程管理。

IC卡还将用于存储用户的用电及购电信息、总的用电量、剩余金额等信息