毕业设计论文单相电子是预付费电度表的研究.docx
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毕业设计论文单相电子是预付费电度表的研究
单相电子式预付费电度表研究
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。
单相电子式预付费电度表和传统的电度表相比，能实现从电能数据采集、传输到处理的自动化，它克服传统人工抄表模式的低效率和不确定性，能推进电能管理的现代化。
单相电子式预付费电能表的设计是基于AT89C52单片机为核心来实现的，该毕业设计完成的硬件电路有复位及晶振、计量、显示、IC卡接口、电能存储器、掉电检测等电路的设计；程序部分实现了初始化子程序、计量子程序、显示子程序等子程序的设计。
系统中使用SM9903作为计量芯片，并通过存储IC卡AT24C01作为电管部门与用户连接的桥梁，来存储由售电管理系统写入的电量值等。
单相电子式预付费电度表不仅具有电能计量、预付费等功能，并且具有接口简单、结构紧凑、计量准确、精度高等特点。
关键词 单片机AT89C52；计量芯片SM9903；IC卡AT24C01；预付费；电度表
Abstract
Therapiddevelopmentofpowerindustryforelectricalenergymeasurementandmanagementputforwardhigherrequirements:
electricity,afterpaid,firstimplementationoftime-sharingelectricity,automaticmeterreadingandbilling,etc.Arisesatthehistoricmoment,ICcardprepaidelectronicwatt-hourmetercanmeettheaboverequirements.
Comparedwiththetraditionalmeter,Single-phaseelectronicprepaymentmetercanachievedataacquisition,transmissionandprocessingautomation,whichovercomesinefficiencyanduncertaintyofthetraditionalmanualmeterreadingpattern.Powermanagementcanpromotemodernization.TheSingle-phaseelectronicprepaymentmeterisbasedonAT89C52.Thedesignofhardwarecircuitpartialcompletionofthemeasurementcircuit,crystalreductionanddisplaycircuits,ICcardinterface,energymemory,power-faildetectioncircuitdesign;proceduresforachievingsomeoftheinitializationsubroutine,thesubroutinemeasurement,thesubroutineshownsuchsubroutinedesign.SM9903systemusedasameasurementofchips,andmemoryICcardAT24C01aselectricityandregulatorydepartmentsandusersconnectingtothebridge,tobesoldbythestoremanagementsystemintothevalueofelectricity.
Single-phaseelectronicPrepaymentMeterisnotonlyusedformetering,prepaidexpenses,italsohasasimpleinterface,compactstructure,Measurementaccuracy,andhighprecisioncharacteristics.
Keywords：
MCUAT89C52；measurementchipSM9903；ICCard；AT24C01；prepayment；PowerMeter
第1章绪论
1.1课题背景
1.1.1课题的来源及意义
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[3]。
1.1.2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、三相电子式预付费电度表等[4]。
他们根据不同的应用环境,以及用户所需要的功能的不同，在国民经济中分别扮演重要的角色。
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]。
1.1.3IC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，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[7][8]。
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。
1.1.4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。
1.1.5单相电子式预付费电度表的特点与功能
①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:
●常年不间断运行，这要求设备具有高质量和高可靠性。
●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。
●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，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。
②功能：
●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”。
●用电时，能随时改写剩余电量。
●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。
●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]。
1.2单相电子式预付费电度表设计的任务、要求及内容
1.2.1设计任务与要求
①任务：
设计一个采用IC卡的单相电子式预付费电度表。
②要求：
电度表正常工作时，能显示剩余电能值，使用户直观地了解电度表的工作是否正常。
当表内剩余电能不足20kW·h时，能提醒用户余电不多，及时购电。
具有掉电保护功能。
1.2.2设计内容
单相电子式预付费电度表系统主要包括电能计量系统和预付费系统。
电能计量系统主要应完成电能测量功能；预付费系统主要是利用IC卡实现先付费，再用电。
前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。
根据本课题设计的任务及技术指标要求，本次设计主要应完成两个方面的内容：
硬件电路设计：
电能计量电路的设计、复位晶振电路的设计、显示电路的设计、IC卡接口电路的设计、电能存储器、掉电检测等电路的设计。
监控程序的设计：
初始化、电能计量、存储器读写、显示等子程序的设计。
第2章单相电子式预付费电度表总体方案的设计
2.1方案设计与论证
2.1.1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，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
③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
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
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。
2.1.2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。
存储器卡的特点：
●卡内嵌入的芯片多为通用EEPROM。
●无安全控制逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取。
●卡片制造中也很少采取安全保护措施。
●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：
●AT24C01A/02/04/08/16/32/64二线串行EEPROM。
●Microchip24LC01A/02/04/08/16/32/65二线串行EEPROM。
●SLE4418智能型1KBEEPROM。
●SLE4432智能型256BEEPROM。
●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（SecurityCards接触型）的芯片由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成。
加密存储器卡的特点：
●具有安全控制逻辑，安全性能较好。
●同时采用ROM、PROM、EEPROM等存储技术。
●从芯片制造到交货，均采用较好的安全保护措施。
●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。
③方案三CPU卡
CPU卡的硬件构成包括CPU、存储器（含RAM、ROM、EEPROM等）、卡与读写终端通信的I/O接口及加密运算协处理器CAU。
其中：
●CPU一般均为兼容于8位字长单片机等（如MC68HC05、Intel8051等）的微处理器。
它将在COS（ChipOperationSystem，片内操作系统）控制下，实现卡与外界的信息传输、加密、解密和判别处理等。
●ROM用于存放COS,3KB～16KB。
●RAM用于存放中间处理结果及作为卡与读写器间信息交换的中间缓冲器，128B～1KB。
●EEPROM则是真正可供用户访问的存储区，用于保存卡的各种信息、密码、应用文件等，1KB～16KB。
CPU卡（SmartCards接触型）内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带控制器、存储器、时序控制逻辑外，还带有算法单元和操作系统。
CPU卡有存储容量大、处理能力强、信息存储安全等特性，因此广泛应用于信息安全性要求特别高的场合。
此方案保密程度高，适用于大范围（如全国性的）预付费售电系统。
所以在对以上三种方案的比较后，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的传输媒质，具体型号是AT24C01。
2.2本章小结
本章给出了单相电子式预付费电度表总体方案的设计，包括电能计量系统方案设计和预付费系统方案设的设计。
根据以上各种方案的比较与选用，再根据具体设计指标的要求，计量模块使用电能计量芯片SM9903对用户的电能进行计量，通过光耦连接到单片机。
采用非加密存储器卡作为售电的传输媒质，具体型号是AT24C01。
第3章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
图3-1SM9903内部电路模型示意图
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。
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电能计量电路的实现
单相电子式付费电度表的硬件电路可分为电能计量电路、复位晶振电路、显示电路、IC卡接口、电能存储器、掉电检测几大模块。
下面对各部分电路的设计情况进行介绍。
3.2.1SM9903芯片介绍
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
●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。
●线性度高，动态工作范围宽。
●MCU数据接口。
●直接驱动步进电机。
●适用于单相、三相电度表。
●低功耗。
●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
图3-3管脚图
表3-1管脚定义
管脚号
符号
说明
1
VI1
电流取样信号输入
续表3-1管脚定义
管脚号
符号
说明
2
VI2
电流取样信号输入
3
GNDA
模拟地端
4
VV
电压取样信号输入
5
NC
与4脚内部互相联结
6
VR1
参考电压1外调整端
7
VR2
参考电压2外调整端
8
POUT
有功功率计算输出脉冲
9
IND
负向有功功率指示
10
TC
测试控制端
11
VSS
负电源（-5V）
12
GNDD
数字地端
13
DMO1
脉冲电机驱动输出1
14
DMO2
脉冲电机驱动输出2
15
OSCIN
晶振输入
16
OSCOUT
晶振输出
17
VDD
正电源（+5V）
18
C1
积分电容1
19
COM
积分电容公共端
20
C2
积分电容2
3.2.2计量电路的设计
在本设计中，用SM9903构成的电能计量电路如图3-4所示。
在图3-4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1kWh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。
C4、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3.6SM9903构成的电能计量电路
3.3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、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
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