基于单片机的智能IC卡电表设计硬件系统资料Word格式.docx

1、班 级 学 号 指导教师 完成日期 年 月 日基于单片机的智能IC卡电表设计（硬件系统）The Design of Intelligent IC Card Meter Based on Single Chip Microcomputer（Hardware System）总计 毕业设计（论文） 32 页 表 格 2 个插 图 22 幅摘 要电表是我国电工仪表行业中产量最大的产品，随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电表发展的主流。智能电表具有数据的保护，报警功能，断电的显示，负荷的控制，防窃电功能，远程抄表系统等功能，

2、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，随着智能化电表的发展，将最终取代传统电表在用户中的使用。本文主要应用IC卡单元，89C51单片机，LED显示器等各个单元来完成费率的计算，数据的显示，报警，使电表实现智能化。并根据阶梯电价计算出卡内电费剩余等情况，自动报警功能用蜂鸣器进行模拟，并通过四个键盘实现显示的切换以及电价的调整功能，IC卡采用西门子公司的SLE4442卡，可实现逻辑加密，可反复读写，卡内数据保密性好。关键词：智能化电表 89C51单片机 电能计量AbstractMeter is one of the largest product o

3、utput in electrical instrumentation industry in China, with the rapid development of high and new technology especially electronic information technology, electronic, multi-function, high accuracy and rate, the advantage of automatic meter reading and other products, and has gradually become the mai

4、nstream of instrument development.smart meter data protection, alarm functions, and the display of power, load control, preventing electricity-stolen, remote meter reading system, and other functions, ranging from measurement to data processing adopts integrated circuit as the core of electronic dev

5、ices, and cancelled the meters on the long-term use of mechanical parts, with the development of the intelligent electric meter, will eventually replace the traditional electric meter used in the user. This paper application of IC card unit, 89 c51, LED displays, and other units to complete the rate

6、 calculation, data display, alarm, intelligent electric meter to realize. And according to the ladder electricity price to calculate the surplus electricity, and so on and so forth, inside of the card, to simulate the automatic alarm function with a buzzer and implementation by four keyboard display

7、 switch and electricity price adjustment function, using Siemens SLE4442 card IC card, which can realize the logical encryption, can be repeatedly read and write, Kane data confidentiality. Keywords: Intelligent electric meter;89C51;Electricity measurement.第一章 引 言电表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。近几年，国家连续出台的多项与电表

8、行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。城乡电网改造，使电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品。因此研究本课题具有重要的实用意义。1.1智能电表应用的意义目前，我国已经开始大面积推广并使用智能电表，以实现对电价分时，阶梯的统

9、计，随着我国经济的发展，用电量激增，对于电能的管理显得尤为的重要。在现代生产生活中，电能已经发展成为一种重要的能源资源，我国电力事业在改革开放的30年中，发展极为迅猛，所以相应的电能计量仪表制造业的进步也必须与之相适应，这对于电力事业进行统筹规划和发展，促进我国电力事业稳定，健康的发展有着极其重要的意义。新型智能电表不仅具有传统电表的功能，还能对用户的用电情况进行管理和控制，并且相比于传统电表的机械式结构，没有机械摩擦，大大的提高了准确度和灵敏度，且易于实现自动化测量，并且可以实现远程通讯和控制，具有较高的性能价格比，适合我国国情，有广泛的引用价值。智能电表利用微机技术，通讯技术等等，减少了能

10、量的消耗，把采集，处理集中于一体，节省成本和人力资源，提高了工作效率，适应了现代用户的需求。1.2智能电表的发展 智能电表是在电子式电表的基础上发展而来，欧美发达国家于20世纪70年代研发并开始使用，经过30多年的不断发展，欧美国家不断对智能电表技术进行革新，功能日趋完善。智能化电表，大体上可分为两种类型：带有微处理器的机电式和全电子式。机电式借用原感应式电表的机芯，通过光电传感器读取转盘转数来测量用户的用电量，如磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表等；而全电子式电表则采用电压电流隔离方式，进行AD转换，将采样值相乘并累计计算用户的用电量。机电式智能电表成本较低，主要用于单相电表，适合于居民用户

11、使用。全电子式电表主要用于三相电计费，针对企业应用。为了实现远程自动抄表，应选择配有通信接口的智能电表，通常有RS485、RS232、CAN总线收发器或红外等几种接口形式。目前，我国的智能电表也可大致分为机电一体式和全电子式两种，机电一体式即在原有机械结构的基础之上附加一定的电子元件，从而达到所需的功能要求，安装简洁，多用在老实机械表的改装，成本低。全电子式则是采用集成电路为核心，取消了老式电表的机械结构，减少了机械摩擦，使得计价更加准确，可靠性高，耗电少，体积小。在收费系统方面，目前国内上使用最为广泛的为IC卡电表收费，成本低，可靠性好，且使用寿命长，一张IC卡基本可使用10年以上，且可实现

12、，预收费，自动断电，加密等多种功能，但是IC卡收费系统也存在很大的缺陷，用户终端仍然与整个网络脱节从经济角度来看电力部门先收费后送电不符合经济政策,可以说在一定程序上侵犯了用户的利益。随着我国提出发展智能坚强电网的提出，为我国电网设施的发展提供了机遇，未来，智能仪器仪表将向着数字化，智能化，网络化，微型化的趋势发展，并进一步与微处理器，PC技术融合，使仪器仪表技术的数字化，智能化水平不断提高。第二章 总体方案设计本电表采用分时计费原则，将电压，电流等参数进行采集，并输入微处理器，进行运算，并最终实现对于电能的准确计量和控制。因此我们可以采用单片机设计一个智能IC卡电表，采用低功耗设计，正常工作

13、时关闭显示功能，当有IC卡插入时轮流显示当前的用户信息。系统主要功能包括：（1）预付费功能：通过IC卡实现先付费后用电。（2）电量报警功能：当电能表剩余电量低于告警电量时，通过报警指示灯和蜂鸣器告警。（3）电能计量功能：配合感应电表及计量芯片实现对电能的计量。（4）保密功能：通过IC卡加密，实现IC卡与电能表的唯一对应，可以严格有效地防止伪造和复制IC卡的行为，在一定程度上便于电力部门的管理与监督。（5）自动复位功能：当电能表受到干扰程序跑飞时，通过看门狗电路实现系统自动复位。（6）数据自动存储与显示功能：用户数据自动保存在EEPROM中。通过LCD显示当前用户数据。2.1 方案比较智能电表的

14、设计，是基于对用户电压电流信号进行采集，并通过微处理器进行核心运算，当电压电流信号通过采集以后，通过高精度的A/D采样保持，最终输入微处理器，另一方面，通过IC卡座实现对IC卡内部金额的读取，输入单片机，并且要求通过功率和电费的计算，进行显示与报警。对于电力参数的测试，例如电压，电流，有功功率，无功功率，视在功率等，现在都有成熟的测量计算方法，对于电压有效值的测量，可以利用积分电路来实现，也可以利用时间采样信号，将信号值平方，去均值以后，得到平方根，通过A/D，进行采样，有功功率定义为： （2.1）其中和为电压和电流的有效值，为功率因数。而对于非正弦波形的计算，只有通过积分运算来完成。方案一：

15、图2.1 方案一 在本设计方案中，核心器件为微处理器，这里我们选用是AT89C51单片机，当信号采样后通过A/D转换，送入微处理器，进行数据的分析和计算，智能电表的实现必须对用户的功率进行准确的计算，在信号采集模块中，通过电压互感器和电流互感器，对用户的电压和电流信号进行采集，微处理器进行功率和电费的计算，可通过LCD显示，并可以通过键盘对分时电价进行调整，实现显示的转换和调整，并运用单片机内部时钟设计计时系统，以实现分时的控制。但是此设计有诸多缺陷，首先，在信号采集方面，由于智能电表对于功率的计算，如果单纯的使用单片机，会造成功率计算不准确，如果要提高计算的精度，对于信号的A/D转换就必须采用高精度期间，成本费用增加，其次即便使用了高精度的A/D，在功率计算，补偿方面的程序也想当麻烦，再则，由于使用分时计费系统，只用单片机内部时钟信号进行粗略的计时，产生的时间误差比较大，长时间的使用下会导致计时不准确，而使得电费的计算出现比较大的误差。软件系统方面，其核心则是编写功率计算程序和A/D采样程序，并通过键盘扫描的实现显示的切换。方案二：图2.2 方案二本方案的设计思路与方案一大致相同，选用AT89C51单片机作为微处理器，通过电压传感器，电流传感器实现对用户的电压和电流信息的采集，并在单片机中进行电价的计