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1、电气工程系毕业设计方案电气工程系毕业设计方案 电气工程系毕业设计方案 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 0 基于单片机的低功耗智能 IC 卡电表设计 1 低功耗智能 IC 卡电表 1 2012.3 目目 录录 第一章第一章 序言序言.3 第二章第二章 课题的目的课题的目的.4 第三章第三章 电表的发展及电表的发展及 ICIC 卡的介绍卡的介绍.5 3.1 电表概述.5 3.2 电能表在我国的发展情况.6 3.3 我国电能表收费和管理现状.7 3.4 IC 卡技术.8 第四章第四章 智能智能 ICIC 卡电表的硬件组成卡电表的硬件组成.9 4.1 IC 卡电能表的工作原理.9 4.2 IC 卡电

2、能表的总体设计.9 4.3 系统主要元器件的选择及硬件组成10 4.3.1 电能计量芯片的选择.10 4.3.2 微控制器 .13 4.3.3 IC 卡的选择 16 4.3.4 EEPROM 电路 23 4.3.5 LCD 显示电路 .28 4.3.6 继电器控制电路.32 4.3.7 电源电路.33 第五章第五章 智能智能 ICIC 卡电表的软件组成卡电表的软件组成.34 5.1 内存单元分配说明34 5.2 主程序及部分子程序框图34 第六章第六章 总结总结.42 6.1 全文总结42 6.2 发展方向42 致谢致谢.43 参考文献参考文献.44 附录附录 程序程序.45 江苏信息职业技术

3、学院毕业设计报告 2 基于单片机的低功耗智能基于单片机的低功耗智能 IC 卡电表的设计卡电表的设计 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

4、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 SLE4428 IC 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 3 低功耗智能 IC 卡电表 3 第一章第一章 序言序言 长期以来，我国生产的交

5、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

6、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

7、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 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 4 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。 第二章第二章 课题的目的课题的目的 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

8、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

9、，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， 5 低功耗智能 IC 卡电表 5 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

10、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。 第三章第三章 电表的发展及电表的发展及 ICIC 卡的介绍卡的介绍 3.13.1 电表概述电表概述 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

11、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。 3.23.2 电能表在我国的发展情况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。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 6 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

12、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

13、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

14、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

15、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。 3.33.3 我国电能表收费和管理现状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 7 低功耗智能 IC 卡电表 7 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

16、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

17、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。 用户侧 IC 卡 表 控制 开关 IC 卡 读写 设备 IC 卡表 管理系统 软件 管理侧 IC 卡 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。 3.43.4 ICIC 卡技术卡技术 I

18、C（Intergrated Circuit Card）卡即集成电路卡。 尺寸通常为信用卡的大 小。 ID-1 的 ISO/IEC 7810 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 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 8 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 Helmut Grttrup 和他的同事 Jrgen Dethloff 在 1968 年发明，最

19、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 Roland Moreno 于 1974 年已经取得 记忆卡的概念型专利。 1977 年，来自 Honeywell Bull 的 Michel Ugon 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

20、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。 第四章第四章 智能智能 ICIC 卡电表的硬件组成卡电表的硬件组成 本章主要介绍全电子式智能 I

21、C 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 9 低功耗智能 IC 卡电表 9 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。 4.14.1 ICIC 卡电能表的工作原理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。

22、 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，

23、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。 4.24.2 ICIC 卡电能表的总体设计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，I

24、C 卡卡座电路等。 其仪表基本 组成的硬件结构如图 4.1 所示。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 10 电 流 采 样 电 压 采 样 AD7750 电源电路 AT89C2051 EEPRO M 电源电 压检测 LCD 显 示电路 继电器拉闸断 电电路 图 4.1 IC 卡电能表硬件结构框图 4.34.3 系统主要元器件的选择及硬件组成系统主要元器件的选择及硬件组成 4.3.14.3.1 电能计量芯片的选择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

25、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 1AD7750 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 11

26、低功耗智能 IC 卡电表 11 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 4.2 AD7750 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。 AD 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

27、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

28、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。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 12 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 AD 转换器由二次 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，AD 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 AD 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

29、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 AD 转换后送入乘法器，与来自延时电路的电流信号 13 低功耗智能 IC 卡电表 13 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

30、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。 3AD7750 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

31、Fm 与负载的瞬 时功率成正比：Fm=K u(t)i(t)=K p(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： A T 0 t dt=K T 1 0 Fm dt, 若将该公 式离散化可表示为： Fm K A T m 1 1 ，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。 4.3.24.3.2 微控制器微控制器 微控制器（MCU，Micro-controller Unit）是 IC 卡电能表的核心。 所谓微 处理器，就是利用超大规

32、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。 江苏信息职业技术学院毕业设计报告 14 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。 AT8