基于單片機的智能ic卡電表設計硬件系統_畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電能 。 可省去高精度 A/D 的費用的同時，也可以減少單片機內部處理功率的步驟，轉 而 由 ADE7758 完成。同時，由于該智能電表采用分時計費系統，方案二中特 別 采用一塊時鐘芯片以提高對于時間的計時準確程度，以確保該電表可以準確計費，同時，由于時鐘芯片本身集成有微型電池，可以在斷電的情況下繼續運行，保證了在智能電表斷電的同時，計時系統不至于停止工作。 在 方案 二 中，由 ADE7758 進行功率的計算并進行校準，在該芯片中，通過每相有功增益寄存器寫入數據，可對輸出產 生的平均功率經行改變，該芯片中在每個相位集成了一個有功偏移寄存器，該寄存器為 12 位寄存器，用以對有功功率經行校準，由于實際電路的工作環境的復雜和多變，以及芯片本身制造工藝和各通道之間經行的干擾，都會造成誤差的產生，有功功率寄存器的一個 LSB相當于有功功率乘法器輸出的 LSB 的 1/16。在滿刻度信號采集 ADE7758 處理器 鍵盤輸入 信號濾波 LCD 顯示報警警 時鐘芯片 IC 卡 第二章 總體方案設計 6 輸出時，如果乘法器的輸出為 XCCCCS（ 838861d）， LPF2 輸出端的 1 個 LSB 相當于在電流通道滿刻度－ 60dB 計量誤差的 ％。在滿刻度時，－ 60dB（輸入信號級別為滿刻度信號輸入的 1/1000 ）， LPF2 的 平 均 數 值 為 (838,861/1,000) 。 LSB ＝1/100% = 測量值的 % 。有功功率偏移寄存器修正分辨率為 % （ ? 60 dB）。 另外 ADE7758 的各相有擁有一個空載閥值，如果有功公功率的測量值低于滿刻度的%，則該值不會被累加，有效的避免了電表的淺動。 ADE7758 通過 41 個電能寄存器連續累加有功功率以實現對信號的積分作用，這種離散的累加作用就相當于連續時間的積分作用，平均有功功率的計算時，是有符號運算的，負電能將會在有功功 率寄存器中被扣除。當有功功率為正，且達到最大值時，有功功率的數值將反轉到達滿刻度的負值 0X800，并繼續增加，當有功功率為負值，且持續減小到達最小時，會自動轉為正的對大刻度 0X7FFF，并繼續降低。 在軟件系統上，該方案與方案一的區別在于，重點在對于 ADE7738 和 DS12887 兩塊芯片的讀寫程序的書寫， 雖然 在硬件的搭建上降低了難度，但是在程序書寫上難度有所增加。 方案選擇 通過對以上兩種方案的具體描述 和對比 ，對他們各自的優缺點有了一定的了解。要完成對于電費的準確計算，并綜合本次 畢業 設計成本 及可行 性 進行考慮，最終選擇了方案二為本次 畢業 設計的最終設計方案。 南昌工程學院本科畢業設計 (論文 ) 7 第三章 器件介紹和單元模塊設計 只有各個系統單元模塊的有機結合，才可以構成一個完整的系統。下面將介紹本次設計中使用的一些特殊器件和具體的各功能模塊電路組成。 器件介紹 AT89C51單片機 本設計采用低功耗，高性能的 AT89C51 單片機 , AT89 系列單片機（簡稱 89 系列單片機）是 ATMEL 公司的 8 位 Flash 單片機。這個系列單片機最吸引人的特點就是在片內含有 Flash 存儲器， AT89C51 的單片機是一種低功耗 ，高性能的含有 4K 字節快 擦 寫可編程／ 擦 除只讀存儲器（ EEPORM）的 8 位 CMOS 單片機，時鐘頻率高達 24MHZ，與 8086的指令系統和引腳完全兼容。芯片上的 EEPROM 允許在線（＋ 5V）電 才擦 除，點寫入或采用通用的非易失存儲器對程序存儲器重復編程。此外， AT89C51 還支持由軟件選擇的二種掉電工作方式。非常適用于電池供電或其他要求低 功 耗 的 場合。由于芯片內的 4Ｋ程序存儲器可在線或用編程器重復編程，因此它有著十分廣泛的用途，特別是在便攜式和需要特殊信息保存的儀器和系統中顯得更為有用。 圖 AT89C51和 AT89C2051管腳圖 ADE7758 ADE7758 是一款高精度的電能計量芯片，具有高準確度，適用于三相 /三線，三相 /四線和其他各種三相系統，該芯片通過 SPI 數據串行接口和單片機進行連接，模擬電源端第三章 器件介紹和單元模塊設計 8 （ AVDD） =數字電源（ DVDD） =5V177。5%,模擬地端（ AGND） =數字地（ DGND） = 0 V, 使用片內基準源 ,CLKIN =10 MHz XTAL,溫度范圍為 ?40176。C 至 +85176。C[3]。 ADE7758 的管腳圖如下圖所示： 圖 ADE7758管腳圖 ADE7758 通過 SPI 串口讀寫時序圖： 圖 ADE7758寫時序 南昌工程學院本科畢業設計 (論文 ) 9 圖 ADE7758讀時序 DS12887 DS12887 為一款時鐘芯片，該器件可以提供 RTC/日歷，鬧鐘，三個可屏蔽中斷和一個可編程方波以及一個 114 字節的 RAM，此 RAM 有電池備份，不會導致斷電后時鐘停止的現象，該器件把石英晶體和電池集成在了一起，少于 31 天的月份月末日期可自動調整，其中包括閏年補償，該芯片還有一個精密的溫度補償電路用來監視 VCC 的狀態，如果檢測到主電源故障可自動轉換到備用供電，該芯片接口支持 Intel 和 Motorola 兩種模式，在本次設計中，采用的是 Intel 模式，具體讀寫時序圖如下： 圖 DS12887寫時序 第三章 器件介紹和單元模塊設計 10 圖 DS12887讀時序 LCD1602 LCD1602 是一款工業字符型液晶顯示屏，能夠同時顯示 32 個字符，內部帶有 80*8 位的內部 RAM 緩沖區，可顯示阿拉伯數字，引文字母大小寫，常用符號和日文 的 片假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，在本次設計中，可以通過 LCD 顯示萬年歷，分時電價，剩余金額等數據信息，可以通過鍵盤來切換顯示。部分主要指令說明如下： 表 LCD1602指令碼 指令碼 功能 00111000 設置 16*2 顯示， 5*7 點陣， 8 位數據接口 00001DCB D=1 開顯示； D=0 關顯示 C=1 顯示光標； C=0 不顯示光標 B=1 光標閃爍； B=0 光標不閃爍 南昌工程學院本科畢業設計 (論文 ) 11 000000NS N=1 當讀或寫一個字符后地址加一，光標加一 N=0 當讀或寫一個字符后地址減一，光標減一 S=1 當寫一個字符，整屏顯示左移（ N=1）或右移（ N=0），以得到屏幕移動光標不移動的效果 S=0 當寫一個字符，整屏顯示不移動 80H+地址碼 設置地址數據指針 01H 顯 示清屏：所有指針清零，所有顯示清零 02H 顯示回車：數據指針清零 LCD1602 讀寫數據時序如下圖所示： 圖 1602讀數據時序 第三章 器件介紹和單元模塊設計 12 圖 1602寫數據時序 SLE4442 SLE4442 是德國西門子公司的接觸式加密型 IC 卡，接口電路簡單，編程方便，保密性好，其內部用于一個 256*8 位的 EEPROM 主存儲器，另其還含有一個帶有 PROM 功能的保護存儲器，可進行加密處理，工作溫度范圍在 0℃ ～ 70℃ ，至少可擦寫 10 萬次以上，數據保存期最少為 10 年，工作電壓為 5V。對 IC 卡操作的命令分為控制，地址，數據三個部分，傳送從控制字節 LSB 開始，其具體命令如下面所示： 表 IC卡命令格式及功能 字節 1 字節 2 字節 3 控制 地址 數據 操作 00110000 輸入地址 無效 讀主存儲器 00111000 輸入地址 輸入數據 升級主存儲器 00110100 無效 無效 讀保護存儲器 00111100 輸入地址 輸入數據 寫保護存儲器 00110001 無效 無效 讀加密存儲器 00111001 輸入地址 輸入數據 升級加密存儲器 00110011 輸入地址 輸入數據 比較數據校驗 單元模塊設計 電源模塊電路 電源模塊電路從電網 220V電壓作為輸入，通過該電路后，輸出端輸出大小為 5V的電壓，作為單片機及其他芯片的 VCC 電源，具體的電路圖如下圖所示： 南昌工程學院本科畢業設計 (論文 ) 13 T3T R A N S 11234D1B R I D G E 1 C 1 01 0 0 u fC 1 10 .0 1 u fV in1GND2V o u t3U27 8 L 0 5C 1 20 .0 1 u fR61kV C C12J3C O N 2 圖 電源接線圖 如 圖 所示 為電壓模塊的電路圖，該模塊以電網 220 交流電作為輸入，通過整流橋整流后，再經過濾波，最后通過一塊 78L05 穩壓芯片進行穩壓，得到一個穩定的 5V電源，78L05 的輸出電流可達到 100mA，無需外接元件，內部本身帶有熱過載保護，自帶內部短路電流限制。該模塊 的仿真電路如下圖所示： T R 1T RA N 2 P 2 SC32 2 0 0 u FC40 .0 1 u FVI1VO3GND2U27 8 0 5C50 .0 1 u FR V 11kV o l t s+ 5 .0 0D11 N40 0 7D21 N40 0 7D31 N40 0 7D41 N40 0 7 圖 電源仿真圖 圖 為該電源電路的仿真效果圖，可以看到，該模塊可以很好的工作得到一個穩定的 5V的電源。 第三章 器件介紹和單元模塊設計 14 信號采集電路 本次設計為智能電表，所以要對用戶的電壓和電流都進行采樣，再通過 ADE7758 芯片來得到一個較為準確的功率值并輸入單片機中，因此電流 和 電壓的采集電路 分別 如下圖所示： 圖 采集電路 圖 為電流 和 電壓 的 采集電路，在電流采集電路中，通過將電流互感器 TA32BM 串聯到用戶電路中，以采集用戶的電流信息， TA32BM 額定輸入輸出為 5A/,通過電流互感器將大電流轉換到 ADE7758 可以接受的小電流范圍內，然后通過濾波降低信號的干擾，最終輸入芯片，在電壓采集電路中，通過將電壓互感器 TV31B02 并聯到用戶的負載上，采集用戶的電壓信息， TV31B02 是一款電流型電壓互感器，額定電流是 2mA/2mA,所以要在電壓互感器的緣邊串聯一個 51K的電阻 來 降低互感器原邊的電流值到可承受的范圍，最后通過 RC 電路濾波后， 得到一個近似 ADE7758 芯片，和前面的電流值一起，計算出用戶的功率。 南昌工程學院本科畢業設計 (論文 ) 15 電壓互感器相當于一個內阻很小的電壓源，正常運行時它的負載阻抗會很大，相當于開路狀態，二次側只有很小的電流，當二次側短路時，負載阻抗為零，將產生很大的短路電流，會將電壓互感器燒壞。因此，電壓互感器二次側嚴禁短路。 電流互感器在正