单相电子式预付费电度表的设计(论文).doc

山东科技大学学士学位论文毕 业 设 计 任 务 书自动化专业 专本XX-X班 学生 XXX 一、 毕业设计题目：单项电子式预付费电度表的设计 二、设 计 专 题： 无 三、设计原始资料：（1）单片机应用开发技术；（2）一种新型智能电表的研制；（3）晨辉电子厂参观实习老师对电表的讲解；（4）。 四、设计应解决下列各主要问题：（1）方案设计及论证；（2）电表硬件及软件的设计；（3）提高电表可靠性的措施。（4） 五、设计说明书应附有下列图纸： 电表整体电路图 六、命题发出日期： 20XX-XX-XX 设计应完成日期： 20XX-XX-XX 设计指导人（签章）： 系 主 任（签章）： 院 长（签章）： II指导教师对毕业设计的评语指导教师（签章）： 年 月 日特 邀 评 阅 人 意 见评阅人（签章）： 职 称（签章）： 年 月 日答辩（考试）委员会鉴定意见答辩（考试）成绩： 鉴定意见：主 任（签章）： 副主任（签章）： 年 月 日摘要本论文主要是单相电子式预付费电度表的设计，包括电能计量系统方案选择，预付费系统方案选择，电源电路、控制电路、显示电路、掉电保护电路、电能存储器、磁保持电路、IC卡接口电路等模块的设计，程序编写，电表稳定性设计等部分。电能计量系统中采用有功电能测量集成电路SM9003，芯片中包含了四象限模拟乘法器，积分器，电压率频转换器VFC，计数器及控制逻辑，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，显示电路中选用LCD 1602液晶显示屏， 控制电路中选用ATMEL公司的AT89C51单片机，电能存储电路中选用AT24C04存储器。在保证功能的情况下减少成本增强稳定性、可靠性。预付费电表是以先充值购电后消费的模式，作为使用者，用数一目了然。还做到了即时控制；提高管理效能，利国利民利业；如果集体消费群体，智能IC卡表的应用，将使管理者不再为收费为难，省心省力，事半功倍。关键词： 电度表；单片机；预付费；电能计量AbstractThis thesis mainly single-phase watt-hour meter is the design of electronic prepaid, including energy metering system scheme selection, prepayment system, power supply circuit, control circuit and display circuit protection, energy storage and magnetic circuit, keeping circuit, IC card interface circuit module design, programming and design etc. Meter stability, Energy metering system used in measuring SM9003 meritorious electric integrated circuit chips, contains four quadrant simulation on time-multiplier, integrators, voltage, frequency converter rate VFC counter and the control logic, it can be sinusoidal voltage and current multiplication, convert frequency output. Just click on the out put pulse accumulative total count, the electricity, display circuit measurement in 1602 LCD LCD, control circuit ATMEL company in AT89C51, energy storage circuits. AT24C04 choose memory In order to ensure function under the condition of the stability and reliability of reducing cost increase.Prepayment meter is first after the power purchase cost, as users of consumption mode, with several clear. Also do a real-time control, To improve the management efficiency and benefits the country and the industry, If the collective consumer groups, smart IC card application form, will make no charge for managers and saving, besides.Keywords: electrograph; MCU; Prepaid; Electricity measurement70目录摘要IAbstractII1 绪论11.1电度表的发展及现状.11.2单项预付费电度表研究的目的及意义22方案设计及论证42.1电能计量系统方案设计42.2预付费系统方案设计63单相电子式预付费电度表的工作过程113.1功能介绍113.2工作过程114硬件电路及工作原理134.1有功电能测量的基本原理134.2电表电路工作原理144.2.1电能计量电路154.2.2控制部分184.2.3显示电路244.2.4 IC卡接口电路254.2.5 电能存储器264.2.6掉电检测电路364.2.7磁保持继电器驱动电路365软件系统386提高预付费电度表可靠性的措施406.1硬件措施406.1.1稳压电源考虑406.1.2串行EEPROM的选择416.1.3 IC卡接口电路416.1.4掉电检测电路416.2软件措施416.2.1 采取措施保证EEPROM数据写入的可靠性416.2.2保证IC卡与电度表准确地进行交换数据426.2.3定时设置I/O口状态43参考文献44致谢45附录一 总体电路图46附录二 部分程序47附录三 中英文资料54山东科技大学学士学位论文1 绪论1.1电度表的发展及现状1880年电能表诞生。19世纪末感应式电能表的制造理论就已基本形成。后来，为适应工业化和电能管理现代化发展的需求，电子式电能表应运而生。最初的电子式电能表仍基于感应式测量机构，只是表盘的旋转变成了电脉冲；随后出现了基于各种乘法器原理的电子式电能表。电能管理现代化需要访问多种信息并要求决策与电价器具之间能双向通信。数字乘法器型电子式电能表扩展功能方便，适合与配电自动化系统集成，将成为电子式电能表的主要发展方向。经过多年的发展，电力已经成为国家最重要能源之一，并逐步满足了工业用电和居民用电需求，解决了电力能源的供需矛盾。同时，电子技术、计算机技术和网络技术的发展，给供电部门和用电部门、居委会或物业管理部门在供用电管理的规范化、自动化和收费网络化方面提供了可能。在电度表改造或研制方面，出现了磁卡式电表、电卡式电表、IC卡电表、全电子电表、带有通信接口的电度表等多种类型的表计。在抄表方式上，使用远程自动抄表系统，解决了传统手工抄表方法存在的速度慢、可靠性差、自动化程度低等问题。经过几年的实际应用，收到了较好的效果，已成为我国用电管理的主流。在房地产市场日益理智的今天，购房者对楼盘物管质量越来越重视。由于多种原因，水、电、气往往出现跑、冒、滴、漏现象，为此而产生的业主与业主之间、业主与物业公司之间、业主与水电气供给部门之间的纠纷，甚让开发商特别是物管部门、水电气供给部门感到头疼。提高楼盘智能化水平采用智能IC卡表预付费系统，无疑会避免产生这类矛盾。房地产市场竞争激烈的城市，正是从提高楼盘智能化水平，率先在某些高档楼盘、高档办公大楼、公建设施中采用了智能IC卡表预付费系统。如著名的珠鹰大厦、碧桂园凤凰城等著名楼盘，中国南方航空公司、广州军区司令部、陆军总医院、广东工业大学等部队、院校，均通过采用智能IC卡表预付费系统，极大地促进了管理水平，提升了品位。智能IC卡预付费电表的成功推广应用，达到了控制和节约的双重效果，改革了沿袭几十年的消费模式，即先用电后付费的模式，而以先充值购电后消费的模式取而代之。作为使用者，用数一目了然，不再和邻里发生用量上的矛盾，还做到了即时控制；作为管理者，解决了抄表难、算帐麻烦、收费难等一系列令人头痛的难题；作为新楼盘的开发者，智能IC卡表的应用，作品将锦上添花，增加卖点，提升品牌价值；作为电供给部门，将先行回收投资，提高管理效能，利国利民利业；如果集体消费群体，智能IC卡表的应用，将使管理者不再为收费为难，省心省力，事半功倍。1.2单项预付费电度表研究的目的及意义电度表作为一种电能计量工具，在国民经济各部门中得到广泛的应用，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能表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电能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。长期以来，人们使用的都是机械式感应电度表，它具有耗电多、笨重、需要手工抄表、防窃电性能低等特点。随着微电子技术的迅猛发展，微控制器（单片机）和大规模集成电路在电能计量领域的广泛应用，使电度表的技术水平和性能得到长足发展。单相电子式预付费电度表就是其中的一种。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。预付费电度表虽然只是普通计量器具，但是由于微控制器的引入，设计起来有一定的难度，这是因为由电源等引入的干扰很容易导致程序出错，可能引起不可预测的后果，诸如剩余电能等数据的丢失或改变，电度表死机等情况。像家用电脑和普通仪表对死机是允许的，通过人工复位、重新设置等手段就可恢复，但对电度表而言则是致命的。而且付费电度表的工作条件相当恶劣，对其可靠性也相对较高，一般来说主要表现在以下几个方面：（1）常年不间断运行，这要求设备具有高质量和高可靠性。（2）电度表进行校表时要经历最严厉的满上下电考研。所谓满上电是指电度表的电源电压从零达到最大的时间太长，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定时间单片机的程序指针可能会出错，即程序跳出正常轨道。出现混乱，甚至陷入死机循环。（3）由于主要面向广大群众要求成本可能低，所以在保持可靠性的前提下，要求硬件电路简单。（4）电能的计算关系到用户交纳电费的多少，涉及经济的实际，不允许出现错误，所以电能表对电能计算准确精度高。因此，电度表有多少功并不是最重要的，关键是做到低功耗高可靠性。因此研究本课题具有重要的实用意义。2方案设计及论证 单相预付费电度表主要包括电能计量系统和预付费系统，电能计量系统完成了电能测量电能值显示超负荷断电等功能，预付费系统主要是利用IC卡实现付费再用电。前者主要追求可靠性，后者要求高安全性。下面分别对方案进行设计和论证。2.1电能计量系统方案设计方案（1）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生接受对管。当红外线照射在黑条处，红外线被吸收无反射，即接收管接收不到红外线；当红外线照射到其他部位时被反射，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，耗电多，笨重。方案（2）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：图2.1 模数转换式系统框图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的谐波引入前置通道，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器。这将增加CPU的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。方案（3）电压频率转换式采用电压/频率（U/F）转换器加单片机实现对电流和电压A/D转换器。这样，模拟通道中 本身的干扰信号被抑制，无需专门的A/D转换器，大大减少了硬件设备，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，将零脉冲送CPU处理，得出电压和电流的相位差，经过查表得功率因数cos按公式P=UIcos计算，便得有功功率，再定时累加就是电能值。系统框图2.2如所示：图2.2 电压频率转换式这种方案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。方案（4）功率累加式将端口电流和电压先选入模似乘法器相乘，得到一个与功率P成正比的模似电压（或电流），再经过V/F变换（或I/F变换）变成频率信号f。单片机对频率信号f进行累加，便可得到电能。系统框图如图2.3所示：图2.3 功率累加式系统框图这种方案不但兼有方案（3）的优点，而且对CPU的要求低，采用51系列单片机完全可以胜任，而且，现在已有集成电路将模似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。基于以上分析，方案四明显优于其他三种方案。其中，模似乘法器，低通滤波器和V/F变换器采用集成电路SM9003，CPU采用TA89C51，它内部有4KB的程序储存器，应用于此系统绰绰有余。采用液晶显示器，可以大大减少功耗，使界面清晰明了。2.2预付费系统方案设计方案（1）采用非加密储存器卡作为销售电能的传输媒质非加密储存器卡内嵌入芯片为通用储存器芯片，其逻辑结构如图2.4所示：图2.4 非加密储存器卡逻辑结构图储存器卡的特点：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的任意存取；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）或3线串行通信协议（SPI协议）,存储器卡的典型型号有：AT24C01AL02/04/08/16/32/64二线串行EEPROM； AT93C46/56/66三线串行EEPROM；SLE4418智能型1KB EEPROM，等等。非加密存储器卡信息存储方便，便用，简单，价格便宜，很多场合可替代磁卡，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，如某单位或学校内部进行定量用电，超标付款等。方案（2）加密存储器卡加密存储器卡(Security cards接触型)的芯片，由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成，其逻辑结构如图2.5所示：图2.5 加密存储器卡逻辑结构加密存储器卡的特点：具有安全控制逻辑，安全性能好；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不同的功能区。加密存储器卡内嵌芯片在存储区外加了控制逻辑，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。这种器件保密性好，实用广泛，此方案可用于社区或以村为单位的预付费用电系统。方案（3）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接口及加密运算处理器CAV，如图2.6所示：图2.6 CPU卡逻辑结构其中CPU一般均为兼容于8位字长单片机（如MC68HC05,Intel8051等）的微处理器，它将在cos (chip operation system,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 3KB16KB;RAM用于存放中间处理结果及作为卡与读写器间的信息，交换的中间缓冲器128B1KB;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，1KB16KB。CPU卡（smart cards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，所以此方案适用于大范围（如全国性的）预付费售电系统。典型型号有：mc68Hco5sc26 6KB ROM/224BRAM方案（4）射频CPU卡射频CPU卡是射频识别系统的电子数据载体，卡中嵌有耦合元件和微电子芯片，其中结构如图2.7所示，在读写器的响应范围之外，射频CPU卡处于无源状态，通常，它没有自己的供电电源，只是在读写器响应范围之内，卡才是有源的卡所需要的能量以及时钟脉冲，数据，都是通过耦合单元的电磁耦合作用传输给卡的。图2.7 射频CPU卡结构射频CPU卡必须配备相应的读写器典型的射频CPU卡读写包含有高频模块（发送器和接收器），控制单元以及与卡连接的耦合元件，如图2.8所示。由高频模块和耦合元件发送电磁场，以提供射频CPU卡所需的工作能量以及发送数据给卡，同时接收来自卡的数据，此外，大多数射频CPU卡读写器都配有上传接口，以便将所获取的数据上传给另外的系统，如计算机，机器人控制装置等。图2.8 射频CPU卡读写器接口射频CPU卡与接触式IC卡相比有以下特点：1可靠性高，寿命长。由于读写之间无机械接触，避免了因接触读写而产生的各种故障；且射频CPU卡及读写器表面均无裸露的接触，无需担心触点损坏或脱落，卡弯曲损害所致之卡片失效；卡与读写器均为全封闭防水防尘结构，既避免静电，尘污对卡的影响，也可防止粗暴插卡，异物插入读写器插槽以及读写器“吃卡”等问题。操作快捷便利。无接触通信使读写器在10cm范围就可以对卡片操作，无需插拔；且射频CPU卡使用时无方向性，卡片可以任意方向闪过读写器表面完成操作。2动态处理。由于射频CPU卡与读写器之间通信处于相对运动状态，对电路的处理速度，可靠性等都提出了更高的要求，因此，对应用安全性要求高的场合目前及主要采用接触式CPU卡，射频正处于发展中。3成本较高。由于卡与读写器都需要将射频技术结合进去，因此会增加成本。采用射频CPU卡作为销售电能的传输煤质，安全性强，可靠性高，经久耐用，但是读卡器电路复杂，成本高，甚至读卡器高于电度表本身的成本，显而易见，这种方案不适用于民用。通过以上四种方案的综合比较可以看出，方案一适合学校的定量用电，在设计中选用AT24C04为存储器卡，用Visual c+在微机上编制相应的售电管理系统，配以相应的读卡器实现对IC卡的初始化，卡号识别充值等操作。3单相电子式预付费电度表的工作过程3.1功能介绍1 用户将存有电能的IC卡插入卡槽，卡中电能被读入表中，同时把IC卡清“0”。2 专卡专用。当有非本机卡或异物插入卡槽时，能及时发现，切断卡座的供电，保护电度表，提高安全性3 电度表正常工作时液晶显示剩余电能值，已用电能值，使用户直观的了解电度表的工作是否正常及用电负荷的大小。4 用电时，能按二级表的精度计量电能，并随时改写剩余电能和已用电能。5 当表内剩余电能不足20Kwh时在液晶显示器上显示”low power”以提醒用户余电不多及时购电。6 当表内剩余电能为0时自动断电，这时用户不能用电，在用户将重新购电的IC卡插入卡槽时，完成上诉第一项的功能，恢复供电。7 有负荷限制功能，当用户电流大于25A时自动断电，五分钟后恢复供电。8 具有掉电保护功能。掉电时，自动把剩余电能从RAM转存储在EEPROM中。3.2工作过程1 上电时，液晶显示屏上显示“electrograph”随将存放在EEPROM中的剩余电能调入到ROM中。2 当单片机工作正常时，能显示剩余电能和已用电能。3 当有本机IC卡插入卡槽时根据有电卡和无电卡（空卡）做出不同的处理：若为有电卡则显示“reading”，稍后提示“ok”这时卡中电能被写入卡中，且将卡清零；若为空卡，则显示“emport”。4 当用电时，剩余电能递减，已用电能递增。5 当插入无效卡时，系统提示“wrong card”。6 当电用完时，切断电源，并显示“no electricity”。4硬件电路及工作原理4.1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SM9003，芯片中包含了四象限模拟乘法器，积分器，电压率频转换器VFC，计数器（分频器）及控制逻辑，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。 SM9003内部电路模型如图4.1所示：图4.1 SM9003内部电路模型在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别见公式（4.1）： 公式（4.1）式中u为交流电压瞬时值，i为交流电流瞬时值，U为交流电压有效,I为交流电流有效值，为交流电的角频率，=u-i为电压电流相位差。经四象限模拟乘法器相乘后的瞬时功率见公式（4.2）： 公式（4.2）可见瞬时功率有恒定分量UIcos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。正弦电流电压和瞬时功率的波形如图4.2所示：图4.2正弦电流电压和瞬时功率的波形在图10中，u是瞬时电压，i是瞬时电流，p是瞬时功率。瞬时功率p经积分器后，得有功功率p，见公式（4.3）： 公式（4.3）一段时间T内的电能W见公式（4.4）： 公式（4.4）以上分析表明，有功功率p为恒定分量，将正比于p的电压，经V/F变换后，输出的是频率随p的变化的脉冲，只需将脉冲累计计数，则计数值N即为电能。4.2电表电路工作原理电表的硬件电路可分为电能计量电路，控制电路，显示电路。IC卡接口，电能存储器，掉电检测和电源几大模块。下面是各个模块的工作原理：4.2.1电能计量电路电能计量电路采用电子电度表专用集成电路SM9003，首先有必要介绍一下SM9003的相关特点和技术参数。SM9003采用3um桂栅BICMOS工艺制成。电路设计先进，内部集成有缓冲放大器，乘法器，V/F型A/D转换器等电路。本芯片模拟部分和数字部分可分开供电，所以可靠性较高，封装采用DIP20塑封。特点:精确测量正负两个方向的有功功率，且以同一个计算电能。线性度高，动态工作范围宽。具有防潜动功能。 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。功能:SM9003是将取自由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。SM9003同时具有测量负向有功功率的有功功率的功能，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。管脚图及定义:SM9003管脚图如图4.3所示；其管脚定义如表4.1所示： 图4.3 SM9003管脚图表4.1 SM9003管脚定义管脚号符号说明1VI1电流取样信号输入2VI2电流取样信号输入3GNDA模拟地端4Vv电压取样信号输入5NC与4脚内部互相联结6VR1参考电压1外调整端7VR2参考电压2外调整端8POUT有功功率计算输出脉冲9IND负向有功功率指示10IC测试控制端11VSS负电源（-5V）12GNDD数字地端13DMO1脉冲电机驱动输出114DMO2脉冲电机驱动输出215OSCIN晶振输入16OSCOUT晶振输出17VDD正电源（+5V）18C1积分电容119COM积分电容公共端20C2积分电容2两种输出波型:将SM9003的测试控制端10脚接地时，脉冲输出脚（8脚）输出频率8.192KHZ的脉冲调制信号，如图4.4所示。将SM9003的测试控制端10脚接-5V时，脉冲输出脚（8脚）输出无调制的脉冲信号，如图4.5所示。图4.4 输出频率8.192KHZ的脉冲调制信号图4.5 输出无调制的脉冲信号在设计中，用SM9003构成的电能计量电路如图4.6所示：图4.6用SM9003构成的电能计量电路在图4.6中采用340u的锰铜片作为电流采样电阻，用精密金属作为电压采样电阻。C4、R17、VD1、VD2、C8、C9、VZ1、VZ2为电容降压式电源，为SM9003提供5V的工作电压，32768HZ为表用晶体振荡器为SM9003提供时钟，C6、C7为积分电容，R8为参考电压调整电位器，本电路无需机械式计数器。4.2.2控制部分控制部分为整个电度表的心脏，实现电能脉冲计数，掉电信号，IC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和继电器的驱动等功能。单片机的选择是决定电度表性能的关键因素，本设计采用51系列的单片机，其特点是通用性强，堆栈丰富和编程容易。其中Flash型如：Atmel公司的AT89C51, AT89C52, AT89C1051, AT89C2051等和台湾华邦公司的W78E51, W78E52等，使用十分方便。51系列单片机的指令系统中，23B的指令很多。当程序指针PC跳飞至某条指令的中间时，会把操作数当成指令码执行而引起混乱。这一致命的弱点将导致电度表的可靠性下降。所以，在软件中必须采用相应的措施可以解决。本设计选用Atmel公司的AT89C51，其中内部有4KB的程序存储器，硬件电路简单，电路如图4.7所示：图4.7 Atmel公司的AT89C51IC4与时钟电路（包括晶体振荡器，电容C14,C15和内部电路），上电复位电路（包括R23,C13,S2,VD10,C31,R50）构成单片机的最小系统。其中晶体振荡器选用12MHZ的高稳定无源晶体振荡器，它与AT89C51中的反向放大器构成振荡器，给CPU提供稳定的时钟信号，电容C14,C15可起频率微调作用，电容值在5PF-30PF之间选择，本电路选20PF。电容C13和电阻23构成上电复位电路，电源启动时，电源对电容C13充电，在CPU的复位端产生一高脉冲，只要高电平的维持时间大于两个机器周期（24个震荡周期）。CPU就可复位。二极管VD10的作用是当断电时，可使电容C13所存储的电荷迅速释放，所以下次上电时可靠复位，电容31可滤除高频干扰，防止单片机误复位，按键S和电阻R50构成按键复位电路。电能脉冲由IC1的8脚经光电耦合器IC2送到IC4的T0端，用以实现脉冲计数。51系列单片机简介单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机。这些部件中包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。51单片机的基本结构如图 4.8所示图 4.8 51单片机的基本结构其结构特点如下：8位CPU ；片内振荡器及时钟电路；32根I/O线；外部存储器ROM和RAM寻址范围各64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，2个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器。单片机的内部结构如图 4.9所示：图 4.9 单片机的内部结构（1）中央处理器51单片机的中央处理器CPU由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器。算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算和“与”、”或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。ALU只能进行运算，运算的结果可以实现存放爱在累加器或暂存器中，运算结果可以送回ACC、通用寄存器或存储单元中。暂存器在乘法指令中用来存放乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后其中为部分运算结果。程序状态字PSW是8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中的7位。控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器、译码器以及地址指针DPTR和程序计数器PC等。时钟是时序的基础， 51单片机片内由一个反向放大器构成震荡，可以由他产生时钟。时钟可有两种方式产生，即内部方式和外部方式。内部方式是在XAT1和XAT2端外接石英晶体作定时元件，内部反向放大器自激震荡， 产生时钟，时钟发生器对震荡脉冲二分频，因此，时钟是一个双向信号。一条指令译码产生一系列微操作信号在时间上有严格的先后顺序，这种次序就是计算机的时序。单片机的基本时序已有：振荡周期（振荡源的周期）、时钟周期（振荡周期的二倍）、机器周期（含6个时钟周期）、指令周期（完成一条指令所占有的全部时间）。指令部件有：程序计数器PC、指令计数器IR、指令译码器ID、数据指针。（2）存储器组织 51单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有自己的存储机构和寻址方式。51单片机在物理上有4个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器；片内数据存储器和片外数据存储器。51 片内有256字节数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各有64KB的寻址范围，也就是最多可以在外部扩展264KB存储器。64KB的程序存储器（ROM）空间中，有4KB地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的。这4KB地址为0000H-0FFFH；而1000H-FFFFH地址区为外部ROM专用。CPU的控制器专门提供一个控制信号，用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：当是高电平时，单片机从片内ROM的4KB存储区指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动地转向片外ROM取指令；当接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。（3）片内并行接口P0、P1、P2、P3口都是8个引脚的I/O口如图4.10所示P0是OC门输出，带载能力为8个TTL门P1、P2的带载能力是4个TTL门初始状态所有端口为高电平=1图4.10 51单片机控制引脚图4.2.3显示电路本系统采用基于HD44780控制芯片的1602液晶显示屏，功耗小，可靠性高，电路简单。字符液晶指令集如表4.2所示：表4.2 字符液晶指令集命令命令代码功能RSR/WDB7-DB0复位显示器0000000001清屏，光标归位光标归位000000001*设地址计数器清零，DDRAM数据不变，光标移动到左上角字符进入模式00000001I/DS是指字符进入时的屏幕移入方式显示开关0000001DCB设置显示开关，光标开关，闪烁开关显示光标移位000001S/CR/L*设置字符与光标移动功能设置00001DLNF*设置DL，显示行数，字体设置CGRAM地址0001CGRAM地址设置6位的CGRAM地址以读/写数据设置DDRAM地址001DDRAM地址设置7位的DDRAM地址值以读/写数据忙标志/地址计数器01BF由最后写入的DDRAM或CGRAM地址设置指令设置的DDRAM/CGRAM地址读忙标志及地址计数器DDRAM/CGRAM写数据10写入一字节数据，需要先设置RAM地址向DDRAM/CGRAM写入一字节数据DDRAM/CGRAM读数据11读取一字节数据，需要先设置RAM地址从DDRAM/CGRAM读取一字节数据I/D=1递增，I/D=递减S=0时显示屏不移动，S=1时，如果I/D=1且有字符写入时显示屏左移，否则右移D=1显示屏开，D=0显示屏关C=1时光标出现在地址计数器所指的位置C=0光标不出现B=1时光标出现闪烁，B=0光标不闪烁S/C=1时，RL=0则字符和光标左移，否则右移S/C=0时，RL=0则光标左移，否则右移DL=1时数据长度为8位，DL=0时为使用D7-D4共四位，分两次送一字节F=1时为5*10点阵字体，F=0时为5*7点阵字体BF=1时LCD忙，BF=0时LCD就绪液晶显示器1602与单片机的链接如图4.11所示图4.11 液晶显示器1602与单片机的连接4.2.4 IC卡接口电路IC卡接口电路采用的是Atmel公司的存储IC卡AT24C04,用于存储由售电管理系统写入的密码，卡号，电度数等，是电管部门与用户连接的桥梁。为了提高IC卡的可靠性，必须有卡上下电控制电路，卡插入检测电路，卡短路检测等辅助电路，结合软件可大大提高其读写的准确性和可靠性。IC卡接口电路如图4.12所示：图4.12 IC卡接口电路R24,VD5,VT2组成卡上下电路，当IC4的P1.6=0时，VT2导通，IC卡座之Vcc得电；当IC4的P1.6=1时，VT2截止，IC卡座的Vcc失电，IC卡的Vcc同时经VD6送至CPU的P1.5，检测有无卡电源短路现象，以防人为破坏。K1,K2为IC卡座的一对常闭触点，当有卡插入时，K1,K2开路，VT3导通，给IC4DE P1.2口送入低电平，此信号用来检测有无卡插入。4.2.5 电能存储器电能存储器由串行EEPROM和上拉电阻组成，电路如图4.13所示:在串行时钟和数据端接了上拉电阻R25和R27，分别连接到IC4的P3.0和P3.1端。串行EEPROM选用AT24C04,AT24C04为低电压(2.5V5.5V),长寿命（可擦写10万次以上）器件。在掉电时存储剩余电度数。EEPROM芯片按接口分量类：并行接口芯片和串行接口芯片。并行接口EEPROM一般容量较大、读取速度快、读、写操作方便、功耗大、价格昂贵，适用于程序存储器。常用的并行接口EEPROM芯片有2816（2K8bit）、2817（2K8bit）、2864（8K8bit）等.串口接口EEPROM芯片体积小、功耗低、占用系统放入信号线少、电路简单。工作速度慢。读、写的方法复杂，常被用作单片机系统的非易失性数据存储器。串行EEPROM常用的芯片有24WCXX系列（二线制IIC）、93LCXX系列（三线制）、59CXX系列（四线制）、5LCXXX系列（SPI总线）。图4.13 电能存储器与EEPROM的连接I2C总线简介：I2C总线是Philips公司推出的串行传输总线，它采用两线制，由串行时钟线SCL和串行数据线SDA组成。I2C总线为同步传输总线，数据线上的信号与时钟同步，只需要两根线就能实现总线上各器件的全双工同步数据传输，可以极为方便的构成多机系统和外围期间扩展系统。I2C总线采用器件地址的硬件设置方法，是硬件系统飞扩展简单灵活。按照其规范，总线传输中的所有状态都生成相应的条形码，系统中的主机依照这些状态码自动的进行总线管理，用户只要在程序中装入这些标准处理模块，根据数据操作要求完成总线的初始化，启动总线就能自动的完成规定的数据传送操作。由于总线接口以集成在单片机内，用户无需设计接口，使设计时间大为缩短。I2C总线接口开漏或集电极开路输出，需要外加上拉电阻。系统中所有的单片机、外围器件都将数据线和时钟线的同名脚相连在一起，总线上的所有节点都由器件引脚给定地址。系统中可以直接连接具有I2C总线接口的单片机，也可以通过I/O口的软件模拟与I2C总线相连。在总线上 可以挂接各种类型的外围器件，如：RAM、EEPROM、日历/时钟、A/D、D/A以及I/O口、显示驱动器构成的各种模块。目前不少的单片机内部继承了I2C总线接口，如8051系列单片机，低价位的单片机内部没有集成I2C总线接口，但可以通过软件模拟实现其总线通行约定。I2C总线的通信规约：I2C采用主/从方式进行双向通信。器件发送数据到总线上，则定义为发送器；器件从总线上接受数据，则定义为接收器。主器件 （通常为单片机）和从器件均可工作于接收器和发送器状态。总线必须由主器件控制，主器件产生串行时钟（SCL），控制总线的传送方向，并产生开始和停止条件。无论是主器件还是从器件，接收一字节后必须发出一个应答信号ACK。I2C总线的时钟线SCL和数据线SDA都是双向传输线。总线备用时，SDA和SCL都必须保持高电平状态，只有关闭I2C总线时才使SCL箝位在低电平。在标准I2C模式下，数据传输速率可达100Kbps，高数模式下可达400Kbps。I2C总线数据传送时，在时钟线高电平期间，数据线上必须保持有稳定的逻辑电平状态，高电平为数据1，低电平为数据0。只有在时钟线为低电平时，才允许数据线上的电平状态发生变化。在时钟线保持高电平期间，数据线出现由高电平向低电平的变化时，作为起始信号S，启动I2C总线工作。若在时钟线保持高电平期间，数据线上出现由低电平到高电平的变化，则为停止信号P，终止I2C总线的数据传输。I2C总线传送的格式为：开始位以后，主器件送出8位的控制字节，以选择从器件并控制总线传送的方向，其后传送数据。I2C总线上传送的每一个数据均为8位，传送数据的字节数没有限制。但每传送一个字节后，接收器都必须发一位应答信号ACK（低电平为应答信号，高电平为非应答信号），发送器应答后，再发下一数据。每一数据都是先发高位，再发低位，在全部数据传送结束后主器件发送终止信号P。上述的通信规约在内部有I2C接口的单片机中是通过对相关的特殊功能寄存器（I2C的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器）操作完成的。对于内部无I2C接口的单片机可以通过软件模拟完成。下面以内部无I2C接口的8051单片机扩展I2C总线E2PROM24CXX为例，说明扩展I2C接口的软件设计方法。串行I2C总线E2PROM24CXX：AT24CXX系列E2PROM是典型的I2C总线接口器件。其特点是：单电源供电，采用低功耗CMOS技术，工作电压范围宽，自定时写周期，页面写周期的典型值是2ms，具有硬件写保护。型号为 AT24CXX的器件内部结构和引脚排列如图 4.14所示图 4.14 AT24CXX的器件内部结构和引脚排列其中，SCL为串行时钟引脚，SDA为串行数据/地址引脚，WP为写保护（当WP为高电平时，存储器只读，当WP为低电平时存储器可读可写）。A0、A1、A2位片选或块选。器件的SDA为漏极开路引脚，需要接上拉电阻到VCC，其数据的位数为8位。输入引脚内接有滤波器，能有效抑制噪声。自动擦除（逻辑“1”）在每一个写周期内完成。AT24CXX采用I2C规约，采用主/从双向通信，主器件通常为单片机，主器件产生串行时钟，发出控制字，控制总线的传送方向就，并产生开始和停止条件，串行E2PROM为从器件，无论主器件还是从器件，接受一字节后必须发出一个应答信号ACK。1）控制字要求开始位以后，主器件发送一个8位的控制字，以选择从器件并控制总线传送的方向。控制字节的结构如下所述： 其中：控制字的位7-位4为从器件地址，确认其间的类型，此4位码由Philips公司的I2C规约所决定，1010码即从器件为串行E2PROM。串行E2PROM将一直处于等待状态，直到1010码发送到总线上为止。当1010码发送到总线上时，其他非串行E2PROM从器件将不会响应。控制字的位3-位1为1-8片的片选或存储器内的块地址选择位。 此3个控制位用于片选或者内部块选则，标准的I2C规约允许选择16KB的存储器。通过对几片器件或一个器件的几个块的存取，可完成对16KB存储器的选择。控制字节A1、A2、A0的选择必须与外部引脚的硬件或者内部块选择匹配，A1、A2、A0引脚无内部连接的，则这3位无关紧要，须作器件选择的，其A1、A2、A0引脚可接高电平或低电平。AT24CXX 的存储器矩阵内部分为若干块，每一块有若干页面，每一页面有若干字节，内部页缓冲器只能写入一页的数据字节就，对24LC32和24LC64一次可以存8页。控制字节位0为 读/写操作控制码，如果此位为1，则下一字节进行读操作，若此位为0，则下一字节进行写操作。当串行E2PROM产生控制字节并检测到应答信号后，主器件总线上将传送响应的字地址或数据信息。2）起始信号、停止信号、应答信号起始信号：当SCL处于高电平时，SDA从高到低的跳变为I2C总线的起始信号，起始信号应该在读/写