单相电子预付费电度表的研究设计说明

1、本科毕业设计（论文）单相电子式预付费电度表研究燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 里仁学院 系级教学单位： 电力系统与其自动化系 学号学生专 业班 级里仁电力题目题目名称单相电子式预付费电度表研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ）生产实际（ ）自选题目（ ）主要容1. 分析课题研究的意义，根据要求给出电子式预付费电度表的电能计量方案和IC卡计量方案2. 分析硬件电路(单片机系统构造，地址分配，输入输

2、出通道等)3. 给出硬件相关参数与设计(处理器选择，程序与数据存储器扩展，I/O扩展，显示电路，定时电路等)4. 系统调试基本要求1.遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；2独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3设计说明书一份(不少于2万字)，A1图纸一；英文资料翻译不少于3千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；参考资料在校园网中国期刊全文数据库上查找并阅读相关资料10篇以上，外文文献一篇以上。周次第1 4周第58周第912周第1316周第1718周应完成的容总体设计，资料分析系统设计，主程序设计子程序设计调试总结论文答辩指导教师：

3、立兴职称： 讲师 2013年12月 31日系级教学单位审批： 年 月 日69 / 78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与晶振、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

4、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AbstractThe rapid development of power industry for electrical energy measurement and management put forward higher requ

5、irements: electricity, after paid, first implementation of time-sharing electricity, automatic meter reading and billing, etc. Arises at the historic moment, IC card prepaid electronic watt-hour meter can meet the above requirements. Compared with the traditional meter ,Single-phase electronic prepa

6、yment meter can achieve data acquisition, transmission and processing automation, which overcomes inefficiency and uncertainty of the traditional manual meter reading pattern. Power management can promote modernization. The Single-phase electronic prepayment meter is based on AT89C52. The design of

7、hardware circuit partial completion of the measurement circuit, crystal reduction and display circuits, IC card interface, energy memory, power-fail detection circuit design; procedures for achieving some of the initialization subroutine, the subroutine measurement, the subroutine shown such subrout

8、ine design. SM9903 system used as a measurement of chips, and memory IC card AT24C01 as electricity and regulatory departments and users connecting to the bridge, to be sold by the store management system into the value of electricity.Single-phase electronic Prepayment Meter is not only used for met

9、ering, prepaid expenses, it also has a simple interface, compact structure, Measurement accuracy, and high precision characteristics. Keywords：MCU AT89C52；measurement chip SM9903；IC Card；AT24C01；prepayment；Power Meter 目 录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.1.1课题的来源与意义11.1.2 电度表的发展11.1.3 IC卡国外发展现状21.1.4 单相

10、电子式预付费电度表的研究意义31.1.5 单相电子式预付费电度表的特点与功能31.2 单相电子式预付费电度表设计的任务、要求与容41.2.1 设计任务与要求41.2.2 设计容4第2章单相电子式预付费电度表总体方案的设计62.1 方案设计与论证62.1.1 电能计量系统方案设计62.1.2 预付费系统方案设计82.2本章小结10第3章单相电子式预付费电度表硬件电路的实现113.1 有功电能测量的基本原理113.2 电能计量电路的实现123.2.1 SM9903芯片介绍123.2.2 计量电路的设计143.3 单片机控制电路的设计163.3.1 AT89C52单片机介绍163.3.2 单片机复位

11、、晶振电路的设计213.4 显示电路的实现223.4.1SMG12232B-2显示器介绍223.4.2 显示电路的设计253.5 其他部分电路设计263.5.1 IC卡接口电路263.5.2 电能存储器273.5.3掉电检测电路313.6本章小结32第4章系统程序的设计与仿真334.1 系统程序流程图的设计334.2 子程序的设计344.2.1计量子程序344.2.2存储器读写子程序354.2.3显示子程序354.3系统仿真364.4本章小结37结论38参考文献39致41附录42第1章 绪论1.1课题背景1.1.1课题的来源与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

12、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

13、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与时，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，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

14、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，与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,以与用户所需要的功能的不同，在国民经济中分别扮

15、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。1.1.3 IC卡国外发展现状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

16、，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78。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

17、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与弯曲损坏等问题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

18、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特点： 单相电子式预付费电度表虽然只是普通的计量工具，

19、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:l 常年不间断运行，这要求设备具有高质量和高可靠性。l 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。l 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

20、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。它主要用于小围家庭或学校的电能消耗的测量。功能：l 用户将存有电量的IC卡插入卡槽,卡中电量被读入表，同时把IC卡清“0”。l 用电时，能随时改写剩余电量。l 当表剩余电能<20kWh时，在LED显示屏上显示以提醒用户余电不多，与时购电。l 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、要求与容1.2.1 设计任务与要求任务：设计一个采用IC卡的单相电子式预付费电度表。要求：电度表正常工作时，能显示剩余电

21、能值，使用户直观地了解电度表的工作是否正常。当表剩余电能不足20kW·h时，能提醒用户余电不多，与时购电。具有掉电保护功能。1.2.2 设计容 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与技术指标要求，本次设计主要应完成两个方面的容：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

22、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 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。方案二 模数转换式对电流和电压分别采样，再通过A

23、/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/

24、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。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

25、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嵌入芯片为通用存储器芯片

26、。 存储器卡的特点：l 卡嵌入的芯片多为通用EEPROM。l 无安全控制逻辑，可对片信息不受限制地任意存取。l 卡片制造中也很少采取安全保护措施。l 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功能，因此只能用于性要求不高的场合，其典型型号有：l AT24C01A/02/04/08/16/32/64二线串行EEPROM。l Microchip 24LC01A/02/04/08/16/32/65二线串行EEPROM。l SLE4418智能型1KB EEPROM。l SLE4432智能型 256B EEPROM。

27、l AT45D041大容量（4KB）闪速存储卡。对于某单位或学校部进行定量用电，超标付款，则可采用此方案。方案二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。加密存储器卡的特点：l 具有安全控制逻辑，安全性能较好。l 同时采用ROM、PROM、EEPROM等存储技术。l 从芯片制造到交货，均采用较好的安全保护措施。l 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），可以有效防止

28、非法试探。若在限定的次数密码仍不对，则卡片死锁作废。这类器件性较好，应用较广泛。此方案性优于方案一，可用于社区或以村为单位的预付费用电系统。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接口与加密运算协处理器CAU。其中：l 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(Chip Operation System，片操作系统）控制下，实现卡与外界的信息传输、加密、解密和判别处理等。l ROM用于存放COS,3KB16KB。l RAM用于存放中间处理结果与作为卡与读写器

29、间信息交换的中间缓冲器，128B1KB。l 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）嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，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。此方案程度高，适用于大围（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

30、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部电路模型如图3-1所示积分器V/F转换器四象限模拟乘法器图

31、3-1 SM9903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

32、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。3.2.1 SM9903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，部集成有低通滤波器、乘法器、V/F型A/D转换器等电路。特点l 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。l 线性度高，动态工作围宽。l MCU数据接口。l 直接驱动步进电机。l 适用于单相、三相电度表。l 低功耗。l 20年使用寿命。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

33、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。管脚图与定义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1VI1电流取样信号输入续表3-1 管脚定义 管脚号符号说明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8POU

34、T有功功率计算输出脉冲9IND负向有功功率指示10TC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23.2.2 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1 kWh电能的输出脉冲数（pulse）为1600个。基本量程为5A，最大量程可

35、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EEPRO

36、M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等和华帮公司的W78E51、W78E52等，使用十分方便。所以本次设计选用Atmel公司的AT89C52，其部有8KB的程序存储器，无须外部扩展，使硬件电路简单。 3.3.1 AT89C52单片机介绍AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特性和指令系统等方面完全兼容。其主要工作特

37、性是：l 片程序存储器含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；l 片数据存储器含256字节的RAM；l 具有32根可编程I/O口线；l 具有3个可编程定时器；l 中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个优先权的中断结构；l 串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；l 具有一个数据指针DPTR；l 低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；l 具有可编程的3级程序锁定位；l AT89C52工作电源电压为5（1±0.2）V，且典型值为5V；l AT89C52最高工作频率为24MHz。引脚排列与功能1 AT89C52的引脚排列如图3-5所示图3-5 AT89C52引脚图功能

38、：l P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器与外扩I/O口时，P0口作为低字节地址/数据复用线。在编程时，P0口可用于接收指令代码字节；在程序校验时，P0口可输出指令字节（这时需要加外部上拉电阻）。P0口也可作通用I/O口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向口。当作为普通输入时，应将输出锁存器置1。P0口可驱动8个TTL负载。l P1口8位、准双向I/O口，具有部上拉电阻。P1口是为用户准备的I/O双向口。在编程和校验时，可用做输入低8位地址。用做输入时，应先将输出锁存器置1。P1口可驱动4个TTL负载。P1.0口可替代T2做定时器2外部事件输入端；可编程脉冲输出端。P1.1可替代

39、T2EX作定时器2的捕捉重装触发器输入端；定时器2的计数方向控制端。l P2口8位、准双向I/O口，具有部上拉电阻。当使用片外存储器或外扩I/O口时，P2口输出高8位地址。在编程/校验时，P2口可接收高字节地址和某些控制信号。P2口也可作普通I/O口使用。用做输入时，应先将输出锁存器置1。P2口可驱动4个TTL负载。l P3口8位、准双向I/O口，具有部上拉电阻。P3口作为普通的I/O口。用做输入时，应先将输出锁存器置1。在编程/校验时，P3口接收某些控制信号。它可驱动4个TTL负载。P3口还提供各种替代功能，如表3-2所示。表3-2 P3口替代功能 引脚 替代功能 说明P3.0RXD串行数据

40、接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器0外部事件计数输入P3.5T1定时器1外部事件计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通l RST复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作时候，在RST脚施加两个机器周期（即24个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。l VCC电源电压输入引脚。l GND电源地。l XTAL1片振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入端。使用片振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。l XTAL2片振荡器反相放大器的输出端。当使用片振荡器时，外接石英晶体和微调电容。当使用外部振荡器时，引

41、脚XTAL1接收外振荡器信号，XTAL2悬空。l ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应

42、设置ALE 禁止位无效。l PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。l EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源VCC，当然这必须是该器件是使

43、用12V 编程电压VCC13。3 时钟振荡器AT89C52 中有一个用于构成部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-6。外接石英晶体（或瓷谐振器）与电容C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序与温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用瓷谐振器建议选择40pF±10F。用户也可以采

44、用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1 端，即部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。C2XTAL2XTAL1GNDC1图3-6部振荡电路4 空闲节电模式 在空闲工作模式状态，CPU自身处于睡眠状态而所有片的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，同时将片RAM 和所有特殊功能寄存器的容冻结。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲状态只需两个机器周期有效复位信号，在此状态下，片硬件禁止

45、访问部RAM，但可以访问端口引脚，当用复位终止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。5 掉电模式在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片RAM 和特殊功能寄存器的容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。3.3.2 单片机复位、晶振电路的设计设计AT89C52单片机复位、晶振电路如图3-7所示。IC4与时钟电路（包括晶体振荡

46、器、电容C14、C15），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AT89C52中的反向放大器构成振荡器，给CPU提供高稳定的时钟信号。电容C14、C15可起频率微调作用，电容值在5pF30pF之间选择，本电路选20pF。电容C13和电阻R23构成上电复位电路。电源开启时，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个振荡周期）。CPU就可复位。二极管VD10的作用是当断电时，可使电容C13所储存的电荷迅速释放，以便下次上电时可靠复位。电容

47、C13可滤除高频干扰，防止单片机误复位。按键S2和电阻R50构成按键复位电路。电阻R30和按键S1构成键盘，用以实现显示容的切换。电能脉冲由的8脚经光电耦合器IC2送到IC4的T0端，用以实现脉冲计数。图3-7 AT89C52单片机控制电路、3.4 显示电路的实现本系统采用液晶显示器。其特点是显示容丰富（可显示汉字），功耗小，可靠性高，电路简单。选用的器件型号是：SMG12232B-2，显示容量为122×32点阵。采用总线方式连接。3.4.1 SMG12232B-2显示器介绍主要技术参数SMG12232B-2的主要技术参数如表3-3所示。表3-3 SMG12232B-2的技术参数 显

48、示容量122×32点阵 工作温度-10+50芯片工作电压4.55.5V存储温度-20+60芯片工作电流5mA(5.0V)背光源类型EL最佳工作电压5.0V背光源工作电压5.0V点尺寸0.8mm×0.78mm背光源工作电流30mA接口信号说明SMG12232B-2的接口信号说明如表3-4所示。表3-4 SMG12232B-2的接口信号说明 编号 符号 引脚说明编号 符号 引脚说明1RST复位端（高电平复位）9DB1数据口12VCC电源正极10DB0数据口03DB7数据口711GND电源地4DB6数据口612写信号（低电平有效）5DB5数据口513读信号（低电平有效）6DB4数

49、据口414CS1片选IC1信号7DB3数据口315CS2片选IC2信号8DB2数据口216A0数据/命令选择端（H/L）EL+背光源驱动电压输入端EL-背光源驱动电压输入端SMG12232B-2控制器接口说明l 基本操作时序（L为低电平，H为高电平）读状态：输入A0=L，CS1或CS2=L，RD=L，WR=H输出 DB7DB0=状态字写指令：输入A0=L，CS1或CS2=L，RD=H，WR=L，DB7DB0=指令码 输出无读数据：输入A0=H，CS1或CS2=L，RD=L，WR=H输出 DB7DB0=数据写数据：输入A0=H，CS1或CS2=L，RD=H，WR=L，DB7DB0=数据输出无l

50、状态字说明SMG12232B-2状态字说明如表3-5,3-6表3-5 SMG12232B-2的状态字说明STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D2D1D0表3-5 SMG12232B-2的状态字说明STA04未用STA5液晶显示状态1：关闭；0：显示 STA6未用STA7读写操作使能1：禁止；0：允许在使用时，对控制器的每次读写操作之前，都必须进行读写检测。以确保STA7为0。l SMG12232B-2中RAM的地址映射图LCD显示屏由两片控制器控制，每个部带有32×80位（320B）的RAM缓冲区，对应关系如图3-8所示。LCD 122

51、X32IC1 4页X61列 32X61点IC1 4页X61列 32X61点第2页第3页第1页第0页0 4页X61列 32X61019790 4页X61列 32X6101979图3-8 SMG12232B-2中RAM的地址映射3.4.2 显示电路的设计硬件电路如图3-9所示。液晶显示器SMG12232B-2的片选信号引脚CS2或CS1被选中时,液晶显示器SMG12232B-2处于工作状态。当数据/命令选择端A0为低电平时，执行命令操作，且在写信号WR有效时，单片机P0口向液晶显示器SMG12232B-2的DB7DB0位输出状态字（如液晶显示状态、读写操作使能状态）和显示指令码。当数据/命令选择端

52、A0为高电平时，且在写信号WR分别有效时，单片机P0口向液晶显示器SMG12232B-2的DB7DB0输出数据和显示数据（如正在读卡，请稍后；空卡；卡短路；非法卡；超负荷等）。图3-9液晶显示接口电路3.5 其他部分电路设计3.5.1 IC卡接口电路IC卡接口电路采用的是Atmel公司的存储IC卡，用于存储由售电管理系统写入的卡号、电度数等，是电管部门与用户连接的桥梁。为了提高IC卡操作的可靠性，必须有卡上下电控制电路、卡插入检测电路、卡短路检测电路等辅助电路，结合软件可以大大提高其读写的准确性和可靠性。IC卡接口电路如图3-10所示。R24、VD5、VT2组成卡上下电电路。当IC4的P1.6

53、=0时，VT2导通，IC卡座之VCC得电；当IC4的P1.6=1时，VT2截止，IC卡座之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IC4的P1.2口送入低电平，此信号用来检测有无卡插入。图3-10 IC卡接口电路3.5.2 电能存储器由于IC卡上有许多用户信息，如用户号、电表号、电表剩余电量、累计用电量、电表状态等，在电表上电和掉电时需要对这些数据进行必要的保护，因此需要选择合适的EPROM来存放CPU读取到的IC卡上的信息以与保护IC卡电表的工作状态参数。

54、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。1) AT24C04芯片介绍 AT24C04是ATMEL公司生产的4KB（512Bytes）E2PROM芯片，引脚图如图3-11，该芯片采用I2C总线设计，主要性能指标与AT24C02类似，不同点为：l 容量为AT24C02的两倍，分为两部分存储空间，每部分256bytes。l 有2个器件地址选择脚，一个I2C总线最多能够挂接4个AT24C04器件 l 32页，每页16字节，每次可连续写入16字节数据。l WP引脚为高电平时，AT24C04的0255地址空间的数据被写保护。l 需要9位的地址进行数据寻址。A0A1A2GNDVCCWPSCLSDA12345678图3-11 AT24C04引脚接口说明如表3-7A0为空引脚，A1,A2口为器件地址设定口，通过A1,A2口来