IC卡智能电表的设计毕业论文

一、系统总体设计1.1智能IC卡电能表的结构与工作原理智能IC卡电能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。根据上述功能其结构设计如图1-1：图1-1智能IC卡电能表的总体结构图智能IC卡电能表在电子计量工作原理基础上,加上西门子SLE4442IC卡控制器AT89C52单片机构成智能IC卡控制功能。当计量模块发出脉冲信号或用户插入IC卡时,仪表进入相应工作状态。首先,运算控制模块将存储在电能表数据存储模块中的用户电量剩余值取出并在LCD液晶显示模块上显示。接着,判断是否是计量脉冲到来,若是则启动计数及计算功能,计算此时的用电量,经过一定的运算得到这段时间中用户消耗的用电量。那么,上次用户预购电量剩余值减去用电量后,得到的就是新的用户预购电量剩余值。如果该值小于某一值时,仪表出指令关闭开关,停止对用户的电能供应,电能表也进入低功等待状态。此时用户可以持IC卡供电单位购电。当该用户将已经购电的IC卡插入电能表的IC卡接口中,电能表被唤醒。如果IC卡是合法卡,电能表将IC卡中储存的预购电量数据解密后与原来用户预购电量剩余值相加得到新的用户电量剩余值,同时擦除IC卡中储存预购电量数据,打开继电器开关,从而恢复了对用户的电能供应,电能表随后又进入计量状态。预购电量剩余值、累积电量等可用按键选择查看。若用户电量预购剩余值过少时,电能表将提示用户需要购电。1.2系统的组成智能IC卡电表系统主要由以下几个模块组成：1.运算处理模块;2.计量模块；3.电源模块；4.IC卡读写接入模块；5.看门狗电路模块；6.LED显示模块；二、系统的硬件设计与实现2.1系统的硬件组成2.1.1ATAT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。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、工作特点和指令系统等方面兼容。其主要工作特性是：a.片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；b.片内数据存储器内含256字节的RAM；c.具有32根可编程I/O口线；d.具有3个可编程定时器；e.中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；f.串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；g.具有一个数据指针DPTR；h.低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；i.具有可编程的3级程序锁定位；j.AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；k.AT89C52最高工作频率为24MHz。单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程[5]。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写(>1000次）FlashROM·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz·2个串行中断·可编程UART串行通道·2个外部中断源·共6个中断源·2个读写中断口线·3级加密位·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能AT89C52单片机的引脚如图2-1所示图2-1单片机的引脚2.2IC卡部分2.2.124C01的基本原理：24C01的特点是单相电源供电，工作电压范围宽：2.5~5.5V；低功耗CMOS技术（100KHz，2.5V和400KHz，5V兼容），自定时写周期（包含自动擦除），页面写周期的典型值为2ns，具有硬件写保护。器件型号24C01的结构和引脚如图2-2所示：图2-2器件型号24C01的结构和引脚其中:SCL---串行时钟端SDA---串行数据端WP---为写保护，当WP为高电平存储器只读；当WP为低电平时存储器可读可写。SDA为漏极开路端，需接上拉电阻到VCC。数据的结构为X8位。信号为电平触发，而非边沿触发。输入端内接有滤波器，能有效抑制噪声。自动擦除（逻辑“1”24C01采用I2C规程，运用主从双向通信。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件（通常是微控制器）和从器件可工作与接收器和发送器状态。总线必须有主器件控制，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。串行E2PROM为从器件。无论主控制器，还是从控制器，接受一个字后必须发出一个确认信号ACK。开始和停止位控制总线有效。操作在开始位控制下开始，再停止位控制下结束。开始位为SCL为低，SDA由高到低变化。停止位为SCL为高时，SDA由低到高变化。当SCL为高时，数据稳定有效，在SCL脉冲的低电平期间数据SDA改变，变为所传输的数据位。对每一个SCL脉冲，只能传送一位数据。控制字节要求：开始位以后，主器件送出8位控制字节。控制字节的结构（不包括开始位）如表2-1所示：表2-1控制字节的结构1010A2A1R/W(1/0)I2C片选信号读写控制位说明：(1)控制字节的第1～4位为从器件地址位（存储器为1010）。控制字节中的前4为码确认器件的类型。此4位码由飞利浦公司的I2C规程所决定。1010码即为从器件为串行E2PROM的情况。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，其他非串行E2(2)控制字节的第5～7位为1～8片的片选或存储器内的块地址选择位。此三个控制位用于选片或者内部块选择。此处24C01内部无连接。A2、A1、A0引脚无内部连接，这三位无关紧要；作为器件选择的，可接高电平或低电平。(3)控制字节第8位为读、写操作控制码，如果此位为1，下一字节进行读操作（R）；此字节为0，下一字节进行写操作（W）。当串行E2PROM产生控制字节确认位以后，主器件总线上将传送相应的字地址或数据信息。2.3标准异步串行通信接口技术2.3.1RS-232C总线标准接口RS-232标准接口的全称是：“使用二进制进行交换的数据设备和数据通信设备（DCE）之间的接口”。计算机、外设、显示终端等都属于数据终端设备，而调制解调器则是数据通信设备。RS-232在通信线路中的连接的方式如图2-3所示：图2-3RS-232在通信线路中的连接方式“RS-232C”中的RS是RECOMMENDEDSTANDARD的缩写。232是标识符，C表示此标准修改了三次（原来有过RS-232A、RS232-B标准）RS-232C定义了20根信号线，其中最常用的信号线的定义、分类及功能见表表2-2最常用的信号线的定义、分类及功能引脚号信号名称简称方向信号功能1保护地--接设备外壳，安全地线2发送数据TXDDCEDTE发送串行数据3接收数据RXDDTEDTE接收串行数据4请求发送RTSDCEDTE请求切换到发送方式5清除发送CTSDTEDCE以切换到准备接收（清除发送）6数传设备就绪DSRDTEDCE准备就绪7信号地--信号地8载波检测（RLSD）DCDDTEDCE已接收到远程信号20数据终端就绪DTRDCEDCE准备就绪22振铃指示RIDTE通知DTE，通信线路以妥电气特性：由于RS-232C是早期（1969年）为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电平是对地对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平为+5V~+15V之间，逻辑1电平为-5V~-15V之间，因此，RS-232C驱动器与电平连接必须经过电平转换。RS-232C由于发送器和接收器之间具有公共的信号地，不能使用双端信号，因此，共膜噪声会耦合到信号系统中，这是迫使RS-232C使用较高传输电压的主要原因。即使如此，该标准的信号传输速率也只能达到20KB/S，而且最大距离仅15M。只有在这种条件下才能可靠地进行数据传输。2.3.2MAX232芯片及接口电路2.3.2.1MAX232芯片介绍：MAX232芯片是MAXIM公司生产、包行两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232C所输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适用性更强。2.3.2.2实际RS232接口电路：在实际中，器件对电源噪声很敏感。因此，VCC必须对地加去耦电容C5，其值为0.1F。电容C1、C2、C3、C4取同样数值的钽电解电容1.0F/16V，用以提高抗干扰能力，再连接时必须尽量靠近器件。MAX232芯片的引脚结构如图2-4：图2-4MAX232芯片的引脚结构注意：如使T1IN接单片机的发送端TXD，则PC机的RS-232的接收端RSD一定要对应接T1OUT引脚；同时，R1OUT接单片机的RXD引脚，PC机的RS-232的发送端TXD对应接R1IN引脚，其接口电路如图2-5：图2-5接口电路图2.3.2.3MAX232在串口通信中的作用分析与测试在单片机中，谈到串口通信，必然涉及R斗232C。RS-232C是美国电子工韭协会ElA制定的一种串行物理接日标准。RS是英文“报荐标准”的缩写，232是标志号，C表示修改的次数。RS232C定义了数据终端设备(DTE)数据透信设备(DCE)之问的物理接口标准。接口标准包括机械特性、功能特性和电气特性等方面的内容。在电气特性中，逻辑0电平为+5v．-15V，逻辑l为-15V,-5V，常称之为RS232电平。而单片机输出的是TTL或COMS电平。我织知道，TTL／COMS电平规定逻辑0毫平为0V，逻辑1电平为+5V。显然，当PC机与单片机进符通信时，其接口就不能直接相连，必须经过电平转换，否则就会损坏设备。早期常用作电平转换器的集成芯片有MCl488和MCl489，其中MCl488输入为TTL电平，输出为RS232毫平；MCl89输入为RS232电平，输出为TTL电平。在PC机与单片机通信中，往往需要同时使用这两种芯片，以实现RS232接口与单片机的连接。2.4显示驱动芯片MC14499MC14499是由MOTOROLA公司的高集成度LED显示驱动器,采用态扫描方式显示驱动4个LED数码管。它集锁存、译码、驱动、扫描、时钟于一体。所需的辅助电路简单,MC14499与单片机的数据传送采用串行同步方式。因此,用MC14499组成单片机的显示电路,具有占用单片机软件资源小,不再再外加电路即可与单片机协调工作,使用灵活方便,电路简单可靠等特点。MC14499引脚图如2-6:图2-6MC14499引脚图2.4.1其各引脚的功能与作用如下：A～G（1～15号）引脚：LED显示器的七位段码输出；dp：（14号）引脚：LED小数点位显示输出；IV～I:（781011号）引脚：4个位选通输出端OSC：（6号）引脚：晶振输出端，需外接电容；DATA:(5号)引脚：串行数据输入端；CLK：（13号）引脚：时钟输入端，为串行输入数据提供同步时钟信号；EN非：（12号）引脚：使能控制端，控制串行数据输入及并行数据的锁存；VDD：芯片电源VSS：接地端2.4.2电路工作原理MC14499能接受20位数据的串行输入,16位用作四位LED显示,4位用作小数点显示。输入时序是先发送四位小数点码,当ENB由高变底时,MC14499的寄存器开始接受串行数据。2.4.3显示驱动程序所显示的数据存放在30H、31H、32H单元。XIANSHI：CLRP0.4CLRP0.5MOVR1，#30HINCRlINCRlM0VA，@RlSWAPALCALL0001DECRlDECRlMOVA，@RlLCALL000INCR1MOVA，@RlLCALL0000SETBP0.4RET0000：MOVR7，#08HSJMP0002000l：MOVR7，0002：SETBP0.5RLCAMOVP0.6,CNOPCLRP0.5DJNZR7，0002CLRP0.6RET2.5存储器24LC04b2.5.1存储器24LC04b简介24LC04B器件是4KB的E2PROM。它分为2个256×8位的存储器空间,低压设计使得在2.5V的情况下仍然能正常工作。其典型的静态和读写状态下的电流分别为5LA和1mA,因此是软件加密狗的首选器件。该器件还有页写入功能:一次可以写入16字节的数据,典型的页写入时间为10ms。另外还具有写保护功能。其封装外形如图2-7所示图2-724LC04B封装外形图数据的寻址24LC04B器件的读写控制信号由控制字决定,控制字长为1字节,格式如图2所示.控制字的高4位为控制字代码,表示该字节为控制字,最低位为读写控制位,当该位为1时,表示该控制字后面将进行写存储器操作;当该位为0时,表示该控制字后面将进行读存储器的操作.其它3位表示整个存储空间的高3位地址24LCXX器件上有3个地址编码引脚,这些引脚上的电平状态决定了该器件或者存储区的寻址地址.它与控制字中的A2，A1，A0，3位的内容相对应。因此,在对24LC04的第2个256×8位的存储空间进行访问时,需要将控制字中的A0的状态设置为1,管脚A0也要上拉到1。需要注意的是,由于24LC04B器件的存储空间为2×256×8位,所以当使用8位地址时只能对256×8的存储空间进行寻址,如果要对另外的256×8的地址空间进行寻址,必须还要引入1位地址,它就是控制字中的A0，这相当于2个存储空间为256×8的器件同时挂在I2C总线上。因此,一个I2C总线上只能挂4个24LC04B器件,或者2个24LC08器件。这是因为总线的地址只有11位的缘故。这在设置器件地址编码引脚的状态时需要注意。如果需要更大的存储空间,则可以使用诸如24LC64等较大容量的芯片,它在控制字和数据地址之间增加一个字节的地址字,从而扩大了寻址范围。即使使用24LC64芯片,最多也只能在I2C总线上同时挂8个芯片。这是因为器件上只有3位片选地址,即A2，A1，A0页方式写数据：当使用页方式将一批数据连续写入存储器时,就必须注意器件在时序上的要求.例如,在对存储器进行初始化清零时,必须将存储器的所有的地址均写上0数据,这样,就必须将数据按循环的方式连续地写到对应的地址中。由于器件的内部只有16个字节的数据缓冲区,多于16字节的数据将会覆盖原来输入的数据,所以一次只能将16个字节的数据写入存储器,而且,该写入的过程将持续10ms,所以,在2次写入数据之间,必须插入延迟等待程序或者让程序执行其它的操作。如果不到10ms就进行下一次循环操作,将会导致有些存储地址的数据没有写入,从而出现错误[20]。读数据的时序：当主控器件要从存储器中的某个地址读数据时,需要注意的是,必须经过2个开始信号和停止信号才能完成整个的读写过程。因为主控器件向存储器发送被读数据的地址时,是向存储器写数据,而实际要进行的操作是从该地址读数据,所以必须重新向存储器发送读控制字以及相应的开始和结束信号等。此外,由于器件的读写操作是在时钟的不同的边沿进行的:在时钟的上升沿将数据写入存储器,在时钟的下降沿将数据读出存储器。所以,在读操作过程中,向器件写入控制字后,时钟为高电平,在紧接着的时钟的下降沿立即输出数据的第一位,这在编写程序时要特别注意,否则读出的数据将会丢失一位。数据保护在24LC04芯片的引脚中,有一个引脚为数据保护输入位,当此引脚接低电平时,存储器可以进行正常的读或写操作,当此引脚接高电平时,存储器不能进行写操作,只能进行读操作。这样可以将存储器作为ROM来使用。因此,可以方便地将这个特性应用于数据安全方面的应用中,避免对数据进行意外的非法操作。2.6比较器LM393LM393为双电压比较器，LM393系列由两个偏移电压指标低达2.0的独立精密电压比较器构成。该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。该产品也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。本品还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。LM393系列可直接与TTL及CMOS逻辑电路接口。无论时正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时，LM393系列便与MOS逻辑电路直接接口。2.7电源部分2.7.1智能电表各部分电源介绍于电能表是属于不间断工作的电力计量产品，因而其电源电路是其设计的关键部分。电源电路负责给各个模块供电，以保证整个电能表的正常运行。需要供电的模块有：(1)电能计量芯片+5V的直流电源；(2)用于单片机等数据处理单元电路的+5V直流电源；(3)RS-484通信接口电路的+5V直流电源；电源转换电路均采用交流变压器直接变压整流，再经过线性稳压获得+5V直流电压。2.7.2智能源电电表各部分电源电路图电路图如下图2-8电源电路2.8看门狗电路部分IMP813L是一款性价比高，简单易用，性能优良的微处理器监控芯片，它带有一个1.6秒的看门狗定时器高电平有效的复位输出，7V门限的电源故障报警电路，可以用于检测电源电压和非5V的电源。同时具有手动复位输入。WDI引脚主要是作为Watchdog定时器的输入端。如果WDI端在1．6s之内有信号触发，那么看门狗定时器被清零，并从零开始计时。如果WDI端在1．6s之内没有信号触发，则看门狗定时器由于没有及时被清零而溢出，则WDO将输出低电平，触发单片机的复位引脚。上电复位即用比较器产生触发信号出发发生器，以此产生复位信号。同时，对时基产生的脉冲进行定时，只要电压低于4．5V，复位信号RESET无效。当电源电压超过4．5V时，RESET信号仍将继续保持140ms左右，以保证MCU复位可靠。手动复位时，MR接地时间不小于150ns，则可以产生一个手动复位过程，即在复位端产生140ms的有效复位信号(高电平有效)。若将WDO端与MR连接，则可组成上电复位及看门狗复位电路。掉电检测模块采用的是电压比较器。当PH引脚与电源电压相连时，如果VPF小于7V，则IMP831L内部电压比较器输出端PFO呈低电平，一旦VPF大于7V，PFO又呈高电平。在电表系统中，由于大部分电路是由电网供电的，因此会面临突然停电的可能。突然掉电时就需要保护累积在单片机内部RAM中的数据，这里采用了IMP813L作为掉电检测的芯片。IMP813L的内部包含一个看门狗电路和电压检测电路，可以同时实现看门狗和掉电检测两种功能。在电路的设计中，P引脚直接连接变压器输出整流后的电源，在电网停电时，这里会最先反映。当电压降到7V以下时，PFO的输出电平会变为低电平，利用这个电平的跳变，作为触发MCU中断的信号，使MCU能迅速响应，把RAM中的数据转存到数据存储器中。看门狗电路的原理图如下图2-9看门狗电路原理图2.9传感器电路部分在设计中传感器部分我用到的是光电传感器，下面介绍一下光电传感器。电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。本文通过在铝盘上贴上黑胶布，当发光二极管发出的光照在黑胶布上时，不能产生光电效应。当照在铝盘上时则产生光电效应。正是这样一圈一圈的周而复始的间断光电效应，使电能表完成了计量功能。本文采用的传感器电路图2-18：图2-10传感器电路组成的计量电路2.10报警电路本设计采用的由发光二极管和蜂鸣器组成的一个声光报警器，它们分别与AT89C52单片的P25，P26引脚相接，二极管在高电平下有效发光，当P25引脚的电压为低电平时，通过反向器后变为高定平，则二极管导通发光，此时表明单片机工作电压不正常，报警。同理，蜂鸣器的工作原理也一样。P25，P26引脚组成了该系统的报警系统。报警器的部分电路如图2-11：图2-11报警电路2.11系统总体设计图系统总体设计图A附录B三、系统软件设计与实现3.1系统软件程序流程图智能IC卡电能表的功能是在软件的支持下完成的，系统的软件设计部分包括主程序以及各子程序。3.1.1.下面就是主程序流程图：图3-1主程序流程图3.1.2中断子程序框图

图3-2中断程序流程图3.1.3图3-3过载子程序流程图3.1.4对存储器读操作过程和写操作类似，就是单片机从SDA数据上读出指定存储地址中的数据。通过软件程序的设计可以将电量每变化0.1KWh就向存储器中写入一次电量数据，此外系统的一些初始化参数比如：电能表的型号等一些重要的信息都应写入存储器中。单片机对数据存储器的写程序流程图图3-4存储器流程图33.2模拟I2C总线数据传输程序24C01系列是采用I2C接口的串行EEPROM器件。而51系列单片机大多无I2C总线接口功能，这就要靠软件来模拟了。I2C总线在标准方式下的最高时钟频率为100KHZ，时钟信号最小时端为4.7S，高电平时端不得小于4S，这就决定了器件的最大传送率不大于10KB/S。可用展宽TLOW的办法来降低数据传送率。用普通I/O线模拟I2C总线数据传送时，必须遵从定时规范。下图绘出了启动、停止、发送应答ACK（“0”数据位）以及发送反态应答位（3.2.1图3-5时钟SCL和SDA发送和停止图如果单片机所用晶体振荡器的频率为6MHz，则每个周期为2S根据上图的（A）、（B），我们可分别写出产生时钟SCL和SDA的发送起始条件和停止条件两段子程序。本设计中晶体频率并非6MHz，而是使用12MHz的晶振频率，则要相应增加各程序段中NOP指令的条数，NOP指令应增至4条以满足时序的要求。（A）.发送起始条件STAT（B）.发送停止条件STOP STA： SETB P1.7 STOP: CLR P1.7 SETB P1.6 SETB P1.6 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP CLR P1.7 SETBP1.7 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP CLR P1.6 CLRP1.7 RET RET3.2.该子程序的功能是在时钟的高电平时数据以稳定，读入一位，经过8个时钟从SDA线上读入一个字节数据，并将所读字节存于A和R6中。RDB：MOVR7，#8 ；R7存放位计数器初值RLP：SETB P1.7 ；P1.7输入SETB P1.6 ；SCL脉冲开始MOV C，P1.7；读SDA线MOV A，R6；取回暂存结果RLC A ；移入新接收为位MOV R6，A ；暂存入R6CLR P1..6 ；SCL脉冲结束DJNZ R7，RLP ；未读完8位，转RLPRET ；8位