基于单片机的电表控制系统的研究

基于单片机的电表限制系统的探讨摘要计算机技术和微电子技术的迅猛发展，促进了仪表向智能化方向发展。智能化仪表的广泛应用，给我们的生活带来深刻的变更。本设计在原有的机械电表的基础上应用新技术，深化探讨IC卡电表限制系统的各部分功能以及实现方法和整个系统的好用性。本文选用西门子公司生产的逻辑加密卡SLE4442为信息载体，主要完成IC卡电表限制系统的设计并简洁介绍IC卡技术。在硬件设计方面，以80C51单片机为核心分析和设计了电量采集电路、数码管显示电路、供电限制电路、报警电路、稳压直流电源电路，并分析了它们的工作原理和功能。独立完成了电表限制系统内部各器件的选型和接口设计。在软件设计方面，主要包括主程序、脉冲中断子程序、显示子程序、用户卡子程序等程序的流程图。本文以硬件为主，采纳软硬件相结合的方法对电表限制系统进行探讨，并取得了初步成果。关键词单片机；IC卡；电度表AbstractTherapiddevelopmentofcomputertechnologyandmicro-electronicstechnologyhaspromotedtheelectricitymeterdevelopmenttowardsintelligence.Intelligentelectricitymeterapplicationonmanyareashasbroughtprofoundchangestoourlives.Withfoundationonintrinsicmechanismelectricitymeter,thedesignintroducessomenewtechnology,anddeeplyresearchesICcardelectricitymetercontrolledsystem’functionofeverypart,realizationwaysandpracticabilityofthewholesystem.ThispaperchoosesSiemenscompany’slogicalencryptedcardSLE4442asinformationmedium,tocompleteICcardelectricitymetercontrolledsystem’sdesignmainlyandintroducesICcardtechnologybriefly.Intheaspectofhardware,itanalyseselectronic-collectedcircuit,numeraltubedisplaycircuit,powersupplycontrolledcircuit,alarmingcircuit,voltagestableddirectcurrentsourcecircuit,andanalysestheirworkingprincipleandfunctions.Independently,itcompletesthechoiceofelectricitymetercontrolledsystem’sinherentdevicesandthedesignofinterface.Inthesoftwareaspect,itincludestheflowchartofmainprocedure,pulseinterruptprocedure,displayprocedure,user’scardprocedureandsoon.Withthewaythatgivesprioritytohardware,combineshardwarewithsoftware,itgivesresearchtoelectricitymetercontrolledsystem,andfinallygetstheprimarysuccess.KeywordsSingle-Chipmicrocomputer；ICcard；Electricitymeter目录TOC\o"1-3"\h\z摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1IC卡电表限制系统设计背景及目的 11.2本文的探讨目的 21.3本文的探讨内容 2第2章IC卡的基础学问 42.1IC卡的特点 42.2IC卡的结构 42.3IC卡的标准及协议 42.4IC卡的分类 52.5逻辑加密卡SLE4442的结构和工作原理 5第3章IC卡电表限制系统设计功能及原理图 83.1电表限制系统原理图……………………..83.2硬件电路设计 9单片机选择 9电量信号计数采集电路 113.2.3LED显示电路的设计 123.2.4IC卡的选择 143.2.5IC卡的输入电路 14存储芯片的选用 15用户供电限制电路和警报电路的设计 15看门狗复位、电压监控电路的设计 16电源电路设计 17第4章IC卡电表软件设计 19结论 25致谢 26参考文献 27附录A 28附录B 36第1章绪论1.1IC卡电表限制系统设计背景及目的随着现代信息技术的高速发展，越来越多的高科技产品进入我们的生活中，信息技术的应用已经渗透到人类社会生活的各个领域，使人类社会发生着深刻的变更。在美国90年头初提出了“国家信息基础设施NII安排”之后，欧共体、日本、新加坡等国家也相继制定了信息高速马路安排，以此来加速本土的信息化程度。IC卡作为一种新的高科技产品正在引起人们的广泛关注，它标记着又一种新的信息处理手段的问世，也标记着信息社会的到来。由于IC卡具有防磁、防静电、抗破坏性和耐用性强；防伪性好；数据存储容量大；存储数据平安性高（可加密）；应用设备及系统网络环境成本低；技术规范成熟等特点。其极高的平安性已越来越受到人们的重视已在越来越多的领域取代磁卡，得到越来越广泛的应用。为此，我国在这方面的战略举措是中国政府提出的以“金桥”、“金卡”和“金关”为代表的三金工程。“金关”工程指的是对外经贸信息网；“金桥”工程指的是国家公用经济信息通信网，它是三金工程的基础；“金卡”工程指的是电子货币工程，它是推动我国国民经济信息化的重大工程之一，主要是以IC卡为媒介，利用我国信息产业部以及银行的网络资源，通过“金桥”网构成经济信息系统，为银行商贸及旅游的部门服务。正是由于IC卡具备诸多无可比拟的优点，因此在金融、税务、公安、交通、邮电、通讯、服务、医疗、保险等各个领域都得到了广泛的重视和应用。将来多功能卡的普及与应用将变更整个社会的生活方式，是人类全面迈向信息化、电子化时代的钥匙。在21世纪发展最为迅猛的行业主要就是计算机、通讯、电子、生物学等，从发展走向成熟的过程中，已经在各个行业中广泛应用，尤其在人们日常生活中的应用给人们带来极大的便利。电子信息行业是个新兴的行业，其中最具核心价值、最具发展潜力的技术，主要包括微电子技术、计算机技术、网络技术、通信技术、软件技术和显示技术等，IC卡电度表就是在原有的机械电表中创建性地加入新兴电子信息技术。而在这全部技术中，集成电路制造技术是电子信息硬件产品的核心，而集成电路技术的核心是具有信息处理实力的单片机。单片机的兴起与发展，为电子行业迅猛发展起到了巨大的推动作用。它的应用领域无所不在。在人们日常生活的应用主要包括家用电器、通信、仪器仪表和计算机外围设备制造。由于单片机是面对限制器的，用途对象比较专一而且目标明确，与微机相比价格相对较低，节约了成本。虽然单片机已经从4位机、8位机发展到了16位机、32位机，但现在单片机的发展和应用仍旧还是以8位机为主。MCS-51系列单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS-48系列单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达到111条之多。MCS-51系列单片机可以算是相当胜利的产品，始终到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。MCS-51单片机以其典型的结构和完善的总线、专用寄存器的集中管理、众多的逻辑位操作功能及面对限制的丰富的指令系统而闻名，为今后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，因而常采纳它作为核心来统筹管理整个系统基于这种形式和已有的技术，我们在采纳智能化管理的同时必需兼顾系统的集成性及合理性，研制出一套价格适中，便利好用的产品是可以的[1]。1.2本文的探讨目的在现阶段，我国的电力收费基本上都是靠人工来完成，即由抄表人员挨家挨户查抄电表，核实无误后再收取电费。在收费过程中经常会遇到用电客户不在家，而改天再特地来收取电费。这种落后的抄表收费方式奢侈大量的人力、物力，抄表人员的劳动繁重性可想而知。再者,现代人工作繁忙,楼宇大多装有防盗门,收费工作更加不便。据资料记载，这种人工收费方式在我国已持续相当长时期，这与当今世界高度发展的科技水平极其不相称。本设计提出了一种全新的民用电表的收费方式—IC卡预付费电表收费系统，实现了用电收费电子化，而且还变更了先用电后收费的状况。电力部门能预先收取每个用户的部分费用,用于电力事业的发展。该收费系统只须要用户去当地电力部门认购一张IC卡，由电力部门将用户个人信息存储到IC卡并预付肯定的电费，用户可以在家里随时远程交付电费。这样就不须要电力部门在派专人挨家挨户的收取电费，可以节约大量的人力、物力。1.3本文的探讨内容 本设计主要是完成以80C51单片机为核心，并应用SLE4442逻辑加密卡技术的IC卡电度表限制系统的硬件设计和软件设计。本文共分为四章：第一章绪论，介绍了IC卡技术的应用领域和发展前景；其次章简要介绍了有关IC卡的基础学问，包括IC卡特点、结构、标准及协议、分类，较为具体介绍了逻辑加密卡SLE4442的结构；第三章主要是智能表的硬件设计，包括器件选择和工作原理以及与单片机的接口设计；第四章则对电表限制系统进行了初步的软件设计。该限制系统经过简洁的改进也可以适用于水表、煤气表等仪表限制系统中。第2章IC卡的基础学问2.1IC卡的特点IC卡是微电子技术和计算机技术领域的结晶，是一种全新的信息处理方式。IC卡内部具有高科技产品集成电路，可以存储大量信息，具有极强的保密性能，而且抗干扰强、无磨损、寿命长。IC卡还具有写入数据和存储数据的实力，IC卡存储器中的内容依据须要可以有条件地供外部读取和供内部进行信息处理。2.2IC卡的结构IC卡，又称为“集成电路卡”“智能卡”，英文名称“IntegratedCircuitCard”或“SmartCard”,是法国人RolandMorono于1974年独创的。将具有存储、加密及数据处理实力的集成电路芯片模块镶嵌在和信用卡尺寸一样大小的塑料基片中，便构成了IC卡。IC卡一般由不易挥发性的存储器（ROM、EPROM、EEPROM）、爱护逻辑电路，甚至包括微处理器（CPU）组成。2.3IC卡的标准及协议接触型IC卡的国际标准是最广为人知的ISO7816，我国已采纳其第1，2，3部分作为中国国家标准。此标准定义了塑料基片的物理和尺寸特性（7816/1），触点的尺寸和位置（7816/2），信息交换的底层协议描述（7816/3），7816/4论述了跨行业的吩咐集。·物理特性应符合ISO7816：1987中规定各类识别卡的物理特性和ISO7813中规定的金融交易卡的全部尺寸要求；此外还应符合国际标准ISO7816-1：1987中规定的附加特性、机械强度和静电测试方法。·触点尺寸与位置应符合国际标准ISO7816-2：1982中的规定。·电信号与传输协议：IC卡与接口设备之间电源及信息交换应符ISO/IEC7816-3：1989的规定。·行业间交换用吩咐：有相应的国际标准ISO/IEC7816-4：1994，但该版本尚未正式通过。·应用标识符的编号系统和注册过程应符合国际标准ISO/IEC7816-5：1994的规定。依据国际标准ISO7816对接触式IC卡的规定，在IC卡的左上角封装有IC卡芯片，其上覆盖有6或8个触点和外部设备进行通信，如图2.1所示。图2.1ISO标准的IC卡按ISO标准，IC卡芯片的触点极其定义为：C1（Vcc)：IC卡工作电源；C2(RST)：复位信号（可选）；C3（CLK）：有关信号的定时与同步；C5（GND）：地；C6（Vpp）：存储器编程电源（可选）；C7：IC卡中串行数据的输入/输出；剩余的2个触点（C4，C8）视不同状况在有关应用标准中予以定义。2.4IC卡的分类IC卡按应用领域可分为金融IC卡和非金融IC卡。IC卡按读/写方法分类可分为接触型IC卡和非接触型IC卡。IC卡按内部结构分类可分为存储卡IC卡、逻辑加密IC卡、智能卡（CPU）。2.5逻辑加密卡SLE4442的结构和工作原理SLE4442卡由德国西门子(SIEMENS)公司设计，它由256X8位字节的主存储器和32位的爱护PROM存储器构成。它具有2K的存储容量和完全独立的可以限制擦除/写入主存储器的爱护限制逻辑单元。内部高泵电压提升电路保证了芯片能够以单+5V电压供电，2K的存储容量能够保证存储电表数据的要求。1．芯片特点(1)芯片采纳NMOS工艺技术，每字节的擦除/写入时间最多为2.5ms。(2)存储器供应最少10万次的擦除/写入次数，数据保存时间至少10年。(3)SLE4442采纳双线通信协议，其复位应答符合ISO7816-3标准，它的触点定义和串行接口符合ISO7816标准（同步传输标准）。2．SLE4442卡的结构SLE4442IC卡芯片主要包括二个存储器和一个爱护限制逻辑单元：(1)256X6位EEPROM型主存储器。(2)32X1位PROM型爱护存储器。(3)爱护限制逻辑单元。SLE4442卡的存储器如图2.2所示。图2.2SLE4442卡的存储器结构图(1)主存储器：主存储器为可重复擦除运用的EEPROM型存储器，它的地址是从00H到FFH。主存储器的擦/写是依据字节进行的。在擦除时，一个数据字节的全部8位被全部设置为逻辑1。在写入时，待写入数据和字节中的数据做“与”操作。通常，要变更一个数据须要先进行擦除，再进行写入这两项操作。主存储器可分为爱护数据区和应用数据区。爱护数据区：主存储器前32个字节为爱护数据区，地址从00H到31H。这部分的数据读出不受限制，但擦除和写入操作受到爱护数据器内部数据状态的限制。这个PROM可以被熔断，从而不被变更。依据这一特性，我们将主存储器的爱护数据区作为IC卡的标识数据区，存放一些固定不变的标识参数。应用数据区：主存储器后224个字节为应用数据区。其地址从20H到FFH。这部分的数据读出不受限制，但擦除/写入均受爱护限制逻辑单元的数据校验比较结果的影响。当须要修改应用数据区的内容时，必需先输入一个3字节长的“校验字”，它与存在爱护限制逻辑单元里的“参照字”比较一样时，才允许擦除和写入操作。(2)爱护存储器：爱护存储器是一个32X1位的一次性可编程只读存储器。它是按字位方式寻址和写入，爱护存储器每一位对应着主存储器地址从0到31的每一个字节。爱护存储器每个被写“0”(3)爱护限制逻辑单元：爱护限制逻辑单元是一个4X8位的EEPROM型存储器。爱护限制逻辑单元的第1,2,3字节为“参照字”存储区。这3个字节的内容在比较胜利前是不行读的，只能进行比较操作。第0字节为密码输入错误计数器(EC)。密码输入错误计数器的有效位是低3位。芯片初始化时，计数器设置成“111”。这一字节是可读的。每次比较密码时，先要判定计数器中是否还有“1”，如有，则将一个“1”写“0”，然后进行比较“校验字”操作。假如比较结果一样，密码输入错误计数器将允许进行擦除操作，同时打开主存储器、爱护存储器和爱护限制逻辑单元，并允许进行擦除和写入操作。假如比较结果不一样，则密码输入错误计数器中“1”的个数少1位。当连续三次输入错误密码后，则芯片的存储单元将全部被锁死。但只要有一次比较通过，则在下次上电时密码输入错误计数器的低3位将被复原为第3章IC卡电表限制系统设计功能及原理图3.1限制系统原理图电表限制系统由单片机80C51、电量采集电路、声光报警断电限制电路、IC卡读写系统、外接存储器（EEPROM）、六位LED数码管显示器和看门狗组成。电表限制系统原理图如图3.1所示。80518051看门狗电量采集电路声光报警断电限制EEPROMIC卡座六位LED图3.1电表限制系统原理图电表限制系统可以实现预付费功能、显示功能、报警功能、断电功能和抗干扰功能。1．预收费功能：用户从电力公司买到一张IC卡后,只要向电力公司预交肯定的费用,就可获得相应的用电度数。然后将此卡插在带有计费功能的IC卡电表中,电表会自动读取卡中的买电度数值,而后可以取出卡自己保存。电表在软件限制下,自动减去用电值。2．显示功能：电表可随时显示表中所剩余的度数。为了节约系统电能的消耗和电表中电子器件的运用寿命,数码管显示部分并不是总亮着,而是由用户自己限制其显示功能。当须要显示时,按下启动显示键即可显示,样便于用户了解电量的运用状况,以便刚好交费也可对电力部门的工作进行监督。3．报警功能：当表中剩余的度数值低于肯定值时,电表将会进行声光报警,提示用户去买电。4．断电功能：假如用户不刚好买电,而又接着用电时,电表有自动断电的电路,将切断电源供应。用户买来电后,再将卡插入电表中,电表读取卡中数值后,又可自动复原供电。5．复位和抗干扰功能：采纳应用最为广泛的看门狗技术。3.2硬件电路设计硬件电路包括单片机、电量采集电路、显示电路、IC卡接口电路和爱护电路等的设计。硬件电路原理图如图3.2所示。图3.2硬件电路原理图单片机选择智能电表限制系统的核心是80C51单片机，它运算速度快，功耗低，采纳CMOS工艺制造，稳定性很高[3]。为适应现在全民节约的形势，可以在软件设计时采纳中断唤醒方式，能够大量削减单片机的工作时间，以降低系统的功耗，达到节约的目的。80C51单片机的结构如下：·8位中心处理器单元CPU；·4KB可改编程序Flash存储器，可实现3个级别的程序存储器爱护功能，可经受10000次的写入/擦除；·128X8字节的内部数据存储器；·32个可编程1/0引脚；·2个16位定时器/计数器；·6个中断源，2个优先级别；·1个可编程的串行通信寄存器；·1个片内时钟振荡器。80C51结构如图3.3所示。图3.3单片机结构图51系列的单片机大都是双列直插式40脚封装，引脚安排如图3.3所示。它们的功能简述如下：VSS：引脚号为20，电源地线。VCC：引脚号为40，芯片的主电源，接+5V。ALE/PROG：引脚号为30，地址锁存有效信号，在它的下降沿序时使BUS（P0）分时用作地址总线低8位和数据总线。PSEN：引脚号为29，外部程序存储器选择信号。并在外部程序存储器读取指令时产生，指令内容读到数据总线上。在执行内部程序存储器读取指令时，PSEN无效。RST/VPD：引脚号为9，复位输入信号。在震荡器工作时掉电状况下，VPD将为芯片内RAM供应备用电源。EA/VDD：引脚号为31，访问外部程序存储器限制信号输入端。当为低电平常单片机都到外部程序存储器读取指令。当EA为高电平且PC值小于0FFFH时，CPU执行内部程序存储器的程序。P0（BUS）：引脚号为32～39，单片机的双向数据总线和低8位地址总线。在分时操作时，先用作地址总线，在ALE信号的下降沿，地址被锁存，然后作为数据总线；也可以作为双向并行I/O口。P1：引脚号为1～8，在对Flash存储器编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。P2：引脚号为21～28，在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。P3：引脚号为10～17，P3口可用作输入口。P3口的每一还有特殊的其次功能，如表3-1所示。表3-1P3口的功能端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）XTAL1和XTAL2为内部荡振器外接晶振的二个输入端，引脚号分别为19、18。电量信号计数采集电路电量信号的采集原理特别简洁，只须要在电度表的铝盘上贴一个反光标记，利用光电耦合器对电表计数转盘上的反光标记进行检测，检测结果再经过非施密特触发器CD4093整形后，以脉冲中断方式送入单片机外部中断INT0引脚。光电耦合器的发光二极管长期通电发光，每当铝盘上的反光标记转到发光二极管所在位置时，反光标记将光反射到光敏三极管上。此时间敏三极管导通，非施密特触发器CD4093就会输出一个低电平到单片机的INT0中断端口。当铝盘的反光标记转离发光二极管所在位置，则没有光反射到光敏三极管上，光敏三极管截止。此时非施密特触发器CD4093就会输出高电平到单片机的INT0端口。其工作原理图如图3.4所示[4]。图3.4电量采集器电路图LED显示电路的设计当用户想了解剩余电量和累计用电量时，按下按钮B2，单片机获得一个中断信号INT1，并且检测到P04为0，则首先显示输出剩余电量，持续5秒钟后再显示用户累计用电量。1．LED数码管的显示方式及设定LED数码管是由8段发光二极管构成，因此也称为8段数码管显示器，其中八个管脚分别是对七个发光二极管和小数点的驱动，另外两个管脚是对字段驱动。它的8个发光二极管有两种接法：一种是把8个发光二极管的阳极连在一起构成了一个公共的阳极，称为共阳极接法，另一种是共阴极接法。而我们所采纳的就是共阴极接法的发光二极管。LED数码管的显示方法有两种：一种是静态显示，另一种是动态扫描显示。动态扫描显示电路相对简洁，因此采纳动态扫描显示的方法可以满意单片机I/O资源的运用。对于动态显示则采纳分时的方法即逐个循环地点亮各位显示器。为了在LED显示器上显示数字或符号，必需使LED的各个发光二极管按给定的组合发光，这就须要为LED供应合适的定形代码。a--g组成7个数字表示显示字段，dp表示小数点显示字段。本设计的数码管显示器为五位，第一位为小数位，其次位为个位，第三位为十位，第四位为百位，第五位为千位，第六位为万位。其中其次个数码管的dp表示小数点，在软件设计中使其发光。2．数码管驱动芯片的选择及其应用现在常用的数码管显示电路驱动芯片主要是MAX7219，它连线简洁，不占用数据存储器空间，运用便利敏捷。MAX7219是八位串行共阴极LED数码管动态扫描驱动电路的驱动芯片，其峰值段电流可达40mA；仅运用单片机3个I/O口即可完成对六位LED数码管的显示限制和驱动，线路特别简洁、限制便利，能便利的修改其内部参数，外围电路仅需一个电阻设定峰值段电流。MAX7219内部含有硬件动态扫描显示限制，它可以干脆驱动64段LED条形图显示器。数据通过单片机处理后送给MAX7219，采纳16位数据串行移位接收方式。当工作处于关闭方式时，单片机仍可对其传送数据和修改限制方式，而且芯片耗电仅为150uA。MAX7219是共阴极LED显示数码管的驱动器，具有多显示可控方式。DIN为串行数据输入端；CLK为串行时钟输入端；SGA--SGP为LED七段显示器段驱动输出端和小数点驱动输出端，要在动态显示器的其次位上显示小数点，设置一个限制字，当扫描到显示小数点的这位显示器时，就用到限制字来修改字位代码，使对应的小数点发光；DIG0--DIG7为8位字驱动端，MAX7219的字驱动端与数码管的公共阴极相连，公共阴极由此吸入电流。为实现LED的动态扫描，除了把全部显示器的8个显示段从左到右同名端连在一起外，还须对每个数码管显示器的公共极DG实行独立的I/O限制，这里只用到DIG0—DIG5驱动六位显示器输出字选信号；LOAD为装载数据限制端；Iset为LED段峰值电流供应端，它通过一个电阻与电源相连，以便给LED段供应峰值电流；GND：接地端；VCC：+5V电源端。MAX7219驱动六位LED显示器，它的连线如图3.5所示。其中P23为MAX7219供应串行数据，装载数据由P24限制，P25为它供应串行时钟脉冲，为数码管显示器供应位控信号和段控信号。由于数码管位驱动是低电平有效，而SEG段控口是高电平有效，所以MAX7219后要加ULN2803作为驱动装置来作为反向驱动器，ULN2803接到全部字段口线。然后经过三极管和限流电阻来驱动LED显示器的每一个显示字段。这样，当全部显示器接收到CPU向显示段输出口送出的字形代码时，由MAX7219为显示器供应位控信号和段控信号，位控信号再经ULN2803反向器的取反，将电平转换，然后通过三极管和限流电阻的驱动全部显示器。考虑肯定的电路须要，选+5V作为电源来供应整个显示部分。动态显示必需由段控信号确定某一显示器是否点亮。采纳分时方法，循环地限制各个显示器的DG端，使各个显示字段轮番点亮。在LED显示器扫描过程中，任何时刻只有一位显示器亮，但由于人眼的视觉惰性，显示刷新很快时，可以认为全部显示。数码管显示器电路图如图3.5所示[5]。图3.5数码管显示器电路图IC卡的选择由于采纳的是预付费、远程核算方式，须要用户先到电力部门认购IC卡和与其相应的IC卡电表。因此要在IC卡上储存个人信息、IC卡号和电表号、IC卡密码以及预付费金额等关键数据，必需将它们加密成密文保存。依据以上的实际状况，本设计选择逻辑加密存储型的IC卡，它的存储容量为2K，2K的容量可以满意存储相关数据的须要。存储的数据可能会在IC卡保留一段时间，所以IC卡要有非易失性EEPROM存储器。它的工作电压为，运用寿命为一万次擦写次数。综合以上因素，本设计采纳德国西门子公司生产的逻辑加密存储卡SLE4442为所选IC卡。IC卡的输入电路IC卡输入电路由电阻R7,R8,R9，按钮B1和IC卡接口组成。本设计采纳的IC卡接口有10个引脚。引脚1接+5V电源，引脚2,3,7分别和单片机的P00,P01,P02相连，这三个引脚要接上拉电阻R7,R8,R9。引脚9和引脚10是一对常开触点，引脚10接地，引脚9接按钮B1后再和单片机的INT1相接。当IC卡插入IC卡接卡槽中时，引脚9和引脚10之间的触点闭合，此时单片机并不马上对IC卡操作，只有在按下按钮B1，单片机获得一个中断恳求，并且检测到P04为1,IC卡获得供电后才去对IC卡进行操作。这样可以有效去抖，提高了系统的稳定性。存储芯片的选用存储芯片是一种用可电擦除的可编程只读存储器为核心的，能多次重复运用的芯片，它本身就是一种数据存储介质。本设计采纳美国ATMEL公司生产的AT24C02芯片作为数据存储器，它采纳低功耗CMOS工艺制造，片内采纳的高压泵升电路，使芯片可采纳单一电源方式工作。它的容量为2K位，内部组态为256个8位字节，随机寻址时需一个8位地址。支持ISO/IEC7816-3同步协议，芯片数据的擦写次数超过10万次，数据保存期可达10年以上。它是8引脚芯片，芯片的触点配置符合ISO/IEC7816-2标准。用户供电限制电路和警报电路的设计1．用户供电限制电路设计用户供电限制电路用于限制用户供电以及停止供电。供电限制电路由晶体管Q9，继电器J，限流电阻R11，电阻R10和续流二极管D3组成。当用户的剩余电量达到跳闸限值时，单片机从P07输出高电平，经电阻R10加到晶体管Q9的基极，使得Q9导通.则继电器J线包有电流流过，继电器吸合，使得继电器的常闭触点断开，从而使供电电路断开，停止向用户供电。当用户的剩余电量尚未达到跳闸限值时，单片机从P07输出低电平，使得晶体管Q9截止，继电器J线包没有电流流过，继电器不吸合，常闭触点接通，供电电路闭合，向用户供电。供电限制电路如图3.6所示。图3.6供电限制电路2．报警电路设计本设计的报警电路的主要目的是提示用户的IC卡预付的电费不足，应刚好去电力部门预付电费。当用户的剩余电量达到预先设定的报警值时，单片机的P22、P21引脚分别输出低电平使晶体管Q10、Q11导通，报警电路就会发出语音提示，提示用户应刚好预付电费。报警部分分为光报警和声报警两部分，如图3.7和3.8所示。图3.7光报警显示电路图3.8声报警电路运用时应特殊留意发光二极管不要超过最大功耗，最大正向电流和反向击穿电压等极限参数。看门狗复位、电压监控电路的设计X5045是集看门狗、电压监控、复位和存储等功能于一身的可编程电路，这种组合设计削减了对电路板空间的设计需求。X5045的性能稳定牢靠，具有多功能、反应速度快、抗干扰实力强等特点，运用它可在IC卡电表限制系统对单片机实施协助和爱护功能。当系统发生故障而超过看门狗设置时间或不能重新启动时，电路中的看门狗将执行复位。通过RESET信号向单片机发送位信号，启动单片机重新工作；它的清除寄存器在AT80C51运行正常时，每隔一段时间写入某一数值，就可以清除其计数器，这样就不会有计数器溢出；当电源干扰等缘由使系统无法正常运行时，不能按时执行写操作或无法清除计数器的值，计数器就会产生一个复位信号使系统复位，防止系统出现异样现象。X5045还可以免受电压低对系统的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045具有3.3MHz的时钟频率。X5045结构如图3.9所示[6]。图3.9看门狗监视器X5045电路电源电路设计1．直流稳压本设计采纳对市电变压后的电压进行整流、滤波、稳压的方法获得系统所需的电压，系统须要两种电压信号，+5V电压和+12V电压。其中+12V电压是供继电器运用，由LM7812的输出电压经再次滤波后作为数码管显示器和继电器电压。由LM7805输出经滤波后的+5V的电压作为系统的其它部分的电源。电源是将沟通市电变成直流的稳定的电压。直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路组成，各部分功能如下：（1）电压变压器T的作用是将电网220V的沟通电压变换成整流滤波电路所需的沟通电压。（2）整流滤波电路是将沟通电压变换成脉动的直流电压，再经过滤波电路滤除水纹，输出直流电压。电源电路如图3.10所示。图3.10电源电路2．LM7812和LM7805芯片以及外围电路简介LM7805是典型的串联型正稳压集成电源电路芯片，它不须要外接爱护元件，内部爱护措施很完善：有内部电流限制、热关闭和输出晶体管平安区补偿，不简洁损坏。LM7805输出电压为5伏，两旁加入电容起滤波作用。LM7805要求输入与输出电压差通常要必需大于等于5伏，假如低于这个电压差，稳压器就工作在可变电阻的状态，输出特性将变差，失去稳压的作用。估计电路中电流应为0.8安，考虑肯定的电流浮动选1安作为电源电流。另外LM7805的输出经三极管Q12后为IC卡供应工作电压VCC，当IC卡插入卡槽并且单片机获得INT1中断信号后，单片机会在P06端输出一个低电平，Q12导通，从而IC卡卡槽获得电压，同时发光二极管L1亮，起读写指示作用。当对IC卡操作完毕后，单片机在P06端输出一个高电平，Q12截止，发光二极管L1灭，停止对IC卡卡槽供电，此时可以平安的将IC卡拔出。LM7812与LM7805是同一系列的芯片，二者结构相像，只是输入和输出电压不同。LM7812的输入电压为17伏，输出电压为12伏。其外围电路的选取主要作用是对电压滤波。第4章IC卡电表软件设计用户在运用IC卡电度表时，首先要把IC卡和电表初始化。把用户的相关信息分别存储到IC卡和IC卡电度表的EEPROM中，然后进行IC卡与电表的校验，进行身份识别，实现“一表一卡”。软件设计主要包括主程序、脉冲中断程序，插卡中断程序、参数卡子程序、用户卡子程序、显示子程序等。参数说明：R0：累计用电量的脉冲数R1：剩余电量的整数部分R2：累计用电量的整数部分R3：剩余电量的小数部分R4：每度电的转数R5：EEPROM中的IC卡卡号R6：购电量R7：动态随机数R8：IC卡中的卡号R9：IC卡卡标识A：参数卡标识1．主程序本设计系统由于采纳单片机中断唤醒工作模式，使主程序的设计特别简洁。平常系统处于空闲工作方式，只有在以下三种中断状况下系统才被唤醒起先工作。第一，当用户用电并且有脉冲信号来时;其次，用户购电后插卡时;第三，用户按下显示按钮时。其中，脉冲中断为最高级中断，其次是插卡中断。主程序如下：ORG00H；起始地址JMPSTART；跳到起先程序ORG10H；INT0中断子程序起始地址JMPEXT0；脉冲中断ORG500H；INT1中断子程序起始地址JMPEXT1；插卡中断START：MOVJE,485H；INT0,INT1中断使能MOVTCON,#00H；INT0,INT1为电平触发MOVPCON,#01H；CPU空闲工作方式2．插卡中断子程序当用户购电后，将IC卡插入电表中，按下按钮B1后，这时程序进入插卡中断程序，在单片机的限制下给IC卡供电，并且有插卡指示灯亮，单片机从IC卡中读出卡标识R9，推断是参数卡还是用户卡，并跳到参数卡子程序或用户卡子程序。插卡中断子程序框图如图4.1所示。3．参数卡子程序当单片机识别出插入的IC卡是参数卡时，程序进入参数卡子程序。单片机从IC卡中读出密文，解密后进行密码比较，正确后将参数卡中的每度电的转数和IC卡卡号存入到电度表的EEPROM存储器24C02中，作为以后校验用户卡的一个参照数。4．用户卡子程序当单片机识别出插入的IC卡是用户卡时，程序进入用户卡子程序。在该程序中，单片机首先从IC卡中读取密文，解密后获得一组数据，单片机把这组数据中的一个数据和24C02存储器中的一个卡标识进行比较，以判别是否是伪卡。比较通过后，单片机还要对解密后的一个数据重新进行加密运算，将得到的数据和卡中密码比较以推断是否是本表所对应的卡。假如比较一样，则单片机把解密后生成的一个数据(购电量)和24C02存储器中的剩余电量相加后重新存入24C02中作为的剩余电量。并把卡中的购电量清零，同时把24C02中的累计用电量写入IC卡中。用户下一次购电时，累计用电量会存入售电微机中，以便供电管理部门进行统计，并且供电管理部门假如发觉用户上一次购电量加上上一次存入微机中的累计用电量与IC卡返回的累计用电量不符，说明用户用电不正常。用户卡子程序流程图如图4.2所示。5．计量脉冲中断子程序用户用电时，电表的转盘每转一圈会向单片机发出一个脉冲中断。单片机对脉冲进行累计，当累计脉冲数达到每度电的转数时，就对24C02中的剩余电量和累计用电量进行处理并重新存入24C02中。假如未达到每度电的转数，则将脉冲干脆存入到24C02中。计量脉冲中断子程序流程图如图4.3所示。6．显示子程序此显示为动态扫描显示。当有显示按钮按下时，从24C02存储器中取出要显示的量(剩余电量和累计用电量)，送到单片机内存单元，进行二进制代码到BCD码的转换，然后送到显示电路显示。首先显示剩余电量，5秒钟后再显示累计用电量，时间也是5秒钟。假如须要再次查看数据，须要再次按下显示按钮。显示子程序流程图如图4.4所示。图4.1中断子程序框图从卡中主存储器区中读取密文从卡中主存储器区中读取密文将密文解成明文R6，R7，R8从EEPROM中读取R5R8=R5？Y对R7加密生成密码XX与表中密码比较相符？YN从EEPROM中读取R1，R3R6的整数部分+R1R1R6的小数部分+R3R1将卡中R6清0从EEPROM中读取R2R2写入IC卡RETR3>R4R3—R4R3R1+1R1R1,R3写入EEPROMN伪卡非本表卡YNYN起先起先R6=0？R6=0？图4.2用户卡程序流程图中断中断从EEPROM中读出R0R0+1R00R0R0=R4？从EEPROM中读出R1，R2R1—1R1R2+1R2把R1，R2写入EEPROMRETIR1=0？R1=2？把R0写入EEPROM报警子程序断电子程序YNYNYN图4.3脉冲中断程序流程图从EEPROM取数进行代码转换从EEPROM取数进行代码转换起先初始化MAX7219RET发送剩余电量发送吩咐发送完否？NY图4.4显示程序流程图结论计算机技术和微电子技术的完备结合促进了智能化仪表的产生。由于智能化仪表的便利、好用，促使各国大力研发智能化仪表的应用技术，并使其获得飞速发展。本设计主要探讨的是IC卡电表限制系统，主要包括单片机80C51、电量采集电路、LED数码管显示电路、声光报警续电器和看门狗。在毕业设计实习中，本人主要做了如下几项工作：1．对IC卡电表的硬件选择、各部分器件的功能和原理作了较为深刻的论述，并利用Protel99画出该系统的电路原理图。2．对电表限制系统的主程序和其它部分的子程序的流程进行了初步设计。3．参阅了大量的相关文献，获得相关学问，为写好论文打下基础。由于实习的时间有限，本人设计的IC卡电表限制系统只完成的初步工作，还有很多实际中的细微环节工作还没有做到位，望老师和同学指正。致谢本人在毕业设计期间始终得到了限制系张立松老师的全面、具体的指导。张老师敏锐的思维、严谨的作风、平易近人的看法使我受益匪浅，尤其在介绍基于单片机电表限制系统的设计思想时，分析程序深化浅出，讲解了系统各部分功能的实现方法，张老师仔细负责的看法让我深受感动，我在此表示最诚心的感谢。四年的高校生活即将结束，立刻就踏入社会了，“看法确定一切”，在以后的工作生活中我将以张老师为学习的榜样，认仔细真，踏踏实实，尽自己最大的努力以最好的成果来回报老师以及身边全部同学和挚友的关切和帮助。参考文献[1]电子信息产业模式探讨课题组．电子信息产业发展趋势[M]．北京：北京航空航天高校出版社，2001，22～24．[2]李军．51系列单片机高级实例开发指南[M]．北京：北京航空航天高校出版社，2000，258～266．[3]杨宇．单片机与限制技术[M]．北京：北京航空航天高校出版社，2005，15～18．[4]颜世科，李桂芬．电子与自动化[J]．北京：机械工业出版社，1997，22～27．[5]陈汝全．电子技术常用器件应用手册[M]．机械工业出版社，1999，63～205．[6]刘守义．单片机应用技术[M]．西安电子科技高校出版社，2002，254～258．附录A80C51DevelopmentToolsWediscussesthefeaturesandadvantagesofthe80C51microprocessorfamilyandthedevelopmenttoolsavailablefromKeilSoftware.Wehavedesignedourdevelopmenttoolstohelpyouquicklyandsuccessfullycompleteyourjob.Forthisreason,ourtoolsareeasytouseandareguaranteedtohelp80CThe80C51hasbeenavailablesincetheearly1980’s.Withawidevarietyofoutstandingfeaturesandperipherals,the80C51CPUcoreisdestinedtoseeservicewellintothenextcentury.Morethan200different80C51derivativesareavailabletodayfromavarietyofchipvendors.MorethanhalfofallembeddedprojectswithaCPUusemembersofthe80C51embeddedprocessor,the80C51hasnoequal.Atypical80C51familymembercontainsthe80Cmemorydevices.80CKeilSoftwareprovidesthefollowingdevelopmenttoolsforthe80C·C51OptimizingCCompiler(seepage21),·A51MacroAssembler(seepage38),·BL51CodeBankingLinker/Locator(seepage40),·OC51BankedObjectFileConverter(seepage44),·OH51Object-HexConverter(seepage44),·LIB51LibraryManager(seepage44)·dScope-51forWindows(seepage45),·μVision/51forWindows(seepage45).C51OptimizingCCrossCompilerTheCprogramminglanguageisageneral-purposeprogramminglanguagethatprovidescodeefficiency,elementsofstructuredprogramming,andarichsetofoperators.Cisnotabiglanguageandisnotdesignedforanyoneparticularareaofapplication.Itsgenerality,combinedwithitsabsenceofrestrictions,makeCaconvenientandeffectiveprogrammingsolutionforawidevarietyofsoftwaretasks.ManyapplicationscanbesolvedmoreeasilyandefficientlywithCthanwithothermorespecializedlanguages.TheKeilSoftwareC51optimizingcrosscompilerfortheMS-DOSoperatingsystemisacompleteimplementationoftheANSI(AmericanNationalStandardsInstitute)standardfortheClanguage.TheC51compilergeneratescodeforthe80C51microprocessorbutisnotauniversalCcompileradaptedforthe80C51target.Itisaground-upimplementationdedicatedtogeneratingextremelyfastandcompactcodeforthe80C51microprocessor.Formost80C51applications,theC51compilergivessoftwaredeveloperstheUsingahigh-levellanguagelikeChasmanyadvantagesoverassemblylanguageprogramming.Forexample:·Knowledgeoftheprocessorinstructionsetisnotrequired.Arudimentaryknowledgeofthe80C·Registerallocationandaddressingmodedetailsaremanagedbythecompiler.·Theabilitytocombinevariableselectionwithspecificoperationsimprovesprogramreadability.·Keywordsandoperationalfunctionsthatmorenearlyresemblethehumanthoughtprocesscanbeused.·Programdevelopmentanddebuggingtimesaredramaticallyreducedwhencomparedtoassemblylanguageprogramming.·Thelibraryfilesthataresuppliedprovidemanystandardroutines(suchasformattedoutput,dataconversions,andfloating-pointarithmetic)thatmaybeincorporatedyou’reyourapplication.·ExistingroutinecanbereusedinnewprogramsbyutilizingthemodularprogrammingtechniquesavailablewithC.·TheClanguageisveryportableandverypopular.Ccompilersareavailableforalmostalltargetsystems.Existingsoftwareinvestmentscanbequicklyandeasilyconvertedfromoradaptedtootherprocessorsorenvironments.C51LanguageExtensionsTheC51compilerisanANSIcompliantCcompilerandincludesallaspectsoftheprogramminglanguagethatarespecifiedbytheANSIstandard.AnumberofextensionstotheCprogramminglanguageareprovidedtosupportthefacilitiesofthe80C·DataTypes,·MemoryTypes,·MemoryModels,·Pointers,·ReentrantFunctions,·InterruptFunctions,·Real-TimeOperatingSystems,·InterfacingtoPL/MandA51sourcefiles.Thefollowingsectionsbrieflydescribetheseextensions.DataTypesTheC51compilersupportsthedatatypeslistedinthefollowingtable.Inadditiontothesescalartypes,variablescanbecombinedintostructures,unions,andarrays.Exceptasnoted,youmayusepointerstoaccessthesedatatypes.MemoryTypesTheC51compilersupportsthearchitectureofthe80C51anditsderivativesandprovidesaccesstoallmemoryareasofthe80C51.EachvariablemaybecodeProgrammemory(64Kbytes);accessedbyopcodeMOVC@A+DPTR.dataDirectlyaddressableinternaldatamemory;fastestaccesstovariables(128bytes).idataIndirectlyaddressableinternaldatamemory;accessedacrossthefullinternaladdressspace(256bytes).bdataBit-addressableinternaldatamemory;allowsmixedbitandbyteaccess(16bytes).xdataExternaldatamemory(64Kbytes);accessedbyopcodeMOVX@DPTR.pdataPaged(256bytes)externaldatamemory;accessedbyopcodeMOVX@Rn.MemoryModelsThememorymodeldeterminesthedefaultmemorytypeusedforfunctionarguments,automaticvariables,andvariablesdeclaredwithnoexplicitmemorytype.YouspecifythememorymodelonthecommandlineusingtheSMALL,COMPACT,andLARGEcontroldirectives.Byexplicitlydeclaringavariablewithamemorytypespecifier,youmayoverridethedefaultmemorytype.SMALLInthismodel,allvariablesdefaulttotheinternaldatamemoryofthe80C51.Thisisthesameasiftheyweredeclaredexplicitlyusingthedatamemorytypespecifier.Inthismemorymodel,variableaccessisveryefficient.However,alldataobjects,aswellasthestackmustfitintotheinternalRAM.Stacksizeiscriticalbecausethestackspaceuseddependsuponthenestingdepthofthevariousfunctions.Typically,iftheBL51codebankinglinker/locatorisconfiguredtooverlayvariablesintheinternaldatamemory,thesmallmodelisthebestmodeltouse.COMPACTUsingcompactmodel,allvariablesdefaulttoonepageofexplicitlydeclaredusingthepdatamemorytypespecifier.Thismemorymodelcanaccommodateamaximumof256bytesofvariables.Thelimitationisduetotheaddressingschemeused,whichisindirectthroughregistersR0andR1.Thismemorymodelisnotasefficientasthesmallmodel,therefore,variableaccessisnotasfast.However,thecompactmodelisfasterthanthelargemodel.Thehighbyteoftheaddressisusuallysetupviaport2.Thecompilerdoesnotsetthisportforyou.LARGEInlargemodel,allvariablesdefaulttoexternaldatamemory.Thisisthesameasiftheywereexplicitlydeclaredusingthexdatamemorytypespecifier.Thedatapointer(DPTR)isusedforaddressing.Memoryaccessthroughthisdatapointerisinefficient,especiallyforvariableswithalengthoftwoormorebytes.Thistypeofdataaccessgeneratesmorecodethanthesmallorcompactmodels.PointersTheC51compilersupportspointerdeclarationsusingtheasteriskcharacter(‘*’).YoumayusepointerstoperformalloperationsavailableinstandardC.However,becauseoftheuniquearchitectureofthe80C51anditsderivatives,theC51compilersupportstwodifferenttypesofpointers:memoryspecificpointersGenericPointersGenericpointersaredeclaredinthesamewayasstandardCpointers.Forexample:char*s;/*stringptr*/int*numptr;/*intptr*/long*state;/*longptr*/Genericpointersarealwaysstoredusingthreebytes.Thefirstbyteisforthememorytype,thesecondisforthehigh-orderbyteoftheoffset,andthethirdisforthelow-orderbyteoftheoffset.Genericpointersmaybeusedtoaccessanyvariableregardlessofitslocationin80C51memoryspace.Manyofthelibraryroutinesusethesepointertypesforthisreason.Byusingthesegenericuntypedpointers,afunctioncanaccessdata80C·PeepholeOptimization:Complexoperationsarereplacedbysimplifiedoperationswhenmemoryspaceorexecutiontimecanbesavedasaresult.·AccessOptimizing:Constantsandvariablesarecomputedandincludeddirectlyinoperations.·DataOverlaying:DataandbitsegmentsoffunctionsareidentifiedasOVERLAYABLEandareoverlaidwithotherdataandbitsegmentsbytheBL51codebankinglinker/locator.·Case/SwitchOptimizing:Dependingupontheirnumber,sequence,andlocation,switchandcasestatementscanbefurtheroptimizedbyusingajumptableorstringofjumps.OptionsforCodeGeneration·OPTIMIZE(SIZE):CommonCoperationsarereplacedbysubprograms.Programcodesizeisreducedattheexpenseofprogramspeed.·OPTIMIZE(SPEED):CommonCoperationsareexpandedin-line.Programspeedisincreasedattheexpenseofcodesize.·NOAREGS:TheC51compilernolongerusesabsoluteregisteraccess.Programcodeisindependentoftheregisterbank.·NOREGPARMS:Parameterpassingisalwaysperformedinlocaldatasegmentsratherthendedicatedregisters.Programcodecreatedwiththis#pragmaiscompatibletoearlierversionsoftheC51compiler,thePL/M-51compiler,andtheASM-51assembler.DebuggingTheC51compilerusestheIntelObjectFormat(OMF51)forobjectfilesandgeneratescompletesymbolinformation.Additionally,thecompilercanincludeallthenecessaryinformationsuchas;variablenames,functionnames,linenumbers,andsoontoallowdetailedandthoroughdebuggingandanalysiswithdScope-51orIntelcompatibleemulators.AllIntelcompatibleemulatorsmaybeusedforprogramdebugging.Inaddition,theOBJECTEXTENDcontroldirectiveembedsadditionalvariabletypeinformationintheobjectfilewhichallowstype-specificdisplayofvariablesandstructureswhenusingcertainemulators.YoushouldcheckwithyouremulatorvendortodetermineifitiscompatiblewiththeIntelOMF51objectmoduleformatandifitcanacceptKeilobjectmodules.BL51CodeBankingLinker/LocatorTheBL51codebankinglinker/locatorcombinesoneormoreobjectmodulesintoasingleexecutable80C51program.Thelinkeralsoresolvesexternalandpublicreferences,andassignsabsoluteaddressestorelocatableprogramssegments.TheBL51codebankinglinker/locatorprocessesobjectmodulescreatedbytheKeilC51compilerandA51assemblerandtheIntelPL/M-51compilerandASM-51assembler.Thelinkerautomaticallyselectstheappropriaterun-timelibraryandlinksonlythelibrarymodulesthatarerequired.Normally,youinvoketheBL51codebankinglinker/locatorfromthecommandlinespecifyingthenamesoftheobjectmodulestocombine.ThedefaultcontrolsfortheBL51codebankinglinker/locatorhavebeencarefullychosentoaccommodatemostapplicationswithouttheneedtospecifyadditionaldirectives.DataAddressManagementTheBL51codebankinglinker/locatormanagesthelimitedinternalmemoryofthe80C51byoverlayingvariablesforfunctionsthataremutuallyexclusive.Thisgreatlyreduc