基于单片机的智能ic卡电表设计(硬件系统)_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的智能ic卡电表设计(硬件系统)_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

电能。 可省去高精度 A/D 的费用的同时，也可以减少单片机内部处理功率的步骤，转 而 由 ADE7758 完成。 同时，由于该智能电表采用分时计费系统，方案二中特 别 采用一块时钟芯片以提高对于时间的计时准确程度，以确保该电表可以准确计费，同时，由于时钟芯片本身集成有微型电池，可以在断电的情况下继续运行，保证了在智能电表断电的同时，计时系统不至于停止工作。 在 方案 二 中，由 ADE7758 进行功率的计算并进行校准，在该芯片中，通过每相有功增益寄存器写入数据，可对输出产 生的平均功率经行改变，该芯片中在每个相位集成了一个有功偏移寄存器，该寄存器为 12 位寄存器，用以对有功功率经行校准，由于实际电路的工作环境的复杂和多变，以及芯片本身制造工艺和各通道之间经行的干扰，都会造成误差的产生，有功功率寄存器的一个 LSB相当于有功功率乘法器输出的 LSB 的 1/16。 在满刻度信号采集 ADE7758 处理器 键盘输入 信号滤波 LCD 显示报警警 时钟芯片 IC 卡 第二章 总体方案设计 6 输出时，如果乘法器的输出为 XCCCCS（ 838861d）， LPF2 输出端的 1 个 LSB 相当于在电流通道满刻度－ 60dB 计量误差的 ％。 在满刻度时，－ 60dB（输入信号级别为满刻度信号输入的 1/1000 ）， LPF2 的 平 均 数 值 为 (838,861/1,000)。 LSB ＝1/100% = 测量值的 %。 有功功率偏移寄存器修正分辨率为 % （ − 60 dB）。 另外 ADE7758 的各相有拥有一个空载阀值，如果有功公功率的测量值低于满刻度的%，则该值不会被累加，有效的避免了电表的浅动。 ADE7758 通过 41 个电能寄存器连续累加有功功率以实现对信号的积分作用，这种离散的累加作用就相当于连续时间的积分作用，平均有功功率的计算时，是有符号运算的，负电能将会在有功功 率寄存器中被扣除。 当有功功率为正，且达到最大值时，有功功率的数值将反转到达满刻度的负值 0X800，并继续增加，当有功功率为负值，且持续减小到达最小时，会自动转为正的对大刻度 0X7FFF，并继续降低。 在软件系统上，该方案与方案一的区别在于，重点在对于 ADE7738 和 DS12887 两块芯片的读写程序的书写， 虽然 在硬件的搭建上降低了难度，但是在程序书写上难度有所增加。 方案选择 通过对以上两种方案的具体描述 和对比 ，对他们各自的优缺点有了一定的了解。 要完成对于电费的准确计算，并综合本次 毕业 设计成本 及可行 性 进行考虑，最终选择了方案二为本次 毕业 设计的最终设计方案。 南昌工程学院本科毕业设计 (论文 ) 7 第三章 器件介绍和单元模块设计 只有各个系统单元模块的有机结合，才可以构成一个完整的系统。 下面将介绍本次设计中使用的一些特殊器件和具体的各功能模块电路组成。 器件介绍 AT89C51单片机 本设计采用低功耗，高性能的 AT89C51 单片机 , AT89 系列单片机（简称 89 系列单片机）是 ATMEL 公司的 8 位 Flash 单片机。 这个系列单片机最吸引人的特点就是在片内含有 Flash 存储器， AT89C51 的单片机是一种低功耗 ，高性能的含有 4K 字节快 擦 写可编程／ 擦 除只读存储器（ EEPORM）的 8 位 CMOS 单片机，时钟频率高达 24MHZ，与 8086的指令系统和引脚完全兼容。 芯片上的 EEPROM 允许在线（＋ 5V）电 才擦 除，点写入或采用通用的非易失存储器对程序存储器重复编程。 此外， AT89C51 还支持由软件选择的二种掉电工作方式。 非常适用于电池供电或其他要求低 功 耗 的 场合。 由于芯片内的 4Ｋ程序存储器可在线或用编程器重复编程，因此它有着十分广泛的用途，特别是在便携式和需要特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。 图 AT89C51和 AT89C2051管脚图 ADE7758 ADE7758 是一款高精度的电能计量芯片，具有高准确度，适用于三相 /三线，三相 /四线和其他各种三相系统，该芯片通过 SPI 数据串行接口和单片机进行连接，模拟电源端第三章 器件介绍和单元模块设计 8 （ AVDD） =数字电源（ DVDD） =5V177。 5%,模拟地端（ AGND） =数字地（ DGND） = 0 V, 使用片内基准源 ,CLKIN =10 MHz XTAL,温度范围为 −40176。 C 至 +85176。 C[3]。 ADE7758 的管脚图如下图所示： 图 ADE7758管脚图 ADE7758 通过 SPI 串口读写时序图： 图 ADE7758写时序 南昌工程学院本科毕业设计 (论文 ) 9 图 ADE7758读时序 DS12887 DS12887 为一款时钟芯片，该器件可以提供 RTC/日历，闹钟，三个可屏蔽中断和一个可编程方波以及一个 114 字节的 RAM，此 RAM 有电池备份，不会导致断电后时钟停止的现象，该器件把石英晶体和电池集成在了一起，少于 31 天的月份月末日期可自动调整，其中包括闰年补偿，该芯片还有一个精密的温度补偿电路用来监视 VCC 的状态，如果检测到主电源故障可自动转换到备用供电，该芯片接口支持 Intel 和 Motorola 两种模式，在本次设计中，采用的是 Intel 模式，具体读写时序图如下： 图 DS12887写时序 第三章 器件介绍和单元模块设计 10 图 DS12887读时序 LCD1602 LCD1602 是一款工业字符型液晶显示屏，能够同时显示 32 个字符，内部带有 80*8 位的内部 RAM 缓冲区，可显示阿拉伯数字，引文字母大小写，常用符号和日文 的 片假名等，每一个字符都有一个固定的代码，在本次设计中，可以通过 LCD 显示万年历，分时电价，剩余金额等数据信息，可以通过键盘来切换显示。 部分主要指令说明如下： 表 LCD1602指令码 指令码 功能 00111000 设置 16*2 显示， 5*7 点阵， 8 位数据接口 00001DCB D=1 开显示； D=0 关显示 C=1 显示光标； C=0 不显示光标 B=1 光标闪烁； B=0 光标不闪烁 南昌工程学院本科毕业设计 (论文 ) 11 000000NS N=1 当读或写一个字符后地址加一，光标加一 N=0 当读或写一个字符后地址减一，光标减一 S=1 当写一个字符，整屏显示左移（ N=1）或右移（ N=0），以得到屏幕移动光标不移动的效果 S=0 当写一个字符，整屏显示不移动 80H+地址码 设置地址数据指针 01H 显 示清屏：所有指针清零，所有显示清零 02H 显示回车：数据指针清零 LCD1602 读写数据时序如下图所示： 图 1602读数据时序 第三章 器件介绍和单元模块设计 12 图 1602写数据时序 SLE4442 SLE4442 是德国西门子公司的接触式加密型 IC 卡，接口电路简单，编程方便，保密性好，其内部用于一个 256*8 位的 EEPROM 主存储器，另其还含有一个带有 PROM 功能的保护存储器，可进行加密处理，工作温度范围在 0℃ ～ 70℃ ，至少可擦写 10 万次以上，数据保存期最少为 10 年，工作电压为 5V。 对 IC 卡操作的命令分为控制，地址，数据三个部分，传送从控制字节 LSB 开始，其具体命令如下面所示： 表 IC卡命令格式及功能 字节 1 字节 2 字节 3 控制 地址 数据 操作 00110000 输入地址 无效 读主存储器 00111000 输入地址 输入数据 升级主存储器 00110100 无效 无效 读保护存储器 00111100 输入地址 输入数据 写保护存储器 00110001 无效 无效 读加密存储器 00111001 输入地址 输入数据 升级加密存储器 00110011 输入地址 输入数据 比较数据校验 单元模块设计 电源模块电路 电源模块电路从电网 220V电压作为输入，通过该电路后，输出端输出大小为 5V的电压，作为单片机及其他芯片的 VCC 电源，具体的电路图如下图所示： 南昌工程学院本科毕业设计 (论文 ) 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 图 电源接线图 如 图 所示 为电压模块的电路图，该模块以电网 220 交流电作为输入，通过整流桥整流后，再经过滤波，最后通过一块 78L05 稳压芯片进行稳压，得到一个稳定的 5V电源，78L05 的输出电流可达到 100mA，无需外接元件，内部本身带有热过载保护，自带内部短路电流限制。 该模块 的仿真电路如下图所示： 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 图 电源仿真图 图 为该电源电路的仿真效果图，可以看到，该模块可以很好的工作得到一个稳定的 5V的电源。 第三章 器件介绍和单元模块设计 14 信号采集电路 本次设计为智能电表，所以要对用户的电压和电流都进行采样，再通过 ADE7758 芯片来得到一个较为准确的功率值并输入单片机中，因此电流 和 电压的采集电路 分别 如下图所示： 图 采集电路 图 为电流 和 电压 的 采集电路，在电流采集电路中，通过将电流互感器 TA32BM 串联到用户电路中，以采集用户的电流信息， TA32BM 额定输入输出为 5A/,通过电流互感器将大电流转换到 ADE7758 可以接受的小电流范围内，然后通过滤波降低信号的干扰，最终输入芯片，在电压采集电路中，通过将电压互感器 TV31B02 并联到用户的负载上，采集用户的电压信息， TV31B02 是一款电流型电压互感器，额定电流是 2mA/2mA,所以要在电压互感器的缘边串联一个 51K的电阻 来 降低互感器原边的电流值到可承受的范围，最后通过 RC 电路滤波后， 得到一个近似 ADE7758 芯片，和前面的电流值一起，计算出用户的功率。 南昌工程学院本科毕业设计 (论文 ) 15 电压互感器相当于一个内阻很小的电压源，正常运行时它的负载阻抗会很大，相当于开路状态，二次侧只有很小的电流，当二次侧短路时，负载阻抗为零，将产生很大的短路电流，会将电压互感器烧坏。 因此，电压互感器二次侧严禁短路。 电流互感器在正。