单相电子是预付费电度表的研究_毕业设计(编辑修改稿)

单相电子是预付费电度表的研究_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 ② 方案二 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 21 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。 I / U 变 换A / D 变 换A / D 变 换C P U液 晶 显 示 器控 制 键 盘I C 卡 卡 座IU 图 21 方案二的系统框图 第 2章 单相电子式预付费电度表 总体方案的设计 7 ③ 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/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（ cos ），经过查表得功率因数（ cosP UI  ）计算 ,便得有功功率 ,再定时累加就是电能值。 系统框图如图22 所示。 I / U 变 换液 晶 显 示 器C P U过 零 检 测V / F 转 换模 拟开 关I C 卡 卡 座控 制 键 盘过 零 检 测IU 图 22 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（ cos ）、电能计算等功能，负担较重，一般的 MCS5 MCS96 和 PIC 系列单片机难以胜任。 ④ 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 f。 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 23 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 MCS51系列单片机完全可以胜任。 而且，现在已有集成电路（如： BL093 SM9903）燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 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。 I / U ? ? V /F????????????CPU? ? ? ? ?? ? ? ?IC ???IU 图 23 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，它内部有 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。 预付费系统方案设计 ① 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 内嵌入芯片为通用存储器芯片。 存储器卡的特点：  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地任意存取。  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）。 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保密功能，因此只能用于保密性要求不高的场合，其典型型号有： 第 2章 单相电子式预付费电度表 总体方案的设计 9  AT24C01A/02/04/08/16/32/64 二线串行 EEPROM。  Microchip 24LC01A/02/04/08/16/32/65 二线串行 EEPROM。  SLE4418 智能型 1KB EEPROM。  SLE4432 智能型 256B EEPROM。  AT45D041 大容量（ 4KB）闪速存储卡。 对于某单位或学校内部进行定量用电，超标付款，则可采用此方案。 ② 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：  具有安全控制逻辑，安全性能较好。  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多个不同的功能区。 加密存储器卡内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（一般在十次以内），可以有效防止非法试探。 若在限定的次数密码仍不对，则卡片死锁作废。 这类器件保密性较好，应用较广泛。 此方案保密性优于方案一，可用于社区或以村为单位的预付费用电系统。 ③ 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 接口及加密运算协处理器 CAU。 其中：  CPU 一般均为兼容于 8 位字长单片机等（如 MC68HC0 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,3KB～ 16KB。  RAM 用于存放中间处理结果及作为卡与读写器间信息交换的中间缓冲器， 128B～ 1KB。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 10  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， 1KB～ 16KB。 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。 此方案保密程度高，适用于大范围（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。 本章小结 本章给出了 单相电子式预付费电度表总体方案的设计，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 11 第 3 章 单相电子式预付费电度表硬件电路的实现 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，芯片内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 内部电路模型如图 31 所示 图 31 SM9903 内部电路模型示意图 在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为： 2 cosu U t 2 cos( )i I t 式中， u 为交流电压瞬时值， i 为交流电流瞬时值， U 为交流电压有效值， I为交流电流有效值，  为交流电的角频率， ui  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： 2 c o s 2 c o s( )p u i U t I t       )2c o s (c o s   tUI 可见，瞬时功率有恒定分量 cosUI  和正弦分量两部分，正弦分量的频积分器 V/F 转换 器 四象限模拟乘法器 u i p P 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 率是电压（或电流）频率的两倍。 瞬时功 率 p 经积分器后，得有功功率 P ，即  0011 c o s c o s ( 2 )TTP p d t U I t d tTT        UIUI  cos 一段时间 T 内的电能 W 为 00 c o sTTW P d t U I d t cosT U I T U I 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 变化的脉冲，只需将脉冲累计计数，则计数值 N 即为电能。 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 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。 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 3um 硅栅 BICMOS 工艺制成。 电路设计先进，内部集成有低通滤波器、乘法器、 V/F 型 A/D 转换器等电路。 ① 特点  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。  线性度高，动态工作范围宽。  MCU 数据接口。  直接驱动步进电机。  适用于单相、三相电度表。 第 3章 单相电子式预付费电度表硬件电路的实现 13  低功耗。  20 年使用寿命。 ② 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。 ③管脚图及定义 SM9903 管脚如图 33 所示，其管脚定义如表 31 所示。 C 22 0C O M1 91 8C 11 7V D DV I 1V I 2G N D AV v1234O S C O U T1 6O S C I N1 51 4D M O 21 3D M O 1N CV R 1V R 2P O U T5678G N D D1 2I N D9V S S1 1T C1 0 图 33 管脚图 表 31 管脚定义 管脚号 符号 说明 1 VI1 电流 取样信号输入 燕山大学本科生毕业设计（论文） 14 续表 31 管脚定义 管脚号 符号 说明 2 VI2 电流取样信号输入 3 GNDA 模拟地端 4 VV 电压取样信号输入 5 NC 与 4 脚内部互相联结 6 VR1 参考电压 1 外调整端 7 VR2 参考电压 2 外调整端 8 POUT 有功功率计算输出脉冲 9 IND 负向有功功率指示 10 TC 测试控制端 11 VSS 负电源 (5V) 12 GNDD 数字地端 13 DMO1 脉冲电机驱动输出 1 14 DMO2 脉冲电机驱动输出 2 15 OSCIN 晶振输入 16 OSCOUT 晶振输出 17 VDD 正电源 (+5V) 18 C1 积分电容 1 19 COM 积分电容公共端 20 C2 积分电容 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 34 所示。 在图 34第 3章 单相电子式预付费电度表硬件电路的实现 15 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。 C R1 VD VD C C VZ VZ2 为电容降压式电源，为 SM9903 提供 177。 5V 的工作电压。 其中 VZ 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。