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基于IC卡的集中式电量计量系统设计


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目录
................................................................ .................................. 摘要 .........................................

......................... III ............................................................... ABSTRACT ............................................................... IV ................................................................ .................................... 前言 .................................................................... 1 ............................................. 第一章 电能计量系统方案论证 ............................................. 2 1.1 方案一 机械电子式 ................................................... 2 1.2 方案二 模数转换式 ................................................... 2 1.3 方案三 功率累加式 ................................................... 3 1.4 方案选择 ............................................................ 3 ......................................................... 第二章 硬件设计 ......................................................... 4 2.1 主控模块设计 ........................................................ 4 2.1.1 AT89S52 介绍 .................................................... 4 2.1.2 看门狗定时器 .................................................... 5 2.1.3 WDT 的使用 ...................................................... 5 2.2 功率计量原理 ........................................................ 6 2.3 电能计量 ............................................................ 7 2.3.1 AD7755 工作原理 ................................................. 7 2.3.2 AD7755 引脚介绍 ................................................. 8 2.3.3 由 AD7755 构成的原理图 .......................................... 10 2.3.4 AD7755 供电部分 ................................................ 13 2.4 开关控制部分 ....................................................... 14 2.4.1 BH3023 介绍及原理 .............................................. 14 2.5 16 户用户进行检测与控制的硬件实现 .................................. 15 2.5.1 16 户用户通断电的控制方法 ...................................... 15 2.5.2 16 户电能检测的方法与实现 ...................................... 17 2.5.3 延时电路 ....................................................... 18 2.6 读写模块 ........................................................... 19

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2.6.1 MFRC530 介绍 ................................................... 19 2.6.2 MFRC530 的内部结构 ............................................. 19 2.6.3 MFRC530 的管脚功能 ............................................. 20 2.6.4 读写天线的设计 ................................................. 22 2.6.5 MFRC530 与 MCU 接口电路 ......................................... 22 2.7 电能存储器 ......................................................... 23 2.7.1 24C08 介绍及硬件连接图 ......................................... 23 2.8 显示电路 ........................................................... 24 2.8.1 MAX7219 介绍及硬件连接图 ....................................... 24 2.9 MCU 电源模块 ....................................................... 26 2.10 掉电检测电路 ...................................................... 26 2.11 报警电路 .......................................................... 27 第三章 软件设计 ........................................................ 28 ........................................................ 3.1 电能计量系统主程序 ................................................. 28 3.2 电能计量程序 ....................................................... 30 3.3 电能计量存储程序 ................................................... 33 3.3.1 IC 通信原理 ................................................... 33 3.3.2 24C08 工作原理 ................................................. 34 3.4 电能计量显示程序 ................................................... 39 3.5 报警程序 ........................................................... 45 ................................................................ ................................... 结论 ................................................................... 46 ............................................................... 参考文献 ............................................................... 47 ................................................................ ................................... 致谢 ................................................................... 48 ............................................. 附录 A IC 卡检测及读写程序 ............................................. 49 ................................................. 附录 B 元器件清单列表 ................................................. 53 附录 C 基于 IC 卡的集中式电量计量系统整机电路图 ......................... 54 附录 D 基于 IC 卡的集中式电量计量系统的软件流程图 ....................... 54

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基于 IC 卡的集中式电量计量系统的设计
摘要
本设计是基于 IC 卡的集中式电量计量系统,涉及电能计量、电能存储、电能显示、 射频卡读写这四大部分。对于电能计量,采用基于功率累加原理的集成芯片 AD7755, 由 AD7755 组成的电能计量部分实现对用户用电量的采样,经过一系列数字转换最终以 脉冲形式输出,该脉冲送往 MCU 对其计数,实现电能计量。采用 EPROM 对用户用电信 息进行存储,本设计采用 8 位具有 1K 容量的 24C08,采用 IC 原理与 MCU 进行通信。 考虑到 MCU 的 I/O 口有限, 对于显示部分, 采用 MAX7219 作为数码管的驱动, 因为 MAX7219 做驱动只需要三个 I/O 口,采用 SPI 方式与 MCU 进行通信,这可以省去不必要的 I/O 扩 展。 该系统是基于非接触式的一个电能管理系统, 所以这也涉及到了射频技术。 设计中, 采用 MFRC530 作为 IC 卡的接口电路。最后 MCU 选用 AT89S52。 本设计实现了利用一块单片机实现对 16 个用户用电信息的管理。在本设计中,利 用电能计量部分输出的脉冲作为计数器的计数脉冲对该脉冲计数, 让单片机对该计数值 进行累加,而不是直接对脉冲进行计数。16 个用户,每个用户均用计数器对该脉冲计 数,通过数据选择器选择 16 个用户,分时对 16 个用户用电进行计量。由于采用了计数 器对脉冲计数,所以这极大的减少了分时计量带来的误差。

关键字:电能计量,AD7755,IC 通信,射频技术,MFRC530

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An integrated measuring System of Electricity —— based on IC card
Abstract
This design is an integrated measuring system of quantity of electricity, which based on IC card. The so-called integrated system is just using one MCU to control and monitor the users’ electricity information. So, the design covers four main parts—the part of accumulation of electric energy、 part of energy storage、 part of display of information the the and the R/W of IC card. For the accumulation of electric energy, this design uses the chip of AD7755,which based on the theory of power totting-up and the mainly function of the part is to achieve the sample. the information is sent out in form of pulse after a series of converter. This pulse is received and completed the accumulation of electric energy by the MCU. The information of the quantity of electricity is storaged into the EPROM which has the capacity of 1K.The storaged is based the theory of IC.For the part of display ,using the MAX7219 to driver the LED. The main reason to use this chip is just the way can save the I/O port. Because MAX7219 relys on the way of SPI to communicate with the MCU, and this way just use only three I/O ports. So, using the MAX7219 can save the expand of I/O port. Meanwhile, the power management system is based on a non-contact theory. So it is related to the RF technology. So ,MFRC530 was used in the design . The core of the design is how to use one single computer to monitor and control the information of sixteen users precisely. In the design ,the pulse is out of the part of accumulation of electric energy as the CLK for the counter. So it just use the MCU to totting-up this enumerate data. It is not only enhance the precision but also can accomplish to measuring the information. And this is the base of this system.

Keywords:electrical energy measure,AD7755,IC communications,RF technique,
MFRC530

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前言
20 世纪中叶,随着微电子和信息产业的发展,新技术有力的支持电能表的革新, 先是有高精度电子式标准电能表的出现满足了校验技术要求,继而 70 年代已开始商业 化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。20 世纪 90 年代初期:以各种钥匙方式存 在的可擦除存储芯片(EEPROM)或一般存储卡,以 93C46 和 24C01 为主,主要在物业小 区使用,到 20 世纪年代中期,以存储卡和逻辑加密卡为介质,使用范围从单纯物业小 区扩展到行业管理,从后期至今,出现了以 CPU 卡和 ESAM 模块方式为加密介质的 IC 卡 电表,IC 卡电表进入成熟期。近些年,非接触式 IC 卡成功应用于我们日常生活中,它 成功地将射频识别技术和 IC 卡技术结合起来,解决了无源和免接触难题 本课题研制的基于 IC 卡的集中式电量计量系统采用了先进的电能计量芯片,是一 种先进的集中式电能计量系统,就有电能计量、多用户检测、IC 卡识别等多种功能。 电能集中管理控制系统属于新一代电能计量管理设备,它与传统的分立式电能计量设 备,如机械式电度表、IC 卡式电度表有根本的区别。机械式电度表和 IC 卡式电度表也 可以集中的形式安装,但这仅仅是形式上的集中,实际上仍然是许多块分立式电度表在 独立工作。而集中式电能计量管理系统却不是这样,该系统针对集体公寓特点研制开发 的,具有分路计量功能的一体化独立设备,适用于公寓专用的集中管理模式。 本设计能够实现对 16 户的电能进行检测和监控,当用户购电后,将 IC 卡中购电度 数被该系统读出,与系统中来剩余的电度数相加,并随时检测用户家中电的流量,当用 电满 1 度时候,系统自动将用户剩余电量减一,如果用户剩余电量低于 10 度,则报警, 提示用户购电。如果剩余电量用完,则对用户停电。用户可随时查剩余电量,并将其显 示出来,并且在查剩余电量的时候,将剩余电量写入 IC 卡。从电能管理方式上看,采 用 IC 卡电量系统可以克服以往人工管理的那种效率低,易出错,安全性查,管理不便 等一些弊端。而采用 IC 卡电子式电能表,不需要人工抄表,有利于现代化管理。充 分体现了电力的商品属性。实行先买电后用电 ,客户可以根据自己的实际需要有 计划地购电、用电,不会因欠费而发生滞纳金,增加不必要的开支。解决了收费 难的问题。能很好地解决零散居民客户、临时用电客户、经常欠费客户的收费问 题。体积小、重量轻、安装方便,便于批量生产应用于日常生后中。

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第一章 电能计量系统方案论证
1.1 方案一 机械电子式
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,即接收管接收不到红外线,当红外线照射在其他部分时, 被反射,接收管能接收到红外线。这样转盘没转一圈,产生一个脉冲,在通过对脉冲的 整形、计数、显示完成电能的计量。这种方案显示直观,但它仍然具有机械式感应电度 表的缺点,即耗电多、笨重。

1.2 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 1.1 所示:

图 1.1 模数转换式系统框图

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 谐波的引入,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器, 这将增加 CPU 的负担和硬件成 本。

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1.3 方案三 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 成正比的模拟电流, 再经过 V/F 变换成频率信号 f。单片机对频率信号 f 进行累加,便可得到电能。系统框 图如图 1.2 所示:

图 1.2 功率累加式系统框图

对于这种方案,现在已有集成电路(如:BL0932、AD7755)将模拟乘法器、低通滤波器和 V/F 转换器集成。

1.4 方案选择
基于以上分析,方案三明显优于其他三种方案,利用专用的电能计量芯片不仅有效 的克服干扰, CPU 的要求也降低, 对 同时所需硬件也大大减少, 降低了硬件电路的成本。 所以该设计选用专用电量计量芯片 AD7755 对用户用电量进行计量;对于主控部分选用 常用的 8 位单片机就能满足要求。本设计中考虑到要对 16 个用户的用电量进行管理, 程序量比较大,为了防止程序由于某种干扰而出现死机,设计中需要加入看门狗电路, 而 AT89S52 片内具有看门狗的功能,通过程序即可实现此功能,省去了不必要的硬件看 门狗电路,所以选用 AT89S52 作为主控模块。

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第二章 硬件设计
2.1 主控模块设计
2.1.1 AT89S52 介绍 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存 储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚 完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上, 拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量 2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态 逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时 器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结, 单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚图如图2.1所示:

图 2.1 AT89S52 引脚图

各引脚功能和 51 功能一样,只有 P1 口的几个具有第二功能,这和 51 有所区别, 这几个口的具体功能如表 2.1 所示:

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表 2.1 P1 口第二功能

引脚号 P1.0 P1.1 P1.5 P1.6 P1.7

引脚功能 T2(定时器/计数器 T2 的外部计数输入),时钟输出 T2EX(定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制) MOSI(在系统编程用) MISO(在系统编程用) SCK(在系统编程用)

AT89S52 片内具有 Watchdog 功能,可以防止程序由与某种干扰而死机时,系统可 以可靠复位,保证系统正常运行,这一点也是不选择 51 的一个主要原因,因为如果选 择 51,则必须附加专门的单片机复位电路如利用 Watchdog 芯片 IMP813 等,造成 MCU 外围电路较复杂。 2.1.2 看门狗定时器 WDT是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由13位计数器和特殊功能寄存器中的看 门狗定时器复位存储器(WDTRST)构成。WDT 在默认情况下无法工作;为了激活WDT, 户用必须往WDTRST 寄存器(地址:0A6H)中依次写入01EH 和0E1H。当WDT激活后,晶 振工作, WDT在每个机器周期都会增加。 WDT计时周期依赖于外部时钟频率。 除了复位 (硬 件复位或WDT溢出复位),没有办法停止WDT工作。当WDT溢出,它将驱动RSR引脚一个高 个电平输出。 2.1.3 WDT 的使用 为了激活WDT, 用户必须向WDTRST寄存器 (地址为0A6H的SFR) 依次写入0E1H和0E1H。 当WDT激活后,用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来避WDT溢出。当计数达到8191 (1FFFH)时,13 位计数器将会溢出,这将会复位器件。晶振正常工作、WDT激活后,每 一个机器周期WDT 都会增加。为了复位WDT,用户必须向WDTRST 写入01EH 和0E1H (WDTRST是只读寄存器)。WDT 计数器不能读或写。当WDT 计数器溢出时,将给RST 引 脚产生一个复位脉冲输出, 这个复位脉冲持续96个晶振周期 (TOSC) 其中TOSC=1/FOSC。 , 为了很好地使用WDT,应该在一定时间内周期性写入那部分代码,以避免WDT复位。 Mov 0A6H,#01EH

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Mov 0A6H,#0E1H ;在程序初始化中激活看门狗。 …… …… for: …… Mov 0A6H,#01EH ;先送 1E Mov 0A6H,#0E1H ;后送 E1 ;喂狗指令
…… Ljmp for

2.2 功率计量原理
在交流供电电路中,电压的表达式:
v(t ) = V m sin ωt

(2.2.1)

电流的表达式:
i (t ) = sin(ωt + θ )

(2.2.2)

所以在一个周期内的平均功率为:
P= 1 T 1 T 1 ∫0 P(t )dt = T ∫0 V m I m sin ωt sin(ωt + θ )dt = 2 V m I m cosθ T
t 0

(2.2.3) (2.2.4)

所以,在 t 时间内,用户所消耗的电能值为: W = ∫ p(t )dt 再根据香农采样定理,只要采样周期 T s <

1 ,其中 Ws 为信号周期。所以当供电电压 2w s

频率为 50Hz,周期为 20ms 的时候,只要采样周期小于 10ms 就能够恢复被测信号。

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2.3 电能计量
2.3.1 AD7755 工作原理 根据以上功率计量的原理,这里选用 AD7755,AD7755 是美国 AD 公司推出的脉冲输 出的高精度电功率测量芯片,内部集成了两个 2 阶 16 位的∑-Δ模数转换器,电压基准 和计量有功功率所需的数字信号处理电路。 AD7755 的内部功能框图如图 2.2 所示:

图 2.2 AD7755 内部结构

其工作原理如下: 它由模拟电路(模数转换电路、基准电路与电源电压监测电路)和数字信号处理电 路两部分组成。被测电压、电流转换为数字量后,接下来的信号处理都在数字域实现。 其内部内有两个以 900kHz 过采样速率采样的 16 位 2 阶Σ-Δ 模数转换器(ADC) 。被 测电流经可编程增益放大器(PGA) 放大后接电流通道的 ADC ,并由此 ADC 转换为对应的 数字信号,再经相位校正和高通滤波,进入乘法器。乘法器的另一路输入是由电压通道 ADC 转换而来的。与被测电压对应的数字信号相乘后产生瞬时功率信号。此信号经低通 滤波器滤除其中的交流分量,提取出负载消耗的瞬时有功功率即直流分量。图 2.3 示出 了从瞬时功率信号如何得到瞬时有功功率信号。AD7755 对这个瞬时有功功率信号进行 一段时间的累计、平均,求得平均有功功率,从管脚 F1 、F2 输出,驱动芯片外接的机电 式计度器或双相步进电机,记录电能。与此同时,以较短时间对瞬时有功功率进行累计, 求得与瞬时有功功率成正比的高频频率并经 CF 输出,用于校准或送微控制器累加计数, 实现对电能的计量。

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图 2.3 信号处理图

从其内部结构及其工作原理可以看出,其理论依据即为功率计量的原理,但是其 上功率计量原理只涉及到了标准的正弦波信号,但在实际应用中,所有电压和电流波形 均含有一定的谐波成分。瞬时电压和电流表示成为基波和谐波分量之和:
v(t ) = V 0 + 2 ∑ V n sin(nωt + α n )
n =0 ∞

(2.3.1)

i (t ) = I 0 + 2 ∑ I n sin(nωt + β n )
n =0



(2.3.2)

该瞬时电压和电流相乘后所得的有功功率 P 可用基波分量 P1 和谐波分量 P n 之和表示:
P = P1 + P n ;

其中:

; P1 = V 1I 1 cos θ 1 , ( θ 1 = α 1 β 1 ) ( ; P n = ∑ V n I n cos θ n , θ n = α n β n )
n =0

(2.3.3) (2.3.4)



由上可见,瞬时电压和电流相乘后包含有功功率信息,经低通滤波器滤波后,能 得到该有功功率。但由于此低通滤波器不是理想的,所以其输出信号仍含有衰减的基波 和谐波成分,即 cos(ωnt),其中(n=1、2、3……) 。主谐波 cos(ωnt)由瞬时有功功 率产生,而这个信号通过数字-频率转换器随时间被累加,这种累加起到平均作用,将 抑制瞬时有功功率中的非直流成分, 使其平均值等于零。 因此对于带有谐波的功率信号, 经 AD7755 后,产生的频率仍与平均功率成正比。即对非正弦电流和电压波形也能精确 测量器其功率。 2.3.2 AD7755 引脚介绍 利用 AD7755 可以使电表硬件部分大为简化,可以很方便地实现智能控制。其引脚

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图如图 2.4 所示:

图 2.4 AD7755 引脚图

其各引脚功能如表 2.2 所示:
表 2.2 各引脚功能

引脚号 DVdd

引脚功能 数字电源引脚。 该引脚提供 AD7755 数字电路的电源, 正常工作电 源电压应保持在 5V ± 5%,该引脚应使用 10μF 电容并联 100nF 瓷介电 容进行去耦。

AC/ DC

高通滤波器 HPF 选择引脚。当该引脚输入高电平时,通道 1(电 流通道) 内的 HPF 被选通, 该滤波器所设计的相位响应在 45Hz 至 1KHz 范围内在片内已得到补偿。在电能计量的应用中,应使 HPF 选通。

AVdd

模拟电源引脚。 该引脚提供 AD7755 模拟电路的电源, 正常工作电 源电压应保持在 5V ± 5%,为使电源的纹波和噪声减少到最低程度,该 引脚应使用 10μF 电容并联 100nF 瓷介电容进行去耦。

NC V1P、V1N

不连接。 通道 1(电流通道)的正负模拟输入引脚。完全差动输入方式, 正常工作最大信号电平为 ± 470mV。两个引脚内部都有 ESD 保护电路, 这两个引脚能承受 ± 6V 的过电压,而不造成永久性损坏。

V2N、V2P

通道 2(电压通道)的负正模拟输入引脚。完全差动输入方式, 正常工作最大输入电压为 ± 660mV,两个引脚能承受 ± 6V 的过电压,而 不造成永久性损坏。

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表 2.2(续)各引脚功能

引脚号

引脚功能 复位引脚

RESET
REF IN / OUT

基准电压的输入,输出引脚。片内基准电压为 2.5V ± 8%。外部基 准源可以直接连接到该引脚上。无论用内部还是外部基准源,该引脚 AGND 都应使用 10μF 钽电容和 100nF 瓷介电容对 AGND 进行去耦。 模拟电路(即 ADC 和基准源)的接地参考点。 SCF 校验频率选择,该引脚的逻辑输入电平确定 CF 引脚的输出频率。 S1、SO G1、G0 这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数,为电表的设 计提供了很大的灵活性。 这两个引脚的逻辑输入用来选择通道 1 的增益。 CLKIN、CLKOUT 为 AD7755 提供时钟源,规定时钟频率为 3.579545MHz。 REVP 当检测到负功率时,即电压和电流信号的相位差大于 90°时,该 引脚输出逻辑高电平。该输出没有被所存,当再次检测到正功率时, DGND 该引脚输出复位。该输出的逻辑状态岁 CF 输出脉冲同时变化。 数字地。 CF F2、F1 频率校验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小,常用 于仪表校验。 低频逻辑输出引脚,其输出频率反映平均有功功率的大小。这两 个逻辑输出可以直接驱动机电式计度器或两相步进电机。 2.3.3 由 AD7755 构成的原理图 由其构成的电能计量电路如图 2.5 所示:

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Z2 R4 1K
R3 C2 33nF

+5

350

Z3 R5 1K

R34 5.1K C3 33nF

D1
R6 50 CF 22 CLKOUT 18 3.5795MHZ C7 33pF Y3

U3

MCU

AD7755 5 V1P

825MR2C
C6 33pF

6N138

Z1
R16 10K C1 33nF

6 V1N

7 V2N CLKIN 17 AD7755 8 V2P REF 10

R17
1K

R18
1K
C4 33nF

9 RESET 1 DVDD AC/DC

DGND

21

C5 C18 100nF 10F

AGND 11 AVDD 3

R19
50
R33 300k Z4 C8 1F D4 1 1N34 C9 1N964B 0.1F 3

2

LM7805CT
Vin GND

U11
+5V 2

R11
10
C10 C11 100nF 10F C13 C19 100nF 10F

火火

清火

图 2.5 电能计量电路图

图中线路电压 220V ,基本电流 I b 为 5A ,动态范围 400 (规定准确度的电流范围为
2% I b ~ I max ,即 100mA~40A) ;计度器为 100imp/kWh,电表常数 C 选为 3200imp/ kWh ,

即 AD7755 发 3200 个脉冲,计度器记录 1kWh 电。 电路中各元件的参数计算如下: 对于通道 1,选用适当的分流器;以其将负载电流转换为电压,接 V1P 和 V1N。由表 2.3 知:
表 2.3 通道一的增益选择表

G1 0 0 1 1

G0 0 1 0 1

增益 1 2 8 16

最大差动输入 ±470Mv ±235mV ±60mV ±30mV

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不同增益下通道1的各个最大差动输入电压不同,本设计中选取增益G=16,从而最大差 动输入为正负30mV,而在实际中,电网电压存在波动和负载电流可能超载,所以设计电能 表时,模拟通道的输入电压一般都留有足够的超量程余地。比如,取允许的最大值的一 半。在这里取通道1的差动输入电压为15mv.因为其动态范围为100mA~40A,

= 15mV = 375 R max = 15mV = 0.15 R 40 A 100mA ∴ min , ,所以,所取电阻 R 3 的阻值
不能大于 375 ,在此取 R 3 = 350 ,经计算得 U 1max = 14mV 。所以取 R 3 = 350 的精 密电阻做分流器能满足电流通道的动态范围且能够留有充分的余量。 对于通道2,线路电压经电压分压器分压,也降到允许的最大电压范围之内,接V2P 和V2N。当负载电流为基本电流(5A) 时,线路的功耗: P =220 ×5 = 1. 1kW。 乘以电表常数得 I b 情况下的输出频率:
f F 1 = P × 100imp / kWh = 1.1× 100

3600

= 0.03055 Hz

(2.3.5) (2.3.6)

又∵

f F1 =

8.06 × u1 × u 2 × G × f 1 4 u REF
2



其中 u1 、u 2 分别为电流通道和电压通道输入端的差动电压, G 为电流通道的增益,u REF 为基准电压值为 2.5V; f1-4 为以 S1、S0 逻辑输入选择的频率,选择方法见表 2.4:
表 2.4 f1-4 等选择表

SCF 1 0 1 0 1 0 1 0

S1 0 0 0 0 1 1 1 1

S0 0 0 1 1 0 0 1 1

f1-4(Hz) 1.7 1.7 3.4 3.4 6.8 6.8 13.6 13.6

K 128 64 64 32 32 16 16 2048

分频系数 3.579MHz/221 3.579MHz/221 3.579MHz/220 3.579MHz/220 3.579MHz/219 3.579MHz/219 3.579MHz/218 3.579MHz/218

AC 输入最高频率(Hz) 0.34 0.34 0.68 0.68 1.36 1.36 2.72 2.72

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∵ u1 = 350 × 5 A = 1.75mV ,G = 16,从最大电流为 40A 和再留有足够余量出发,查表 2,选择 f 1 4 =3.4Hz ∴

u2 =

f F1 × u 2 REF = 248.9mV 8.06 × u1 × f 1 4 × G

即在线路电压 220V ,基本电流 I b 为 5A 的条件下,引脚 V2P 的输入电压为 248.9mV,调 节可变电阻器将 220V 线路电压降到 248.9mV。另外由其工作原理可知,通道之间的相 位匹配非常重要。为使两个通道的相位匹配,电阻、电容的取值分别为 R4=R5=R17=R18= 1kΩ(精度为 1 %);C1 = C2 = C3 = C4= 33nF 2.3.4 AD7755 供电部分 AD7755 的供电电压由电容分压、 二极管整流、 LM7805 稳压产生。 和 如图 2.6 所示:
R33 300K 1F C8 D4 3 1N34 C9 0.1F LM7805CT Vin GND +5V 1

+5V

火线 零线

图 2.6 AD7755 供电电源

该电源电路的主要思想是利用电容 C8 对 220V 交流电进行分压为降压电容,选用 luF 电容其输出电流可达 3OmA,R33 为 C8 的放电电阻。利用稳压管 1N964B 输出一定值 电压,该电压作为 LM7805 的输入电压。这里,电容 C8 必须选用耐压值高于 220V 的电 容。由于 LM7805 的工作电压在+4V 到+35V,所以经稳压管的输出电压应该在这个范围 中,1N964B 的输出电压为 12V,满足要求。 LM7805 的输出以 C10 (100nF) 和 C11 (10μF) 退耦,接 AD7755 的 DVDD 。VDD 再 经 R11( 10Ω) 、 C163( 100nF)和 C19(10μF)滤波接 AD7755 的模拟电路电源管脚 AVDD 。 AD7755 的 CLKIN 和 CLKOUT 管脚接 3. 579545MHz 晶体和 2 只 33pF 陶瓷电容。考虑抗 电磁干扰,除原有的滤波电路外,电路图中电流输入通道中增加了 Z2、Z3 铁氧体。

2

1N964B

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2.4 开关控制部分
2.4.1 BH3023 介绍及原理 以 BH3023 为控制芯片的开关控制电路实现对各房间的自动开关控制,其核心器件 是 BH3023 双向驱动继电器电路。其引脚及其功能如图 2.7 下:

图 2.7 BH3023 引脚图

磁保持继电器区别于普通继电器的特点在于继电器一经触发即可保持开启与关断 关态, 触发信号撤销后继电器状态不变, 因而无需保持触发信号。 采用驱动芯片 BH3023 较采用分立晶体管驱动电路具有线路简洁、可靠的优点。来自单片机的两路开关控制信 号经光电隔离送至 BH3023 的输入端 A、B,经输出端 QA、QB 控制继电器的通、断,从 而实现对房间电源的开关控制。真值表如表 2.5 所示:
表 2.5 真值表

输入端 A 1 0 0 1

输入端 B 0 1 0 1

输出端 QA 1 0 高阻 高阻

输出端 QB 0 1 高阻 高阻

从其真值表中可以看出, 输入端 A 和 B 不同为 0 或 1 时, 都能驱动继电器吸合。 BH3023 由 及磁保持继电器 BSF-902 构成的开关控制电路如下:其中电阻 R1、R2 即是光耦电路的 输出电阻,也是驱动电路 BH3023 的输入电阻。其硬件连接图如图 2.8 所示:

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VCC Y1

1 QA 2 3 A

Vdd

8

U1

6N138

M CU

B 7 6
R1 1K U2 R2 1K

BH3023

M CU

4 Vss
BH3023

QB 5
K1

6N138

用用
BSF-902

火线 零线

图 2.8 开关控制电路图

2.5 16 户用户进行检测与控制的硬件实现
2.5.1 16 户用户通断电的控制方法 由于采用 BH3023 及配套的磁保持继电器 BSF-902 来实现对用户开关的控制,根据 其工作原理,只要根据用户用电的状况在 A、B 两端输入不同信号即可实现对各用户的 开关控制。所以基于此思想,选用 16 路得数字控制模拟开关 CD4067 实现对不同用户的 选择。 CD4067 为 16 选一的模拟开关,由四个二进制输入端 A0、A1、A2、A3 来实现对 16 个通道的选通,控制端 C 为 1 时,关闭所有的通道。电源电压范围为 3V 到 15V。其引 脚图如图 2.9 所示:

图 2.9 CD4067 引脚图

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真值表如表 2.6 所示:
表 2.6 真值表

输入 C 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A3 ﹡ 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 A2 ﹡ 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 A1 ﹡ 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 A0 ﹡ 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

导通通道

无 I0/O0←→ I / 0 I1/O1←→ I / 0 I2/O2←→ I / 0 I3/O3←→ I / 0 I4/O4←→ I / 0 I5/O5←→ I / 0 I6/O6←→ I / 0 I7/O7←→ I / 0 I8/O8←→ I / 0 I9/O9←→ I / 0 I10/O10←→ I / 0 I11/O11←→ I / 0 I12/O12←→ I / 0 I13/O13←→ I / 0 I14/O14←→ I / 0 I15/O15←→ I / 0

由于对用户可开关控制需要 BH3023 的 A、B 两路控制信号,所以需要两片 CD4067 芯片。利用 MCU 的 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 作为 CD4067 的通道选通信号连接与 CD4067 的 A0、A1、A2、A3 端,同时利用 MCU 的 P1.4、P1.5 作为从 CD4067 的 I / 0 端口的输入 信号,此信号经过 CD4067 从选通通道输出作为 BH3023 A、B 端的输入信号。通过以上 硬件以及对所设计的 I / 0 口进行编程,即可实现对 16 户用户开关通断的控制。该部分 硬件原理图如图 2.10 所示:

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Y5

VCC Y1

1 QA 2 3 A

Vdd 8 B 7 6
R1 1K

U1

6N138

O/I 用用8I7/O7 用用7I6/O6 用用6I5/O5 用用5I4/O4 用用4 I3/O3 用用3 I2/O2 用用2 I1/O1 用用1 I0/O0 P14 A0 P15 A1 VSS
CD4067 Y2

VDD 用 I8/O8 用 9 I9/O9 用用10 用用11 I10/O10 I11/O11 用用12 I12/O12 用用13 I13/O13 用用14 I14/O14 用用15 I15/O15 用用16 C A2P16 A3P17

U? 3 4 7 8 13 14 17 18 1 11 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 OE LE 74ALS373 P35 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 2 5 6 9 12 15 16 19

BH3023

4 Vss
BH3023

QB 5
K1

U2 R2 1K

6N138

用用
BSF-902

用 8 用 用用7 用 6 用 用 5 用 用 4 用 用 3 用 用 2 用 用 1 用

O/I I7/O7 I6/O6 I5/O5 I4/O4 I3/O3 I2/O2 I1/O1 I0/O0 P14 A0 P15 A1 VSS
CD4067

VDD I8/O8 用用9 I9/O9 用用10 I10/O10 用用11 I11/O11 用用12 I12/O12 用用13 I13/O13 用用14 I14/O14 用用15 I15/O15 用用16 C A2P16 A3P17

P14 P15 P16 P17

MCU

火线 零线

图 2.10 16 户开关控制电路

2.5.2 16 户电能检测的方法与实现 在用户的用电量经电能计量芯片 AD7755 处理后,经光耦合器输出至 MCU,通过 MCU 对用户所用电量计量。在这里,涉及到 16 户用户,所以可以用 16 块 89S52 分别对 16 户用电量进行计量,这样每个用户的用电量的误差将会达到最低,但是成本也高。所以 如何利用一块 89S52 实现对 16 户用电量进行计量,同时使误差最低成为本设计的一个 关键部分。在本设计中,采用 16 个 74LS161 计数器、4 个 16 选一数据选择器 74150、1 个 4-16 译码器 CC4514 以及锁存器 74LS373 的组合,实现对 16 个用户用电量的检测。 其原理图如图 2.11 所示:

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VCC U1 23 22 21 3 2 U2 Q 10

Q0 8
7 6 5 4 3 2 1 23 22 21 20 19 18 17 16 15P10 14P11 13 P12 11P13 9

P13P12P11P10

ST R

I NH

U5 4514

VCC 15 16 13 14 19 20 17 18 4 5 6 7 8 10 9 11

U?A 3

2 C37 1 10pf

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 A B C D G 74150

Q1 8
7 6 5 4 3 2 1 23 22 21 20 19 18 17 16 15P10 14P11 13P12 11P13 9

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 A B C D G 74150 U4

1

Q

10

D4 D3 D2 D1

U?A 1 74ALS04 U?A 1 74ALS04 U7 2 P10 5 P11 6 P12 9 P13 12 15 16 19 Q 10 74LS373 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 OE LE 3 4 7 8 13 14 17 18 1 11 1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 U?A 1 74ALS04 U?A 1 74ALS04 2 2 19 18 9 17 16 U8 P10/T P11/T P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP X1 X2 RESET RD WR 89S52 RXD TXD ALE/P PSEN P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 2 2

S15 S14 S13 S12 S11 S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0 74ALS08 U6 3 4 5 6 7 10 2 9 1 P0 P1 P2 P3 CEP CET CLK PE MR Q0 Q1 Q2 Q3 TC 14 13 12 11 15

Q0 Q1 Q2 Q3

U3

Q2 8
7 6 5 4 3 2 1 23 22 21 20 19 18 17 16 15P10 14P11 13P12 11P13 9

用用1计 计 计 计

U3

......

VCC

U16 3 4 5 6 7 10 2 9 1 P0 P1 P2 P3

......

6N138

74LS161

用用16计计计计

U3

Q0 Q1 Q2 Q3 TC

14 13 12 11 15

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 A B C D G 74150

Q

10

Q3 8
7 6 5 4 3 2 1 23 22 21 20 19 18 17 16 15P10 14P11 13P12 11P13 9

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 A B C D G 74150

6N138

CEP CET CLK PE MR 74LS161

图 2.11 16 户电能计量电路图

该原理图的基本思想是,用 16 块 74LS161 对从光耦输出的脉冲进行计数,这里利 用光耦输出脉冲做计数器的计数脉冲, 然后让 MCU 对计数器的计数值进行累加即得到每 个用户的用电量。由于有 16 个用户,如果每个用户的计数位数只有 4 位,每 4 位对应 4 个 I/O 口的话,16 个用户就需要 64 个 I/O 口,这样需要对 89S52 进行扩展。这里采 用 4 片 16 选一数据选择器 74150,这四片分别对应着计数器输出的四位,通过 MCU 的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 四个口经锁存器 373,利用这四个口的 16 中组合状态实现对 16 个用户的选择,从而分时把 16 户用电量送入 MCU。 2.5.3 延时电路 这里又设计到一个问题,就是计数器的最大计数值为多少。这里采用 4-16 译码器 CC4514 配合一个微分型单稳态电路来解决,在利用 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 的组合实 现对 16 个用户选择的时候,同时利用这个组合作为 CC4514 的输入,通过单稳态电路输 出一个带有延时的低电平信号,将此信号作为计数器 74LS161 的清零信号,使计数器重 新从零开始对脉冲计数,从而解决计数溢出的问题。 该电路的输入为高电平,利用电容的充放电输出带有延时的低电平信号。之所以采 用了这个延时电路,是为了避免清零信号先于数据读入单片机,防止误操作。单稳态电 路如下图 2.12 所示:

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+5

U6A 1 C37 2 5100pF R35 330 74ALS08 3清 清 清 清

译 译 译 译

图 2.12 延时电路

图中 R35、C 构成延时电路,其延时时间取决于 R35C 的充电速度。延时时间由下式近 似估算
t w ≈ 0.7( R 0 + R )C

(2.5.1)

式(2.5.1)中 R0 为上一级门的输出电阻,通常 R0 约为 100Ω。R 为延时电路中的电阻, 此电路中即为 R35, 大小为 330Ω。 电容 C 取 5100pF。 代入式中的其延时时间为:w ≈ 1.5 s 。 t

2.6 读写模块
2.6.1 MFRC530 介绍 本设计选用 Philips 公司生产的 MFRC530 射频接口模块, 选择 Mifarel 卡作为射频 卡 MFRC530 是应用于 13.56MHz 非接触式通信中高集成 IC 系列中的一员。该 IC 系列利 用了先进的调制和解调概念,完全集成了在 13.56MHz 下所有类型的被动非接触式通信 方式和协议。MFRC530 支持 IS014443A 所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电 路就能够直接驱动近操作距离的天线(可达 100mm)。接收器部分提供一个坚固而有效的 解调和解码电路,用于 ISO14443A 兼容的应答器信号。数字部分处理 ISO14443A 帧和错 误检测(奇偶&CRC)。 此外, 它还支持快速 Cryptol 加密算法用于验证 Ml 队 RE 系列产品。 方便的并行接口可直接连接到任何 8 位微处理器,这样给读卡器/终端的设计提供了极 大的灵活性。 2.6.2 MFRC530 的内部结构 MFRC530 的内部结构如图 2.13 所示:

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图 2.13 MFRC530 内部结构

状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响,并使性能调节到最佳状 态。当与 MIFARE 产品通信时,使用高速 Cryptol 流密码单元和一个可靠的非易失性密 匙存储器。 数据处理部分执行数据的并行串行转换,它支持的帧包括 CRC 和奇偶校验,它以完 全透明的模式进行操作,因而支持 ISOl4443A 的所有层。 模拟电路包含了一个具有非常低阻抗桥的输出驱动器,使得最大操作距离可达 1O0mm。接收器可以检测并解码非常弱的卡应答信号,由于采用了非常先进的技术,接 收器己不再是限制操作距离的因素。 并行微控制器接口自动检测连接的 8 位并行接口的类型,它包含一个双向 FIFO 缓 冲区和一个可配置的中断输出,这样就为连接各种 MCU 提供了很大的灵活性。 2.6.3 MFRC530 的管脚功能 MFRC53O 为 5032 标准封装,器件采用了 3 个独立的电源以实现在 EMC 特性和信号 解祸方面达到最佳性能,并且模拟和数字部分可适应不同的操作电压。各引脚功能介绍 如表 2.7 所示:

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表 2.7 MFRC530 各引脚功能

引脚号 TXl(PINS)和 TX2(PIN7) VMID(PIN30) RX(PIN29) TVDD(PIN6) TGND(PINS) AVDD(PIN26) AGND(PIN28) DVDD(PIN25) DGND(PIN12) RSTPD(PIN31)

引脚功能 为天线驱动器引脚 为模拟参考电压 为天线输入信号 为发送器电源电压 为发送器的地 模拟部分电源电压 模拟部分的地 数字部分电源电压 数字部分的地 该引脚禁止了内部电流源和时钟,并使 MFRC53O 从微控制器总线接口脱开。

OSCIN (PIN1) OSCOUT(PIN32) MFIN(PIN3) MFOUT(PIN4) D0~D7(PIN13~PIN20) A0~A2(PIN22~PIN24) NWR(PIN10) NRD(PINll) NCS(PIN9) ALE(PIN21) IRQ(PIN2)

为振荡器缓冲输入 为振荡器缓冲输出 带施密特触发器的 MIFARE 接口输入 MIFARE 接口输出 带施密特触发器的 I/O 双向 8 位数据/地址总线 带施密特触发器的 I/O 地址线 带施密特触发器的写信号使能端 带施密特触发器的读信号使能端 带施密特触发器的片选端 带施密特触发器的 I/0 地址锁存使能端 中断请求

MFRC530 芯片可直接支持各种微控制器(MCU),也可直接和 PC 机的增强型并行接口 (EPP)相连接,每次上电(PON)或硬启动(Reset)后,芯片会复原其并行接口模式并检测 当前的 MCU 接口类型,通常用检测控制引脚逻辑电平的方法来识别 MCU 接口,并利用固 定引脚连接和初始化相结合的方法实现正确的接口。 把地址线 A2 接地, A1、 均接+5V A0 时,则 DO~D7 的功能为数据和地址复用,ALE 为地址锁存使能端。

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2.6.4 读写天线的设计 由于 MFRC530 的频率是 13.56MHZ,属于短波段,因此可以采用小环天线。小环天 线有方型、原型、椭圆型等,本设计采用方型天线。天线的最大几何尺寸同工作波长之 间没有一个严格的界限,一般定义为:
L

λ



1 2π

(2.6.1)

式(2.6.1)中,L 是天线的最大尺寸,λ是工作波长。对于 13.56MHZ 的系统来说, 天线的最大尺寸在 50cm 左右。在天线设计中,品质因数 Q 是一个非常重要的参数。对 于电感耦合式射频识别系统的读写器天线来说, 较高品质因数的值会使天线线圈中的电 流强度大些,由此改善对射频卡的功率传送。品质因数的计算公式为:
Q= 2π f 0 L coil R coil

(2.6.2)

式(2.6.2)中的 f0 是工作频率,Lcoil 是天线的尺寸,Rcoil 是天线的半径。通过品质 因数可以很容易计算出天线的带宽:
B= f0 Q

(2.6.3)

从式(2.6.3)中可以看出,天线的传输带宽与品质因数成反比关系。因此,过高 的品质因数会导致带宽缩小, 从而减弱读写器的调制边带, 会导致读写器无法与卡通信。 一般系统的最佳品质因数为 10~30,最大值不能超过 60。 2.6.5 MFRC530 与 MCU 接口电路 MFRC53O 是与射频卡实现无线通信的核心模块,也是读写器读写射频卡的关键接口 芯片。 MFRC530 与 MCU89S52 的接口电路如图 2.14 所示。数据经调制后得到的发送信 号通过由 TXI,TXZ 脚驱动的天线以电磁波的形式发出。天线拾取射频卡的响应信号经 过天线匹配电路送到 RX 脚。MFRC530 的 DO~D7 为数据和地址复用线,ALE 为地址锁存 端, MFRC530 的 DO~D7 与 MCU 的 P2.0~P2.7 接口, MFRC530 的 ALE 与 MCU 的 ALE 接口, MCU 对 MFRC530 的操作类似于读写外部存储器。 MFRC530 的中断请求端接口于 MCU 的 INTO,复位端 RSPD 接口于 MCU 的 P3.1,复位信号由编程来实现。

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1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 19 18 9 17 16

P10/T P11/T P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP X1 X2 RESET RD WR 89s52

P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

39 38 37 36 35 34 33 32

VCC MAX530

P 21 20 P 22 21 P 23 22 P 24 23 P 25 24 P 26 25 P 27 26 P 28 27

P 20 P 21 P 22 P 23 P 24 P 25 P 26 P 27

RXD TXD ALE/P PSEN

10 11 30 29

D0 DVDD D1 DVSS D2 AVDD D3 AVSS VMID D4 RX D5 D6 MFRC530 TX1 D7 TX2 ALE TVDD NRD TVSS NWR OSCIN RSTPD OSCO UT NCS IRQ

C21 0.1F

C22 0.1nF

C24 4.7F R8 820

C25 0.1F R9 560 C26 15pF 27pF C30 C29 33pF

L5 1H C28 68pF L6 1H VCC C23 15pF C33 0.1F C31 68pF

C27

Y6 13.56MHZ C20 15pF

27pF

C32 33pF

C34 0.1nF

C35 4.7F

图 2.14 MFRC530 与单片机接口电路

2.7 电能存储器
2.7.1 24C08 介绍及硬件连接图 单片机将新的购电量和原表内剩余电量相加得到新的剩余电量,存于可断电保存 的 EEPROM 芯片中。这里采用串行 EEPROM,它可以再特定的引脚上施加特定的电压或使 用特定的总线擦写命令就可以在在线的情况下完成数据的擦除和写入, 同时在可以再掉 电的情况下保存数据。这里采用 ATMEL 公司 24C08,正常工作电压 2.5V<Vcc<5.5V,具 有较强的抗干扰能力,功耗低,可断电保存数据 200 年以上,擦写次数最少 10 万次, 过压保护电压大于 400OV。24C08 为 1K EEPROM,其引脚图如图 2.15 所示:
A0 A1 A2 GND VCC WP

24C08

SCL SDA

图 2.15 24C08 引脚图

A0-A2 用于设置芯片的器件地址,在同一总线上有多个器件时,可以通过设置 A0-A2 引脚来确定器件地址。SDA 是串行数据引脚,用于在芯片读写时输入或输出数据、 地址等,这个引脚是双向引脚,它是漏极开路的,使用时需要加上一个上拉电阻。SLC

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脚是器件的串行同步时钟信号,如果器件是使用在单片机系统中,那么 SLC 脚应该由单 片机控制,根据单片机的程序要求产生串行同步时钟信号,控制总线的存取。WP 脚是 写保护脚,当这个脚接入高电平时,芯片的芯片数据均处于禁止写入状态,当把 WP 脚 接到地线时,芯片处于正常的读写状态。 其与 MCU 连接方式如图 2.16 所示:
+5

U17

R29 5.1K

R28 5.1K

A0 A1 A2 GND
2408

VCC WP

24C08

SCL SDA

P1.6 P1.7

图 2.16 24C08 与单片机连接图

2.8 显示电路
2.8.1 MAX7219 介绍及硬件连接图 MAX7219 是 MAXIM 公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片,一片 MAX7219 可驱动 8 个 7 段(包括小数点共 8 段)数字 LED、LED 条线图形显示器、或 64 个分立的 LED 发光二级管。 该芯片具有 10MHz 传输率的三线串行接口可与任何微处理器 相连,只需一个外接电阻即可设置所有 LED 的段电流。它的操作很简单,MCU 只需通过 模拟 SPI 三线接口就可以将相关的指令写入 MAX7219 的内部指令和数据寄存器, 同时它 还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片 7219 串联方式,这样 MCU 就可以通过 3 根线 (即串行数据线、 串行时钟线和芯片选通线) 控制更多的数码管显示。 其内部结构如图 2.17 所示:

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图 2.17 MAX7219 内部结构

MAX7219 的外部引脚分配如图 2.18 所示:

图 2.18 MAX7219 引脚图

各引脚的功能如表 2.8 所示:
表 2.8 MAX7219 各引脚功能

引脚 DIN DOUT LOAD CLK DIG0~DIG7 SEG A~SEG G、 DP ISET

引脚功能 串行数据输入端 串行数据输出端,用于级连扩展 转载数据输入 串行时钟输入 8 位 LED 位选线,从共阴极 LED 中吸入电流 7 段驱动和小数点驱动 通过一个 10K 电阻和 Vcc 相连,设置段电流

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由 MAX7219 做驱动组成的显示电路如图 2.19 所示:
+5 JM-S30011-7 REDCC JM-S30011-7 REDCC 1 2 3 4 5 6 7 8
a b c d e f g dp a f e g d GND b c dp

R10 RES2

JM-S30011-7 REDCC 1 2 3 4 5 6 7 8
a b c d e f g dp a f e g d GND b c dp

JM-S30011-7 REDCC 1 2 3 4 5 6 7 8
a b c d e f g dp a f e g d GND b c dp

9

9

9

P0.1 P0.2

图 2.19 LED 驱动电路

2.9 MCU 电源模块
为避免强电对单片机的干扰,必须给 MCU 提供 5V 的隔离电源,所以在这里不能用 AD7755 的供电电源,电路如图 2.20 所示:
R32 130 T1 D6 C1 1000uF TRANS1 1BQ20 C38 0.1F 1 Vin GND +5V 3

9

P0.0

SEGA SEGB SEGC SEGD ISET SEGE SEGF SEGG SE GDP MAX7219 DIG0 DIN DIG1 DIG2 LOAD DIG3 DIG4 CLK DIG5 DIG6 DIG7 V+

1 2 3 4 5 6 7 8

a b c d e f g dp

a f e g d GND b c dp

+5V

LM7805CT 2

C39 1.0uF C2 0.1uF

图 2.20 单片机供电电源

2.10 掉电检测电路
掉电检测电路由比较器(LM193) 、电压基准 LM336(2.5V) 、电阻、组成。电路如 图 2.21 所示:

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+5

R15 1K

R20 5.1K R22 10K 3 1 P3.0 2 8 U7A R21 10K 4 R23 LM193

D5 LM336 10K

图 2.21 掉电检测电路

R15 为 LM336 提供合适的工作电流,LM336 上端作为电压基准,R20、R23 对 5V 电压分 压,与基准电压作比较。取 R20 的阻值 5.1k,R23 的阻值为 10k,经计算得: V+ = V cc × R 23 = 3.3V R 20 + R 23 (2.10.1)

这里取 V+等于 3.3v 而不直接取为 2.5v 是为了避免由于供电电源的不稳定而造成的误中 断。电源电压正常时,V-<V+,比较器输出高电平;当电源掉电时,V-跟随电源电压下降, 而基准电压在一定时间内保持 2.5V 不变。当下降到 V-> V+时,比较器输出低电平,是 MCU 产生中断,做掉电处理,在本设计中,将用户电能信息存储到 EPROM 中。

2.11 报警电路
当出现非法用户、用户先前购电用完、遭到非法操作等一系列不正常的操作时,由 汇编程序从 P3.4 口输出高电平,从而使晶体管 3DG100 导通驱动报警器、LED 做出相应 反映。其电路原理图如图 2.22 所示:
+5 R13 1.5K C15 R36 60K 10F SC-511 D2 LS1

C14

825MR2C Q1 3DG100

P 3.4
10F R7 24. 2K

R14 1.5K

C16 100F

图 2.22 报警电路

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第三章 软件设计
3.1 电能计量系统主程序
在 RAM 中开辟 00H~0FH 16 个存储空间,这 16 个存储空间用于存储 16 个用户的识 别信息,即每张 IC 卡的卡号。在这里,事先给 16 个用户以 00H~0FH 进行编号,用于 对用户进行识别。RAM 中 10H~1FH 中暂时存储用户用电量,20H~2FH 中暂时存储用户 剩余电量,30H~3FH 存储空间用于存储这 16 个用户原有的电量。主流程图如图 3.1 所 示:

图 3.1 系统主流程图

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MAIN: MOV R0,#0FH MOV A,#01H MOV B,#00H Here1: MOV R1,B DJNZ R0,Here2 AJMP Here3 Here2: MOV R1,A INC A INC B AJMP Here1 Here3: MOV R3,#50H Here6: MOV R3,P2 MOV R4,#0FH Here4: MOV A,R4 DEC R4 ;循环检测 ;报警 ;把 00H~0FH 单元中的内容送入累加器 A 中 ;从 P2 口获得的信息存储到 50H 单元 ;检测有无用户刷卡

CJNE R4,#00H,Here5 SETB P3.4 LJMP Here6 Here5: CJNE A,50H,Here4

;判断 50H 中的内容与累加器 A 中的内容是否 相等

SWAP A ADD A,R3 MOV P1,A ADD A,#30H MOV R1,A MOV A,@R1 LCALL MAX7219 SUBB A,#0AH ;把该地址中对应该用户的电量送累加器 A ;显示该用户电量 ;判断用户电量是否大于 10° ;使累加器 A 中高四位与第四位相等 ;把累加器 A 中的内容送入 P1 口 ;用户号加偏移量求用户原来的电量存储地址

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ANL A,#80H CJNE A,#00H,Here7

;累加器 A 中的值和 0AH 相减后的值和 80H 相与 ;判断相与后的值和 00H 相等否,即判断最高位是 否为 0 或 1, 从而判断与 0AH 相减后的值大于 0 否。

STEB P3.5 NOP CLR P3.5

;为 74LS373 提供锁存信号,锁存 P1 口信息

SETB P1.0 CLR P1.1

;送开关接通控制信号

LCALL Measure LCALL Memory Here7:MOV A,@R1 CJNE A,#00H,Here8 CLR P1.0

;调用电能计量程序,开始计量 ;计量信息送 EEPROM 中

;送开关断开控制信号

SETB P1.1 Here9:LCALL BuyE AJMP Main ;报警 ;调用购电程序

Here8:LCALL Alarm SJMP Here9 RET

3.2 电能计量程序
该电能计量系统选用 AD7755 来实现,电表常数选择 3200imp/KWh,也就是说,计数 3200 个脉冲, 计量一度电。 为了解决 16 户用电的计量, 选择了 4 个数据选择器配合 4~ 16 译码器组成了硬件电路图。从其电路图中可以看出,利用 MCU 的 P1.4、P1.5、P1.6、 P1.7 四个端口输入计数值,对该计数值累加得到用户所用电量。 在 RAM 中开辟 10H~1FH 用来存储用户所用电量,00H~0FH 中存储 16 户用户 IC 卡 识别信息,这里对 16 户用户以 00H~0FH 进行编号。由于计数 3200,记一度电,由于 十进制 3200 的十六进制为 0C80H,同时累加器 A 及寄存器 Rn 都为 8 位的,存储最大值 只为 255,所以无法只利用一个累加器或者寄存器实现对 3200 个脉冲进行累加。所以

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这里利用 2 个寄存器来实现对是否计数到 3200。方法如下,让累加器 A 对计数值累加, 溢出时对其清零,同时寄存器 B 自加一,同时判断寄存器 B 中的值是否达到 12,没有 循环,之到寄存器 B 中值达到 12,此时已经计数到 3072,这时只剩下 122 个脉冲,在 利用累加器 A 对计数值累加到 7AH,此时计数 3200,这时,在 RAM 中所对应的该用户的 存储地址中的内容加 1,实现一度电的计量。基于以上思想,流程图如图 3.2 所示:

图 3.2 电能计量流程图

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Measure: MOV A, P2 MOV R1,A SWAP A ADD A,P2 MOV P1,A SETB P3.5 NOT CLR P3.5 ;累加器 A 清零 ;P1 口送全 1,准备读入数据 ;寄存器 R0 清零 ;从 P1 口读入的内容存入寄存器 R0 ;与 A 中内容相加 ;判断累加器 A 中内容是否等于 255 ;寄存器 B 加 1 ;P2 口的内容送入 A ;把 P2 口内容暂存寄存器 R1 ;累加器 A 中内容高四位与第四位交换 ;实现累加器 A 中高四位与第四位相等 ;送 P1 口 ;设置锁存信号

Here10:MOV A,#00H MOV P1,#0FFH MOV R0,#00H MOV R0,P1 ADD A,R0 CJNE A,#0FFH,Here10 INC B CLR A CJNE B,#0CH,Here10 Here11:MOV P1,#0FFH MOV R0,#00H MOV R0,P1 ADD A,R0 CJNE A,#7AH,Here11 MOV A,R1 ADD A,#10H MOV R0,A INC @R0

;寄存器 B 中内容是否等于 12

;累加器 A 中内容是否等于 122 ;寄存器 R1 中内容送入累加器 A ;A 中内容加偏移量得该用户电量存储地址 ;把该存储地址送入 R0 ;寄存器间接寻址使该地址单元中内容加 1

LCALL Memery RET

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3.3 电能计量存储程序
3.3.1 IC 通信原理 EPROM是"Electrically Erasable Programmable Read-only"(电可擦写可编程只 读存储器)的缩写,EEPROM在正常情况下和EPROM一样,可以在掉电的情况下保存数据, 所不同的是它可以在特定引脚上施加特定电压或使用特定的总线擦写命令就可以在在 线的情况下方便完成数据的擦除和写入。串行EEPROM按总线分,常用的有 I 2 C、SPI、单 总线等。 在这里采用 I 2 C总线。I 2 C总线采用两线制, 由数据线SDA和时钟线SCL构成。I 2 C 总线为同步传输总线,数据线上信号完全与时钟同步。数据传送采用主从方式,即主控 器寻址被控器,启动总线,产生时钟,传送数据及结束数据的传送。其简单的应用系统 组成如图3.3所示:

图 3.3 I C 总线系统组成

2

I2C 总线的基本驱动方法,总线空闲时方可进行数据传输,但所有操作均基于射频 识别技术的多用户电度表研究起始于初始化条件,结束于停止条件。传送的控制字节、 地址及数据均以高位在前低位在后的 8 位串行格式, 都是在 SCL 时序信号激励下完成的。 (A)SDA 线和 SCL 线均为高电平时表示总线空闲。(B)在总线空闲状态下,SDA 线由高电 平跳变为低电平的过程称为本次操作的初始化条件。(C)数据传送结束后,在 SCL 线为 高电平时,使 SDA 线由低电平跳变为高电平的过程称为本次操作的停止条件,工作时序 如图 3.4 所示:

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图 3.4 I C 通信工作时序

2

3.3.2 24C08 工作原理 (1)数据写入过程:SCL 为低电平期间,允许 SDA 线上的数据改变,即在此时方可 将写入的位数据置于 SDA 线上;SCL 为高电平期间,SDA 线上的数据不可改变,24C08 内部地址或响应信号有效,完成数据位的存储。 (2)数据读出过程:SCL 为低电平期间, 同样允许 SDA 线上的数据改变,此时可将与 SDA 引脚相接的 MCU 端口设置为输入,为读 入数据做好准备;SCL 为高电平期间,24C08 把读出的位数据放在 SDA 线上,读指令将 位数据读入 MCU 内。但无论是读操作,还是写操作,每 8 位数据传送完成后,在 SCL 线 上需要增加一个额外的时钟信号,以完成 24C08 内部的操作。表现为,在额外时钟信号 的下降沿到来后,24C08 将自动把 SDA 线下拉为低电平作为应答信号。 对 24C08 所进行的操作,由写入的控制字节决定,控制字节的格式如图 3.5 所示。 S 表示初始化操作,ACK 表示数据传送结束后的应答位,中间的 8 位为控制字节。控制 位固定的设置为 1010,片选位的 3 位 A2、A1、AO,必须与要访问的 24C08 的 A2、A1、 A0 引脚的逻辑电平相对应。在本设计中 A2、A1、A0 引脚均接低电平,则访问该 24C08 芯片时,写入的控制字节中的片选位 A2、A1、A0 必须设置为 000。R/W 为读写控制位, 当 R/W=1 时,进行读操作,R/W=0 时进行写操作。

图 3.5 24C08 控制字

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对存储器写操作流程如图 3.6 所示: 首先,单片机向 24C08 发一个 START 命令,产生开始条件。然后,发写命令控制字 (A0H)。当 24C08 接到命令后,进入一个写周期,再由单片机发送存储单元地址,即确 定数据写入到存储器的哪个地址。最后,单片机将要存储的数据送入到 SDA 数据线上。 写周期结束时,单片机再发一停止位(STOP)。当写操作完成后,地址指针自动指向下一 存储单元。

图 3.6 SDA 线写操作

对存储器读操作流程如图 3.7 所示: 首先,单片机向 24C08 发一个 START 命令,产生开始条件。然后发写命令控制字 (A0H)。当 24C08 接到命令后,进入一个写周期,再由单片机发送存储单元地址。存储 地址发送成功后,单片机又向 24C08 发一个 START 命令,产生开始条件,然后发读命令 控制字(A1H)。当 24C08 接到命令后,进入一个读周期,单片机从 SDA 数据线上读出指 定存储地址中的数据。读周期结束时,单片机再发一停止位(STOP)。当读操作完成后, 地址指针自动指向下一存储单元。

图 3.7 SDA 线读操作

参照硬件图 2.16,MCU 的 P1.6 口连接存储器的 SCL,MCU 的 P1.7 口连接存储器的 SDA。这些数据将被存储在 24C08 的 0000H~O3FFH 中,其中 0000H~000FH 存放用户原 有电量即用户所购得电量与原电量之和;0010H~001FH 中存放用户所用电量,0020H~ 002FH 中存放前两个存储单元中电量差即用户剩余电量。 读写流程图如图 3.8 所示:

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开始

开始

发送写命令控 制字

发送写命令控 制字

发送高位地址

发送高位地址

发送低位地址

发送低位地址

发送读命令控 制字

写数据

读数据

停止
图 3.8 写操作流程图

停止
读操作流程图

Memery: WTCOM RDCOM 写存储器 WRITE: MOV R1,#10H MOV A,#WTCOM ACALL SENDCOM MOV A,#00H ACALL SENDDR ;暂存电量的 RAM 地址初值 ;发送写控制字 ;调用控制字发送程序段 ;送高位地址 ;调用地址与数据发送程序段 EQU A0H EQU A1H ;写操作控制字 ;读操作控制字

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MOV A,#00H ACALL SENDDR MOV A,@R1 停止 CLR P1.7 NOP NOP SETB Pl.6 NOP NOP SETB P1.7 RET 控制字发送程序段 SENDCOM:MOV R2,#8 SETB P1.7 SETB Pl.6 NOP CLR NOP CLR Transtlate1: RLC A P1.6 P1.7

;送低位地址 ;调用地址与数据发送程序段

;返回电能计量程序

;8 位数据

;传送第一位

MOV P1.7,C NOP SETB P1.6 NOP CLR P1.6

DJNZ R2,Translate1 SETB P1.7

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NOP SETB P1.6 NOP CLR P1.6 RET 地址与数据发送程序段 SENDDR:MOV R2,#8 Transtlate2: RLC A ;传送第一位 ;8 位数据

MOV Pl.7,C NOP SETB P1.6 NOP CLR P1.6 DJNZ R2,OTLP SETB P1.7 NOP SETB P1.6 NOP CLR P1.6 RET 读存储器 READ: MOV R1, #30H MOV A, #WECOM ACALL SENDCOM MOV A, #00H ACALL SENDDR MOV A, #00H ACALL SENDDR ;8 位数据未完则继续

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MOV A, #RDCOM ACALL SENDCOM REA1: ACALL READ1 MOV @R1, A 停止 CLR P1.7 NOP NOP SETB P1.6 NOP NOP SETB P1.7 RET 读 1 字节程序段 READ1:MOV R2,#8 SETB P1.7 INLP: CLR NOP SETB P1.6 MOV C,P1.7 RLC A DJNZ R2,INLP CLR RET P1.6 P1.6

3.4 电能计量显示程序
显示部分见硬件部分图 2.19, 对于驱动芯片 MAX7219 外围功能第二章已经介绍, 这 里主要介绍 MAX7219 的内部结构及工作原理。 MAX7219 有下列几组寄存器如表 3.1 所示,

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主要有:译码控制寄存器、亮度控制寄存器、扫描界限寄存器、关断模式寄存器、测试 控制寄存器。编程时只有正确操作这些寄存器,MAX7219 才可工作。
表 3.1 MAX7219 内部相关寄存器

REGISTER D15~ D12 No-OP Digit 0 Digit 1 Digit 2 Digit 3 Digit 4 Digit 5 Digit 6 Digit 7 Decode Code Intensity Scan Limit Shutdown Display Test X X X X X X X X X X X X X X

ADDRESS D11 D10 D9 D8

HEX CODE

0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1

0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

OxX0 OxX1 OxX2 OxX3 OxX4 OxX5 OxX6 OxX7 OxX8 OxX9 OxXA OxXB OxXC OxXF

各个寄存器分别介绍如下: (1)译码控制寄存器(X9H) 如图表 3.2 所示,MAX7219 有两种译码方式:B 译码方式和不译码方式。当选择不 译码时,8 个数据为分别一一对应 7 个段和小数点位;B 译码方式是 BCD 译码,直接送 数据就可以显示。实际应用中可以按位设置选择 B 译码或是不译码方式。

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表 3.2 MAX7219 译码控制寄存器

DECODE MODE D7 No decode for digits 7-0 Code B decode for digit 0 No decode for digits 7-1 Code B decode for digits 3-0 No decode for digits 7-4 Code B decode for digits 7-0 (2)扫描界限寄存器(XBH) 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 D6 0

REGISTER DATA D5 0 D4 0 D3 0 D2 0 D1 0 D0 0

HEX CODE

Ox00

0

0

0

0

1

Ox01

0

1

1

1

1

Ox0F

1

1

1

1

1

0xFF

如表 3.3 所示,此寄存器用于设置显示的 LED 的个数(1~8),比如当设置为 0xX 4 时,LED 0~5 显示。
表 3.3 MAX7219 扫描界限寄存器

SCAN LIMIT D7 Display digit0 only Display digits 0&1 Display digits 0 1 2 Display digits 0 1 2 3 Display digits 0 1 2 3 4 Display digits 0 1 2 3 4 5 Display digits 0 1 2 3 4 5 6 Display digits 0 1 2 3 4 5 6 7 (3)亮度控制寄存器(XAH) X X X X X X X X D6 X X X X X X X X

REGISTER DATA D5 X X X X X X X X D4 X X X X X X X X D3 X X X X X X X X D2 0 0 0 0 1 1 1 1 D1 0 0 1 1 0 0 1 1 D0 0 1 0 1 0 1 0 1

HEX CODE OxX0 OxX1 OxX2 OxX3 OxX4 OxX5 OxX6 OxX7

共有 16 级可选择,用于设置 LED 的显示亮度,从 0xX0~0xXF (4)关断模式寄存器(XCH) 共有两种模式选择,一是关断状态,(最低位 D0=0)一是正常工作状态(D0=1)。 (5)显示测试寄存器(XFH)

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用于设置 LED 是测试状态还是正常工作状态,当测试状态时(最低位 D0=1)各位 显示全亮,正常工作状态(D0=0)。 2 读写时序说明 MAX7129 是 SPI 总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字,还需要读取相应寄 存器的数据。要想与 MAX7129 通信,首先要先了解 MAX7129 的控制字。MAX7129 的控制 字格式如表 3.4。
表 3.4 MAX7219 控制字

D15 D14 D13 D12 D11 D10 X X X X

D9

D8 MSB

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0 LSB

ADDRESS

DATA

如图,工作时,MAX7219 规定一次接收 16 位数据,在接收的 16 位数据中:D15~D1 2 可以与操作无关,可以任意写入,D11~D8 决定所选通的内部寄存器地址,D7~D0 为 待显示数据或是初始化控制字。在 CLK 脉冲作用下,DIN 的数据以串行方式依次移入内 部 16 位寄存器,然后在一个 LOAD 上升沿作用下,锁存到内部的寄存器中。注意在接收 时,先接收最高位 D16,最后是 D0,因此,在程序发送时必须先送高位数据,在循环移 位。工作时序图见图 3.9。由于 51 是 8 位单片机故需要分两次来送数据。

图 3.9 MAX7219 工作时序

流程图如图 3.10 所示:

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图 3.10 电能显示流程图

程序如下: MAX7219:DIN BIT P0.0 BIT P0.1 BIT P0.2 EQU 10H ;显示数据首址 ;定义变量

LOAD CLK

LED_BF

AJMP MAIN2 MAIN2: LCALL PROCESS LCALL DISPLAY RET PROCECC:MOV A,#0BH MOV B,#03H LCALL W_7219 MOV A,#09H MOV B,#FFH LCALL W_7219 MOV A,#0AH MOV B,#09H LCALL W_7219 MOV A,#0CH ;送关断模式寄存器地址 ;送亮度控制寄存器地址 ;设置亮度 ;送译码控制寄存器地址 ;设置译码方式为全译码 ;送扫描界限寄存器地址 ;显示 4 个数码管 ;设置 MAX7219 初始值 ;显示

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MOV B,#01H LCALL W_7219 RET DISPLAY: MOV R0,#LED_BF MOV R4,#01H MOV R3,#08H C_DISP: MOV A,@R0 MOV B,A MOV A,R4 LCALL W_7219 INC R0 INC R4 DJNZ R3,C_DISP RET W_7219: CLR LOAD

;设置为正常工作状态

LCALL SD_7219 MOV A,B LCALL SD_7219 SETB RET SD_7219: MOV R6,#08H C_SD: NOP CLR CLK RLC A LOAD

MOV DIN,C NOP SETB CLK DJNZ R6,C_SD RET

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3.5 报警程序
当出现非法用户刷卡时,从 P3.4 端口输出间隔 0.5 秒的脉冲,该脉冲驱动报警电 路进行报警。程序如下: Alarm: Mov LOOP1:Mov R1,#10 R2,#50 ;设置延时 0.5 秒的外循环体 ;设置内循环体 ;输出 IKHz 的脉冲波 ;调延时 lms 程序

LOOP2:SETB P3.4 ACALL DELAY1ms CPL P3.4

DJNZ R2,LOOP2 DJNZ R1,LOOP1 RET DELAYlmS: MOV R3,#15 LOOP3:MOV R4,#20 LOOP4:NOP DJNZ R4,LOOP4 DJNZ R3,LOOP3 RET

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结论
在市场上出现的众多电能表,在应用上或多或少有一定的局限性。对于远程抄表管 理系统虽能监管用户电能表,防止用户窃电,但出现的收取电费难的问题,尤其是对人 口流动性大的场所的用电管理困难较大。本设计的创新之处是能克服上述电能表(或电 能管理系统)的缺点。实现用户先买电再用电的功能,解决了电力部门收取电费难的问 题。传统的 IC 卡预付费电能表为一表一卡,一个新表读写的第一张卡为其唯一能识别 的卡。如果出现用户卡丢失或损坏,要补卡则相当麻烦,所以从这个角度看,本设计的 另一创新之处是把传统的单用户电能表改为多用户电能表,实现了一表多卡。 作为整个系统最关键的部分,电能计量模块的准确性、可靠性就显得非常重要。设 计中采用了电能测量专用芯片 AD7755,该芯片集模/数转换、滤波、计算、系统校准等 功能于一体,从而简化了电能表的硬件电路设计和软件设计,提高了电表的计量精度。 为了保证系统工作的安全可靠,对每个用户都设计了专门的计量模块。该集中式电量计 量系统集中管理 16 户用户用电信息, 涉及到如何实现对 16 户用户用电的精确计量这一 问题。解决这一问题可以有好多种方案,可以充分扩展 I/O 口,对每个用户都分配一个 I/O 口同一时间对 16 个用户计量。这样在精度上可以达到要求,但是其最大缺点是占 用 I/O 口太多,增加硬件成本。在本设计中,采用 16 个 74LS161 计数器、4 个 16 选一 数据选择器 74150、1 个 4-16 译码器 CC4514 以及锁存器 74LS373 的组合,实现对 16 个 用户用电量的检测。从而实现了把单用户电能表改为多用户电能表。由于采用计数器对 脉冲进行计数,所以在不对该用户计量时,该用户的计量脉冲经计数器转化为了数值, 只要在检测该用户时把该数值记录到单片机中就行了, 从而解决了由于分时带来的误差 过大的问题。对于存储与显示部分,分别采用了 IC 通信与 SPI 通信。由于 IC 通信时 之需要 2 个 I/O 口,SPI 通信时也只需要 3 个 I/O 口,所以总共只要 5 个 I/0 口就可解 决存储与显示这两大部分。这为实现用一片单片机实现集中式创造了条件,同时也减少 了单片机外围设备的数量。 本设计形成产品后市场前景广阔,对于我国电力市场的规范管理将起到一定的作 用。但由于本人能力有限和时间紧迫,虽然在理论上实现了该系统的相应功能,但是仍 有好多设计未完善,比如制作硬件电路,对硬件电路进行调试与修改,同时结合硬件对 软件进行全面的测试和修改等。

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参考文献
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致谢
在本论文完成之际,我想起了所有关心和帮助过我的老师、朋友,在此我向他们表 达我最诚挚的感谢! 首先忠心感谢老师尉学军老师,尉老师不仅学识渊博、经验丰富,同时他治学极其 严谨、工作务实启示了我为人处世的生活态度。其次也要感谢我的朋友孙志江、搭档陈 秋菊在设计中给与的帮助。这次设计中,我感觉最大的收获是理顺了关于单片机的一些 工作过程,学会了自己编写汇编程序,虽然整个系统的程序并没有最终完全编写出来, 但是通过自己对部分功能模块的编写,发现编写程序并没有以前想像的那么难,只要熟 悉一个系统的工作过程。而这些收获,无不得益于尉老师对该系统流程的细心分析和无 私帮助,更得益于此次设计。本文从选题、研究到撰写、修改到最后顺利完成,整个过 程更是凝聚着老师的辛劳和思想,在此,再次对老师的教诲和关怀表示衷心的感谢!. 最后,对所有评阅此论文的教授和老师表示感谢!

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附录 A
ICR: JNB K2, ICK1

IC 卡检测及读写程序

SETB VCCI RET ICK1: MOV DEL,#10

LCALL DELY JNB SETB RET ICK2: CLR MOV VCCI DEL,#10 K2,ICK2 VCCI

LCALL DELY JB SETB MOV MOV MOV LCALL MOV LCALL MOV RET ICK3: MOV MOV MOV MRDI,#00H NUMBYT,#8 SLA,#0A0H VCCDL,ICK3 VCCI SEERR,SEE SEE,#5 SEER,SEE LEDRESET DEL,#60 DELY SEE,SEERR

LCALL RDNBYTI MOV CJNE A,#OAAH A,MRD1I,ICK4

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CJNE CJNE CJNE CJNE CJNE CJNE CJNE SJMP ICK4: MOV MOV MOV

A,MRD2I,ICK4 A,MRD3I,ICK4 A,MRD4I,ICK4 A,MRD5I,ICK4 A,MRD6I,ICK4 A,MRD7I,ICK4 A,MRD8I,ICK4 ICK5 SEERR,SEE SEE,#4 SERR,SEE

LCALL LEDRESET MOV A,#00H

LCALL LEDFILL LCALL DIR MOV DEL,#60

LCALL DELY MOV RET ICK5: MOV MOV MOV LCALL MOV CJNE CJNE CJNE MOV MOV MRDI,#10H NUMBYTI SLA,#0A0H RDNBYTI A,#00H A,MRD1I A,MRD2I A,MRD3I SEERR,SEE SEE,#7 SEE,SEER

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第 51 页

MOV LCALL MOV LCALL LCALL MOV LCALL MOV RET ICK6: MOV MOV MOV LCALL LCALL MOV MOV MOV MOV MOV MOV LCALL CLR CLR MOV CLR ADD MOV MOV ADDC

SEER,SEE LEDREST A,#00H LEDFILL DIR DEL,#60 DELY SEE,SEERR

SEEERR,SEE SEE,#8 SEERR,SEE LEDRESET DIR MTD1I,#00H MTD2I,#00H MTD3I,#00H MTDI,#10H NUMBYT,#4 SLA,#0A0H WRNBYTI ET0 ET0 A,MRD3I C A,SDL3 SDL3,A A,MRD2I A,SDL1

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第 52 页

MOV LCALL MOV MOV SETB SETB LCALL MOV LCALL LCALL ICK7: JB SJMP ICK8: SETB MOV RET

SDL1,A ZHCS TH0,#0FFH TL0,#0FEH ET0 TR0 LDERESET A,#00H LEDFILL DIR K2,ICK8 ICK7 VCCI SEE,#2

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附录 B

元器件清单列表
表 1 元器件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

名称 单片机 电能计量芯片 IC 卡接口芯片 16 路开关 定时器 4—16 译码器 16 选一数据选择器 锁存器 LED 驱动芯片 红色七段数码管 发光二极管 稳压管 非门 与门 光耦合器 磁保持继电器驱动芯片 磁保持继电器 存储芯片 比较器 桥堆 稳压二极管 D3 晶振 Y3 晶振 Y4 晶振 Y6 报警器 晶体三极管 电感 L 电容 C 电容 C 电容 C 电容 C 电容 C 电容 C 电容 C 电容 C 电容 C 电容 C

型号 AT89S52 AD7755 MFRC530 CD4067 74LS161 CC4514 74150 74LS373 MAX7219 JM—S30011—7 825MR2C LM7805CT 74ALS04 74LS08 6N138 BH3023 BSF—902 24C08 LM193 1BQ20 IN964B

规格

1K

12V 3.5797MHz 12 MHz 13.56 MHz

SC—511 3DG100 1μH 0.1μF 1.0uF 4.7μF 10μF 15pF 27pF 33nF 33pF 68pF 100nF

数量(个) 1 16 1 2 16 1 4 2 1 4 17 2 4 16 48 16 16 1 1 1 1 16 1 1 1 1 2 8 2 2 6 3 2 3 6 2 3

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表 1(续)

序号 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

名称 电容 C 电容 C 稳压二极管 D5 二极管 D4 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 电阻 R 开关

型号

LM336 1N34

规格 100μF 5100pF 2.5V 1K 1.5K 5.1K 10K 10 24.2K 50 60K 130 300K 350μΩ 330 500 560 820

数量 1 1 1 1 12 2 4 5 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 16

附录 C

基于 IC 卡的集中式电量计量系统整机电路图

附录 D

基于 IC 卡的集中式电量计量系统的软件流程图


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