1、目目錄錄 1 1 前言前言 .3 1.1 智能電表應(yīng)用的意義.3 1.2 智能電表的發(fā)展.3 2 2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計 .5 2.1 方案比較.5 2.2 方案選擇.7 3 3 器件介紹和單元模塊設(shè)計器件介紹和單元模塊設(shè)計.8 3.1 單元模塊設(shè)計.8 3.1.1 電源模塊電路 .8 3.1.2 信號采集電路 .9 3.1.3 計量模塊 .10 3.1.4 時鐘及 LCD 顯示模塊 .11 3.1.5 接觸式 IC 卡模塊 .12 3.2 器件介紹.12 3.2.1 STC89C52 單片機 .13 3.2.2 ADE7758 .13 3.2.3 DS12887 .14 3.2.4 L

2、CD1602 .15 3.2.5 SLE4442 .17 4 4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 .18 4.1 主要芯片讀寫程序設(shè)計及設(shè)計工具.18 4.2 主要軟件設(shè)計流程框圖及說明.21 5 5 系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試 .23 6 6 系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件調(diào)試 .26 7 7 總結(jié)與體會總結(jié)與體會 .28 8 8 謝辭謝辭 .29 9 9 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .30 附錄附錄 1 1：電路原理圖：電路原理圖 .錯誤錯誤! !未定義書簽。未定義書簽。 附錄附錄 2 2：PCBPCB 圖圖 .錯誤錯誤! !未定義書簽。未定義書簽。 附錄附錄 3 3：程序：程序 .錯誤錯誤! !未定義書簽。未定義書簽。 附

3、錄附錄 4 4：英文文獻(xiàn)翻譯：英文文獻(xiàn)翻譯. 錯誤錯誤! !未定義書簽。未定義書簽。 插卡式（插卡式（ICIC）智能電能表設(shè)計）智能電能表設(shè)計 摘摘要：要： 智能電表采用 ADE7758 電能計量芯片和 STC89C52 單片機為核心， 實現(xiàn)對于用戶功率的測量，并根據(jù)階梯電價計算出卡內(nèi)電費剩余等情況，電 能表附帶萬年歷，自動報警，調(diào)節(jié)階梯電價等功能，萬年歷功能采用芯片 DS12887 時鐘芯片為核心來實現(xiàn)，自動報警功能用蜂鳴器進(jìn)行模擬，并通過 四個鍵盤實現(xiàn)顯示的切換以及電價的調(diào)整功能，IC 卡采用西門子公司的 SLE4442 卡，可實現(xiàn)邏輯加密，可反復(fù)讀寫，卡內(nèi)數(shù)據(jù)保密性好。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：

4、智能電表，ADE7758，時鐘芯片，電能計量 AbstractAbstract: Smart Meters uses ADE7758 Electricity measurement chip and STC89C52 microcontroller as a core to implement the measurement of consumers power and calculate the remaining electricity bill, based on stepwise power tariff. In addition, the Smart Meters is attach

5、ed with a calendar, automatic alarm, and electricity adjustment function. The details of these functions are as follows: the calendar adopts clock chip DS12887 as a kernel to do the work, the automatic alarm uses Buzzer to simulate ,together with actualizing the vision switch as well as electricity

6、adjustment through four keyboards. IC card employ the SLE4442 of Siemens company, which can realize logic encryption, can read and write relapsable, the security of the data inside card is good. KeywordsKeywords: Smart Meters, ADE7758, clock chip, Electricity measurement. 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 1 1 前言前言 隨著我

7、國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各地對于電能需求量也隨之迅速增加，據(jù)介紹，國家將 加快建設(shè) 1000 千伏交流和800 千伏、1000 千伏直流構(gòu)成的特高壓骨干網(wǎng)架，并實現(xiàn) 各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，大力推進(jìn)堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)，到 2020 年，將建成統(tǒng)一的智能堅 強電網(wǎng)，是電能的分配，管理，電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，用戶和電網(wǎng)之間的互動性提高，其中 重要的一項，就是加強用電管理，使用智能計費系統(tǒng)。 1.11.1 智能電表應(yīng)用的意義智能電表應(yīng)用的意義 目前，我國已經(jīng)開始大面積推廣并使用智能電表，以實現(xiàn)對電價分時，階梯 的統(tǒng)計，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電量激增，對于電能的管理顯得尤為的重要。在現(xiàn)代 生產(chǎn)生活中，電能已經(jīng)發(fā)展成為一

8、種重要的能源資源，我國電力事業(yè)在改革開放的 30 年中，發(fā)展極為迅猛，所以相應(yīng)的電能計量儀表制造業(yè)的進(jìn)步也必須與之相適應(yīng)，這對 于電力事業(yè)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和發(fā)展， 促進(jìn)我國電力事業(yè)穩(wěn)定， 健康的發(fā)展有著極其重要的 意義。 新型智能電表不僅具有傳統(tǒng)電表的功能， 還能對用戶的用電情況進(jìn)行管理和控制， 并且相比于傳統(tǒng)電表的機械式結(jié)構(gòu)，沒有機械摩擦，大大的提高了準(zhǔn)確度和靈敏度，且 易于實現(xiàn)自動化測量，并且可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊和控制，具有較高的性能價格比，適合我 國國情，有廣泛的引用價值。智能電表利用微機技術(shù)，通訊技術(shù)等等，減少了能量的消 耗，把采集，處理集中于一體，節(jié)省成本和人力資源，提高了工作效率，適應(yīng)了現(xiàn)

9、代用 戶的需求。 1.21.2 智能電表的發(fā)展智能電表的發(fā)展 智能電表是在電子式電表的基礎(chǔ)上發(fā)展而來， 歐美發(fā)達(dá)國家于 20 世紀(jì) 70 年代研發(fā) 并開始使用，經(jīng)過 30 多年的不斷發(fā)展，歐美國家不斷對智能電表技術(shù)進(jìn)行革新，功能 日趨完善，目前，我國的智能電表大致分為機電一體式和全電子式兩種，機電一體式即 在原有機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上附加一定的電子元件， 從而達(dá)到所需的功能要求， 安裝簡潔， 多用在老實機械表的改裝，成本低。全電子式則是采用集成電路為核心，取消了老式電 表的機械結(jié)構(gòu)，減少了機械摩擦，使得計價更加準(zhǔn)確，可靠性高，耗電少，體積小。在 收費系統(tǒng)方面，目前國內(nèi)上使用最為廣泛的為 IC 卡電

10、表收費，成本低，可靠性好，且 使用壽命長，一張IC 卡可使用 10 年以上，且可實現(xiàn)，預(yù)收費，自動斷電，加密等多種 功能，但是 IC 卡收費系統(tǒng)也存在很大的缺陷，用戶終端仍然與整個網(wǎng)絡(luò)脫節(jié)從經(jīng)濟(jì)角 度來看電力部門先收費后送電不符合經(jīng)濟(jì)政策 ,可以說在一定程序上侵犯了用戶的利 益。 隨著我國提出發(fā)展智能堅強電網(wǎng)的提出， 為我國電網(wǎng)設(shè)施的發(fā)展提供了機遇， 未來， 智能儀器儀表將向著數(shù)字化，智能化， 網(wǎng)絡(luò)化，微型化的趨勢發(fā)展，并進(jìn)一步與微處理 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 器，PC 技術(shù)融合，使儀器儀表技術(shù)的數(shù)字化，智能化水平不斷提高。 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 2 2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計

11、 本電表采用分時計費原則，將電壓，電流等參數(shù)進(jìn)行采集，并輸入微處理器，進(jìn)行 運算，并最終實現(xiàn)對于電能的準(zhǔn)確計量和控制。 2.12.1 方案比較方案比較 智能電表的設(shè)計，是基于對用戶電壓電流信號進(jìn)行采集，并通過微處理器進(jìn)行核心 運算， 當(dāng)電壓電流信號通過采集以后， 通過高精度的 AD 采樣保持， 最終輸入微處理器， 另一方面，通過 IC 卡座實現(xiàn)對 IC 卡內(nèi)部金額的讀取，輸入單片機，并且要求通過功率 和電費的計算，進(jìn)行顯示與報警。 對于電力參數(shù)的測試，例如電壓，電流，有功功率，無功功率等，現(xiàn)在都有成熟的 測量計算方法，對于電壓有效值的測量，可以利用積分電路來實現(xiàn)，也可以利用時間采 樣信號，將信

12、號值平方，去均值以后，得到平方根，通過AD，進(jìn)行采樣，有功功率定 義為P UICOS,U和I為電壓和電流的有效值，COS為功率因數(shù)。而對于非正弦波 形的計算，只有通過積分運算來完成。 方案一： LCD 顯示 報警 AD 轉(zhuǎn)換微處理器鍵盤控制 信號濾波 IC 卡 信號采集 圖 2-1 方案一 在本設(shè)計方案中，核心器件為微處理器，這里我們選用是STC89C52 單片機，當(dāng)信 號采樣后通過 AD 轉(zhuǎn)換，送入微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和計算，智能電表的實現(xiàn)必須 對用戶的功率進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，在信號采集模塊中，通過電壓互感器和電流互感器，對 用戶的電壓和電流信號進(jìn)行采集， 微處理器進(jìn)行功率和電費的計算， 可

13、通過 LCD 顯示， 并可以通過鍵盤對分時電價進(jìn)行調(diào)整， 實現(xiàn)顯示的轉(zhuǎn)換和調(diào)整， 并運用單片機內(nèi)部時鐘 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 設(shè)計計時系統(tǒng)，以實現(xiàn)分時的控制。但是此設(shè)計有諸多缺陷，首先，在信號采集方面， 由于智能電表對于功率的計算，如果單純的使用單片機，會造成功率計算不準(zhǔn)確，如果 要提高計算的精度，對于信號的 AD 轉(zhuǎn)換就必須采用高精度期間，成本費用增加，其次 即便使用了高精度的 AD，在功率計算，補償方面的程序也想當(dāng)繁瑣，再則，由于使用 分時計費系統(tǒng)，只用單片機內(nèi)部時鐘信號進(jìn)行粗略的計時，產(chǎn)生的時間誤差比較大，長 時間的使用下會導(dǎo)致計時不準(zhǔn)確，而使得電費的計算出現(xiàn)誤差。 軟件系統(tǒng)方面

14、，其核心則是編寫功率計算程序和AD 采樣程序，并通過鍵盤掃描的 實現(xiàn)顯示的切換。 方案二： 時鐘芯片 ADE7758 微 處 理 器 鍵盤輸入 IC 卡 信號濾波 信號采集 LCD 顯示 報警 圖 2-2 方案二 本方案的設(shè)計思路與方案一大致相同，選用 STC89C52 單片機，作為微處理器，通 過電壓傳感器， 電流傳感器實現(xiàn)對用戶的電壓電流采集， 并在單片機中進(jìn)行電價的計算， 與方案一的不同之處在于， 方案二中功率計算部分和 AD 轉(zhuǎn)換采集部分被一塊電能計量 芯片 ADE7758 進(jìn)行代替，該芯片是以一款高準(zhǔn)確度的三相電能采集芯片，適用于計量 各種三相， 單項配置條件下的有功， 無功， 視在

15、電能， 可省去高精度 AD 的費用的同時， 也可以減少單片機內(nèi)部處理功率的步驟，轉(zhuǎn)由 ADE7758 完成。同時，由于該智能電表 采用分時計費系統(tǒng)， 方案二中特采用一塊時鐘芯片以提高對于時間的計時準(zhǔn)確程度， 以 確保該電表可以準(zhǔn)確計費，同時，由于時鐘芯片本身集成有微型電池，可以在斷電的情 況下繼續(xù)運行，保證了在智能電表斷電的同時，計時系統(tǒng)不至于停止工作。 在本方案中，由ADE7758進(jìn)行功率的計算并進(jìn)行校準(zhǔn)，在該芯片中，通過每相有 功增益寄存器寫入數(shù)據(jù)， 可對輸出產(chǎn)生的平均功率經(jīng)行改變， 該芯片中在每個相位集成 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 了一個有功偏移寄存器，該寄存器為12位寄存器，用以對

16、有功功率經(jīng)行校準(zhǔn)，由于實際 電路的工作環(huán)境的復(fù)雜和多變， 以及芯片本身制造工藝和各通道之間經(jīng)行的干擾， 都會 造成誤差的產(chǎn)生， 有功功率寄存器的一個LSB相當(dāng)于有功功率乘法器輸出的LSB的1/16。 在滿刻度輸出時，如果乘法器的輸出為XCCCCS（838861d） ，LPF2輸出端的1個LSB相 當(dāng)于在電流通道滿刻度60dB計量誤差的0.0075。在滿刻度時，60dB（輸入信號 級別為滿刻度信號輸入的1/1000） ，LPF2的平均數(shù)值為838.861 (838,861/1,000)。LSB 1/838.861/16100% = 測量值的0.0075% 。有功功率偏移寄存器修正分辨率為0.00

17、75% （ 60 dB）4。 另外ADE7758的各相有擁有一個空載閥值， 如果有功公功率的測量值低于滿刻度的 0.005%，則該值不會被累加，有效的避免了電表的淺動。ADE7758通過41個電能寄存 器連續(xù)累加有功功率以實現(xiàn)對信號的積分作用， 這種離散的累加作用就相當(dāng)于連續(xù)時間 的積分作用，平均有功功率的計算時，是有符號運算的，負(fù)電能將會在有功功率寄存器 中被扣除。當(dāng)有功功率為正，且達(dá)到最大值時，有功功率的數(shù)值將反轉(zhuǎn)到達(dá)滿刻度的負(fù) 值0X800，并繼續(xù)增加，當(dāng)有功功率為負(fù)值，且持續(xù)減小到達(dá)最小時，會自動轉(zhuǎn)為正的 對大刻度0X7FFF，并繼續(xù)降低。 在軟件系統(tǒng)上，該方案與方案一的區(qū)別在于，重點

18、在對于 ADE7738 和 DS12887 兩 塊芯片的讀寫程序的書寫， 在硬件的搭建上降低了難度， 但是在程序書寫上難度有所增 加。 2.22.2 方案選擇方案選擇 通過對以上兩種方案的具體描述，對他們各自的優(yōu)缺點有了一定的了解。要完成對 于電費的準(zhǔn)確計算， 并綜合本次課程設(shè)計成本進(jìn)行考慮， 最終選擇了方案二為本次設(shè)計 的最終設(shè)計方案。 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 3 3 器件介紹和單元模塊設(shè)計器件介紹和單元模塊設(shè)計 只有各個系統(tǒng)單元模塊的有機結(jié)合，才可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。下面將介紹 本次設(shè)計中使用的一些特殊器件和具體的各功能模塊電路組成。 3.13.1 單元模塊設(shè)計單元模塊設(shè)計 3.1

19、.13.1.1 電源模塊電路電源模塊電路 電源模塊電路從電網(wǎng) 220V 電壓作為輸入，通過該電路后，輸出端輸出大小為 5V 的電壓，作為單片機及其他芯片的 VCC 電源，具體的電路圖如下圖所示： 1 D1 J3 2 1 CON2 TRANS1 BRIDGE1 3 T3 421 U2 78L05 Vin G N D Vout 3VCC 2 C10 100uf C11 0. 01uf C12 0. 01uf R6 1k 圖 3.1 電源接線圖 圖 3-1 為電壓模塊的電路圖，該模塊以電網(wǎng) 220 交流電作為輸入，通過整流橋 整流后，再經(jīng)過濾波，最后通過一塊 78L05 穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，得到一個穩(wěn)

20、定的 5V 電源，78L05 的輸出電流可達(dá)到 100mA，無需外接元件，內(nèi)部本身帶有熱過載 保護(hù)，自帶內(nèi)部短路電流限制。該模塊的仿真電路如下圖所示： U2 7805 TR1 D1 1N4007 1 VI G N D VO 3 D2 1N4007 C3 2200uF C4 0.01uF 2C5 0.01uF RV1 1k +5.00 D3 TRAN-2P2S 1N4007 D4 1N4007 圖 3.2 電源仿真圖 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 圖 3-2 為該電源電路的仿真效果圖，可以看到，該模塊可以很好的工作得到一個 穩(wěn)定的 5V 的電源。 3.1.23.1.2 信號采集電路信號采集電路

21、本次設(shè)計為智能電表，所以要對用戶的電壓和電流都進(jìn)行采樣，再通過 ADE7758 芯片來得到一個較為準(zhǔn)確的功率值并輸入單片機中，因此電壓電流的采 集電路如下圖所示： J1 2 1 CON2 T1 R2 1k R10 10 C7 33nf IAP TA32B M R3 1k C8 33nf R6 J2 2 1 CON2 TV31B -02 51K R4 200 R5 1K C9 33nf T2 VAP IAN 圖 3.3 采集電路 圖 3-3 為電流電壓采集電路，在電流采集電路中，通過將電流互感器TA32BM 串聯(lián)到用戶電路中，以采集用戶的電流信息，TA32BM額定輸入輸出為 5A/2.5mA,

22、通過電流互感器將大電流轉(zhuǎn)換到 ADE7758 可以接受的小電流范圍內(nèi)，然后通過濾 波降低信號的干擾，最終輸入芯片，在電壓采集電路中，通過將電壓互感器 TV31B-02 并聯(lián)到用戶的負(fù)載上，采集用戶的電壓信息，TV31B-02 是一款電流型電 壓互感器， 額定電流是 2mA/2mA,所以要在電壓互感器的緣邊串聯(lián)一個 51K 的電阻 一降低互感器原邊的電流值到可承受的范圍，最后通過 RC 電路濾波后，得到一個 近似 0.5V 的電壓以輸入到 ADE7758 芯片，和前面的電流值一起，計算出用戶的功 率。 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 電壓互感器相當(dāng)于一個內(nèi)阻很小的電壓源， 正常運行時它的負(fù)載阻抗會

23、很大， 相當(dāng) 于開路狀態(tài)，二次側(cè)只有很小的電流，當(dāng)二次側(cè)短路時，負(fù)載阻抗為零， 將產(chǎn)生很大的 短路電流，會將電壓互感器燒壞。因此，電壓互感器二次側(cè)嚴(yán)禁短路。 電流互感器在正常運行時， 二次電流產(chǎn)生的磁通勢對一次電流產(chǎn)生的磁通勢起去磁 作用， 勵磁電流很小， 鐵芯中的總磁通就很小， 二次繞組的感應(yīng)電動勢不會超過幾十伏。 如果二次側(cè)開路，二次電流的去磁作用消失，其一次電流完全變?yōu)閯畲烹娏?，會引起鐵 芯內(nèi)磁通劇增，鐵芯處于高度飽和狀態(tài)，加之二次繞組的匝數(shù)很多，就會在二次繞組兩 端產(chǎn)生很高(甚至可達(dá)數(shù)千伏)的電壓，不但可能損壞二次繞組的絕緣，再者，由于磁感 應(yīng)強度劇增，使鐵芯損耗增大，嚴(yán)重發(fā)熱，甚至燒

24、壞絕緣。 3.1.33.1.3計量模塊計量模塊 計量模塊的核心是通過一塊 ADE7758芯片來完成，通過信號采集電路，將變 換后的電壓電流信號輸入到該芯片，ADE77581是一款高準(zhǔn)確度的三相電能計量芯 片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個串行接口。ADE7758集成了二階 -D 模數(shù)轉(zhuǎn)換 器, 數(shù)字積分器，基準(zhǔn)電路，溫度傳感器，以及所有進(jìn)行有功，無功和視在電能計 量以及有效值計量所需的信號處理元件1。 V CC U 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A P C FD OUT D GNDSC L K D VDDD IN A VDDC S IA PC LKO UT IA NC

25、LKIN IB PIR Q IB NV ARC F IC PV AP IC NV BP A GNDV CP R EFV N A DE77 58 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 SDI SC K SD0 SX C O C I IA P IA N V AP V AN C 6 C AP R 1 C 3 1K 33 nf C 4 C I 22 pf Y 2 10 H z C 5 C O 22 pf 圖3.4 ADE7758接線圖 圖 3-4為芯片 ADE7758的具體接線圖，ADE7758作為一款適用范圍極廣且功 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 能強大的電能計量芯

26、片在本次設(shè)計中擔(dān)任了重要的角色，通過 DOUT 管教直接與 單片機連接，通過SPI 總線方式，與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間相互通信，從而實現(xiàn)功率 的計算，其中 DOUT 管角與單片機 P1.4 連接，SCLK 與 P1.3 連接，DIN 與單片機 P1.7 連接，CS 片選信號與單片機 P1.2 連接。 3.1.43.1.4 時鐘及時鐘及 LCDLCD 顯示模塊顯示模塊 本次設(shè)計設(shè)計中，該電表要實現(xiàn)分時計費，既必須引入時鐘系統(tǒng)，該時鐘系統(tǒng) CS必須準(zhǔn)確，且在電表短時間斷電之內(nèi)，不會停止工作，因此，該模塊采用了一塊時 25 鐘芯片 DS12887，該芯片為一款使用很廣泛的時鐘芯片，具體電路圖如下圖所示：

27、 U3 DS12887 MOT NC NC AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 GND DS12887 1 2 3 D0 4 D1 5 D2 6 D3 7 D4 8 D5 9 D610 D711 12 VCC SQW NC NC NC IRQ RESET DS NC R/W AS CS 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 VCC DSDS DSRW DSAS DSCS 圖3.5 DS12887接線圖 圖 3.5 為時鐘芯片 DS12887 的連線圖， 其中 DS 與單片機 P2.1 口連接， R/W 與單片 機 P2.5 口連接，

28、AS 與單片機 P2.4 口連接，CS 與單片機 2.2 口連接。通過該芯片可以 提供比較精確的萬年歷。 同時智能電表的顯示模塊選用 LCD 顯示，下圖為 LCD1602 顯示電路： LCD16 02 L R C S D E N R W 4 5 6 RS 10K R18 V D D V S S V E E 1 2 3 VCC EN 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 U4 LCD16 02 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D0D1D2D3D4D5D6D7 圖3.6 LCD1602接線圖 通過該 LCD 液晶顯示器，顯示我們需要的一些信息。上述兩個

29、模塊通過與 STC89C52 單片機進(jìn)行連接，可以實現(xiàn)萬年歷的功能，且可以保證，在智能電表短時間 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 斷電的情況下，時鐘不會停止運行，繼而實智能電表的分時計費系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的運行， 我們用 Protues 仿真,電路圖如下圖所示： LCD1 LM016L 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 8 76 5 4 U2 19 XTAL1P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.

30、5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8 RN1 16 15 14 13 12 11 10 9 RX8 3 2 1 V E E V D D V S S E R W R S D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 R1 10k VCC VCC 18 XTA

31、L2 9 A D 0 A D 1 A D 2 A D 3 A D 4 A D 5 A D 6 A D 7 RST 24 14 15 17 13 AS R/W DS CS VCC U1 29 30 31 PSEN ALE EA 1 2 3 4 5 6 7 8 P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 AT89C52 ad0.7 19 1 AD0.7 IRQ MOT RESET SQW 18 23 GND 12DS12C887 BUZ1 BUZZER 圖3.7 萬年歷顯示仿真圖 圖 3.7 為萬年歷顯示模塊， 上圖中可以通過按鍵對 LCD 顯示

32、進(jìn)行調(diào)整， 可以顯示萬 年歷，分時電價，余額等信息。 3.1.53.1.5 接觸式接觸式 ICIC 卡模塊卡模塊 這里 IC 卡模塊我們選用的是西門子的 SLE4442 加密型 IC 卡，SLE4442 是一種具 有加密邏輯電路的智能 IC 卡, 內(nèi)含 2568 位 EEPROM 主存儲器和一個 32 位帶 PROM 功能的保護(hù)存儲器,其觸點配置和串行接口符合 ISO 7816 標(biāo)準(zhǔn)(同步傳送),具備只有輸 入正確的 3 字節(jié)可編程密碼(加密存儲區(qū)) 后才能修改數(shù)據(jù)的特性。下圖為具體模塊2： VCC VCC 1 SLE_RST2 SLE_CLK3 4 U3 VCC GND RSTNC CLKI

33、/O NCNC SLE444CARD2-IC 5 6 7 8 D0 圖3.8 SLE4442卡座 3.23.2 器件介紹器件介紹 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 3.2.1 STC89C523.2.1 STC89C52 單片機單片機 STC89C52 是一款高速度，高密度，低功耗的單片機，內(nèi)置8 位中央處理單元，256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM,8K 片內(nèi)程序 ROM，32 個雙向 I/O 口，還包含 3 個定時/計數(shù)器， 擁有 PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)兩種封裝形式， 本次設(shè)計中采用 40 管腳雙列直插封裝， 功能強大，可以適用于較為復(fù)雜的工作環(huán)境，下圖為 STC89C52

34、單片機管腳圖： 圖3.9 STC89C52管腳圖 3.2.2 ADE77583.2.2 ADE7758 ADE7758是一款高精度的電能計量芯片，具有高準(zhǔn)確度，適用于三相/三線，三相/ 四線和其他各種三相系統(tǒng)，該芯片通過SPI數(shù)據(jù)串行接口和單片機進(jìn)行連接，模擬電源 端（AVDD）=數(shù)字電源（DVDD）=5V5%,模擬地端（AGND）=數(shù)字地（DGND） = 0 V, 使用片內(nèi)基準(zhǔn)源,CLKIN =10 MHz XTAL,溫度范圍為 40C至+85C3。ADE7758的 管腳圖如下圖所示： 圖3.10 ADE7758管腳圖 ADE7758通過SPI串口讀寫時序圖： 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯

35、圖3.11 ADE7758寫時序 圖3.12 ADE7758讀時序 3.2.3 DS12887 DS12887為一款時鐘芯片，該器件可以提供RTC/日歷，鬧鐘，三個可屏蔽中斷和一 個可編程方波以及一個114字節(jié)的RAM，此RAM有電池備份，不會導(dǎo)致斷電后時鐘停 止的現(xiàn)象， 該器件把石英晶體和電池集成在了一起， 少于31天的月份月末日期可自動調(diào) 整，其中包括閏年補償，該芯片還有一個精密的溫度補償電路用來監(jiān)視VCC的狀態(tài)， 如果檢測到主電源故障可自動轉(zhuǎn)換到備用供電，該芯片接口支持Intel和Motorola兩種模 式，在本次設(shè)計中，采用的是Intel模式，具體讀寫時序圖如下： 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文

36、資料翻譯 圖3.13 DS12887寫時序 圖3.14 DS12887讀時序 3.2.4 LCD16023.2.4 LCD1602 LCD1602是一款工業(yè)字符型液晶顯示屏，能夠同時顯示32個字符，內(nèi)部帶有80*8為 的內(nèi)部RAM緩沖區(qū)，可顯示阿拉伯?dāng)?shù)字，引文字母大小寫，常用符號和日文片假名等， 每一個字符都有一個固定的代碼， 在本次設(shè)計中， 可以通過LCD顯示萬年歷， 分時電價， 剩余金額等數(shù)據(jù)信息，可以通過鍵盤來切換顯示。部分主要指令說明如下： 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 表3.1 LCD1602指令碼 指令碼 00111000 00001DCB 功能 設(shè)置16*2顯示，5*7點陣，8位

37、數(shù)據(jù)接口 D=1 開顯示；D=0關(guān)顯示 C=1顯示光標(biāo)；C=0不顯示光標(biāo) B=1光標(biāo)閃爍；B=0光標(biāo)不閃爍 000000NSN=1當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址加一，光標(biāo)加一 N=0當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址減一，光標(biāo)減一 S=1當(dāng)寫一個字符， 整屏顯示左移 （N=1）或右移 （N=0） ， 以得到屏幕移動光標(biāo)不移動的效果 S=0當(dāng)寫一個字符，整屏顯示不移動 80H+地址碼 01H 02H 設(shè)置地址數(shù)據(jù)指針 顯示清屏：所有指針清零，所有顯示清零 顯示回車：數(shù)據(jù)指針清零 LCD1602讀寫數(shù)據(jù)時序如下圖所示： 圖3-15 1602讀數(shù)據(jù)時序 圖3-16 1602寫數(shù)據(jù)時序 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 3.

38、2.5 SLE44423.2.5 SLE4442 SLE4442 是德國西門子公司的接觸式加密型 IC 卡，接口電路簡單，編程方便，保 密性好，其內(nèi)部用于一個256*8 位的 EEPROM 主存儲器，另其還含有一個帶有PROM 功能的保護(hù)存儲器，可進(jìn)行加密處理，工作溫度范圍在 070，至少可擦寫 10 萬 次以上，數(shù)據(jù)保存期最少為 10 年，工作電壓為 5V。對 IC 卡操作的命令分為控制，地 址，數(shù)據(jù)三個部分，傳送從控制字節(jié) LSB 開始，其具體命令如下面所示： 表 3.2 IC 卡命令格式及功能 字節(jié) 1 控制 00110000 00111000 00110100 00111100 001

39、10001 00111001 00110011 字節(jié) 2 地址 輸入地址 輸入地址 無效 輸入地址 無效 輸入地址 輸入地址 字節(jié) 3 數(shù)據(jù) 無效 輸入數(shù)據(jù) 無效 輸入數(shù)據(jù) 無效 輸入數(shù)據(jù) 輸入數(shù)據(jù) 操作 讀主存儲器 升級主存儲器 讀保護(hù)存儲器 寫保護(hù)存儲器 讀加密存儲器 升級加密存儲器 比較數(shù)據(jù)校驗 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 4 4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 本設(shè)計中，以STC89C52作為微處理器，采用C語言進(jìn)行編程，配合硬件電路，共同 構(gòu)成了本次設(shè)計的核心部分。 4.14.1 主要芯片讀寫程序設(shè)計及設(shè)計工具主要芯片讀寫程序設(shè)計及設(shè)計工具 本次設(shè)計采用 C 語言，C 語言具有簡潔明了的特點，在

40、本次設(shè)計中，按照各芯片 的讀寫操作時序，以 SPI 總線操作方式，分別對 DS12887 時鐘芯片，ADE7758 電能計 量芯片進(jìn)行讀寫操作， 即可基本完成本次設(shè)計的主要功能， 同時兼顧完成切換顯示時間， 電價以及查詢余額，并可以調(diào)節(jié)電價。 在讀取 DS12887 時鐘芯片時，按照其讀寫時序，當(dāng)要寫入數(shù)據(jù)時，先要寫入地址， 將 CS 置低，SA,DS 分別置高，RW 置高，然后給 P0 口賦值，即要寫入的地址，然后 將 AS,RW 置低，再一次給 P0 口賦值，即要寫入的數(shù)據(jù)，最后將 AS,RW,CS,拉高，同 理，在讀取數(shù)據(jù)時，也要先寫入一個地址，將 AS,DS,RW 置高，將 CS 置低

41、，給 P0 口 賦值地址，然后將 AS,DS 拉低，P0 讀取數(shù)據(jù)，最后 DS,AS,CS,全部拉高，具體 C 語言 函數(shù)如下： void write_ds(uchar add,uchar date) uchar read_ds(uchar add) uchar ds_date; dsas=1; dscs=0; dsas=1; dsds=1; dsrw=1; P0=add; dsas=0; dsrw=0; P0=date; dsrw=1; dsas=1; dscs=1; 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 dsds=1; dsrw=1; dscs=0; P0=add; dsas=0; dsds=0;

42、 P0=0 xff; ds_date=P0; dsds=1; dsas=1; dscs=1; return (ds_date); 同時，在讀取 ADE7758 芯片中有功功率時，同樣，按照其讀時序圖，先將 CS 拉 低，選中信號， 再用 SCK 模擬一個時鐘信號輸入，先向 ADE7758 寫入一個地址，再從 芯片讀出數(shù)據(jù)，ADE7758 和 DS12887 讀寫程序最大的不同在于，DS12887 可以將 8 位 數(shù)據(jù)一次性讀出，而 ADE7758 只能一位一位的讀取，因此，在書寫讀寫函數(shù)的時，需 要指明，讀取數(shù)據(jù)的位數(shù)。在 CS 保持低電平的時候，所有的數(shù)據(jù)傳輸必須全部完成， 另外，除了整體器

43、件復(fù)位以外，沒有其他方法可以讓 ADE7758 返回通信狀態(tài)，所以必 須傳輸各寄存器的 LSB,復(fù)位的方法是運用軟件進(jìn)行復(fù)位。如前所述，在第一個字節(jié)正 在向目標(biāo)寄存器傳送是， 可以同時開始另一個字符的傳送， 但是第二個字節(jié)的傳輸過程 不應(yīng)該在第一個字節(jié)傳送完成前至少 900ns 內(nèi)不應(yīng)該結(jié)束。當(dāng) ADE7758 寄存器經(jīng)行讀 取操作訪問時， 讀取命令個寫入命令之間至少需要有 1.1us 的時間間隔， 若果間隔過小， 將會導(dǎo)致寫入操作的最后一個字節(jié)丟失， 具體位數(shù)參見芯片說明書， 具體讀取函數(shù)如下： unsigned long read7753(unsigned char type,unsign

44、ed char databit) unsigned char loop=0; unsigned long rtdata=0; type=type type=type|0 x00; for(loop=0;loop8;loop+) SCK=1; _nop_(); 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 if( type else SDO = 0; _nop_(); SCK=0; _nop_(); type=(type1); for(loop=0;loopdatabit;loop+) SCK=1; _nop_(); rtdata=(rtdata1); /上升沿讀出數(shù)據(jù) if(SDI) rtdata+=1; _

45、nop_(); SCK=0; _nop_(); return(rtdata); 本次設(shè)計的另一個重點就是現(xiàn)實程序，1602 的顯示程序同樣按照其讀寫時序圖完 成，不同的是，1602 的顯示，需要在主程序的開始寫一個初始化函數(shù)用以設(shè)定1602 的 顯示方式，光標(biāo)等等，在本次設(shè)計中，只涉及到 1602 的寫程序，寫數(shù)據(jù)時，同樣需要 先寫入地址，寫地址時，先將 RS,EN 置低，延遲后再將 EN 拉高，賦予地址，最后將 EN 拉低，寫數(shù)據(jù)與讀不同之處在于要將 RS 拉高其余同寫地址時一樣，具體初始化函 數(shù)，寫函數(shù)如下： void init() lcden=0; dula=0; wela=0; set

46、_time(); 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 write_com(0 x38); write_com(0 x0c); write_com(0 x06); write_com(0 x01); void write_com(uchar com) void write_date(uchar date) 本次設(shè)計采用 Keil uVision2作為編程工具， 用 Protues 進(jìn)行實物制作前的仿真， Keil 作為現(xiàn)在主流的單片機編程工作具有操作簡單，快捷的優(yōu)點，同時可以與 Protues 聯(lián)動 方便調(diào)節(jié)和仿真，另用 STC-ISP V31將程序下載至單片機上運行。 在本次軟件設(shè)計中，最困難的地方

47、在于對 ADE7758 的讀寫操作，ADE7758 是一塊 應(yīng)用非常廣泛的電能計量芯片， 第一次使用該芯片時， 對于串行的讀寫操作了解不夠深 入，導(dǎo)致在書寫程序的過程中， 時序先后發(fā)生錯誤，不知道如何移位讀取等等，后來參 考一些例子以后最終調(diào)試成功。 rs=1; lcden=0; delay(5); lcden=1; P0=date; lcden=0; rs=0; lcden=0; delay(5); lcden=1; P0=com; lcden=0; 4.24.2 主要軟件設(shè)計流程框圖及說明主要軟件設(shè)計流程框圖及說明 主要流程圖如下圖所示： 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 開始 程序初始化 讀

48、取 ADE7758 檢測 IC 卡 N 讀取完 成？ Y 計算余額 鍵盤掃描 N 檢測標(biāo)志位 余額是 否為 0？ Y 報警 N LCD 顯示 Y 檢測中 斷 N 結(jié)束 圖 4-1 主程序流程圖 本次設(shè)計的主要流程為當(dāng) IC 卡插入卡座， 單片機檢測到 IC 卡并讀取其金額開始計 時，當(dāng)按照開始設(shè)定好紅燈亮起，同時，LCD 顯示屏強制轉(zhuǎn)換到余額界面，字體開始 閃爍，蜂鳴器長鳴，此時停止計費，并且開始檢測鍵盤，當(dāng)按下鍵盤 key4 后，警告解 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 除，LCD 顯示界面重新返回時間界面。令一方面，在計費系統(tǒng)正運行時，可以通過鍵 盤檢測，切換顯示界面，顯示界面共有4 種，分別

49、為當(dāng)前時間，3 種電價，余額，共計 5 種界面，當(dāng)按下鍵盤 key1 后，在當(dāng)前時間界面和 3 種電價界面，可以調(diào)整時間和電 價，增加或者減少，分別由鍵盤 key2,key3 來控制，由此來完成時間，電價的調(diào)整。比 照 DS12887 中去讀的時間參數(shù)，選取電價開始計算余額，當(dāng)余額定于30 元時，蜂鳴器 每一分鐘鳴一次，當(dāng)余額為 0 時，蜂鳴器長鳴。 5 5 系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 由于時間和條件的顯示，此插卡式自能電表只是簡略的實現(xiàn)其功能，在實物的構(gòu)架 中，利用一塊單片機開發(fā)板，并自己利用萬用板搭建了其他的外圍電路，因此該硬件總 共分為三大部分：電源部分，采集部分，核心處理部分。 如前期仿真中所示，電源部分使用220V交流電，通過變壓器變壓為12V之后，利用 一塊L7805穩(wěn)壓芯片，很好的得到了一個較為穩(wěn)定，且接近 5V的電壓，誤差在+0.02V左 右，可以利用其很好為單片機與其他核心芯片進(jìn)行供電，且在自己搭建的電路中，采取 了濾波等措施，電源質(zhì)量較良好。下圖為電源模塊實物圖： 圖