1、（2011届）毕业设计（论文）题目电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计姓名专业电子信息工程班级学号指导教师导师职称2011年5月15日电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计摘要随着社会生产力的发展和科学技术的进步，对电度表使用提出了分时间段计费、预先收费和用电管理现代化等要求。电子式IC卡预收费系统从技术上满足了电力工业对电能计量、控制和管理的要求。论文通过分析国内外的电度表的发展现状，针对电力部门对高精度表的实际需求，理论联系实际，解决电能表无接触和无源的问题，即设计一个非接触式IC卡电能表。在系统软件软件方面，被次设计采用了CPU控制技术，模块化程序设计，以便于调试和功能扩充。系统通过软
2、件的设计，具有电量计量及显示，预收费，电量不到5度会自动报警，抗干扰，掉电保护等一系列功能。另外，本文给出整个系统的软件设计流程，并描述了关键的功能模块，讲述总体方案的设计和选择，电能计量方法，IC卡技术应用和操作系统。关键词IC卡技术，电度表，非接触，射频卡ISOFTWAREDESIGNOFELECTRONICICCARDPREPAYMENTELECTRICITYMETERABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSOCIALPRODUCTIVEFORCESANDTHEPROGRESSOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,USEOFELECTRICITYMETERFOR
3、WARDPOINTSTIMEBILLING,ADVANCEFEES,ELECTRICITYMANAGEMENTANDOTHERMODERNIZATIONREQUIREMENTSFORADVANCEFEESSYSTEMOFELECTRONICICCARDFROMTECHNOLOGYMEETSTHEPOWERINDUSTRYTOTHEELECTRICPOWERMEASUREMENT,CONTROLANDMANAGEMENTREQUIREMENTSPAPERANALYZESTHEDEVELOPMENTSITUATIONOFDOMESTICANDFOREIGNWATTHOURMETER,INTHEPO
4、WERSECTORTHEACTUALDEMANDOFHIGHPRECISIONTABLE,LINKTHEORYWITHPRACTICE,SOLVETHEPROBLEMOFWATTHOURMETERNONCONTACTANDPASSIVE,NAMELYTODESIGNACONTACTLESSICCARDWATTHOURMETERINTHESYSTEMSOFTWARE,EMPLOYCPUCONTROLTECHNOLOGY,MODULARDESIGNPROGRAMINORDERTODEBUGANDFUNCTIONEXPANSIONTHROUGHTHESOFTWAREDESIGN,SYSTEMHAST
5、HEPOWERMEASUREMENTANDADVANCEFEES,GIVEANALARM,WHENTHEELECTRICQUANTITYLESSTHANFIVEDEGREES,ANTIINTERFERENCE,POWERLOSTPROTECTIONFUNCTION,ANDSOONINADDITION,THISPAPERPRESENTSTHEWHOLESYSTEMSOFTWAREDESIGNPROCESS,ANDDESCRIBETHEKEYFUNCTIONOFTHEMODULE,TELLSTHEOVERALLSCHEMEDESIGNANDCHOICE,ELECTRICITYMEASUREMENT
6、METHOD,ICCARDTECHNOLOGYAPPLICATIONSANDOPERATINGSYSTEMSKEYWORDSICCARDTECHNOLOGY，POWERMETER，NONCONTACT，RADIOFREQUENCYCARDII目录摘要IIIABSTRACTIV1绪论111课题的来源及意义112国内外发展现状113课题研究的主要内容22电能计量原理33IC卡国际标准44总体方案设计说明541非接触式预付费IC卡电能表系统5411电能表系统工作过程5412电能表系统结构图642模块功能6421数据采集模块6422电能计量模块6423读写模块7424控制模块95软件设计说明1051主
7、控程序的设计10511系统主流程图10512中断源及中断优先级的安排1152模块部分的设计11521电度计数程序设计11522读写模块13523显示子程序的计16524串行中断子程序设计17525X5045寄存器程序19526声光报警子程序的设计21527红外线传输模块22528过压检测设计22结论24参考文献26致谢28III附录30附录1系统初始化30附录2主程序初始化31附录3电能计算程序32附录4读写程序33附录5显示程序34附录6串行中断程序35附录7X5045寄存器程序37附录8红外线接口程序40附录9过压检测41附录10电能表电路图42附录11读写模块电路图42附录12显示模块电
8、路图43附录13存储模块电路图43毕业设计（论文）01绪论11课题的来源及意义老式的电度表1大都易受电磁干扰、测量精度低、灵敏度差，并且大量非线性元件的使用，增加了电网高次谐波，其电压电流并非标准正弦波，因而导致测量精度下降，误差增大。尤其是当波形畸变较大时甚至无法正常的工作。这样的情况是不能承担超重负荷的电量测量的。为了改变这个状态，也为了合理利用电能,调节负荷曲线,改善用电量不均衡的现象,国内部分省市的供电部门已开始逐步推广使用多费率电能表、电子式多功能测量仪表、IC卡预付费电表、基于单片机的电能自动测量系统、基于AD的电能自动测量系统,这一系列电表的设计是促进均衡用电的一种经济有效的方式
9、。电度IC卡预收费系统是为了满足社会生产力的发展和科学技术的进步，而研制的，具有分时间段计费、使用之前预先收费和用电管理现代化等功能的新型电度表。IC卡预付费电度表是以IC卡作为电能量值数据传输媒介，在电度表（电子式电度表或机械式电度表）中加入负荷控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结算功能的智能型电度表。采用IC卡电度表后，可以改变现有的收费和管理模式，使得更加有效快捷。用IC卡实现预付费，实现先付费后用电，IC卡结算的管理模式，使电费收取更加及时方便，减少迟交，欠交的现象。它减轻了工作人员的工作强度和手续，避免过多的现金交易出现的纠纷，而且，供电公司建立了用户信息管理系统，存储在IC
10、卡内，保证一户一卡，实现了科学管理，信息系统里有完善的财务核算系统，使工作人员的日常工作实现自动化，按照管理系统流程开展工作，更加自动化，科学化，减少出错概率，提高了公司服务质量，增强公司的市场竞争力。另一方面，IC卡电度表的IC卡缴费功能更便于用户日常查询，及时了解自家用电情况。12国内外发展现状IC卡又称集成电路卡2，是1974年一名法国新闻记者发明的。95年之前IC卡电表多为可擦除存储芯片（EEPROM）或一般存储卡，以93C46和24C01为主；95年后以存储卡和逻辑加密卡为介质,出现了大范围使用IC卡表的状态；98年后使用以CPU卡和ESAM模块方式为加密介质的IC卡表并逐渐向CPU
11、卡和ESAM模块方式过渡。随着国内各个行业服务意识的增强，IC卡技术的发展越来越迅速，在居民用户日常生活中，IC卡技术的应用越来越广泛。尤其是在相关的计量表计中，电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计1例如电表、燃气表、水表、暖气表，IC卡技术的应用已经很成熟了。目前，很多居民区都已经开始采用IC卡来数据管理，包括抄表、收费、控制，这使IC卡表成为目前国内应用技术发展的一个亮点。IC卡预付费电度表是以IC卡作为电能量值数据传输媒介，在电度表（电子式电度表或机械式电度表）中加入负荷控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结算功能的智能型电度表。非接触式IC卡又称射频卡是国外近几年发展起来的新技
12、术,它成功地将IC卡技术和射频识别技术结合起来，解决了无源和免接触的难题。射频卡与读写器间无机械接触，不需专门的供电电源，从而避免了接触故障；表面无裸露芯片，使用时没有正反面之分，可防水，且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题。总之，非接触式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点3。13课题研究的主要内容目前，常见的IC卡有两种接触式或者非接触式的。接触式的IC卡就是通过机械触点，从读写器获取能量以及交换数据；非接触式IC卡又称射频卡，通过线圈射频感应，从读写器获取能量并且交换数据。目前在社会上常见的还是接触式IC卡。因为它可实现一卡多用，而且存储量大，保密功能比较强。但是，这类卡每次读写
13、，必须要把卡正确地插到读写器的口槽才能完成数据交换，操作不方便，读写以及操作速度较慢，这类需要频繁读写卡操作的工作就会增加供电公司的工作量，有很多不便，而且接触式IC卡读写器的触点和触脚都暴露在外，容易损坏，接触不良。非接触式IC卡的原理是射频电磁感应原理，只需将卡片放在读写器附近一定距离内，读写器通过发射线圈发射的交变强磁场，给IC卡供能，通过磁场的断、续编码写入数据；如果要阅读IC卡内的数据，就通过线圈感应IC卡发出的磁场从而确认数据，该磁场是按设定的模式编码、调制，并向读写头发出。通过这一系列的操作，电能表和IC卡之间就能完成数据交换，无需任何接触，使用中非常方便、快捷且不易损坏。非接触
14、IC卡系统的工作过程为4（1）向读写器发送指令，读写器接到该指令后进行分析然后执行，将上位机的指令信号编码后加载到载波信号上，然后经天线向外发送；（2）无源非接触IC卡进入读写器工作区域，接收到读写器天线发送的脉冲信号，此时，卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压，然后产生复位信号并建立时钟信号；（3）卡内芯片中的有关电路对接收到的信号进行调制、解码、解密，然后由内部管理程序对命令请求、密码、权限等进行判断，如果指令请求、密码、毕业设计（论文）2权限正确，IC卡内部控制逻辑电路就开始执行相应的功能，并向读写器返回处理结果信息，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。（4）读写器将
15、非接触IC卡的返回信息传给上位机，如接收不到IC卡的返回信息，则向上位机返回无卡信息5。本次设计的电子式IC卡预付费电表，它的各项要求为系统应具有较高的电度计量精度有较高质量的累计和显示用户可使用的电度数的功能应具有串行通讯功能，可与计算机及其它相关设备进行通讯应具有过载和掉电保护功能，使停电时，表中数据可靠保存应具有限量供电功能，电量不到5度报警应具有较高的可靠性，抗干扰性和保密功能，保证一卡一户，互不通用电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计32电能计量原理电能是功率的积算6，电子式电能表通过数字乘法器，先把模拟信号经过FFT变换进行处理。它的工作原理是将用户消耗的电能，先对分压器和分流器
16、进行信号取样，然后送到A/D转换器，接着将数字信号送到乘法器，再将功率转换成频率，输送到单片机，由单片机显示、计量、存储、输送相关电量。若将电压有效值公式T201UDTUT离散化，然后以一个周期内的有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则2M1UNT式中N为一个周期的采样点数，UM为第M1个时间间隔的电压采样瞬时值；TM为相邻两次采样的时间间隔。若TM为常数T，即相邻的两个采样时间的间隔是相等的，有N（T/T）1，则有2M1UN上式就是根据一个周期内各采样点瞬时值及每周期采样点数来计算电压信号的有效值的计算公式。同理，电流有效值计算公式如下2M1INI计算有功功率的公式U0
17、IDTTP。离散化后为M1IN式中IU为同一时刻的电流、电压采样值，根据WPT就可以得到单相电路的有功电能计量值。毕业设计（论文）43IC卡国际标准在未来，IC卡它将运用于各个行业中，为保证不同的供应商和制造商所提供的IC卡能够通用，卡片的标准化就变得越来越重要。特别是如果要求卡片能在世界范围各个行业之间互换使用，标准化的意义就更为重要了。标准ISO7816812的主要部分已被普遍接受，主要包括（1）物理特性。规定了卡的尺寸（同ISO781013等各个物理特性以及触点的尺寸和位置。IC卡有8个触点，目前一般用到6个。触点的尺寸、位置和功能都做了规定，而且每个触点间要相互隔离。虽然IC卡模块表面
18、形状是各种各样的，触点的最大尺寸和形状都没做规定，但各触点的位置和有效接触面积一定是固定的。（2）电信号和传输协议。CPU卡读写器根据此标准开发，包括IC卡和读写器之间的信息交换、通讯协议、电源及信号结构。（3）行业间交换用命令。CPU卡读写器和CPU卡操作系统COS按此标准开发。它规定了IC卡中的文件、数据结构及其访问方法、读写器与卡之间传送的命令和应答信息内容等。（4）应用标识符的编号系统和注册过程应用标识符。主要包括注册应用提供者，标识主要在CPU卡中使用，用于确定卡中应用的地址。非接触式IC卡表面无触点，因此它的接口设备的通信方式与接触式卡不同，提供电源的方式也不同，为此ISO/IEC
19、根据接口设备与IC卡作用距离的不同而定义了三个国际标准，如表31所示表31非接触式IC卡国际标准标准卡类型作用距离（约）ISO/IEC10536密耦合010MMISO/IEC14443近耦合0100MMISO/IEC15693疏耦合01000MM电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计54总体方案设计说明41非接触式预付费IC卡电能表系统411电能表系统工作过程14（1）用户持IC卡到供电部门交款购电，工作人员把用户的IC卡放到与读卡器相连的读写器上，由写卡程序在IC卡上写入用户购买的电度数。（2）用户把IC卡带回家后，放到家中预收费电度表的读写器附近一定距离，卡中电度数就会被电度表上的读卡器读
20、出，自动与电表中原来所剩余的电度数相加。由于表的设计中包括掉电保护功能，内有备用电池，所以可以防止掉电，保证数据的完整性。（3）电度表采用AD7751专用电能计量芯片，芯片会自动完成相关的电压、电流信号的采集，采集后的先进行模数转换，然后进行数字乘法器计算，滤波后输出到单片机的T0口，然后单片机进行控制。（4）当电路中发送的脉冲，电能累计达到一度电时，通过单片机控制使存储器中的剩余电度数减去一度，用电量加上一度电。当单片机监测的内存中剩余电度数小于5度时，就会自动报警2分钟，告诉用户用电量将用完，提示用户持卡到供电部门重新购电。当用户电表中剩余电量完全用完时，单片机内的程序会自动控制继电器切断
21、供电电源，断绝偷电漏电现象。（5）IC卡按一户一卡配置，内存有相应的卡号、传输密钥和用户信息等。IC卡放到供电部门的读写器上后，写卡器在为IC卡写入所购电度数的同时，记录该卡内保存的信息，并写入供电部门的数据库中。系统采用VB通讯控件，小区的管理中心定期通过INTERNET串行通讯口读取用户电度表的使用电量和剩余电度数，即通过总线RS458与单片机进行通讯，计算机系统会通过控制程序来实现对单片机的控制，并把用户资料制成数据库加以保存。使得供电部门和用户可随时在计算机上查询用户购电情况，实现了供电管理部门的管理现代化。毕业设计（论文）6412电能系统结构图图41电表系统结构图42模块功能421数
22、据采集模块在自动控制系统中，最关键的环节之一是数据采集15。由于电度表直接安装使用，家庭用电一般是220V交流电，所以本系统中，我们使用交流采样。交流采样就是将测得的电压、电流经高精度的电流互感器（CT）、电压互感器（PT）变成计算机可直接测量的交流小信号，然后再送入计算机内进行处理，如图42。图42采样电路LED显示器过压保护电路存储器X5045RS458通讯看门狗电路SHC1701IC读卡器电压互感器电流互感器AD7751AT89C52报警器红外通信电压检测电流检测多路转换开关采样保持器A/D转换器单片机电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计7422电能计量模块电能计量模块电路图如图43。
23、图43电能计量模块电路图AD775116是由美国ADI公司采用CMOS工艺制成的高精度电能计量专用芯片，可对50HZ或60HZ单相交流电进行电能计量。AD7751计量芯片内部集成了A/D转换器，DSP，V/F转换模块,以及计量模块。所以通过该芯片可将采集到的模拟信号，经过A/D变换转换成数字信号。数字信号输入到数字乘法器计算功率。将功率转送到V/F转换，形成一系列的频率，发送频率给AT89C52处理，并显示出来。芯片AD7751由模拟输入电路、模数转换电路和信号处理电路组成。模拟输入电路由两个模拟输入通道组成，一个通道用来测量电压信号。另一个通道用来测量电流信号，包括相线和零线的电流。通过外围
24、电路电流互感器、电压互感器，与电网连接，且在每个通道中采用差动输入的方式，流通道采用增益可编程放大器，使输入信号满足AD7751的要求。AD7751直接将两个输入模拟信号数字化，即将电压与电流相乘，然后转换成与其成正比的输出频率，简化了功率的计算。毕业设计（论文）8423读写模块一个标准IC卡应用系统17的最基本构件为IC卡、读写器和个人计算机PC，较大系统还有通信网络和主计算机等。如图44，45所示。图44标准IC卡应用系统最基本构件图45具有存储器功能的应答器系统方框图非接触式电能表使用的是无源应答器，它的微型芯片工作所需要的全部能量必须由阅读器提供，因为阅读器的天线线圈会产生高频的强电磁
25、场。阅读器又称为读出装置，可无接触地读取并识别应答器中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。控制器射频模块以及其与外部输入输出接口主要由控制模块完成。射频模块主要用于通过无线射频自动捕获应答器中的数据，并解调来自应答器的高频信号，然后通过串口RS485将射频模块采集到的数据送往计算机处理和控制部分，实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等。本次设计的读写模块采用上海华虹集成电路公司开发的SHC1701芯片。它主要由射频和SHC1501大规模集成电路构成，SHC1701RF模块是IC卡读写器的核心单元,它由RF电路以及SHC1501专用电路等电路组成,并且安装有屏蔽罩，覆盖了所有对非接
26、触式IC卡SHC1101的访问操作，可自动完成读写器与IC卡之间的交流功能，包括读写操作、解密加密、调制解调、简单运算、认证等。读写模块电路图见附录11。感应线圈高频接口控制逻辑EEPROMROMVCC感应线圈网路RS458读写器PC机主计算机IC卡卡电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计9424控制模块图46控制系统功能图由上图可知，非接触式IC卡电能表的控制系统应具备如下基本功能（1）接收电能计量芯片的信号，实时监测电表转盘读数头发来的脉冲信号，控制电度数的加减与显示；（2）根据电度数剩余量发出控制信号，控制报警器和继电器；（3）实现与卡的数据交换，并提供相应控制信号，即实现对IC卡的读写
27、与控制；（4）提供相应外部控制信息，执行串行通讯中断服务子程序与PC等其他设备进行信息交换。AT89C52D00VCC|D07P12P00P14|P07T0RESET显示电路报警电路继电器电路电源SCH1701IC卡读写模块看门狗电路测量电路RS485毕业设计（论文）105软件设计说明51主控程序的设计511系统主流程图详细程序见附录1。图51系统软件设计初始化流程图YYYNY开始进入程序正常工作状态启动供电调显示等待中断进入掉电恢复子程序调延时程序程序初始化开总中断检测掉电标志置位否判断开机键是否释放判断开机键是否按下判断开机键是否按下NNN电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计11512中
28、断源及中断优先级的安排单片机的中断系统18有5个中断请求源，具有2个中断优先级，可实现2级中断服务程序嵌套。用户可以用关中断指令“CLREA”来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令“SETEA”来允许CPU接收中断请求；每一个中断源可以用软件独立地控制为允许中断或关中断状态；每一个中断源的中断级别均可用软件来设置。如表51。表51中断允许寄存器IE的格式D7D6D5D4D3D2D1D0IEEAESET1EX1ET0EX0位地址AFHACHABHAAHA9HA8H工作方式寄存器TMOD用于选择定时器/计数器的工作模式和工作方式，它的字节地址为89H，不能进行位寻址，D7D4为T1方式字段，D3
29、D0为T0方式字段，其格式如表52。表52工作方式控制寄存器TMODD7D6D5D4D3D2D1D0GATE/CTM1M0GATE/CTM1M0TCON为定时器/计数器的控制寄存器，字节地址为88H，可位寻址。如表53。表53TCON中的中断请求标志位D7D6D5D4D3D2D1D0TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0ITO位地址8FH8DH8BH8AH89H88HSCON为串行口控制寄存器，字节地址98H，可位寻址。如表54。表54SCON中的中断请求标志位D7D6D5D4D3D2D1D0SCONTIRI位地址99H98H程序中设置串行口为方式2，无T1中断。详细程序见附录2。
30、毕业设计（论文）1252模块部分的设计521电度计数程序设计专用电能计量芯片AD7751会输出与负载的瞬时功率成正比的脉冲串，送到AT89C52单片机的T0计数器进行计数,T0工作于工作方式1。当输入瞬时功率为1000W时，AD7751的输出频率设置为100HZ，则有功电度1KW时1度的脉冲数为1006060360000，即T0计360000个脉冲为1度电，36000个脉冲为01度，由于设计为四位LED显示，其最低位为01度，故T0每计36000个脉冲溢出，使RAM单元中五位十进制计数器加1。T0计数器预置数为21636000295367360H。当机内剩余电度数小于5度时，控制程序会自动点亮
31、发光二极管，提示用户用电量将尽，用户就可以持卡到供电部门重新购电。而当电表中剩余电量完全用完时，控制程序就控制继电器切断电源，停止对用户供电。只有当用户再次存入电度数后，系统才会继续供电。5211器件的选择AT89C52单片机进行数据计算，时刻监测芯片用电量和剩余电量。12MHZ晶振提供单片机和计量芯片运作的外围脉冲。若干个电阻和电容。OPTOTRIAC光电耦合器防止外界对单片机的干扰，起隔离作用。电流/电压互感器采集电流和电压，并转换成可供芯片使用的小电流电压。5212端口选择CLKIN/CLKOUT晶振时钟脉冲。X1和X2脉冲输入引脚，与外部晶振电路相连接。P13与OPTOTRIAC光电耦
32、合器相连。T0计量脉冲的中断端口，与AD7751的CF脚相连接。P14与继电器相连接，电度数为零时切断供用户用电的I/O端口。V1A和V1N/V2P和V2N分别接电流/电压输入端，为电流/电压互感器，用于采集信号。电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计135213流程图详细程序见附录3。图52电度计数子程序YYNYNY电度计数子程序返回T00NUM5COUNT1NUM1COUNT电表常数剩余电度数0剩余电度数1用电量1P140NUM0NN毕业设计（论文）14522读写程序的设计该模块主执行流程包括两个部分发送命令和得到响应。数据流包括两个相反的方向发送命令给IC卡读写器和从IC卡读写器上得到响
33、应。由于所有的IC卡应用都是命令响应这种方式，所以函数库中的函数都是发送命令后马上接收响应这种方式来实现的，这种函数叫收发函数。发送数据流子程序如图53。图53发送数据流子程序NYYYN开始初始化计数器取一字节数据至AA左移一位至进位位CC0发送数据0发送数据1位计数器1字节发送结束位计数器清零字节计数器1数据发送结束结束N电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计15用户在供电部门购电后，工作人员会把购电量写入IC卡中，当把非接触式IC卡放到电度表的读写器上，读写器马上对IC卡进行读写操作，并且把存储的信息存储到单片机内存中，然后将IC卡清零，等下一次充电。这一系列操作的主要芯片是SHC1701
34、19，即通过RD/W之间的总线传输。5221器件的选择AT89C52单片机进行数据处理。SHC1701读取数据。总线RS458数据传送。5222端口选择端口D0D7与AT89C52单片机的P00P07相连。端口RD/W与AT89C52单片机的RD/W端口连接，用于读写操作。毕业设计（论文）165223程序流程图详细程序见附录4。图54主监控程序523显示程序的设计系统的显示功能由数码管来完成，显示单片机的输出数据、状态等。在这里我采用了7407作为译码、驱动器，显示采用随机动态扫描的方式，显示段码值是由ASCII码20转换成压缩的BCD码而形成，而位扫描码由软件运算产生。单片机AT89C52主
35、要负责通过程序来控制4个LED数码管的数据显示；地址锁存器LED显示扩展电路中的段码和位码使用了两片74LS273，决定了273的片选信号，相应地址为字位口8000H，字段口4000H；与非门74LS02与单片机的读写信号一起作用，选中外部的74LS273，决定LED的字段和字位的显示内容；驱动门电路7407，提供数码管驱动电流。5231器件选择AT89C52单片机，控制LED的数据显示。LED14用于显示单片机的数据。74LS273地址锁存器LED显示扩展电路中的段码和位码使用了两片74LS273，决定了273的片选信号，相应地址为字位口8000H，字段口4000H。74LS02与非门，与单
36、片机的读写信号一起作用，选中外部的74LS273，决定LED的字段和字位的显示内容7407驱动门电路，提供数码管驱动电流。74LS04非门，对单片机的片选信号取反，并和读写信号一起作用，决定273的片选。5222端口选择P25和写信号一起组成字段口的片选信号取反，并和读写信号一起作用P26和写信号一起组成字位口的片选信号，字位口的对应地址为8000HPSEN（非）外部程序存储器读选通信号，在读外部ROM时PSEN（非）低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。NYNYYYYNNN停卡开始初始化防冲突选卡认证读卡返回IC卡清零加入电度数电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计17D0D7单片机的数
37、据总线，LED显示的内容通过D0D7数据线从单片机传送到LED。毕业设计（论文）185223流程图详细程序见附录5。图55显示程序流程图YN延时程序返回显示最初的缓冲区指定字形口R140H查表字形码指定和送字位码R7R71延时1MSR70FFHR10开始电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计19524串行中断子程序设计单片机内部有一个可编程的、全双工的异步通信串行口，所谓全双工就是双机之间串行接收、发送数据可同步进行。所谓异步通信，就是收、发双方没有同步时钟来控制收、发双方的同步传送，而是靠双方各自的时钟来控制数据的异步传送。串行口内部结构口主要包括两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF发送
38、缓冲器和接收缓冲器，可同时发送、接收数据，发送缓冲器只能写入要发送的数据，不能读出。接收缓冲器只能读出接收到的数据，不能写入，两个缓冲器共用一个特殊功能寄存器字节地址（99H）。5241串行口工作方式串行口21共有4种工作方式，波特率可由软件设置片内的定时器/计数器来控制。特殊功能寄存器CSNO的高两位确定串行口的工作方式。根据本系统的实际需要，选择其工作于方式2，即9位异步通信方式，每帧数据均为11位，1位起始位0,8位数据位（先低位），1位可程控为1或0的第9位数据和1位停止位1。波特率由下式确定264OSCSMODF波特率5242串行通信中的数据传输方向根据数据在两个站点之间的传送方向可
39、以分为三种工作方式单工、半双工和全双工方式。异步串行通信接口主要有三类RS232C，RS449，RS422，RS423和RS485，20MA电流环。每种接口都有其相应的通信标准，以及相对应的接口芯片。选择串行通信标准和接口芯片时应考虑可靠性，通信速度及通信距离，抗干扰能力等方面。RS48522采用差分信号负逻辑，2V6V表示“0”，6V2V表示“1”。使用RS485一般会出现两个问题（1）RS485接口采用差分方式传输信号方式，系统只需检测两线之间的电位差，不需要相对于某个参照点来检测信号，因此，收发器的共模电压范围被忽视了，容易产生共模干扰。RS485收发器的共模电压范围为712V，只有满足
40、上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。（2）发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），总线就会以辐射的形式返回源端，到时候整个总线就会像一个巨大的天线一样向外辐射电磁波。毕业设计（论文）20由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。52
41、43串行口控制寄存器SCON串行口控制寄存器SCON23，字节地址98H，可位寻址，位地址为98H9FH。SCON的格式如表55。表55串行口控制寄存器SCON的格式D7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H其中，SM0、SM1串行口4种工作方式的选择位SM2多机通信控制位REN允许串行接收位TB8/RB8发送/接收的第9位数据TI/RI发送/接收中断标志位电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计215244流程图详细程序见附录6。图56串行中断服务子程序525X5045寄存器设计5251X5045芯片X50
42、452425有上电复位、低电压复位控制、可编程看门狗定时器、4KBIT3WIRE接口非易失性EEPROM、仅有8个引脚的封装。表56控制字命令名称命令格式内容WREN_CMD00000110打开写使能开关WRDI00000100关闭写使能开关RDSR_CMD00000101读状态寄存器WRSR_CMD00000001写状态寄存器BYTE_RD0000A8011读存储单元BYTE_WR0000A8010写存储单元NY串行中断服务子程序关中断，保护现场接收字符用户编号认证发送剩余电度数发送用电量开中断，恢复现场中断返回毕业设计（论文）22表57状态寄存器7654321000WD1WD0BL1BL0
43、WELWIP其中，WD1、WD0是看门狗定时时间设置位；BL1、BL0是存储单元写保护区设置位；WEL是只读标志，1表明写使能开关打开；WIP也是只读标志，1代表芯片内部正处于写周期。表58看门狗状态WD0，WD1WD1WD0看门狗定时值0014S01600MS10200MS11禁止看门狗工作微处理器在上电、掉电及低压供电时，监控器产生复位脉冲信号，这可保证微处理器实现上电复位；当供电电压过低时，防止CPU失控。电复位时，各位都被清零。当系统出现问题，看门狗定时器帮助系统从问题中恢复出来。计数时间到，看门狗程序自动复位系统。作为软件循环的一部分，定时器计时完成前，微处理器复位看门狗定时器。如果
44、有软件问题，如死循环或等待外部器件，看门狗定时到，就会复位微控制器。5252器件选择X5045存储器存储电能表的相关信息。AT89C51单片机对存储器读和写操作，并进行相关控制。5253端口选择P14连接CS,芯片片选信号,低电平有效，数据的输入与输出都必须在CS为低电平的前提下运行。P15连接SCK,串行时钟脉冲输入。P16连接SI,串行口输入。P17连接SO,串行口输出,SI和SO口配合SCK串行时钟脉冲，一位一位地传输，然后由移位寄存器移入芯片内存,直到遇到终止信号才停止,然后一直查询等待下一个开始的来临。其中开始信号和终止信号需要单片机模拟实现。电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计2
45、35254流程图详细程序见附录7。图57存储模块流程图526声光报警子程序的设计声光报警采用方波震荡器产生1O00HZ左右的方波输出，然后再通过三极管进行功率放大后驱动扬声器发出报警声响。在程序设计上采用专用子程序控制方式使P12引脚每隔550US反转一次，连续工作3个周期关闭声光报警停止工作。5261器件选择AT89C52单片机，控制三极管。输入开始设置写使能写状态字输入输出字节输入看门狗程序字节输出发送完发送完等待NYYN输出毕业设计（论文）24蜂鸣器。NPN三极管。5262端口选择P12P12脚接晶体管基极输入端，当P12输出高电平时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约5V电压而鸣叫；当P
46、12输出低电平时，晶体管截止，压电蜂鸣器停止发音。详细程序见附录3。527红外线传输模块红外线传输方式26利于远程抄表管理，通讯方便、技术成熟。由于AT89C52单片机没有红外线收发功能，所以系统中采用MAX3100芯片作为红外线的收发以及与单片机数据传输的媒介，应用于终端传输接口模块。数据的发送和采集由MAX3100与单片机共同操作完成。AT89C52控制实现RS485与红外通讯之间的转换。通信被分为3级（1）AT89C52与RS485实现通讯，AT89C52控制MAX3100完成红外通讯（2）AT89C52与MAX3100之间通过“移位”方式的SPI串行接口传送数据，MAX3100是红外通
47、讯芯片，完成单片机串口和红外通讯之间的交换（3）MAX3100以IRDA方式与其他红外是设备进行通信，D1、D2作为接收和发送红外的LED发光二极管5271器件选择AT89C52控制MAX3100完成红外通讯MAX3100红外通讯芯片，完成单片机串口和红外通讯之间的交换。D1、D2接收和发送红外的LED发光二极管。5272端口选择DIN连接单片机引脚，串行数据输入。DOUT连接单片机引脚，串行数据输出。SCLK连接单片机引脚，串行时钟输入。CS连接单片机引脚，片选引脚。IRQ连接单片机引脚，低电平中断申请输出。详细程序见附录8。528过压检测设计过压检测是为了避免电容器在持续高压下被损坏，以及
48、防止系统瘫痪。过电子式IC卡预付费电度表软件方案的设计25压检测运行的原理是当电网电压高于额定值10时,即V输入电压高于34V时，比较器输出低电平，使单片机的P27引脚为低电平；当单片机在P20引脚检测到低电平时，就按规定进行过压处理。系统中过压检测电路的设计是当电网电压超过额定值的10时，系统马上输出过压信号，如果过压信号持续2分钟，与干扰信号不同，系统将自动强行切除全部电容器组。详细程序见附录9。毕业设计（论文）26结论本次设计过程中，考虑到该系统的实用性，在硬件及软件设计方面，尽量与实际应用紧密相连，研究的电子式预付费IC卡电能表紧跟电能表的发展方向，采用了当代电能表开发的新技术，解决了
49、电能表研制的一些关键问题。本设计的创新之处有（1）采取预付费方式用IC卡实现预付费，实现先付费后用电，IC卡结算的管理模式，使电费收取更加及时方便，减少迟交，欠交的现象。它减轻了工作人员的工作强度和手续，避免过多的现金交易出现的纠纷，而且，供电公司建立了用户信息管理系统，存储在IC卡内，保证一户一卡，实现了科学管理，信息系统里有完善的财务核算系统，使工作人员的日常工作实现自动化，按照管理系统流程开展工作，更加自动化，科学化，减少出错概率，提高了公司服务质量，增强公司的市场竞争力。（2）使用专用计量芯片专用计量芯片的使用，大大简化了电路，也大大提高了采样脉冲的稳定性。以往电能表大多在模拟电路范围内由手工校准，效率很低。本电能表的校准完全在数字范围内完成，由PC机控制单片机AT89C52完成对X5045数据存储器中的校准数据的写入、读出、擦除。这种软件校准方式使校准的效率及精度都大为提高。（3）使用非接触IC卡非接触IC卡给每个用户提供了方便,也为电力部门的管理提供了方便。同时，提高了电能表使用的寿命。要在射频IC卡中实现射频技术还需要解决许多的技术难题（1）安全机制问题因为射频IC卡中数据在通信过程中被截取的可能性很大，如何防止保密信息的泄漏是一大问题。（2）电源及电源功耗的设计由于射频IC卡是非接触式的，
