基于无线识别技术的预付费电能表的设计大学学位论文.doc

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1、兰州理工大学毕业设计摘 要IC卡预付费电能表采用先购电后用电的管理模式,在一定程度上解决了电力部门收取电费难的问题.然而IC卡预付费电能表存在许多问题,首先是由于电力部门缺乏对IC卡电能表用户的监管,难以发现和查处窃电行为;其次是IC卡易被污染和损坏,开放式卡口易被攻击导致内部系统混乱;再次是一表一卡的管理方式不适宜人员流动性大的场所。本设计的主要目的就是为了解决IC卡预付费电能表存在的问题。本文首先介绍电能表的发展和在我国的应用状况,指出IC卡预付费电能表存在的问题,说明基于射频识别技术的多用户电能表的设计意义及功能原理。其次介绍射频识别技术的发展及基本原理。最后对基于射频识别技术的多用户电

2、能表进行硬件电路与软件程序的设计。本设计的软件采用模块化设计方案。软件划分为五大模块:通讯模块,电能计量模块,声光报警模块,射频卡读写模块,显示模块。每一模块又划分为若干个子程序。关键词:电能表；射频识别技术；电能计量 ;IC卡AbstractPrepayment IC Watt-hour meter adopts the model that the users must pay the electricity first and then use it.it solve the problem which the electric department gathered the payme

3、nts from the electric users.However the Prepayment IC Watt-hour meter exist severe problem of itself own. The first, the electric department lacks supervising and managing to these Watt-hour meter, electric larceny is very difficult be discovered and investigated; The second, IC card is polluted and

4、 damaged easily, and it is easy to be attack the within system through the exoteric card interface and will lead to the within system confusion; The third,it is unaccommodated in public place that a meter read_write a card only.The main purpose of this design is to solve the disadvantage of Prepayme

5、nt IC Watt-hour meter. This article first introduces the Watt-hour meters development and application in our country, and points out the Problem of Prepayment IC Watt-hour meter, and explains the significance and function principle of the multi_user Watt_hour meter bases on RFID. Secondly, it introd

6、uces the development and fundament Principle of the radio frequency recognition technology. This designs software adopts modularization, the software is divided into five big modules: communication module, electrical energy measurement module, the acoustie_optics alarm module, the radio frequency ca

7、rd read_write module,each module divides into certain subroutines.Key Words：The watt_hour meter; Radio frequeney identification; Energy measurement；IC card目录第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 课题任务及目标21.3 研究现状21.3.1 预付费电能表21.3.2 射频识别技术41.3.3 非接触IC 卡读写器7第二章 方案设计及器件选择82.1 方案选择82.2电能表系统硬件结构92.3 控制芯片的选择92.3.1 AT89C5

8、2 的工作原理102.3.2 AT89C52 的芯片管脚及功能说明102.4 射频读写模块的选择112.4.1 MF RC500 的简介及其原理122.4.2 MF RC500 管脚及其引脚功能简介132.5 电能计量模块选用AD7755。142.5.1 ADE7755功能概述142.5.2 ADE7755引脚功能152.5.3 ADE7755的工作原理172.6 存储器选择182.7 显示模块的选择192.7.1 MC14499 简介及工作原理192.7.2 MC14499 管脚分布及其说明192.8 通信模块器件选择20第三章 硬件设计223.1 射频读写模块设计223.1.1 RC500

9、 的天线设计223.1.2 射频读写模块RC500 的接口电路233.2 电能计量模块设计243.2.1 电子式电能表计量原理243.2.2 电能计量电路设计253.3存储模块设计263.4显示模块的设计273.5 通信模块273.6 报警电路283.7 单片机外围电路的设计293.7.1 复位电路的设计293.7.2 时钟电路的设计293.8电源模块设计303.9 控制芯片电路的开关设计303.10 掉电检测电路设计31第4章 软件设计324.1软件模块的划分324.2 初始化程序324.2.1 单片机初始化324.2.2 MF RC500 初始化334.3主程序设计344.4电能计量模块程

10、序设计364.4.1电能计量子程序设计364.4.2电量显示子程序设计364.4.3电量存储子程序设计374.5 单片机通讯程序设计384.5.1射频接口特性分析384.5.2射频接口程序设计394.6 报警程序设计434.7 电量核算子程序设计44第五章 总结45参考文献46外文原文及翻译47致谢61附录16377兰州理工大学毕业设计第一章 绪论1.1 课题背景及意义随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，各行业对电力能源的需求不断增加的同时对电力计量的精度和电能的收费方式也提出了更高的要求。由于我国电力系统普遍存在着技术落后、设备陈旧等问题，导致电力系统的管理水平和配电自动化程

11、度较低，大部分地区长期以来一直采用人工抄表的收费方式，导致大量的电费不能及时回收。因此普遍存在“收费难”的现象，这种现象的存在不仅影响和制约着电力企业的发展，同时抑制着我国的经济发展。随着科学技术的不断提高，能量计的发展从机电式费拉里计数器发展为全面的电子式计数，电子表的发明不仅提高了计量的精度且能够实现自动抄表并能测量以前无法测量的功率因数等参数。此外，它的通信潜力几乎无限，使得公共设施服务供应商实现了多费率账单编制、智能卡预支付、远程数据管理等操作。近年来预付费电能表的面世已基本解决了普通感应式电能表带来的“抄表困难、需定期校准、收费难”的现象，它的出现使得我国长久以来采取“先用电、后核算

12、”的收费方式，逐步转变为客户“先购电，后用电”的电力营销模式，凸显了电量的商品属性。目前对于预付费电子式电能表的方案有很多种实现方式，基于接触 IC 卡模式和 Keypad 模式的电能表比较多，但随之而来采用高科技手段破解 IC 卡密码的窃电现象也不断增多，由于安全性差、寿命短、使用不方便等原因导致这两种电表的推广较为困难。随着容量大，保密性好，可反复使用，携带方便等特 点 的 RFID 技 术 在 我 国 广 泛 使 用 ， 基 于 射 频 识 别 (Radio Frequency Identification，RFID)技术的预付费电能表应运而生，它能在很大程度上解决其他电能表存在的诸多问

13、题，原因在于它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，操作方便快捷，价格低廉，能有效降低供电管理成本，提升管理水平，确保电能计量准确，信息安全可靠。因此研制一种非接触式且具有自动识别功能的电能表具有较高的现实意义。如今,接触式IC卡在人们的日常生活中得到了普遍的应用在接触式IC卡的普及过程中,逐渐发现了许多的弊端:卡在读写模块上经常拔插造成的磨损导致接触不良,从而引起数据传输错误,并且卡与读写模块之间的磨损也大大缩短了卡和读写模块的使用寿命;另外,接触式IC卡的通讯速率较低,再加上插拔卡的动作延误,造成每一笔交易需要较长时间的等待。为了解决这些问

14、题推出了非接触式IC卡。非接触式IC卡又称射频卡,由IC芯片、感应天线组成,封装在一个标准的PVC卡片内,芯片及天线无任何外露部分。是世界上最近几年发展起来的一项新技术,它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来,结束了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。卡片在一定距离范围(通常为5一10)靠近读写模块表面,通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。射频识别（Radio Frequency Identification，简写 RFID）是一种新型的非接触式的自动识别技术，可工作在各种恶劣环境中。它可以通过接受射频信号自动识别目标对象并且获取得相关数据，识别工作不需要人工

15、干预。RFID 技术使用安全、可靠、方便、快键。科学家弗格森通过实验证实 RFID 是一种突破性的技术：第一，RFID 可以识别具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。该技术目前在物流、门禁系统、身份识别、自动收费等众多领域有广泛的应用。目前，接触式 IC 卡在预付费应用较多，但缺点是显而易见的。随着 RFID 技术的成熟、发展，非接触式的 IC 卡的应用将会成为可能，它有很多优点。在 RFID 领域以 13.56MHz

16、 频段的发展最为成熟，我国的奥运会门票和第二代居民身份证就采用的是这种技术。本课题将此技术应用到电能表领域，能解决接触式 IC 卡电能表的诸多问题。可以说 RFID 技术是预付费电能表发现的一项重大的突破，而且将会有更大的作为。1.2 课题任务及目标本设计主要利用非接触IC卡及其读卡器进行电费预付费，通过电流传感器和电压传感器采样分析实现当前用电量计算显示。瞬时功率检测显示，电量余额显示，用电过流保护功能。1、设计实现的主要功能：1）当前总用电量显示；2）用户余额显示；3）余额不足报警；4）余额为零自动断电；5）供电过流保护。2、主要技术指标：1)工作电压220V；2)最大输出功率40KW。1

17、.3 研究现状1.3.1 预付费电能表1、预付费电能表分类及发展史国际上预付费电能表经过了投币、磁卡、电钥匙、IC卡的发展过程,80年代末推出了IC卡预付费电能表,它是IC卡在电话、金融等领域后的又一成功应用。按结构可分为整体式预付费电能表和分体式预付费电能表。整体式预付费电能表就是将断电机构置于表内。整体式预付费电能表的特点是外观整洁,安装方便,容易密封其缺点是当电流较大时,由于断电机构置于表内,体积较小,断电机构的触点发热及灭弧问题很难解决。断电机构跳闸时,触点有可能被烧死,从而当下次需要跳闸时却跳不开,因此,当电流较大时,一般不采用整体式结构另外,整体式结构将电路集中在表壳内,当断电机构

18、跳闸时,会给表计带来干扰,如果布局不合理,势必对表计的可靠性有很大影响。分体式预付费电能表是将断电机构置于表外,表计本身仅发出断电信号,断电信号经线路传输到断电机构。由于断电机构在表外,其体积不受约束,当电流较大时,其可靠性仍很高但这种形式的预付费电能表成本较高,一般当电流较大时采用这种方式。按电能测量单元的原理可分为机电式预付费电能表和全电子式预付费电能表机电式预付费电能表是采用机械电能表作为电能测量单元,即用感应式电能表作为其基表(也叫母表)。由于感应式电能表发展历史较长,已经相当成熟,特别是它对电源瞬变及各种频率的无线电干扰不敏感。但这种表如对电能测量单元测量的电能进行采样的传感器设计不

19、当,质量不可靠,就会造成机械计度器和电子计度器计量的电量不一致,从而造成不必要的纠纷。全电子式预付费电能表是采用模拟或数字乘法器对功率进行积算,其元器件采用电子元件。按理论上计算全电子预付费电能表平均无故障时间MTBF(Mean Time Between Failures)可以达10年以上,但实际应用中因受干扰、漂移及产品本身设计等方面问题的影响,而达不到预期寿命随着半导体技术及工艺的进步,全电子式预付费电能表必将成为主流。按使用的介质不同可分为投币式、磁卡式、电卡式及IC卡式等所谓介质,就是用来存储和传输信息的物件。预付费电能表按其使用的介质不同而分为投币式预付费电能表、磁卡式预付费电能表、

20、电卡式预付费电能表及IC卡式预付费电能表。2、预付费电能表的特点1）不需要人工抄表。随着国民经济的不断发展,人民的物质生活水平得到了极大的提高,不少省份实现了村村通电。由于中国地域辽阔,有些地区用户比较分散,有的用户离供电部门较远,对这些用户的抄表就显得比较费劲,且效率较低。预付费电能表采用的计量方式,是用户持卡先到供电部门买电,然后才能用电。因此,不需要采用人工抄表,有效地解决了抄表难的问题。2）可以解决一些电费收缴困难用户的收费问题。随着经济的发展和文化交流活动的增加,流动人口越来越多。由于流动人口活动的不确定性,抄收人员很难找到他们,这些人的电费收缴很困难。特别是一些出租门面房、出租房屋

21、及公寓等房主变动频繁的用户,及经常出外做生意或经常出差而很难找到房主的用户,他们的电费收缴尤其困难。使用预付费电能表是先购电后用电的方式,可有效地解决了电费回收的问题。同时,它也能很好地解决零散居民用户、临时用电用户、经常欠费用户的收费问题。按照规定,用户用电应如实申报用电容量,以便于电力部门确定供电方式及准确计算应缴贴费。但有些用户为达到少交贴费的目的,故意少报用电容量,从而造成了贴费的流失。感应式电能表没有功率限定的功能,且其过载能力较大,不能限制用户超容量用电。用户超容量用电或供电方式选择不符合现场实际,会使线路负载过重,造成线路过热且加大了线路损耗,严重的会影响电力系统的安全运行。预付

22、费电能表具有功率限制功能,当用户虚报用电容量时,其实际负荷超过表内设置限定功率,表计会自动跳闸,可迫使用户如实申报用电容量。3）具有一定的防窃电能力。预付费电能表对反向用电的处理方式,是将反向用电计入正向用电,因此,当用户采取反接电流进出线或采用窃电器窃电时,其反转电量还会叠加在正向电量中去,窃电是无法得逞的。另外,全电子式预付费电能表由于电流采用锰铜片分流,电流回路的电阻小,当用户在表外短接电流回路时,基本上不起作用。预付费售电系统可以对用户的用电情况进行监视,当用户超过预期时间不来买电时,预付费售电系统可以自动生产清单,有关人员可根据清单进行核查。因此,预付费电能表因其表计本身的结构、设计

23、原理及预付费售电系统的软件设计,而使预付费电能表具有一定的防窃电能力。4）有利于培养用户电是商品的意识。电是一种商品,商品交换的一个基本原则就是实行等价交换,也就是当你使用、占有商品时,就必须支付一定的货币。长期以来,由于计划经济的影响,一些人头脑中还没有电是商品的概念,因此,“偷电不是偷”“欠电费不算欠”等错误观念还有一定的市场。当前,居高不下的线损、罕见的高额欠费仍深深困扰着电力部门,甚至妨碍了电力系统的正常运作。预付费电能表实行的是先买电后用电,完全是按商品交换的原则进行,改变了过去先用电后交费的方式,有利于培养用户电是商品的意识。5）有利于用电管理部门提高现代化管理水平。随着科学技术的

24、发展,计算机已经应用于各个行业!各个部门用电管理工作也将由传统的管理模式向现代化管理模式转变,实现无纸化管理。预付费电能表的使用必须配合计算机管理才能进行,因此,它有利于提高用电管理部门应用计算机管理的水平,提高劳动生产率。1.3.2 射频识别技术1、射频识别技术的基本概念与发展历史无线射频识别技术(Radio Frequency Identification ,RFID)是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间祸合(电感或电磁祸合)传输特性,实现对被识别物体的自动识别。射频识别系统一般由三个部分组成,即天线、射频卡(应答器,Tag)和读写器(读头,Reader)。射频识别技

25、术最早被用于物品的识别与管理,但随着射频识别技术的发展,近年来还被广泛用于非接触式电子钱包、身份识别等领域。射频识别技术是一种直接继承了雷达的原理,而发展起来的自动识别技术。1948年,哈里斯托克曼(Harry Stockman)发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别的理论基础,成为射频识别理论领域的不朽之作。在过去的半个多世纪里,射频识别技术的发展经历了以下几个阶段:1941一1950年雷达的改进和应用催生了RFID技术,1948年奠定TRFID技术的理论基础。1951一1960年早期RFID技术的探索阶段,主要处于实验室实验研究。1961一1970年RFID技术的理论得到了发展,开始了

26、一些应用尝试。1971一1980年RFID技术与产品研发处于一个大发展时期,各种RFID技术测试得到加速,并出现了一些最早的RFID应用。1981一1990年RFID技术及产品进入商业应用阶段,各种规模应用开始出现。1991一2000年RFID技术标准化问题日趋得到重视,RFID产品得到了广泛应用,RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。从2001年至今,射频识别技术标准化问题日趋为人们所重视。射频识别产品种类更加丰富,射频卡成本不断降低,规模应用行业不断扩大,射频识别技术的理论得到了丰富和完善。特别是世界头号零售商沃尔玛宣布大范围使用射频识别技术和美国军方宣布军需物品均使用射频识别来进行识别

27、与跟踪,这些极大地推动了射频识别技术的研究和应用。2、射频识别技术的基本工作原理最基本的射频识别系统由三部分组成:a、射频卡(Tag,即应答器):由祸合元件及芯片组成,射频卡含有内置天线,用于和读写器天线间进行通信。b、读写器:读取(在读写卡中还可以写入)射频卡信息的设备。c、天线:在射频卡和读写器间传递射频信号。有些系统还通过读写器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接,进行数据交换。系统的基本工作流程是:读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号,当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流,射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收

28、天线接收到从射频卡发送来的载波信号,经天线调节器传送到读写器,读写器对接收的信号进行解调和解码,然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。不同的射频识别系统虽然在祸合方式(电感一电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面有根本的区别,但所有的读写器在功能原理上,以及由此决定的设计构造上都很相似。所有读写器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器,其功能包括:产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量;对发射信号进行调

29、制,用于将数据传送给射频卡:接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异。读写器的控制单元的功能包括:与应用系统软件进行通信,并执行应用系统软件发来的命令;控制与射频卡的通信过程(主一从原则);信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法,对射频卡与读写器间要传送的数据进行加密和解密,以及进行射频卡和读写器间的身份验证等附加功能。射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前,长距离射频识别系统的价格还很贵,因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、读写器的RF输出功率、读写器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值

30、、天线方向、读写器和射频卡的祸合度,以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的,写入距离大约是读取距离的40%80%。典型的射频识别系统见图1.1。射频卡的电气部分由天线和专用集成电路组成。卡内的天线是几组绕线线圈,适合封装到卡片中,卡片的专用集成电路由一个高速的RF接口、一个控制单元和一个EPROM组成射频卡的读写原理是:读写器向射频卡发射一组固定频率的电磁波,在电磁波的激励下,LC谐振电路产生共振(卡内有LC串联谐振电路),从而使电容内有了电荷:在这个电容的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内存储,当所积累的电荷达到2V时

31、,此电容可作为电源为其他电路提供工作电压,将卡内的数据发射出去或接收读写器的数据。图1.1射频识别系统原理图1.3.3 非接触IC 卡读写器非接触式IC 卡是射频识别技术与IC 卡技术的结合而出现的，自出现以来就成为这两种技术的重要发展方向。由于具有安全性、智能性、较大存储容量、更好的应用环境适应性，读写设备简单，操作速度快等优点，其技术和应用发展十分迅速，当前在国内已大量普及。可以相信，随着大规模集成电路和制造工艺的发展及开发工具的日渐成熟，非接触式IC 卡必将在我国各个领域广泛应用。我国现在已经开始在很多城市的公共交通、考勤、身份证、校园一卡通等行业大量使用非接触式IC 卡，特别是其中的近

32、距离识别卡得到广泛应用，相应的读卡器也随之得到了较普遍的应用。在现阶段国内使用的读卡器的核心射频电路读写芯片基本上都是使用Philips、TI、ATMEL 等国外公司的专用集成电路芯片，特别是用Philips 公司所生产的RC500(Type A)或RC531 (Type A 和Type B) 芯片制作的读卡器占有较大市场份额。这些射频芯片外围电路简单，设计方便，但由于该类芯片价格较贵，因此限制了一些对成本要求比较苛刻的场合使用而未得到较好的推广。而随着国内某些行业在开始采用ISO/IEC 14443 标准规定的Type B 型近距离非接触式IC 卡，因此对该类读写器的需求也在逐渐增加，读卡器

33、生产厂家的竞争也在加剧，产品进入微利时期。非接触式IC 卡技术近年在国内的发展十分迅速，它可识别和跟踪几乎所有的物理对象，该技术已广泛应用在各个行业，逐渐改变和影响我们的生活。其典型应用有：1、身份识别。电子标签可以嵌入到身份证、护照、工作证等各种证件中，用作人员身份识别，也可用在动物身上，便于种群保护等科学研究。其一般都工作在135KHz 以下或13.56MHz，因为这个频段对人体或动物影响较小。如中国正在使用的第二代身份证就是基于ISO/IEC14443-B 标准的13.56MHz 非接触式IC 卡，该证件已在国内各大城市逐步发行，相应的读卡器也被指定厂家生产并在公安、银行等部门得到使用。

34、在这些读卡器中通常采用Philips 公司生产的RC531 或TI 的RI-R6C 等射频读写芯片。2、公共交通应用。公交管理是在中国应用最早，且最成功的领域。主要应用于公交车上的电子车票。使用非接触式IC 卡的电子车票具有防伪性高、结算安全、使用方便等特点。现在，基本上国内很多省会城市如北京、上海、成都等都已使用，通常采用符合ISO/IEC14443-A 的13.56MHz 的非接触式IC 卡，而读卡器的射频电路部分大多采用Philips 公司生产的MCM200 射频模块或RC500 射频芯片。第二章 方案设计及硬件选择2.1 方案选择“A/D 采样+DSP+MCU”方案和“专用电能计量芯片

35、+MCU”为当前的多功能电能表的两种选择方案。“A/D 采样+DSP+MCU”方案，经 A/D 对数据行进采样处理，再由 DSP 对采样得到的数据进行运算，然后 MCU 则专门负责电能数据的后续管理。“专用计量芯片+MCU”方案，先由专用计量芯片对电能采集及计算，接下来由 MCU 进行电能数据的管理。事实上专用计量芯片也就等同于 A/D 采样+DSP的集成，所以可以说第二种方案实际上是在第一种方案的基础上升华得到的。在专用电能计量芯片开始试用阶段，其计量精度及性能的限制使得实现起来不够灵活，所以电能专用计量芯片不能够广泛的运用到实际之中。随着芯片 IC 技术的不断发展和进步，计量芯片的功能日趋

36、完善，该芯片具有完善的模拟采样效验功能以及强大的数字信号处理技术，使得电能专用计量芯片的性能得到极大地提高。国际上 Cirrus Logic、ADI 公司等各大 IC 生产厂商相继推出了他们在电能表领域的专业的电能计量芯片。例如 ADI 公司推出的 AD775X 系列、Cirrus Logic公司生产的 CS5460 系列等。这些芯片组成的电能表都在广泛的应用。近几年来几乎50%以上的全电子式电能表生产厂商一般都是采用的解决方案都是使用这种“专用计量芯片+MCU”双核结构多功能电能表。性能优越、功能较为齐全是此结构下的电能表所具备的特点。但数据传输的可靠性及核与核之间匹配及等多个方面的问题是双

37、核模式不可避免的一些弊端，而且因为采用通用的MCU，系统整体的芯片数量比较多，电能表的成本下降的空间很小，这些给电子式电能表大范围的应用造成了比较大的阻碍。在工业领域以及民用产品中，SOC 整体解决方案也正在逐步被使用，例如消费电子和精密仪器都使用了这种方案，这都要归功于超大规模的集成电路的设计水平与数模混合集成电路的制造工艺的迅速提高。关于产品性能和可靠性，在整个系统中应用周边电路高度集成和多个核心组件后，使得产品体积的缩小、外围元件的减少与能耗的降低，除此之外更要的一点还有单个硅片上的元器件的高度一致性。在 SOC 中，越来越多的数字信号处理单元（DSP）在 SOC 之中取代了模拟元器件，

38、使得长期工作稳定性和性能可能会比传统设计方案更加优越，这是因为整个产品关于如电磁环境、湿度、温度及长时间工作漂移等等条件变的敏感程度极低。电能计量芯片的设计领域随着时间的推移，集成度比以往更高的芯片也被许多大半导体公司也相继推出，ADI 公司的 AD71x 系列和 TDK 公司推出的 71M651x系列都是典型的系列。以 SOC 作为基础的电能表芯片处理体系在电能计量芯片单元与 MCU 进一步地集成的基础上逐渐形成，并且进一步集成的芯片还具有其它的功能模块，从而使多功能电能表软硬件的实现被极大的简化。之所以传统的实现方案没有被它大批量的取而代之，是因为由于工艺上的某些原因立足于单芯片SOC 的

39、电能表的实现方案还有各种各样的缺陷。但是因为其性能的优越、成本的低廉、功能的丰富、系统的高度集成的优势，决定了未来电能表计的发展方向。2.2电能表系统硬件结构电能表硬件结构如图2.1所示,整个系统由七大部分组成:射频卡读写模块、电能计量模块、存储器模块、通讯模块、显示模块、电源模块以及继电器和声光报警等系统采用模块化设计思想,以MCU为核心,将其他模块有机的整合在一起,形成一个统一的系统。以下各节是系统各部分的具体设计方案。AT89C52存储模块24LC256电能计量模块ADE775524LC256继电器报警LED射频读写模块MF RC50024LC256通讯模块RS232通讯模块RS232扬

40、声器四位LED电源模块管理微机图2.1电能表硬件结构图2.3 控制芯片的选择51 系列的单片机，即最常用的AT89C52，优点是内部结构简单，价格便宜，缺点在于：无PWM 输出功能，采用定时器配合软件使用。因为AT89C52 是我们最熟悉的器件，用起来可以很好地控制和调试。所以选择为AT89C52。2.3.1 AT89C52 的工作原理AT89C52 提供以下标准功能：8K 字节FLASH 闪存，256 字节内部RAM，32 个I/O口线，3 个16 位定时/计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52 可降至0Hz 的静态逻辑操作，并支持

41、两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。2.3.2 AT89C52 的芯片管脚及功能说明AT89C52 管脚如图2.2。VCC 管脚为电源电压；GND 为地；P01 口P07 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL 逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在

42、访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P10 口P17 口是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 图2.2 AT89C52 芯片管脚与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2.1。表2.

43、1 P1.0 和P1.1 的第二功能引脚号 功能特性P1.0 T2（定时/计数器2 外部计数脉冲输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时/计数2 捕获/重装载触发和方向控制）P20 口P27 口是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器时，P2 口输出P2 锁存

44、器的内容。P3.0 口P3.7 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，本设计中并没有用到P3 口的功能只用到了它的第2 功能主要功能如下表2.2 所示。表2.2 P3 口的端口第二功能端口引脚第二功能RXD串行输入口TXD串行输出口INTO外中断0INT1外中断1TO定时/计数器0T1定时/计数器1WR外部数据存储器写选通RD外部数据存储器读

45、选通RST 管脚为复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG 管脚当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。2.4 射频读写模块的选择非接触IC 卡是根据射频电磁感应原理，它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用非常方便、快捷、不易损坏。因此， 在公交、门禁、校园、企事业等人事管理、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。目前我国引进的射频IC 卡主要有

46、PHILIPS 公司的Mifare 和ATMEL 公司的Temic 卡。MF RC500 是应用于13.56MHz 非接触式通信中高集成读卡IC 系列中的一员。该读卡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。MF RC500 支持ISO14443A 所有的层。并且操作简单，可以与任何单片机兼容，所以我们选择MF RC500 做为读/写模块。非接触IC 卡读写器以射频识别技术为核心，读写器内主要使用了1 片Mifare 卡专用的读写处理芯片MF RC500 微模块。它是一个小型的最大操作距离达100mm 的Mifare 读/写设备

47、的核心器件，其功能包括调制、解调、产生射频信号、安全管理和防碰撞机制。内部结构分为射频区和接口区:射频区内含调制解调器和电源供电电路，直接与天线连接:接口区有与单片机相连的端口，还具有与射频区相连的收/发器、16 字节的数据缓冲器、存放64 对传输密钥的ROM、存放3 套密钥的只写存储器以及进行三次证实和数据加密的密码机、防碰撞处理的防碰撞模块和控制单元。这是与射频卡实现无线通信的核心模块，也是读写器读写Mifare 卡的关键接口芯片。读写器工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波(13.56MHz)，当有卡靠近时，卡片内有一个串联谐振电路，其频率与读写器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，谐振电路产生共振，从而使电容充电有了电荷。在这个电容另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当电容器充电达到2V 时，此电容就作为电源向卡片上的其他电路提供工作电流，将卡数据发射出去或接收读写器发出的数据并保存。2.4.1 MF RC500 的简介及其原理在IC 卡读写机具领域中，可以降低成本的部分主要是读写器具有的核心读写模块。接触式IC 卡由于卡座与卡上芯片接触点易磨损，而且不耐脏、不防水、易腐蚀，等缺点正逐渐被非接触式IC 卡所替代