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
2、原理。最后对基于射频识别技术的多用户电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 卡兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计IAbstractPrepayment IC Watt-hour meter adopts the model that the users must pay the electricity first and then use it.it solve the problem which th
3、e electric department gathered the payments 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 investiga
4、ted; The second, IC card is polluted and 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
5、is to solve the disadvantage of Prepayment 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
6、meter bases on RFID. Secondly, it introduces 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_opt
7、ics alarm module, the radio frequency card read_write module,each module divides into certain subroutines.Key Words：The watt_hour meter; Radio frequeney identification; Energy measurement；IC card兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计II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.
8、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 AT89C52 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 .18
9、2.7 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 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 .26兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计III3.4 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
10、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
11、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 1 .63兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计0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
12、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”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
13、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，
14、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
15、 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。兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计1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干预。RFID 技术使用安全、可靠、方
16、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 频段的发展最为成熟，我国的奥运会门票
17、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。1.3 研究现状1.3.1 预付
18、费电能表1、预付费电能表分类及发展史兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计2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
19、路集中在表壳内,当断电机构跳闸时,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
20、的电能进行采样的传感器设计不当,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
21、投币式预付费电能表、磁卡式预付费电能表、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,这兰 州
22、理 工 大 学 毕 业 设 计3些人的电费收缴很困难。特别是一些出租门面房、出租房屋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,
23、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
24、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,
25、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,实现对被识兰 州 理 工 大 学 毕 业 设
26、计4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
27、 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
28、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
29、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兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计5(电感一电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、数据传输方法(负载调制、反
30、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
31、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、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,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
