基于單片機(jī)的電表控制系統(tǒng)的研究

基于單片機(jī)的電表限制系統(tǒng)的探討摘要計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了儀表向智能化方向發(fā)展。智能化儀表的廣泛應(yīng)用，給我們的生活帶來(lái)深刻的變更。本設(shè)計(jì)在原有的機(jī)械電表的基礎(chǔ)上應(yīng)用新技術(shù)，深化探討IC卡電表限制系統(tǒng)的各部分功能以及實(shí)現(xiàn)方法和整個(gè)系統(tǒng)的好用性。本文選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的邏輯加密卡SLE4442為信息載體，主要完成IC卡電表限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)潔介紹IC卡技術(shù)。在硬件設(shè)計(jì)方面，以80C51單片機(jī)為核心分析和設(shè)計(jì)了電量采集電路、數(shù)碼管顯示電路、供電限制電路、報(bào)警電路、穩(wěn)壓直流電源電路，并分析了它們的工作原理和功能。獨(dú)立完成了電表限制系統(tǒng)內(nèi)部各器件的選型和接口設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)方面，主要包括主程序、脈沖中斷子程序、顯示子程序、用戶卡子程序等程序的流程圖。本文以硬件為主，采納軟硬件相結(jié)合的方法對(duì)電表限制系統(tǒng)進(jìn)行探討，并取得了初步成果。關(guān)鍵詞單片機(jī)；IC卡；電度表AbstractTherapiddevelopmentofcomputertechnologyandmicro-electronicstechnologyhaspromotedtheelectricitymeterdevelopmenttowardsintelligence.Intelligentelectricitymeterapplicationonmanyareashasbroughtprofoundchangestoourlives.Withfoundationonintrinsicmechanismelectricitymeter,thedesignintroducessomenewtechnology,anddeeplyresearchesICcardelectricitymetercontrolledsystem’functionofeverypart,realizationwaysandpracticabilityofthewholesystem.ThispaperchoosesSiemenscompany’slogicalencryptedcardSLE4442asinformationmedium,tocompleteICcardelectricitymetercontrolledsystem’sdesignmainlyandintroducesICcardtechnologybriefly.Intheaspectofhardware,itanalyseselectronic-collectedcircuit,numeraltubedisplaycircuit,powersupplycontrolledcircuit,alarmingcircuit,voltagestableddirectcurrentsourcecircuit,andanalysestheirworkingprincipleandfunctions.Independently,itcompletesthechoiceofelectricitymetercontrolledsystem’sinherentdevicesandthedesignofinterface.Inthesoftwareaspect,itincludestheflowchartofmainprocedure,pulseinterruptprocedure,displayprocedure,user’scardprocedureandsoon.Withthewaythatgivesprioritytohardware,combineshardwarewithsoftware,itgivesresearchtoelectricitymetercontrolledsystem,andfinallygetstheprimarysuccess.KeywordsSingle-Chipmicrocomputer；ICcard；Electricitymeter目錄TOC\o"1-3"\h\z摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1IC卡電表限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景及目的 11.2本文的探討目的 21.3本文的探討內(nèi)容 2第2章IC卡的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn) 42.1IC卡的特點(diǎn) 42.2IC卡的結(jié)構(gòu) 42.3IC卡的標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議 42.4IC卡的分類 52.5邏輯加密卡SLE4442的結(jié)構(gòu)和工作原理 5第3章IC卡電表限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能及原理圖 83.1電表限制系統(tǒng)原理圖……………………..83.2硬件電路設(shè)計(jì) 9單片機(jī)選擇 9電量信號(hào)計(jì)數(shù)采集電路 113.2.3LED顯示電路的設(shè)計(jì) 123.2.4IC卡的選擇 143.2.5IC卡的輸入電路 14存儲(chǔ)芯片的選用 15用戶供電限制電路和警報(bào)電路的設(shè)計(jì) 15看門(mén)狗復(fù)位、電壓監(jiān)控電路的設(shè)計(jì) 16電源電路設(shè)計(jì) 17第4章IC卡電表軟件設(shè)計(jì) 19結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 27附錄A 28附錄B 36第1章緒論1.1IC卡電表限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景及目的隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的高科技產(chǎn)品進(jìn)入我們的生活中，信息技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，使人類社會(huì)發(fā)生著深刻的變更。在美國(guó)90年頭初提出了“國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施NII安排”之后，歐共體、日本、新加坡等國(guó)家也相繼制定了信息高速馬路安排，以此來(lái)加速本土的信息化程度。IC卡作為一種新的高科技產(chǎn)品正在引起人們的廣泛關(guān)注，它標(biāo)記著又一種新的信息處理手段的問(wèn)世，也標(biāo)記著信息社會(huì)的到來(lái)。由于IC卡具有防磁、防靜電、抗破壞性和耐用性強(qiáng)；防偽性好；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)平安性高（可加密）；應(yīng)用設(shè)備及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境成本低；技術(shù)規(guī)范成熟等特點(diǎn)。其極高的平安性已越來(lái)越受到人們的重視已在越來(lái)越多的領(lǐng)域取代磁卡，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為此，我國(guó)在這方面的戰(zhàn)略舉措是中國(guó)政府提出的以“金橋”、“金卡”和“金關(guān)”為代表的三金工程?！敖痍P(guān)”工程指的是對(duì)外經(jīng)貿(mào)信息網(wǎng)；“金橋”工程指的是國(guó)家公用經(jīng)濟(jì)信息通信網(wǎng)，它是三金工程的基礎(chǔ)；“金卡”工程指的是電子貨幣工程，它是推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化的重大工程之一，主要是以IC卡為媒介，利用我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部以及銀行的網(wǎng)絡(luò)資源，通過(guò)“金橋”網(wǎng)構(gòu)成經(jīng)濟(jì)信息系統(tǒng)，為銀行商貿(mào)及旅游的部門(mén)服務(wù)。正是由于IC卡具備諸多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在金融、稅務(wù)、公安、交通、郵電、通訊、服務(wù)、醫(yī)療、保險(xiǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的重視和應(yīng)用。將來(lái)多功能卡的普及與應(yīng)用將變更整個(gè)社會(huì)的生活方式，是人類全面邁向信息化、電子化時(shí)代的鑰匙。在21世紀(jì)發(fā)展最為迅猛的行業(yè)主要就是計(jì)算機(jī)、通訊、電子、生物學(xué)等，從發(fā)展走向成熟的過(guò)程中，已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)中廣泛應(yīng)用，尤其在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用給人們帶來(lái)極大的便利。電子信息行業(yè)是個(gè)新興的行業(yè)，其中最具核心價(jià)值、最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，主要包括微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、軟件技術(shù)和顯示技術(shù)等，IC卡電度表就是在原有的機(jī)械電表中創(chuàng)建性地加入新興電子信息技術(shù)。而在這全部技術(shù)中，集成電路制造技術(shù)是電子信息硬件產(chǎn)品的核心，而集成電路技術(shù)的核心是具有信息處理實(shí)力的單片機(jī)。單片機(jī)的興起與發(fā)展，為電子行業(yè)迅猛發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。它的應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)所不在。在人們?nèi)粘Ｉ畹膽?yīng)用主要包括家用電器、通信、儀器儀表和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備制造。由于單片機(jī)是面對(duì)限制器的，用途對(duì)象比較專一而且目標(biāo)明確，與微機(jī)相比價(jià)格相對(duì)較低，節(jié)約了成本。雖然單片機(jī)已經(jīng)從4位機(jī)、8位機(jī)發(fā)展到了16位機(jī)、32位機(jī)，但現(xiàn)在單片機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用仍舊還是以8位機(jī)為主。MCS-51系列單片機(jī)是美國(guó)INTEL公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48系列單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá)到111條之多。MCS-51系列單片機(jī)可以算是相當(dāng)勝利的產(chǎn)品，始終到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。MCS-51單片機(jī)以其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線、專用寄存器的集中管理、眾多的邏輯位操作功能及面對(duì)限制的豐富的指令系統(tǒng)而聞名，為今后的其它單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。正因?yàn)槠鋬?yōu)越的性能和完善的結(jié)構(gòu)，因而常采納它作為核心來(lái)統(tǒng)籌管理整個(gè)系統(tǒng)基于這種形式和已有的技術(shù)，我們?cè)诓杉{智能化管理的同時(shí)必需兼顧系統(tǒng)的集成性及合理性，研制出一套價(jià)格適中，便利好用的產(chǎn)品是可以的[1]。1.2本文的探討目的在現(xiàn)階段，我國(guó)的電力收費(fèi)基本上都是靠人工來(lái)完成，即由抄表人員挨家挨戶查抄電表，核實(shí)無(wú)誤后再收取電費(fèi)。在收費(fèi)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到用電客戶不在家，而改天再特地來(lái)收取電費(fèi)。這種落后的抄表收費(fèi)方式奢侈大量的人力、物力，抄表人員的勞動(dòng)繁重性可想而知。再者,現(xiàn)代人工作繁忙,樓宇大多裝有防盜門(mén),收費(fèi)工作更加不便。據(jù)資料記載，這種人工收費(fèi)方式在我國(guó)已持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期，這與當(dāng)今世界高度發(fā)展的科技水平極其不相稱。本設(shè)計(jì)提出了一種全新的民用電表的收費(fèi)方式—IC卡預(yù)付費(fèi)電表收費(fèi)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用電收費(fèi)電子化，而且還變更了先用電后收費(fèi)的狀況。電力部門(mén)能預(yù)先收取每個(gè)用戶的部分費(fèi)用,用于電力事業(yè)的發(fā)展。該收費(fèi)系統(tǒng)只須要用戶去當(dāng)?shù)仉娏Σ块T(mén)認(rèn)購(gòu)一張IC卡，由電力部門(mén)將用戶個(gè)人信息存儲(chǔ)到IC卡并預(yù)付肯定的電費(fèi)，用戶可以在家里隨時(shí)遠(yuǎn)程交付電費(fèi)。這樣就不須要電力部門(mén)在派專人挨家挨戶的收取電費(fèi)，可以節(jié)約大量的人力、物力。1.3本文的探討內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要是完成以80C51單片機(jī)為核心，并應(yīng)用SLE4442邏輯加密卡技術(shù)的IC卡電度表限制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本文共分為四章：第一章緒論，介紹了IC卡技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景；其次章簡(jiǎn)要介紹了有關(guān)IC卡的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)，包括IC卡特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議、分類，較為具體介紹了邏輯加密卡SLE4442的結(jié)構(gòu)；第三章主要是智能表的硬件設(shè)計(jì)，包括器件選擇和工作原理以及與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)；第四章則對(duì)電表限制系統(tǒng)進(jìn)行了初步的軟件設(shè)計(jì)。該限制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)潔的改進(jìn)也可以適用于水表、煤氣表等儀表限制系統(tǒng)中。第2章IC卡的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)2.1IC卡的特點(diǎn)IC卡是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的結(jié)晶，是一種全新的信息處理方式。IC卡內(nèi)部具有高科技產(chǎn)品集成電路，可以存儲(chǔ)大量信息，具有極強(qiáng)的保密性能，而且抗干擾強(qiáng)、無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)。IC卡還具有寫(xiě)入數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)力，IC卡存儲(chǔ)器中的內(nèi)容依據(jù)須要可以有條件地供外部讀取和供內(nèi)部進(jìn)行信息處理。2.2IC卡的結(jié)構(gòu)IC卡，又稱為“集成電路卡”“智能卡”，英文名稱“IntegratedCircuitCard”或“SmartCard”,是法國(guó)人RolandMorono于1974年獨(dú)創(chuàng)的。將具有存儲(chǔ)、加密及數(shù)據(jù)處理實(shí)力的集成電路芯片模塊鑲嵌在和信用卡尺寸一樣大小的塑料基片中，便構(gòu)成了IC卡。IC卡一般由不易揮發(fā)性的存儲(chǔ)器（ROM、EPROM、EEPROM）、愛(ài)護(hù)邏輯電路，甚至包括微處理器（CPU）組成。2.3IC卡的標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議接觸型IC卡的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是最廣為人知的ISO7816，我國(guó)已采納其第1，2，3部分作為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)定義了塑料基片的物理和尺寸特性（7816/1），觸點(diǎn)的尺寸和位置（7816/2），信息交換的底層協(xié)議描述（7816/3），7816/4論述了跨行業(yè)的吩咐集?！の锢硖匦詰?yīng)符合ISO7816：1987中規(guī)定各類識(shí)別卡的物理特性和ISO7813中規(guī)定的金融交易卡的全部尺寸要求；此外還應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7816-1：1987中規(guī)定的附加特性、機(jī)械強(qiáng)度和靜電測(cè)試方法?！び|點(diǎn)尺寸與位置應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7816-2：1982中的規(guī)定。·電信號(hào)與傳輸協(xié)議：IC卡與接口設(shè)備之間電源及信息交換應(yīng)符ISO/IEC7816-3：1989的規(guī)定?！ば袠I(yè)間交換用吩咐：有相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC7816-4：1994，但該版本尚未正式通過(guò)?！?yīng)用標(biāo)識(shí)符的編號(hào)系統(tǒng)和注冊(cè)過(guò)程應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC7816-5：1994的規(guī)定。依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7816對(duì)接觸式IC卡的規(guī)定，在IC卡的左上角封裝有IC卡芯片，其上覆蓋有6或8個(gè)觸點(diǎn)和外部設(shè)備進(jìn)行通信，如圖2.1所示。圖2.1ISO標(biāo)準(zhǔn)的IC卡按ISO標(biāo)準(zhǔn)，IC卡芯片的觸點(diǎn)極其定義為：C1（Vcc)：IC卡工作電源；C2(RST)：復(fù)位信號(hào)（可選）；C3（CLK）：有關(guān)信號(hào)的定時(shí)與同步；C5（GND）：地；C6（Vpp）：存儲(chǔ)器編程電源（可選）；C7：IC卡中串行數(shù)據(jù)的輸入/輸出；剩余的2個(gè)觸點(diǎn)（C4，C8）視不同狀況在有關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中予以定義。2.4IC卡的分類IC卡按應(yīng)用領(lǐng)域可分為金融IC卡和非金融IC卡。IC卡按讀/寫(xiě)方法分類可分為接觸型IC卡和非接觸型IC卡。IC卡按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類可分為存儲(chǔ)卡IC卡、邏輯加密IC卡、智能卡（CPU）。2.5邏輯加密卡SLE4442的結(jié)構(gòu)和工作原理SLE4442卡由德國(guó)西門(mén)子(SIEMENS)公司設(shè)計(jì)，它由256X8位字節(jié)的主存儲(chǔ)器和32位的愛(ài)護(hù)PROM存儲(chǔ)器構(gòu)成。它具有2K的存儲(chǔ)容量和完全獨(dú)立的可以限制擦除/寫(xiě)入主存儲(chǔ)器的愛(ài)護(hù)限制邏輯單元。內(nèi)部高泵電壓提升電路保證了芯片能夠以單+5V電壓供電，2K的存儲(chǔ)容量能夠保證存儲(chǔ)電表數(shù)據(jù)的要求。1．芯片特點(diǎn)(1)芯片采納NMOS工藝技術(shù)，每字節(jié)的擦除/寫(xiě)入時(shí)間最多為2.5ms。(2)存儲(chǔ)器供應(yīng)最少10萬(wàn)次的擦除/寫(xiě)入次數(shù)，數(shù)據(jù)保存時(shí)間至少10年。(3)SLE4442采納雙線通信協(xié)議，其復(fù)位應(yīng)答符合ISO7816-3標(biāo)準(zhǔn)，它的觸點(diǎn)定義和串行接口符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)（同步傳輸標(biāo)準(zhǔn)）。2．SLE4442卡的結(jié)構(gòu)SLE4442IC卡芯片主要包括二個(gè)存儲(chǔ)器和一個(gè)愛(ài)護(hù)限制邏輯單元：(1)256X6位EEPROM型主存儲(chǔ)器。(2)32X1位PROM型愛(ài)護(hù)存儲(chǔ)器。(3)愛(ài)護(hù)限制邏輯單元。SLE4442卡的存儲(chǔ)器如圖2.2所示。圖2.2SLE4442卡的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖(1)主存儲(chǔ)器：主存儲(chǔ)器為可重復(fù)擦除運(yùn)用的EEPROM型存儲(chǔ)器，它的地址是從00H到FFH。主存儲(chǔ)器的擦/寫(xiě)是依據(jù)字節(jié)進(jìn)行的。在擦除時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的全部8位被全部設(shè)置為邏輯1。在寫(xiě)入時(shí)，待寫(xiě)入數(shù)據(jù)和字節(jié)中的數(shù)據(jù)做“與”操作。通常，要變更一個(gè)數(shù)據(jù)須要先進(jìn)行擦除，再進(jìn)行寫(xiě)入這兩項(xiàng)操作。主存儲(chǔ)器可分為愛(ài)護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)和應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)。愛(ài)護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)：主存儲(chǔ)器前32個(gè)字節(jié)為愛(ài)護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)，地址從00H到31H。這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除和寫(xiě)入操作受到愛(ài)護(hù)數(shù)據(jù)器內(nèi)部數(shù)據(jù)狀態(tài)的限制。這個(gè)PROM可以被熔斷，從而不被變更。依據(jù)這一特性，我們將主存儲(chǔ)器的愛(ài)護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)作為IC卡的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，存放一些固定不變的標(biāo)識(shí)參數(shù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)：主存儲(chǔ)器后224個(gè)字節(jié)為應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)。其地址從20H到FFH。這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除/寫(xiě)入均受愛(ài)護(hù)限制邏輯單元的數(shù)據(jù)校驗(yàn)比較結(jié)果的影響。當(dāng)須要修改應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容時(shí)，必需先輸入一個(gè)3字節(jié)長(zhǎng)的“校驗(yàn)字”，它與存在愛(ài)護(hù)限制邏輯單元里的“參照字”比較一樣時(shí)，才允許擦除和寫(xiě)入操作。(2)愛(ài)護(hù)存儲(chǔ)器：愛(ài)護(hù)存儲(chǔ)器是一個(gè)32X1位的一次性可編程只讀存儲(chǔ)器。它是按字位方式尋址和寫(xiě)入，愛(ài)護(hù)存儲(chǔ)器每一位對(duì)應(yīng)著主存儲(chǔ)器地址從0到31的每一個(gè)字節(jié)。愛(ài)護(hù)存儲(chǔ)器每個(gè)被寫(xiě)“0”(3)愛(ài)護(hù)限制邏輯單元：愛(ài)護(hù)限制邏輯單元是一個(gè)4X8位的EEPROM型存儲(chǔ)器。愛(ài)護(hù)限制邏輯單元的第1,2,3字節(jié)為“參照字”存儲(chǔ)區(qū)。這3個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在比較勝利前是不行讀的，只能進(jìn)行比較操作。第0字節(jié)為密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器(EC)。密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的有效位是低3位。芯片初始化時(shí)，計(jì)數(shù)器設(shè)置成“111”。這一字節(jié)是可讀的。每次比較密碼時(shí)，先要判定計(jì)數(shù)器中是否還有“1”，如有，則將一個(gè)“1”寫(xiě)“0”，然后進(jìn)行比較“校驗(yàn)字”操作。假如比較結(jié)果一樣，密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器將允許進(jìn)行擦除操作，同時(shí)打開(kāi)主存儲(chǔ)器、愛(ài)護(hù)存儲(chǔ)器和愛(ài)護(hù)限制邏輯單元，并允許進(jìn)行擦除和寫(xiě)入操作。假如比較結(jié)果不一樣，則密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器中“1”的個(gè)數(shù)少1位。當(dāng)連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤密碼后，則芯片的存儲(chǔ)單元將全部被鎖死。但只要有一次比較通過(guò)，則在下次上電時(shí)密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的低3位將被復(fù)原為第3章IC卡電表限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能及原理圖3.1限制系統(tǒng)原理圖電表限制系統(tǒng)由單片機(jī)80C51、電量采集電路、聲光報(bào)警斷電限制電路、IC卡讀寫(xiě)系統(tǒng)、外接存儲(chǔ)器（EEPROM）、六位LED數(shù)碼管顯示器和看門(mén)狗組成。電表限制系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。80518051看門(mén)狗電量采集電路聲光報(bào)警斷電限制EEPROMIC卡座六位LED圖3.1電表限制系統(tǒng)原理圖電表限制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能、顯示功能、報(bào)警功能、斷電功能和抗干擾功能。1．預(yù)收費(fèi)功能：用戶從電力公司買(mǎi)到一張IC卡后,只要向電力公司預(yù)交肯定的費(fèi)用,就可獲得相應(yīng)的用電度數(shù)。然后將此卡插在帶有計(jì)費(fèi)功能的IC卡電表中,電表會(huì)自動(dòng)讀取卡中的買(mǎi)電度數(shù)值,而后可以取出卡自己保存。電表在軟件限制下,自動(dòng)減去用電值。2．顯示功能：電表可隨時(shí)顯示表中所剩余的度數(shù)。為了節(jié)約系統(tǒng)電能的消耗和電表中電子器件的運(yùn)用壽命,數(shù)碼管顯示部分并不是總亮著,而是由用戶自己限制其顯示功能。當(dāng)須要顯示時(shí),按下啟動(dòng)顯示鍵即可顯示,樣便于用戶了解電量的運(yùn)用狀況,以便剛好交費(fèi)也可對(duì)電力部門(mén)的工作進(jìn)行監(jiān)督。3．報(bào)警功能：當(dāng)表中剩余的度數(shù)值低于肯定值時(shí),電表將會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警,提示用戶去買(mǎi)電。4．?dāng)嚯姽δ埽杭偃缬脩舨粍偤觅I(mǎi)電,而又接著用電時(shí),電表有自動(dòng)斷電的電路,將切斷電源供應(yīng)。用戶買(mǎi)來(lái)電后,再將卡插入電表中,電表讀取卡中數(shù)值后,又可自動(dòng)復(fù)原供電。5．復(fù)位和抗干擾功能：采納應(yīng)用最為廣泛的看門(mén)狗技術(shù)。3.2硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路包括單片機(jī)、電量采集電路、顯示電路、IC卡接口電路和愛(ài)護(hù)電路等的設(shè)計(jì)。硬件電路原理圖如圖3.2所示。圖3.2硬件電路原理圖單片機(jī)選擇智能電表限制系統(tǒng)的核心是80C51單片機(jī)，它運(yùn)算速度快，功耗低，采納CMOS工藝制造，穩(wěn)定性很高[3]。為適應(yīng)現(xiàn)在全民節(jié)約的形勢(shì)，可以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采納中斷喚醒方式，能夠大量削減單片機(jī)的工作時(shí)間，以降低系統(tǒng)的功耗，達(dá)到節(jié)約的目的。80C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如下：·8位中心處理器單元CPU；·4KB可改編程序Flash存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)級(jí)別的程序存儲(chǔ)器愛(ài)護(hù)功能，可經(jīng)受10000次的寫(xiě)入/擦除；·128X8字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；·32個(gè)可編程1/0引腳；·2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；·6個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)別；·1個(gè)可編程的串行通信寄存器；·1個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。80C51結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.3單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖51系列的單片機(jī)大都是雙列直插式40腳封裝，引腳安排如圖3.3所示。它們的功能簡(jiǎn)述如下：VSS：引腳號(hào)為20，電源地線。VCC：引腳號(hào)為40，芯片的主電源，接+5V。ALE/PROG：引腳號(hào)為30，地址鎖存有效信號(hào)，在它的下降沿序時(shí)使BUS（P0）分時(shí)用作地址總線低8位和數(shù)據(jù)總線。PSEN：引腳號(hào)為29，外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)。并在外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)產(chǎn)生，指令內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)，PSEN無(wú)效。RST/VPD：引腳號(hào)為9，復(fù)位輸入信號(hào)。在震蕩器工作時(shí)掉電狀況下，VPD將為芯片內(nèi)RAM供應(yīng)備用電源。EA/VDD：引腳號(hào)為31，訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器限制信號(hào)輸入端。當(dāng)為低電平常單片機(jī)都到外部程序存儲(chǔ)器讀取指令。當(dāng)EA為高電平且PC值小于0FFFH時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的程序。P0（BUS）：引腳號(hào)為32～39，單片機(jī)的雙向數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線。在分時(shí)操作時(shí)，先用作地址總線，在ALE信號(hào)的下降沿，地址被鎖存，然后作為數(shù)據(jù)總線；也可以作為雙向并行I/O口。P1：引腳號(hào)為1～8，在對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址。P2：引腳號(hào)為21～28，在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址。P3：引腳號(hào)為10～17，P3口可用作輸入口。P3口的每一還有特殊的其次功能，如表3-1所示。表3-1P3口的功能端口引腳復(fù)用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0的外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1的外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）XTAL1和XTAL2為內(nèi)部蕩振器外接晶振的二個(gè)輸入端，引腳號(hào)分別為19、18。電量信號(hào)計(jì)數(shù)采集電路電量信號(hào)的采集原理特別簡(jiǎn)潔，只須要在電度表的鋁盤(pán)上貼一個(gè)反光標(biāo)記，利用光電耦合器對(duì)電表計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)上的反光標(biāo)記進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果再經(jīng)過(guò)非施密特觸發(fā)器CD4093整形后，以脈沖中斷方式送入單片機(jī)外部中斷INT0引腳。光電耦合器的發(fā)光二極管長(zhǎng)期通電發(fā)光，每當(dāng)鋁盤(pán)上的反光標(biāo)記轉(zhuǎn)到發(fā)光二極管所在位置時(shí)，反光標(biāo)記將光反射到光敏三極管上。此時(shí)間敏三極管導(dǎo)通，非施密特觸發(fā)器CD4093就會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)的INT0中斷端口。當(dāng)鋁盤(pán)的反光標(biāo)記轉(zhuǎn)離發(fā)光二極管所在位置，則沒(méi)有光反射到光敏三極管上，光敏三極管截止。此時(shí)非施密特觸發(fā)器CD4093就會(huì)輸出高電平到單片機(jī)的INT0端口。其工作原理圖如圖3.4所示[4]。圖3.4電量采集器電路圖LED顯示電路的設(shè)計(jì)當(dāng)用戶想了解剩余電量和累計(jì)用電量時(shí)，按下按鈕B2，單片機(jī)獲得一個(gè)中斷信號(hào)INT1，并且檢測(cè)到P04為0，則首先顯示輸出剩余電量，持續(xù)5秒鐘后再顯示用戶累計(jì)用電量。1．LED數(shù)碼管的顯示方式及設(shè)定LED數(shù)碼管是由8段發(fā)光二極管構(gòu)成，因此也稱為8段數(shù)碼管顯示器，其中八個(gè)管腳分別是對(duì)七個(gè)發(fā)光二極管和小數(shù)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，另外兩個(gè)管腳是對(duì)字段驅(qū)動(dòng)。它的8個(gè)發(fā)光二極管有兩種接法：一種是把8個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起構(gòu)成了一個(gè)公共的陽(yáng)極，稱為共陽(yáng)極接法，另一種是共陰極接法。而我們所采納的就是共陰極接法的發(fā)光二極管。LED數(shù)碼管的顯示方法有兩種：一種是靜態(tài)顯示，另一種是動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描顯示電路相對(duì)簡(jiǎn)潔，因此采納動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法可以滿意單片機(jī)I/O資源的運(yùn)用。對(duì)于動(dòng)態(tài)顯示則采納分時(shí)的方法即逐個(gè)循環(huán)地點(diǎn)亮各位顯示器。為了在LED顯示器上顯示數(shù)字或符號(hào)，必需使LED的各個(gè)發(fā)光二極管按給定的組合發(fā)光，這就須要為L(zhǎng)ED供應(yīng)合適的定形代碼。a--g組成7個(gè)數(shù)字表示顯示字段，dp表示小數(shù)點(diǎn)顯示字段。本設(shè)計(jì)的數(shù)碼管顯示器為五位，第一位為小數(shù)位，其次位為個(gè)位，第三位為十位，第四位為百位，第五位為千位，第六位為萬(wàn)位。其中其次個(gè)數(shù)碼管的dp表示小數(shù)點(diǎn)，在軟件設(shè)計(jì)中使其發(fā)光。2．?dāng)?shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片的選擇及其應(yīng)用現(xiàn)在常用的數(shù)碼管顯示電路驅(qū)動(dòng)芯片主要是MAX7219，它連線簡(jiǎn)潔，不占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，運(yùn)用便利敏捷。MAX7219是八位串行共陰極LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片，其峰值段電流可達(dá)40mA；僅運(yùn)用單片機(jī)3個(gè)I/O口即可完成對(duì)六位LED數(shù)碼管的顯示限制和驅(qū)動(dòng)，線路特別簡(jiǎn)潔、限制便利，能便利的修改其內(nèi)部參數(shù)，外圍電路僅需一個(gè)電阻設(shè)定峰值段電流。MAX7219內(nèi)部含有硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示限制，它可以干脆驅(qū)動(dòng)64段LED條形圖顯示器。數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)處理后送給MAX7219，采納16位數(shù)據(jù)串行移位接收方式。當(dāng)工作處于關(guān)閉方式時(shí)，單片機(jī)仍可對(duì)其傳送數(shù)據(jù)和修改限制方式，而且芯片耗電僅為150uA。MAX7219是共陰極LED顯示數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)器，具有多顯示可控方式。DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端；CLK為串行時(shí)鐘輸入端；SGA--SGP為L(zhǎng)ED七段顯示器段驅(qū)動(dòng)輸出端和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出端，要在動(dòng)態(tài)顯示器的其次位上顯示小數(shù)點(diǎn)，設(shè)置一個(gè)限制字，當(dāng)掃描到顯示小數(shù)點(diǎn)的這位顯示器時(shí)，就用到限制字來(lái)修改字位代碼，使對(duì)應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)發(fā)光；DIG0--DIG7為8位字驅(qū)動(dòng)端，MAX7219的字驅(qū)動(dòng)端與數(shù)碼管的公共陰極相連，公共陰極由此吸入電流。為實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)掃描，除了把全部顯示器的8個(gè)顯示段從左到右同名端連在一起外，還須對(duì)每個(gè)數(shù)碼管顯示器的公共極DG實(shí)行獨(dú)立的I/O限制，這里只用到DIG0—DIG5驅(qū)動(dòng)六位顯示器輸出字選信號(hào)；LOAD為裝載數(shù)據(jù)限制端；Iset為L(zhǎng)ED段峰值電流供應(yīng)端，它通過(guò)一個(gè)電阻與電源相連，以便給LED段供應(yīng)峰值電流；GND：接地端；VCC：+5V電源端。MAX7219驅(qū)動(dòng)六位LED顯示器，它的連線如圖3.5所示。其中P23為MAX7219供應(yīng)串行數(shù)據(jù)，裝載數(shù)據(jù)由P24限制，P25為它供應(yīng)串行時(shí)鐘脈沖，為數(shù)碼管顯示器供應(yīng)位控信號(hào)和段控信號(hào)。由于數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)是低電平有效，而SEG段控口是高電平有效，所以MAX7219后要加ULN2803作為驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)作為反向驅(qū)動(dòng)器，ULN2803接到全部字段口線。然后經(jīng)過(guò)三極管和限流電阻來(lái)驅(qū)動(dòng)LED顯示器的每一個(gè)顯示字段。這樣，當(dāng)全部顯示器接收到CPU向顯示段輸出口送出的字形代碼時(shí)，由MAX7219為顯示器供應(yīng)位控信號(hào)和段控信號(hào)，位控信號(hào)再經(jīng)ULN2803反向器的取反，將電平轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)三極管和限流電阻的驅(qū)動(dòng)全部顯示器。考慮肯定的電路須要，選+5V作為電源來(lái)供應(yīng)整個(gè)顯示部分。動(dòng)態(tài)顯示必需由段控信號(hào)確定某一顯示器是否點(diǎn)亮。采納分時(shí)方法，循環(huán)地限制各個(gè)顯示器的DG端，使各個(gè)顯示字段輪番點(diǎn)亮。在LED顯示器掃描過(guò)程中，任何時(shí)刻只有一位顯示器亮，但由于人眼的視覺(jué)惰性，顯示刷新很快時(shí)，可以認(rèn)為全部顯示。數(shù)碼管顯示器電路圖如圖3.5所示[5]。圖3.5數(shù)碼管顯示器電路圖IC卡的選擇由于采納的是預(yù)付費(fèi)、遠(yuǎn)程核算方式，須要用戶先到電力部門(mén)認(rèn)購(gòu)IC卡和與其相應(yīng)的IC卡電表。因此要在IC卡上儲(chǔ)存?zhèn)€人信息、IC卡號(hào)和電表號(hào)、IC卡密碼以及預(yù)付費(fèi)金額等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，必需將它們加密成密文保存。依據(jù)以上的實(shí)際狀況，本設(shè)計(jì)選擇邏輯加密存儲(chǔ)型的IC卡，它的存儲(chǔ)容量為2K，2K的容量可以滿意存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)的須要。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可能會(huì)在IC卡保留一段時(shí)間，所以IC卡要有非易失性EEPROM存儲(chǔ)器。它的工作電壓為，運(yùn)用壽命為一萬(wàn)次擦寫(xiě)次數(shù)。綜合以上因素，本設(shè)計(jì)采納德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的邏輯加密存儲(chǔ)卡SLE4442為所選IC卡。IC卡的輸入電路IC卡輸入電路由電阻R7,R8,R9，按鈕B1和IC卡接口組成。本設(shè)計(jì)采納的IC卡接口有10個(gè)引腳。引腳1接+5V電源，引腳2,3,7分別和單片機(jī)的P00,P01,P02相連，這三個(gè)引腳要接上拉電阻R7,R8,R9。引腳9和引腳10是一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)，引腳10接地，引腳9接按鈕B1后再和單片機(jī)的INT1相接。當(dāng)IC卡插入IC卡接卡槽中時(shí)，引腳9和引腳10之間的觸點(diǎn)閉合，此時(shí)單片機(jī)并不馬上對(duì)IC卡操作，只有在按下按鈕B1，單片機(jī)獲得一個(gè)中斷懇求，并且檢測(cè)到P04為1,IC卡獲得供電后才去對(duì)IC卡進(jìn)行操作。這樣可以有效去抖，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。存儲(chǔ)芯片的選用存儲(chǔ)芯片是一種用可電擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器為核心的，能多次重復(fù)運(yùn)用的芯片，它本身就是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。本設(shè)計(jì)采納美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它采納低功耗CMOS工藝制造，片內(nèi)采納的高壓泵升電路，使芯片可采納單一電源方式工作。它的容量為2K位，內(nèi)部組態(tài)為256個(gè)8位字節(jié)，隨機(jī)尋址時(shí)需一個(gè)8位地址。支持ISO/IEC7816-3同步協(xié)議，芯片數(shù)據(jù)的擦寫(xiě)次數(shù)超過(guò)10萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存期可達(dá)10年以上。它是8引腳芯片，芯片的觸點(diǎn)配置符合ISO/IEC7816-2標(biāo)準(zhǔn)。用戶供電限制電路和警報(bào)電路的設(shè)計(jì)1．用戶供電限制電路設(shè)計(jì)用戶供電限制電路用于限制用戶供電以及停止供電。供電限制電路由晶體管Q9，繼電器J，限流電阻R11，電阻R10和續(xù)流二極管D3組成。當(dāng)用戶的剩余電量達(dá)到跳閘限值時(shí)，單片機(jī)從P07輸出高電平，經(jīng)電阻R10加到晶體管Q9的基極，使得Q9導(dǎo)通.則繼電器J線包有電流流過(guò)，繼電器吸合，使得繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而使供電電路斷開(kāi)，停止向用戶供電。當(dāng)用戶的剩余電量尚未達(dá)到跳閘限值時(shí)，單片機(jī)從P07輸出低電平，使得晶體管Q9截止，繼電器J線包沒(méi)有電流流過(guò)，繼電器不吸合，常閉觸點(diǎn)接通，供電電路閉合，向用戶供電。供電限制電路如圖3.6所示。圖3.6供電限制電路2．報(bào)警電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的報(bào)警電路的主要目的是提示用戶的IC卡預(yù)付的電費(fèi)不足，應(yīng)剛好去電力部門(mén)預(yù)付電費(fèi)。當(dāng)用戶的剩余電量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，單片機(jī)的P22、P21引腳分別輸出低電平使晶體管Q10、Q11導(dǎo)通，報(bào)警電路就會(huì)發(fā)出語(yǔ)音提示，提示用戶應(yīng)剛好預(yù)付電費(fèi)。報(bào)警部分分為光報(bào)警和聲報(bào)警兩部分，如圖3.7和3.8所示。圖3.7光報(bào)警顯示電路圖3.8聲報(bào)警電路運(yùn)用時(shí)應(yīng)特殊留意發(fā)光二極管不要超過(guò)最大功耗，最大正向電流和反向擊穿電壓等極限參數(shù)?？撮T(mén)狗復(fù)位、電壓監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)X5045是集看門(mén)狗、電壓監(jiān)控、復(fù)位和存儲(chǔ)等功能于一身的可編程電路，這種組合設(shè)計(jì)削減了對(duì)電路板空間的設(shè)計(jì)需求。X5045的性能穩(wěn)定牢靠，具有多功能、反應(yīng)速度快、抗干擾實(shí)力強(qiáng)等特點(diǎn)，運(yùn)用它可在IC卡電表限制系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)實(shí)施協(xié)助和愛(ài)護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過(guò)看門(mén)狗設(shè)置時(shí)間或不能重新啟動(dòng)時(shí)，電路中的看門(mén)狗將執(zhí)行復(fù)位。通過(guò)RESET信號(hào)向單片機(jī)發(fā)送位信號(hào)，啟動(dòng)單片機(jī)重新工作；它的清除寄存器在AT80C51運(yùn)行正常時(shí)，每隔一段時(shí)間寫(xiě)入某一數(shù)值，就可以清除其計(jì)數(shù)器，這樣就不會(huì)有計(jì)數(shù)器溢出；當(dāng)電源干擾等緣由使系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)，不能按時(shí)執(zhí)行寫(xiě)操作或無(wú)法清除計(jì)數(shù)器的值，計(jì)數(shù)器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位，防止系統(tǒng)出現(xiàn)異樣現(xiàn)象。X5045還可以免受電壓低對(duì)系統(tǒng)的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045具有3.3MHz的時(shí)鐘頻率。X5045結(jié)構(gòu)如圖3.9所示[6]。圖3.9看門(mén)狗監(jiān)視器X5045電路電源電路設(shè)計(jì)1．直流穩(wěn)壓本設(shè)計(jì)采納對(duì)市電變壓后的電壓進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓的方法獲得系統(tǒng)所需的電壓，系統(tǒng)須要兩種電壓信號(hào)，+5V電壓和+12V電壓。其中+12V電壓是供繼電器運(yùn)用，由LM7812的輸出電壓經(jīng)再次濾波后作為數(shù)碼管顯示器和繼電器電壓。由LM7805輸出經(jīng)濾波后的+5V的電壓作為系統(tǒng)的其它部分的電源。電源是將溝通市電變成直流的穩(wěn)定的電壓。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，各部分功能如下：（1）電壓變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的溝通電壓變換成整流濾波電路所需的溝通電壓。（2）整流濾波電路是將溝通電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)過(guò)濾波電路濾除水紋，輸出直流電壓。電源電路如圖3.10所示。圖3.10電源電路2．LM7812和LM7805芯片以及外圍電路簡(jiǎn)介L(zhǎng)M7805是典型的串聯(lián)型正穩(wěn)壓集成電源電路芯片，它不須要外接愛(ài)護(hù)元件，內(nèi)部愛(ài)護(hù)措施很完善：有內(nèi)部電流限制、熱關(guān)閉和輸出晶體管平安區(qū)補(bǔ)償，不簡(jiǎn)潔損壞。LM7805輸出電壓為5伏，兩旁加入電容起濾波作用。LM7805要求輸入與輸出電壓差通常要必需大于等于5伏，假如低于這個(gè)電壓差，穩(wěn)壓器就工作在可變電阻的狀態(tài)，輸出特性將變差，失去穩(wěn)壓的作用。估計(jì)電路中電流應(yīng)為0.8安，考慮肯定的電流浮動(dòng)選1安作為電源電流。另外LM7805的輸出經(jīng)三極管Q12后為IC卡供應(yīng)工作電壓VCC，當(dāng)IC卡插入卡槽并且單片機(jī)獲得INT1中斷信號(hào)后，單片機(jī)會(huì)在P06端輸出一個(gè)低電平，Q12導(dǎo)通，從而IC卡卡槽獲得電壓，同時(shí)發(fā)光二極管L1亮，起讀寫(xiě)指示作用。當(dāng)對(duì)IC卡操作完畢后，單片機(jī)在P06端輸出一個(gè)高電平，Q12截止，發(fā)光二極管L1滅，停止對(duì)IC卡卡槽供電，此時(shí)可以平安的將IC卡拔出。LM7812與LM7805是同一系列的芯片，二者結(jié)構(gòu)相像，只是輸入和輸出電壓不同。LM7812的輸入電壓為17伏，輸出電壓為12伏。其外圍電路的選取主要作用是對(duì)電壓濾波。第4章IC卡電表軟件設(shè)計(jì)用戶在運(yùn)用IC卡電度表時(shí)，首先要把IC卡和電表初始化。把用戶的相關(guān)信息分別存儲(chǔ)到IC卡和IC卡電度表的EEPROM中，然后進(jìn)行IC卡與電表的校驗(yàn)，進(jìn)行身份識(shí)別，實(shí)現(xiàn)“一表一卡”。軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、脈沖中斷程序，插卡中斷程序、參數(shù)卡子程序、用戶卡子程序、顯示子程序等。參數(shù)說(shuō)明：R0：累計(jì)用電量的脈沖數(shù)R1：剩余電量的整數(shù)部分R2：累計(jì)用電量的整數(shù)部分R3：剩余電量的小數(shù)部分R4：每度電的轉(zhuǎn)數(shù)R5：EEPROM中的IC卡卡號(hào)R6：購(gòu)電量R7：動(dòng)態(tài)隨機(jī)數(shù)R8：IC卡中的卡號(hào)R9：IC卡卡標(biāo)識(shí)A：參數(shù)卡標(biāo)識(shí)1．主程序本設(shè)計(jì)系統(tǒng)由于采納單片機(jī)中斷喚醒工作模式，使主程序的設(shè)計(jì)特別簡(jiǎn)潔。平常系統(tǒng)處于空閑工作方式，只有在以下三種中斷狀況下系統(tǒng)才被喚醒起先工作。第一，當(dāng)用戶用電并且有脈沖信號(hào)來(lái)時(shí);其次，用戶購(gòu)電后插卡時(shí);第三，用戶按下顯示按鈕時(shí)。其中，脈沖中斷為最高級(jí)中斷，其次是插卡中斷。主程序如下：ORG00H；起始地址JMPSTART；跳到起先程序ORG10H；INT0中斷子程序起始地址JMPEXT0；脈沖中斷ORG500H；INT1中斷子程序起始地址JMPEXT1；插卡中斷START：MOVJE,485H；INT0,INT1中斷使能MOVTCON,#00H；INT0,INT1為電平觸發(fā)MOVPCON,#01H；CPU空閑工作方式2．插卡中斷子程序當(dāng)用戶購(gòu)電后，將IC卡插入電表中，按下按鈕B1后，這時(shí)程序進(jìn)入插卡中斷程序，在單片機(jī)的限制下給IC卡供電，并且有插卡指示燈亮，單片機(jī)從IC卡中讀出卡標(biāo)識(shí)R9，推斷是參數(shù)卡還是用戶卡，并跳到參數(shù)卡子程序或用戶卡子程序。插卡中斷子程序框圖如圖4.1所示。3．參數(shù)卡子程序當(dāng)單片機(jī)識(shí)別出插入的IC卡是參數(shù)卡時(shí)，程序進(jìn)入?yún)?shù)卡子程序。單片機(jī)從IC卡中讀出密文，解密后進(jìn)行密碼比較，正確后將參數(shù)卡中的每度電的轉(zhuǎn)數(shù)和IC卡卡號(hào)存入到電度表的EEPROM存儲(chǔ)器24C02中，作為以后校驗(yàn)用戶卡的一個(gè)參照數(shù)。4．用戶卡子程序當(dāng)單片機(jī)識(shí)別出插入的IC卡是用戶卡時(shí)，程序進(jìn)入用戶卡子程序。在該程序中，單片機(jī)首先從IC卡中讀取密文，解密后獲得一組數(shù)據(jù)，單片機(jī)把這組數(shù)據(jù)中的一個(gè)數(shù)據(jù)和24C02存儲(chǔ)器中的一個(gè)卡標(biāo)識(shí)進(jìn)行比較，以判別是否是偽卡。比較通過(guò)后，單片機(jī)還要對(duì)解密后的一個(gè)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行加密運(yùn)算，將得到的數(shù)據(jù)和卡中密碼比較以推斷是否是本表所對(duì)應(yīng)的卡。假如比較一樣，則單片機(jī)把解密后生成的一個(gè)數(shù)據(jù)(購(gòu)電量)和24C02存儲(chǔ)器中的剩余電量相加后重新存入24C02中作為的剩余電量。并把卡中的購(gòu)電量清零，同時(shí)把24C02中的累計(jì)用電量寫(xiě)入IC卡中。用戶下一次購(gòu)電時(shí)，累計(jì)用電量會(huì)存入售電微機(jī)中，以便供電管理部門(mén)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且供電管理部門(mén)假如發(fā)覺(jué)用戶上一次購(gòu)電量加上上一次存入微機(jī)中的累計(jì)用電量與IC卡返回的累計(jì)用電量不符，說(shuō)明用戶用電不正常。用戶卡子程序流程圖如圖4.2所示。5．計(jì)量脈沖中斷子程序用戶用電時(shí)，電表的轉(zhuǎn)盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈會(huì)向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖中斷。單片機(jī)對(duì)脈沖進(jìn)行累計(jì)，當(dāng)累計(jì)脈沖數(shù)達(dá)到每度電的轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，就對(duì)24C02中的剩余電量和累計(jì)用電量進(jìn)行處理并重新存入24C02中。假如未達(dá)到每度電的轉(zhuǎn)數(shù)，則將脈沖干脆存入到24C02中。計(jì)量脈沖中斷子程序流程圖如圖4.3所示。6．顯示子程序此顯示為動(dòng)態(tài)掃描顯示。當(dāng)有顯示按鈕按下時(shí)，從24C02存儲(chǔ)器中取出要顯示的量(剩余電量和累計(jì)用電量)，送到單片機(jī)內(nèi)存單元，進(jìn)行二進(jìn)制代碼到BCD碼的轉(zhuǎn)換，然后送到顯示電路顯示。首先顯示剩余電量，5秒鐘后再顯示累計(jì)用電量，時(shí)間也是5秒鐘。假如須要再次查看數(shù)據(jù)，須要再次按下顯示按鈕。顯示子程序流程圖如圖4.4所示。圖4.1中斷子程序框圖從卡中主存儲(chǔ)器區(qū)中讀取密文從卡中主存儲(chǔ)器區(qū)中讀取密文將密文解成明文R6，R7，R8從EEPROM中讀取R5R8=R5？Y對(duì)R7加密生成密碼XX與表中密碼比較相符？YN從EEPROM中讀取R1，R3R6的整數(shù)部分+R1R1R6的小數(shù)部分+R3R1將卡中R6清0從EEPROM中讀取R2R2寫(xiě)入IC卡RETR3>R4R3—R4R3R1+1R1R1,R3寫(xiě)入EEPROMN偽卡非本表卡YNYN起先起先R6=0？R6=0？圖4.2用戶卡程序流程圖中斷中斷從EEPROM中讀出R0R0+1R00R0R0=R4？從EEPROM中讀出R1，R2R1—1R1R2+1R2把R1，R2寫(xiě)入EEPROMRETIR1=0？R1=2？把R0寫(xiě)入EEPROM報(bào)警子程序斷電子程序YNYNYN圖4.3脈沖中斷程序流程圖從EEPROM取數(shù)進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換從EEPROM取數(shù)進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換起先初始化MAX7219RET發(fā)送剩余電量發(fā)送吩咐發(fā)送完否？NY圖4.4顯示程序流程圖結(jié)論計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的完備結(jié)合促進(jìn)了智能化儀表的產(chǎn)生。由于智能化儀表的便利、好用，促使各國(guó)大力研發(fā)智能化儀表的應(yīng)用技術(shù)，并使其獲得飛速發(fā)展。本設(shè)計(jì)主要探討的是IC卡電表限制系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)80C51、電量采集電路、LED數(shù)碼管顯示電路、聲光報(bào)警續(xù)電器和看門(mén)狗。在畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)中，本人主要做了如下幾項(xiàng)工作：1．對(duì)IC卡電表的硬件選擇、各部分器件的功能和原理作了較為深刻的論述，并利用Protel99畫(huà)出該系統(tǒng)的電路原理圖。2．對(duì)電表限制系統(tǒng)的主程序和其它部分的子程序的流程進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。3．參閱了大量的相關(guān)文獻(xiàn)，獲得相關(guān)學(xué)問(wèn)，為寫(xiě)好論文打下基礎(chǔ)。由于實(shí)習(xí)的時(shí)間有限，本人設(shè)計(jì)的IC卡電表限制系統(tǒng)只完成的初步工作，還有很多實(shí)際中的細(xì)微環(huán)節(jié)工作還沒(méi)有做到位，望老師和同學(xué)指正。致謝本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間始終得到了限制系張立松老師的全面、具體的指導(dǎo)。張老師敏銳的思維、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、平易近人的看法使我受益匪淺，尤其在介紹基于單片機(jī)電表限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想時(shí)，分析程序深化淺出，講解了系統(tǒng)各部分功能的實(shí)現(xiàn)方法，張老師仔細(xì)負(fù)責(zé)的看法讓我深受感動(dòng)，我在此表示最誠(chéng)心的感謝。四年的高校生活即將結(jié)束，立刻就踏入社會(huì)了，“看法確定一切”，在以后的工作生活中我將以張老師為學(xué)習(xí)的榜樣，認(rèn)仔細(xì)真，踏踏實(shí)實(shí)，盡自己最大的努力以最好的成果來(lái)回報(bào)老師以及身邊全部同學(xué)和摯友的關(guān)切和幫助。參考文獻(xiàn)[1]電子信息產(chǎn)業(yè)模式探討課題組．電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[M]．北京：北京航空航天高校出版社，2001，22～24．[2]李軍．51系列單片機(jī)高級(jí)實(shí)例開(kāi)發(fā)指南[M]．北京：北京航空航天高校出版社，2000，258～266．[3]楊宇．單片機(jī)與限制技術(shù)[M]．北京：北京航空航天高校出版社，2005，15～18．[4]顏世科，李桂芬．電子與自動(dòng)化[J]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997，22～27．[5]陳汝全．電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊(cè)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，1999，63～205．[6]劉守義．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M]．西安電子科技高校出版社，2002，254～258．附錄A80C51DevelopmentToolsWediscussesthefeaturesandadvantagesofthe80C51microprocessorfamilyandthedevelopmenttoolsavailablefromKeilSoftware.Wehavedesignedourdevelopmenttoolstohelpyouquicklyandsuccessfullycompleteyourjob.Forthisreason,ourtoolsareeasytouseandareguaranteedtohelp80CThe80C51hasbeenavailablesincetheearly1980’s.Withawidevarietyofoutstandingfeaturesandperipherals,the80C51CPUcoreisdestinedtoseeservicewellintothenextcentury.Morethan200different80C51derivativesareavailabletodayfromavarietyofchipvendors.MorethanhalfofallembeddedprojectswithaCPUusemembersofthe80C51embeddedprocessor,the80C51hasnoequal.Atypical80C51familymembercontainsthe80Cmemorydevices.80CKeilSoftwareprovidesthefollowingdevelopmenttoolsforthe80C·C51OptimizingCCompiler(seepage21),·A51MacroAssembler(seepage38),·BL51CodeBankingLinker/Locator(seepage40),·OC51BankedObjectFileConverter(seepage44),·OH51Object-HexConverter(seepage44),·LIB51LibraryManager(seepage44)·dScope-51forWindows(seepage45),·μVision/51forWindows(seepage45).C51OptimizingCCrossCompilerTheCprogramminglanguageisageneral-purposeprogramminglanguagethatprovidescodeefficiency,elementsofstructuredprogramming,andarichsetofoperators.Cisnotabiglanguageandisnotdesignedforanyoneparticularareaofapplication.Itsgenerality,combinedwithitsabsenceofrestrictions,makeCaconvenientandeffectiveprogrammingsolutionforawidevarietyofsoftwaretasks.ManyapplicationscanbesolvedmoreeasilyandefficientlywithCthanwithothermorespecializedlanguages.TheKeilSoftwareC51optimizingcrosscompilerfortheMS-DOSoperatingsystemisacompleteimplementationoftheANSI(AmericanNationalStandardsInstitute)standardfortheClanguage.TheC51compilergeneratescodeforthe80C51microprocessorbutisnotauniversalCcompileradaptedforthe80C51target.Itisaground-upimplementationdedicatedtogeneratingextremelyfastandcompactcodeforthe80C51microprocessor.Formost80C51applications,theC51compilergivessoftwaredeveloperstheUsingahigh-levellanguagelikeChasmanyadvantagesoverassemblylanguageprogramming.Forexample:·Knowledgeoftheprocessorinstructionsetisnotrequired.Arudimentaryknowledgeofthe80C·Registerallocationandaddressingmodedetailsaremanagedbythecompiler.·Theabilitytocombinevariableselectionwithspecificoperationsimprovesprogramreadability.·Keywordsandoperationalfunctionsthatmorenearlyresemblethehumanthoughtprocesscanbeused.·Programdevelopmentanddebuggingtimesaredramaticallyreducedwhencomparedtoassemblylanguageprogramming.·Thelibraryfilesthataresuppliedprovidemanystandardroutines(suchasformattedoutput,dataconversions,andfloating-pointarithmetic)thatmaybeincorporatedyou’reyourapplication.·ExistingroutinecanbereusedinnewprogramsbyutilizingthemodularprogrammingtechniquesavailablewithC.·TheClanguageisveryportableandverypopular.Ccompilersareavailableforalmostalltargetsystems.Existingsoftwareinvestmentscanbequicklyandeasilyconvertedfromoradaptedtootherprocessorsorenvironments.C51LanguageExtensionsTheC51compilerisanANSIcompliantCcompilerandincludesallaspectsoftheprogramminglanguagethatarespecifiedbytheANSIstandard.AnumberofextensionstotheCprogramminglanguageareprovidedtosupportthefacilitiesofthe80C·DataTypes,·MemoryTypes,·MemoryModels,·Pointers,·ReentrantFunctions,·InterruptFunctions,·Real-TimeOperatingSystems,·InterfacingtoPL/MandA51sourcefiles.Thefollowingsectionsbrieflydescribetheseextensions.DataTypesTheC51compilersupportsthedatatypeslistedinthefollowingtable.Inadditiontothesescalartypes,variablescanbecombinedintostructures,unions,andarrays.Exceptasnoted,youmayusepointerstoaccessthesedatatypes.MemoryTypesTheC51compilersupportsthearchitectureofthe80C51anditsderivativesandprovidesaccesstoallmemoryareasofthe80C51.EachvariablemaybecodeProgrammemory(64Kbytes);accessedbyopcodeMOVC@A+DPTR.dataDirectlyaddressableinternaldatamemory;fastestaccesstovariables(128bytes).idataIndirectlyaddressableinternaldatamemory;accessedacrossthefullinternaladdressspace(256bytes).bdataBit-addressableinternaldatamemory;allowsmixedbitandbyteaccess(16bytes).xdataExternaldatamemory(64Kbytes);accessedbyopcodeMOVX@DPTR.pdataPaged(256bytes)externaldatamemory;accessedbyopcodeMOVX@Rn.MemoryModelsThememorymodeldeterminesthedefaultmemorytypeusedforfunctionarguments,automaticvariables,andvariablesdeclaredwithnoexplicitmemorytype.YouspecifythememorymodelonthecommandlineusingtheSMALL,COMPACT,andLARGEcontroldirectives.Byexplicitlydeclaringavariablewithamemorytypespecifier,youmayoverridethedefaultmemorytype.SMALLInthismodel,allvariablesdefaulttotheinternaldatamemoryofthe80C51.Thisisthesameasiftheyweredeclaredexplicitlyusingthedatamemorytypespecifier.Inthismemorymodel,variableaccessisveryefficient.However,alldataobjects,aswellasthestackmustfitintotheinternalRAM.Stacksizeiscriticalbecausethestackspaceuseddependsuponthenestingdepthofthevariousfunctions.Typically,iftheBL51codebankinglinker/locatorisconfiguredtooverlayvariablesintheinternaldatamemory,thesmallmodelisthebestmodeltouse.COMPACTUsingcompactmodel,allvariablesdefaulttoonepageofexplicitlydeclaredusingthepdatamemorytypespecifier.Thismemorymodelcanaccommodateamaximumof256bytesofvariables.Thelimitationisduetotheaddressingschemeused,whichisindirectthroughregistersR0andR1.Thismemorymodelisnotasefficientasthesmallmodel,therefore,variableaccessisnotasfast.However,thecompactmodelisfasterthanthelargemodel.Thehighbyteoftheaddressisusuallysetupviaport2.Thecompilerdoesnotsetthisportforyou.LARGEInlargemodel,allvariablesdefaulttoexternaldatamemory.Thisisthesameasiftheywereexplicitlydeclaredusingthexdatamemorytypespecifier.Thedatapointer(DPTR)isusedforaddressing.Memoryaccessthroughthisdatapointerisinefficient,especiallyforvariableswithalengthoftwoormorebytes.Thistypeofdataaccessgeneratesmorecodethanthesmallorcompactmodels.PointersTheC51compilersupportspointerdeclarationsusingtheasteriskcharacter(‘*’).YoumayusepointerstoperformalloperationsavailableinstandardC.However,becauseoftheuniquearchitectureofthe80C51anditsderivatives,theC51compilersupportstwodifferenttypesofpointers:memoryspecificpointersGenericPointersGenericpointersaredeclaredinthesamewayasstandardCpointers.Forexample:char*s;/*stringptr*/int*numptr;/*intptr*/long*state;/*longptr*/Genericpointersarealwaysstoredusingthreebytes.Thefirstbyteisforthememorytype,thesecondisforthehigh-orderbyteoftheoffset,andthethirdisforthelow-orderbyteoftheoffset.Genericpointersmaybeusedtoaccessanyvariableregardlessofitslocationin80C51memoryspace.Manyofthelibraryroutinesusethesepointertypesforthisreason.Byusingthesegenericuntypedpointers,afunctioncanaccessdata80C·PeepholeOptimization:Complexoperationsarereplacedbysimplifiedoperationswhenmemoryspaceorexecutiontimecanbesavedasaresult.·AccessOptimizing:Constantsandvariablesarecomputedandincludeddirectlyinoperations.·DataOverlaying:DataandbitsegmentsoffunctionsareidentifiedasOVERLAYABLEandareoverlaidwithotherdataandbitsegmentsbytheBL51codebankinglinker/locator.·Case/SwitchOptimizing:Dependingupontheirnumber,sequence,andlocation,switchandcasestatementscanbefurtheroptimizedbyusingajumptableorstringofjumps.OptionsforCodeGeneration·OPTIMIZE(SIZE):CommonCoperationsarereplacedbysubprograms.Programcodesizeisreducedattheexpenseofprogramspeed.·OPTIMIZE(SPEED):CommonCoperationsareexpandedin-line.Programspeedisincreasedattheexpenseofcodesize.·NOAREGS:TheC51compilernolongerusesabsoluteregisteraccess.Programcodeisindependentoftheregisterbank.·NOREGPARMS:Parameterpassingisalwaysperformedinlocaldatasegmentsratherthendedicatedregisters.Programcodecreatedwiththis#pragmaiscompatibletoearlierversionsoftheC51compiler,thePL/M-51compiler,andtheASM-51assembler.DebuggingTheC51compilerusestheIntelObjectFormat(OMF51)forobjectfilesandgeneratescompletesymbolinformation.Additionally,thecompilercanincludeallthenecessaryinformationsuchas;variablenames,functionnames,linenumbers,andsoontoallowdetailedandthoroughdebuggingandanalysiswithdScope-51orIntelcompatibleemulators.AllIntelcompatibleemulatorsmaybeusedforprogramdebugging.Inaddition,theOBJECTEXTENDcontroldirectiveembedsadditionalvariabletypeinformationintheobjectfilewhichallowstype-specificdisplayofvariablesandstructureswhenusingcertainemulators.YoushouldcheckwithyouremulatorvendortodetermineifitiscompatiblewiththeIntelOMF51objectmoduleformatandifitcanacceptKeilobjectmodules.BL51CodeBankingLinker/LocatorTheBL51codebankinglinker/locatorcombinesoneormoreobjectmodulesintoasingleexecutable80C51program.Thelinkeralsoresolvesexternalandpublicreferences,andassignsabsoluteaddressestorelocatableprogramssegments.TheBL51codebankinglinker/locatorprocessesobjectmodulescreatedbytheKeilC51compilerandA51assemblerandtheIntelPL/M-51compilerandASM-51assembler.Thelinkerautomaticallyselectstheappropriaterun-timelibraryandlinksonlythelibrarymodulesthatarerequired.Normally,youinvoketheBL51codebankinglinker/locatorfromthecommandlinespecifyingthenamesoftheobjectmodulestocombine.ThedefaultcontrolsfortheBL51codebankinglinker/locatorhavebeencarefullychosentoaccommodatemostapplicationswithouttheneedtospecifyadditionaldirectives.DataAddressManagementTheBL51codebankinglinker/locatormanagesthelimitedinternalmemoryofthe80C51byoverlayingvariablesforfunctionsthataremutuallyexclusive.Thisgreatlyreduc