预付费电能表的防窃电毕业设计.doc

目 录摘要 目录 第 1 章 前言11.1课题背景11.1.1 电能表的现状及发展趋势 11.1.2 国内外仪表的管理及收费方式 21.1.3 IC卡的诞生与发展 41.2 本课题的提出和意义 71.3 本文的主要工作81.4 全文组织结构 8第 2 章 电子式预付费电能表概述 92.1 电能计量的基本原理 92.2 电子式预付费电能表的功能 102.3 电子式预付费电能表的操作流程 112.4 电子式预付费电能表系统结构 11第 3 章 电子式预付费电能表的硬件设计 133.1 电量采集电路 133.1.1 电能计量芯片的选择 133.1.2 外围电路的设计 153.1.3 电量采集电路的防窃电分析 153.2 微处理器的选择 183.3 EPROM电路213.3.1 EPROM的选择213.3.2 EPROM电路设计 253.4 微处理器监控电路263.4.1 监控芯片MAX813L263.4.2 电路设计283.5 显示电路283.6 继电器接口电路30第 4 章 电子式预付费电能表的软件设计334.1 全电子式IC卡预付费电能表的程序设计 334.1.1 主程序334.1.2 中断子程序33第5章 结论 40致谢 41参考文献 42摘 要本文的主要工作是完成对电子式电能表硬件电路的设计及具有防窃电功能的技术进行改进，对电子式电能表的关键组成部分进行详细的分析，利用C语言对单片机进行了软件编程，并且对软件部分做了相应的防窃电改进。本文对电能表的工作原理、构造、功能、操作步骤改进，对IC卡的诞生和发展作了详细说明，对国内外电量采集电路的防窃电进行分析，并为防窃电举出几点方式：（1）、防电流反向窃电，（2）、防短接CT及一线一地方式窃电。并画出窃电方式示意图和防窃电实验论证，对全电子式IC卡预付费电能表的主程序中断做了详细研究。关键词：防窃电第1章 前言随着社会的发展和科技的进步，电子技术己经广泛应用于电信、公安、金融、社保、交通、商业流通、航天航空等各个领域。由于电子技术的飞速发展，许多领域己经采用电子式仪表取代传统的机械式仪表，并由智能控制取代人工操作。在电能计量领域，也势必由电子式仪表来取代机械仪表，抄表方式由自动抄表方式取代人工抄表。现行的仪表抄表方式有人工抄表方式、自动抄表方式和IC卡收费方式等多种抄表方式。因此本文针对当前的家用全电子式预付费电能表进行了研究。1.1 课题背景1.1.1 电能表的现状及发展趋势作为测量电能的专用仪表电能表，已有一百多年的历史。在这期间，随着电力系统及所有以电能为动力的产业的发展，电能表的结构和性能经历了不断更新、优化的发展过程。大体上可以分为以下两个阶段：1. 感应式电能表感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的。它具有制造简单、可靠性高和价格便宜等特点。经过近一百年的不断改进与完善，感应式电能表的制作技术己经成熟，通过双重绝缘、加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振动被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。但是由于其原理与结构等因素的制约，要进一步提高计量精度和扩展功能是有限度的。另一方面，随着用电量的增长和能源供需矛盾的加剧，应该加强电量负荷监控，以实现计划用电和合理配电，提高电网负荷率。功能单一的感应式电能表及其相关机械装置已不再适应现代电能管理的要求。虽然如此但感应式电能表因为技术成熟，价格便宜，至今仍被大量使用。2 电子式电能表电子式电能表是国外在20世纪70年代发展起来的一种产品，它是应用现代电能测量技术、微电子技术、计算机软硬件技术及通信技术构成的一类全新系列的电能表。它与感应式电能表相比，除了具有测量精度高、性能稳定、功耗低、体积小、重量轻等优点外，还易于实现多功能计量，可现场校验和检索多种计量数据，便于数据采集和处理以及集中监控。电子式电能表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成。根据电能测量机构的不同，电子式电能表分为机电脉冲式和全电子式两类。其中机电脉冲式电能表出现较早，仍然沿用了感应式电能表的测量机构，数据处理机构由电子电路和计算机控制系统实现，因而它只是一种电子线路与机电转换单元相结合的半电子式电能表，而且由于感应式测量机构的制约，机电脉冲式电能表难以降低功耗、提高测量精度;而全电子式电能表没有使用感应式测量机构，而采用乘法器来完成对电功率的测量，不但提高了测量精度、降低了功耗、还增加了过载能力。由于电子式电能表具有良好的扩展性，目前已由常规的全电子式电能表发展出了多功能电能表、多费率电能表、预付费电能表、载波电能表、红外抄表、集中抄表系统、多用户电能表等系列产品。1.1.2 国内外仪表的管理及收费方式随着IC卡技术的发展及其相关行业服务意识的不断提高，在与居民用户日常生活相关的计量仪表中，IC卡技术己经得到迅速的推广和广泛的应用。目前在电表、水表、燃气表以及热力表中都已经开始采用IC卡作为抄表收费、控制以及数据管理的媒介，使得IC卡仪表己经成为当前国内应用技术发展的一个亮点。现行抄表收费管理模式主要有以下三种:人工抄表方式:为用户安装普通计量仪表，定期由管理人员上门抄表和收费。缺点是需要管理人员多，工作量大;优点是计量仪表成本低，采用付费方式容易被用户接受，基本不存在用户能源被切断问题。自动抄表方式:为用户安装具有通讯能力的计量仪表，通过通讯网络系统自动完成用户计量仪表的数据抄收，再通过金融网点方式以自动或人工方式完成缴费。这种方式技术难度高，通讯网络建设及维护成本大;优点是自动化程度高，节省人力，并能很好的实现系统的实时监控。IC卡收费方式:为用户安装具有IC卡接口的计量仪表，通过IC卡作为传输媒介，在用户和管理部门之间传递信息，自动实现计量仪表的抄收以及缴费工作。这种方式成本高，信息传输不及时，同时让用户充当了信息通道的角色，未体现管理部门服务的宗旨。优点是实现了抄表、收费、控制的三位一体，彻底杜绝了欠费现象的发生，管理人员和管理费用少.目前收费管理模式的使用状况:发达国家主要以人工或自动抄表收费方式为主。原因是金融业高度发达，发生欠费的情况较少，同时管理部门具有建立抄表网络系统的资金实力，具有较高的自动化管理水平。发展中国家正从人工抄表收费方式向IC卡收费方式过渡。原因是人口众多，人工管理方式已逐渐无法管理，而管理部门还不具备资金和技术实力推行网络化的自动抄表收费管理系统，金融业的发展己经初具规模，IC卡收费方式恰好成为最佳选择。欠发达国家由于没有系统的收费管理模式，只能采用人工抄表方式，在较为发达的城市或郊区，具有推行IC卡收费方式或局域自动抄表收费的可能性。国内收费管理模式的发展状况:行业管理模式:从水、电、气、热行业管理部门的管理模式看，人工抄表收费模式仍占有较大比例。资金较为充裕的行业，如电力部门已推广IC卡收费方式和自动抄表收费方式，并且对自动抄表收费方式给予了较大程度的关注;资金不充裕的行业目前正逐步着手推广IC卡收费管理模式。物业小区管理方式:从提高效率，节省人力和提高服务质量出发，主要采用一卡通方案(即水、电、气、热全部或部分实现一卡通)或与楼字自动化布线统一考虑采用局部自动抄表收费系统进行管理。新建小区基本上没有人工抄表收费方式。因此，在国内和人口众多的发展中国家推广IC卡仪表收费管理方式是可行的，具有广阔的市场应用前景。1.1.3 IC卡的诞生与发展IC 卡是集成电路卡(Integrated Circuit Card)的英文简称，也称之为智能卡。它是将一个专用的集成电路芯片镶嵌于符合ISO7816标准的PVC(或ABS等)塑料基片中，封装成外形与磁卡类似的卡片形式。1C 卡的概念是20世纪70年代初提出来的。法国布尔(BULL)公司于1976年首先制造出IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业。1977年，Motorola公司与它的一个计算机客户合作开发出世界上第一张智能卡，形成了第一代智能卡产品。它是将一个可编程的微控制器和一个非易失性的存储器集成在一个模块内，然后嵌入一张符合ISO7816标准的信用卡中。从此之后，智能卡所采用的技术发生着日新月异的变化。1979年产生了世界上第一张专为智能卡设计的单片机芯片，从而形成了第二代智能卡产品。随后，国际标准化组织ISO(International Standardization Organization)与国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)的联合技术委员会为之制定了一系列的国际标准、规范，极大地推动了IC卡的研究和发展。IC卡较之以往的识别卡，具有以下特点:一是可靠性高，IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息可保持100年以上，读写次数在10万次以上，至少可使用10年；是安全性好；三是存储容量大；四是类型多。从全球范围看，现在IC卡的应用范围已不再局限于早期的通信领域，而广泛地应用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生、政府行政、商品零售、休闲娱乐、学校管理及其它领域。根据不同的分类标准，IC卡有多种分类方法。常用的分类方法有:1.根据IC卡的内部结构可以分为非加密存储卡、加密存储卡、CPU卡和超级智能卡。(1)非加密存储卡这种IC卡卡内芯片一般为电可擦除可编程只读存储器EPROM。它的特点是:存储容量大;信息可以长期保存，也可以在读写器中进行擦除和改写;读写速度快，操作简单。卡上数据的保护主要依赖于读写器中的软件口令以及向卡上写入的加密信息，软件读出时破译，因此这种IC卡的安全性能不高。主要用于对安全性要求不高的场合。(2)逻辑加密卡逻辑加密卡除了具有非加密存储卡的EPROM外，还带有加密逻辑，每次读/写操作前要先进行密码验证。如果连续几次密码验证错误，卡片将会自锁，成为死卡。从数据管理、密码校验和识别方面来说，逻辑加密卡是一种被动型卡，采用同步通信方式。该类卡片存储量相对较小，价格相对便宜，适用于有一定保密要求的场合。(3)CPU卡CPU卡芯片内部包含微处理器(CPU)、存储单元(RAM,ROM和EPROM)和输入/输出接口单元。其中，RAM用于存放运算过程中的中间数据，ROM中固化片内操作系统COS(Card Operating System)，而EPROM用于存放持卡人的个人信息以及发行单位的有关信息。CPU管理信息的加/解密和传输，严格防范非法访问卡内信息，发现数次非法访问，将锁死相应的信息区(可通过高一级命令解锁)。CPU卡的容量有大有小，价格比逻辑加密卡要高。但CPU卡的良好处理能力和上佳的保密性能，使其成为IC卡发展的方向。CPU卡适用于保密性要求特别高的场合，如金融卡、军事密令传递卡等。(4)超级智能卡卡上具有MPU和存储器，并装有键盘、液晶显示器和电源，有的卡上还具有指纹识别装置。2.按照数据读取方式的不同，分为接触式IC卡、非接触式IC卡和双界面卡。接触式IC卡主要遵循的国际标准为ISO7816系列，常用非接触式IC卡主要遵循的国际标准为ISO14443系列。(1)接触式IC卡接触式IC卡的表面有一方型镀金接口，共有八个或六个触点，用来与读写器接口，进行信号传递。读写操作时须将IC卡插入读写器，读写完毕，卡片自动弹出或人为抽出。接触式IC卡的读写速度相对较慢，但可靠性高，多用于存储信息量大，读写操作复杂的场合。(2)非接触式IC卡非接触式IC卡具有接触式IC卡相同的芯片技术和特性，最大的区别在于卡上带有射频信号或红外线收发器，在一定距离内即可收发读写器的信号，因而和读写设备之间无机械触点。在前述IC卡的电路基础上带有射频收发及其相关电路的非接触式IC卡被称为“射频卡”或“RF卡”。这种IC卡常用于身份验证，电子门禁等场合。(3)双界面卡双界面卡是将接触式IC卡与非接触式IC卡组合到一张卡片中，操作独立，可共用CPU和存储空间。3.按照IC卡与外界进行交换时的数据传输方式不同，分为串行IC卡和并行IC卡。(1)串行IC卡IC卡与外界进行数据交换时，数据流按照串行方式输入输出，电极触点较少，一般为6个或8个。由于串行IC卡接口简单、使用方便，目前的使用量最大。(2)并行IC卡IC卡与外界进行数据交换时以并行方式进行，有较多的电极触点，一般在28到68之间。主要具有两方面的好处，一是数据交换速度提高，二是现有条件下存储容量可以显著增加。1.2 本课题的提出和意义本文以预付费电子式电能表为对象进行研究。预付（收）费控制技术，是我国近几年形成的新型技术领域，旨在解决公共事业收费难（特别是在人口流动频繁、信用度较差的地区）问题。经过几年的发展，预付费控制技术已经产品化，并形成了一个新兴产业。随着科学技术的不断发展，预付费控制技术的水平也在不断提高。预付费电能表是指将供电部门对电能表的收费方式，由过去的上门查表改变为由用户主动交费，如不交费系统就自动执行切断控制的方式。预付费电能表的采用，将在很大程度上解决长期困扰我国供电部门的欠费、收费难的问题。预付费电能表应用先进的智能卡技术，由电能计量、读卡系统和用户控制三部分组成。用户购电后可用电，并将所用电量从预购电量中扣除，卡中所构电量扣完即断电。多费率电能表即分时计费的电子式电能表，其目的是利用电价来调节电网用电的高峰和低谷，在用电高峰时费率高，抑制用电，在用电低谷时费率低，鼓励用电。多用户表是在全电子单户电能表基础上发展起来的，它适合城市楼宇或多层住宅楼，可大大降低单户表的平均成本，减少居民购表费用支出。红外抄表则是在电子式电能表基础上应用了红外技术，它由手持红外抄表机和表内红外发射机两部分组成，抄表员只需在距离电能表一定范围内按动手持机上的抄表按钮，即可完成电能表用电量的数据与手持红外抄表机的通信，大大降低了抄表员的工作强度。集中抄表实现了抄表工作的自动化，根据其采用的通信技术可分为无线抄表和有线抄表，有线抄表又可根据其通信方式分为电话抄表、低压载波抄表、485接口专线抄表等方式。全电子式电能表种类繁多，能够满足各种需要，并且与机械式电能表相比具有精度高、稳定性好、功耗低、容易校验等特点，因此具有广泛的应用前景。随着人民生活水平的不断提高，家用电器越来越普及，每户居民的用电量也大大增加，因此每户居民每月的电费支出也大幅度地增长。为了多用电且少交电费，一些人视国家的法律于不顾，采取各种方法窃电，使电能表显示的用电量比实际的用电量少，给国家造成了很大的经济损失，所以使家用电能表具有防窃电功能也就刻不容缓。因此本文对电子式预付费电能表进行了防窃电研究，对于今后电力部门更好的完成电费回收有着重要的意义。1.3 本文的主要工作在论文期间，阅读了大量文献，独立完成了如下主要工作。（1）完成了对电子式电能表硬件电路的设计及具有防窃电功能的技术改进。对电子式电能表的关键组成部分进行了详细的分析。（2）利用C语言对单片机进行了软件编程，并且对软件部分做了相应的防窃电改进。1.4 全文组织结构本文首先介绍了本课题研究背景以及课题的提出和意义;第二章是电子式预付费电能表的概述;第三章着重从CPU,微控制器监控电路、电量采集电路、LCD液晶显示电路、继电器控制电路等方面对全电子式IC卡电能表的硬件电路进行设计。 并对电量采集电路作了防窃电设计。第四章介绍了电子式预付费电能表的软件设计，论述了电压检测中断子程序、脉冲中断子程序、插卡中断子程序、显示中断子程序等软件程序的实现。在总结中谈到了尚需进一步解决的问题。第2章 电子式预付费电能表概述电子式预付费电能表综合了单片机技术、电子测量技术和智能卡技术，具有计量精度高、自身损耗低和可靠性高等特点。由于此类电能表的用电量数据己经数字化，可以很方便地与各种数据收集传送电路配合组成自动计量计费系统。该类产品的大量使用将节省供电部门大量的抄表计算工作，并能及时回收电费，具有巨大的经济效益和社会效益。2.1 电能计量的基本原理电能计量是通过对有功功率的测量实现的。当用电器工作，负载上的瞬时电功率等于负载两端的瞬时电压与流过负载的瞬时电流的乘积，即= 。由于和都是随时间变化的周期函数，所以也是随时间周期变化的。令=Usin(t)，=Isin(t+)，则在时刻t消耗的瞬时功率为: = =2UIsin(t)sin(t+)=UIcos-UIcos(2t+) (2.1)从公式(2.1)可知，瞬时功率是由直流分量UIcos和交流分量UIcos(2t+)两部分组成的。一般将有功功率P定义为瞬时功率在一个周期T内的平均值。利用公式(2.1)可以得到负载上的有功功率为:P = = UIcos-UIcos(2t+) =UIcos (2.2)由(2.2)式可知，对有功功率P的测量可以通过直接测量瞬时功率的直流分量得到。有功电能则是有功功率和时间的乘积。在交流电路中，电压U和电流I在某一段时间t内的电能W表达式为:W= P T = UIcosT (2.3)电子式电能表是采用乘法器来实现电功率测量的，具体的工作原理如图2.1所示。被测电压u和电流i通过电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器，乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与平均功率成正比的直流电压，然后利用电压/频率转换器，电压被转换成相应的脉冲信号，脉冲频率正比于平均功率:将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，得到相应的电能。图2.1 电子式电能表的工作原理2.2 电子式预付费电能表的功能电子式预付费电能表是以电能计量专用芯片和微处理器为核心的基础上设计的，本设计的电能表具有如下功能:用电量采集和累计功能:采用电能计量专用芯片AD7755进行电压、电流信号的采样、相乘、电压/频率转换，微处理器累计AD7755输出的脉冲个数，并对累计用电量和剩余电量进行处理。自动控制功能:系统在一定条件下自动断电(当剩余电量小于断电限度值)或供电(当剩余电量大于断电限值)。报警功能;当剩余电量低于报警限度值时，系统将发出报警信号提醒用户即时购电。显示功能 :当用户需要了解电能表的状态时，只需按下显示按钮，即可显示累计购买电量、剩余电量、累计用电量等信息。信息辨识功能:系统能够辨识用户使用的卡是否为伪卡，并判断是参数卡还是用户卡，还要区分是否为该表所对应的卡。当读出表中的信息后，通过解密，判断卡中的信息是否合法。数据回读功能;系统在读卡的同时，还要把用户的总用电量、剩余电量等信息写入卡中，在用户下次购电时，把这些信息返回上位机。2.3 电子式预付费电能表的操作流程电子式预付费电能表的操作流程一般是这样的:(1) 管理部门为用户安装电子式预付费电能表;(2) IC卡电能表管理系统软件登记用户信息，完成用户开户;(3) 管理部门通过读写器为用户制作用户卡，写入必要的运行参数信息;(4) 用户将用户卡插入IC卡电能表，将运行参数信息写入表内，同时将表内数据返写到用户卡;(5) 当满足一定条件时，IC卡电能表闭合控制开关，允许用户用电，条件不满足时，IC卡电能表断开控制开关，不允许用户用电;(6) 用户持用户卡到管理部门缴费充值，IC卡电能表管理系统通过IC卡读写器将表返回信息读入系统进行结算分析，同时将新的运行参数传递到用户卡中。(7) 用户再次将用户卡插入IC卡电能表，获得电能的使用权。2.4 电子式预付费电能表系统结构系统的整体结构主要由以下几部分组成:电量采集电路、微控制器电路、微控制器监控电路、电源电路、存储器电路、IC卡接口电路、继电器接口电路、显示电路等。系统的整体结构框图如图2.2所示。电量采集电路:电量采集电路由电能计量芯片ADE7751、分压器和分流器组成，完成电能的采样、计量，以电脉冲信号的形式输出。微控制器电路:是整个系统的核心部分。微控制器的选择要考虑稳定性、运行速度、价格、功耗等因素。存储器电路:存储表号、用户类型、用电量等参数。微处理器监控电路:监测系统电源和程序的运行状态。IC卡接口电路:是IC卡与微控制器的接口。显示电路 :显示本次购买电量、剩余电量、累计用电量等信息。继电器接口电路:控制供电主回路的通断。图2.2 系统整体结构框图第3章 电子式预付费电能表的硬件设计 本章主要介绍电子式预付费电能表的硬件电路设计及防窃电改进。将把电子式预付费电能表分为电量采集电路、微处理器电路、存储电路、微处理器监控电路、IC卡及其接口电路、显示电路、继电器接口电路、电源电路，现分别进行说明。3.1 电量采集电路3.1.1 电能计量芯片的选择普通家用单相电子式电能表的工作原理框图如图3.1，其所用的电能表集成电路的输入电路仅有一个电流输入通道和一个电压输入通道。电流采样电路利用串联在相线中的电流互感器CT采样到电流信号I,它和电压采样电路采样到的电压信号U被送到集成电路中的电流输入通道和电压输入通道。在集成电路内部完成电能计量，并输出脉冲序列，驱动步进电机计数器计数。如果采用LED或LCD显示器显示电量数据，还需要在脉冲输出端加一个单片机(CPU)，完成计数、数据存储及驱动显示等功能。图3.1 普通单相电子式电能表的原理框图对这种电能表，常见的窃电方式有如下几种(参考图3.1)。(1)电流反向窃电:如果将电能表的进线和出线接反，流经CT的电流方向就发生了变化，原功率为:P = UIcos （3.1）这时由于电流反向而使功率变为:P = Ulcos（180-）= - UIcos （3.2）由于集成电路对于负向功率不产生脉冲输出或输出反转脉冲，从而实现窃电。(2)短接CT窃电:在CT初级两端跨接一根短路线，使流经CT的电流被分流而减小.即采样电流减小，从而达到窃电的目的。(3)一线一地方式窃电:将进线中的相线和零线交换位置，此时CT相当于接在零线上，再将负载电流接入大地而不经过零线返回，使CT中采样不到电流信号，实现窃电。图3.2 ADE7751内部结构图如图正是因为有了以上各种窃电方法，电表的防窃电需求也就体现了出来，因此本设计在电子式预付费电能表的芯片选择上采用具有防窃电功能的专用集成电路，如Analog Devices公司的单相电子式电能表用集成电路ADE7751构成的电能表来防窃电，现分析如下。图3.2中的ADE7751与图3.1中普通电子式电能表用集成电路(不含防窃电功能)的主要区别是:ADE7751电流输入回路有两个模拟输入通道V1A和V1B，分别采样电网相线电流和零线电流。ADE7751还具有比较和选择电路，通过对相线电流和零线电流进行不间断的监测，比较两个采样电流，当两路电流差大于12.5%时显示故障并选择两个采样电流中较大的一个来完成电量计量，从而实现防窃电设计的目的。3.1.2 外围电路的设计ADE7751配合图3.3所示的外部输人电路即具有一定的防窃电功能。从图3.3可见，相线和零线上均接有CT,采集到的电流分别从V1A,V1B输入到集成电路中.电压回路通过电阻分压的方式采集到的电压信号送入电压输入通道V2P。3.1.3 电量采集电路的防窃电分析根据ADE7751的内部结构和外围电路设计可知其具有以下防窃电功能。(1)防电流反向窃电:由于ADE7751不但能把正向有功功率转换成脉冲输出，同时也能把负向有功功率转换成与正向有功功率方向一致的脉冲输出，因此不管采样到的电压、电流的方向如何，均可实现累加计量电量。(2)防短接CT及一线一地方式窃电:在短接CT窃电时(图3.4)。图3.3 由 ADE7751组成的电能表的外围电路电流C被分流，所以流经CT1的电流= ，而却和负载电流大小相等，此时 ADE7751经比较判断将CT2采样的电流人作为电流采样信号，把它和电压信号一起送到其内部乘法器，从而实现正常计量电量。图3.4 短接CT窃电方式示意图在一线一地 窃 电时(图3.5)，电流 =0，=,即和窃电负载电流相等，此时ADE7751经比较判断将CT2采样的电流作为电流信号并和电压采样信号一起送到其内部乘法器(如果是不具有防窃电功能的集成电路，则将电流信号 =O 送入)，这使能正常计量电量。图3.5 一线一地窃电方式示意图3.2 微处理器的选择微处理器的选择需要考虑很多因素，诸如功能、价格、安全性能、个人喜好、硬件设计的简单性和软件支持等。对于本设计而言，有多种微处理器芯片可供选择，如PIC单片机、51单片机、MSP430单片机等。PIC单片机具有抗干扰性能好、双向I/0驱动电流大、功耗低等优点。51单片机的突出特点是价格低，编程资源丰富。另外PIC单片机内部集成复位电路、振荡电路等，但是51单片机外部配以少量的外围器件仍能和PIC单片机进行媲美。MSP430单片机比PIC单片机具有更多的优越性，但是价格要比PIC和51都要高。作者综合考虑各方面的因素，选用美国Atmel公司的AT89C52单片机。该CPU典型特点如下:片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写1000次;片内数据存储器内含256字节的RAM;具有32根可编程I/0口线:具有3个可编程定时器:具有6个中断源;低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式。图3.6 AT89C52 方框图引脚功能说明：Vcc： 电源电压GND： 地P0口： P0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。P1口： P1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底时会输出一个电流（I）。P2口： P2是一个带有内部上拉电阻的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（I）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）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（例如执行MOVXR1指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。P3口： P3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,他们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉底的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。RST： 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使单片机复位。ALE/：当访问外部程序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仍以始终振荡频率的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。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。： 程序存储器（）输出时外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52有外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。/VPP： 外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。XTAL1： 振荡器反向放大器的及内部时钟发生器俄输入端。XTAL2： 振荡器反向放大器的输入端。3.3 EPROM电路3.3.1. EPROM的选择为了实现整个系统的功能，微处理器必须外扩存储器来保存系统中的参数和数据。为使系统的结构紧凑，器件间总线结构应尽量简单，所以应选用串行总线结构的器件。串行EPROM具有体积小(一般均为典型的8脚封装)、占用端口少(最多只需5根接口控制线)等优点，适合在智能仪表、数据采集系统等智能产品中作掉电数据保护存储器，如某些单片机应用系统要求不间断地工作，对于一些关键性的实时数据不允许丢失，采用EPROM作为外部数据存储器能达到理想效果。目前广泛使用的串行EPROM系列芯片主要有三种，它们所采用的保护技术、可靠性和完善程度是不同的。24系列串行EPROM是目前单片机应用系统中使用较多的EPROM芯片。24系列串行EPROM除了具有体积小、功耗低、工作电压允许范围宽等特点外，还具有型号多、容量大、芯片扩展配置灵活、读、写操作相对简单等优点。24系列串行EPROM是一种使用IC (Inter Integrated Circuit)总线接口标准的EPROM. IC总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL组成。IC总线为同步传输，数据线上的信号完全与时钟同步。数据传输采用主从方式，即主器件(主控器)寻址从器件(被控器)，启动总线，产生时钟，传送数据及结束数据的传送。在IC总线中，所有器件的识别选择及读写操作是通过IC总线地址来确定的。24系列串行EPROM器件的IC总线地址共8位，其中最低位为读写方向选择位。在每一IC总线上最多可以连接8片同一类型的24系列串行EPROM。 24系列串行EPROM和单片机的接口如图3.7所示。图3.7 24系列串行EPROM与单片机的接口对于24系列串行EPROM的操作只有读和写两种:读和写的选择由器件地址方向选择位(R/W)决定。EPROM中的数据破坏是通过写操作引起的。在标准24系列EPROM中，当满足下列条件时，开始写操作:当SCL为高时，SDA由高向低跳变;从SDA移入1010AAA0开头的脉冲序列。其中AAA的编码与24系列的型号及外部3根地址译码线的接法有关。在一般电源稳定的情况下，外来干扰满足上述要求的概率是极低的，只有当SDA和SCL两根线上同时祸合有连续脉冲干扰才有可能引起误动作。在电源间歇波动的情况下，特别是正在进行写操作时发生电源波动，则发生误写或所写数据与实际数据不一致的可能性还是很大的。在标准的24系列串行EPROM中，主要采用下列措施来达到数据保护的目的。(1)利用起始条件和器件地址的唯一性，禁止非法的读写操作;(2)采用相对较低的移位时钟避开高频干扰。为进一步提高数据保护能力，改进的24系列串行EPROM除了继续采用上述两点措施外，还增加了一个硬件写保护外部控制引脚。通过外部控制引脚的电平控制，可对24系列串行EPROM的全部或部分单元进行硬件写保护。25系列串行EPROM使用的接口总线标准是MOTOROLA公司所推出的SPI(Serial Peripheral Interface)标准。SPI是一种4线同步串行总线，4根线分别为串行时钟SCK、主机输入/从机输出数据线MISO(简称SO)、主机输出/从机输入数据线MOSI(简称SI)和低电平有效的从机选择线。在同一时刻，SI和SO线的数据不能同时有效，故在实际使用时，可将SI和SO接在一起，因此有时也将SPI总线称为三线同步串行总线。图3.8是25系列串行EPROM与单片机的一般接口。图3.8 25系列串行EPROM与单片机的接口25系列EPROM采用下面三种数据保护技术。(1) 用硬件写保护控制引脚()对整个数据区域进行写保护。(2) 用写使能(WREN)指令和禁止写使能指令，防止误写干扰。在25系列串行EPROM中，上电以后，芯片自动处于写禁止状态。这样，结合写保护控制引脚()，一般情况下，可有效地保护由于电源波动等因素所引起的数据破坏。(3)采用数据块锁定保护机制。93C 系列串行EPROM采用四线制Microwire同步串行总线接口，共有4根信号线:数据输入线D1、数据输出线DO、时钟信号线CLK和片选线CS。在实际使用时，也可将数据输入线和数据输出线接在一起，共用一根口线，因此有时也将MICROWIRE总线称为三线同步总线。93C系列串行与单片机的接口分为四线连接方式和三线连接方式，如图3.9所示。93C系列串行EPROM主要采用了下列几种数据保护技术。(1)用写禁止指令(EWDS)和写允许指令(EWEN)保护。93C系列串行EPROM在上电后自动处于写禁止状态，这种状态一直保持到芯片接收一个EWEN指令为止。芯片接收到EWEN指令后，就处于擦/写允许状态。这种状态一直保持到芯片重新接收到个EWDS指令，或经历一段断电延时为止。图3.9 93C系列串行EPROM与单片机的一般接口(2)利用操作码的唯一性，禁止非法写入操作。综上所述，24,25,93C系列串行EPROM存储器均采用了数据保护技术，但是25系列串行EPROM采用的保护技