16位单片机实现分时预付费电度表

来源：中国一卡通网作者：发布时间：2007-04-18 11:41:54 字体:[大中小]

摘要：本文描述了利用凌阳16位单片机（SPCE601A）实现卡式预付费分时计费电度表随着技术的发展，未来的家用电度表应具备如下几种主要功能：

本文描述了利用凌阳16位单片机（SPCE601A）实现卡式预付费分时计费电度表随着技术的发展，未来的家用电度表应具备如下几种主要功能：

●电能是一种商品，应采用IC卡先买后用而不是像目前绝大多数都是用后交费。

●电度表应能按照用电的峰、谷、平时段采用不同的电价，对用户的用电量进行计费。

●电度表应具有一定智能，在所买电量快用完时提醒用户及时购电。并在报警提示下，电量用尽（或允许透支一定电量，下次买电后自动扣除）的情况下切断电源。

●电度表在停电、有干扰的情况下能稳定运行。

●该电度表造价要尽可能低，使用户可以承受。根据上述要求，我们利用凌阳16位单片机（SPCE601A）实现卡式预付费分时计费电度表系统技术方案。

    在开发过程中，我们考虑了两种情况：

    1 . 机电结合电度表考虑到目前家用电度表绝大多数还是机械电度表（据供电部门说全国超过上亿只），要把这些还可以用的电度表都换掉，必然造成很大的浪费。因此，可以考虑利用原有的机械电度表，再增加有关的电子部分构成所需系统。将机械电度表转盘的转动转换成脉冲。每一块机械电度表都会标明转盘转多少圈为一度电（例如360圈、1800圈等等）。开始我们在靠转盘的边上打一个直径为1mm的小孔，利用发光管和光敏管使转盘每转一圈产生一个电脉冲。单片机对脉冲计数，就可以算出在规定的时间里用户的用电量。但是，这种打小孔产生脉冲的方案被供电部门所否定。因为这样做会破坏转盘的动平衡，会影响电度表的计量精度。为此，我们采用了另一种方法，就是在圆形转盘上通过圆心画两条垂直的直径，线的宽度0.1mm左右。而后利用光电器件在转盘转动通过画线时产生一个脉冲，转盘转一圈可产生四个脉冲。

    2. 全电子电度表全电子电度表的方框图如图2所示在这里与图1不同的仅仅是电功率的计算。利用电流互感器和电压互感器可将用户的供电电流和电压提取出来。将用户的电流和电压经A／D变换器转换成数字编码，利用单片机程序即可计算出用户的用电量。

    系统主要部分的描述在这里我们对系统的主要组成部分作简要说明。

    1. 单片机 SPCE061A 单片机是台湾凌阳科技公司推出的一款16 位微控制器。具有非常优秀的功能，使得SPCE061A 在许多领域中得了广泛的应用。具体的性能特征如下： 16 位 m’nSP™ 微处理器工作电压VDD 为2.6~3.6V(cpu), VDDH 为VDD~5.5V(I/O) CPU 时钟0.32MHz~49.152MHz 内置2K 字SRAM 内置32K 闪存ROM 具有可编程音频处理功能系统处于备用状态下(时钟处于停止状态) 耗电小于2μA@3.6V 2 个16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值) 2 个10 位DAC(数-模转换)输出通道 32 位通用可编程输入/输出端口 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源，输入键唤醒等具有触键唤醒的功能使用凌阳音频编码SACM_S240 方式(2.4K 位/秒) 能容纳210 秒的语音数据实时时钟 32768Hz，锁相环PLL 振荡器提供系统时钟信号 7 通道10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC) 电路具有串行设备通信接口具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能内置看门狗监视器内置在线仿真板(ICE In- Circuit Emulator)接口从以上的描述可以看到，凌阳16位单片机具有较好的性能。同时，我们有理由认为该单片机具有SOC（片上系统）的特征。它的32条I／O线具有可编程性能，不仅可以用程序来指定输入输出的方向，在定义为输入时还可以用程序来指定输入接上拉电阻、下拉电阻还是浮空状态。在定义为输出时还可以用程序来指定是正相输出数据还是反相输出数据。另外，这32条I／O线能直接接按键或直接驱动数码管（或发光二极管）。而且，这32条I／O线中一般10余条还可定义为特殊功能。因此，利用此单片机构成智能电度表是十分合适的。有关技术细节可见有关资料。

    2. 日历时钟由于系统中需要对用电实行分时按峰、谷、平不同时段进行节计费，系统中必需建立不间断供电（电池供电），以便提供实时钟。我们选用MOTOLORA公司的日历时钟芯片MC146818来实现。该芯片可实现年、月、日、时、分、秒的计数。同时，还可以提供53个字节的SRAM存储单元。在设计中利用交流电源和3.6V可充电电池为它供电，保证在偶然停电时日历时钟不会受到影响。而且，芯片内部的SRAM单元还可以存放一些重要数据，免遭偶然停电而破坏。在使用中我们觉得，MC146818是一快并行接口芯片，在与单片机连接时稍有麻烦（实现所要求的日历时钟功能是没有问题的），要连接的引线比较多。完成同样功能，后来采用DALLAS公司的DS1302，该芯片与总线是串行方式工作，仅需三条连线即可工作。它完全具备MC146818的功能，即可实现日历时钟计数，也有SRAM单元供使用，而且用起来更加方便，价格也更便宜。

    3. 显示器在设计中，我们采用六位LED数码管显示器。其作用是：在平时用于显示用户所剩电费余额，显示剩余的××××. ××元。在对时钟校准时间时，用于显示校准的年、月、日、时、分、秒。校准结束，利用功能键分两次分别显示年月日和时分秒，每一次分别用两位显示其中一种时间。由于时钟芯片上采用石英晶体振荡器，其振荡器的频率比较稳定。在一年的时间里，计时误差为秒级。这用于分时计费来说，引起的误差是完全可以忽略的。因此，当时规定该电度表每年由供电部门年检一次，可同时对时钟进行校准。

    为使硬件连接尽可能的简单，采用动态显示方法。每20mS使每位数码显示1mS。显示的数字采用软件查表，由单片机接口直接输出加到LED上要显示的各段状态。考虑到造价要低，同时还考虑到在我国北方冬季室外温度比较低，而电度表有可能会装在室外楼梯或走廊上。选择显示器时就没有选用液晶显示器。而且，在这里采用液晶显示器必需要背光，否则观察就很不方便。

    4. 键盘在所研制的电度表上，只设置4个按键。将按键数量尽可能减少，主要是为了降低成本和简化按键接口。按键的功能主要是用来校准日历和时钟。在主程序中每按一次其中一个功能键便进入日历时钟校准程序，按照一般数字电子表的校准思路对年月日时分秒逐个进行校准。修改日历时钟的功能键用户是不可见的，也就是说是不允许用户修改时间的。这些按键是锁在电度表壳内部的。只有供电部门才能打开锁修改时钟。有一个键是用户可用的，那就是报警消除按键。报警采用声光方式：当电费只剩下该用户平均三天的用电量时，发出一长两短的报警声和红灯亮，且报警一直持续到用户发现并按此键为止。若用户所买电量已用完，则发出连续短促的报警声并切断用户电源。直到用户再买电重新插卡，电度将重新接通用户电源。

    5. 看门狗该电度表是工作在无人值班的状态下，一旦程序走飞，将导致电度表失去作用。因此，必需采取措施保证在程序走飞后立即使单片机回到用户程序的入口重新开始执行用户程序。看门狗有多种方法可以实现，在这里我们用凌阳16位单片机的两个定时器中的定时器A用作看门狗定时器。该定时器时结构如图3所示。由图4可以看到，该定时器有两个时钟源可供选择。而且，每个时钟源又有多种时钟频率可选用，频率高到20MHz，低到2Hz。同时，1 6位定时／计数器可编程输入定时的时间计数值。计数器做加法计数，每个时钟周期计数器加1。溢出产生中断并自动置计数值。由于用户程序是循环程序，尽管满足不同条件用户程序会走不同的循环，但我们总可以估计出程序运行最长的一个循环需要多少时间。我们利用指令控制计数器选定某一时钟源（如1024Hz），并置某一计数值。保证计数器的计数时间比用户程序最大循环的执行时间还要长。这样，在用户程序每一循环的必经之路上，放上设置计数值的指令。这就可以想像，只要用户程序没有走飞，每次循环一定会对计数器置初始值，则计数器就不会产生溢出中断。一旦程序走飞，脱离了用户程序，则不会再对计数器置计数值，计数器必定会产生溢出中断。利用该溢出中断处理程序使处理器重新从头开始执行用户程序。从而实现看门狗的功能。

    6. IC卡在此电度表中所用的IC卡采用最简单且价格低廉的存储卡。这种存储卡一般是由电可擦除只读存储器（EEPROM）构成，通常，该卡与微机接口采用串行通信协议ISO／IEC7816—3。其接口定义8个接点，但有4个接点是保留的空脚。信号线只有串行时钟SCL和串行数据SDA；再就是电源和地线。有关存储卡的读写时序此处不再叙述。感兴趣的读者可去看有关串行EEPROM的书。IC卡的接口实现起来非常方便，读写用很简短的程序即可实现。用户持卡去电力公司买电。电力公司对用户编码、写入买电量（人民币值）、峰谷平的时间段及峰谷平电价。用户买电回来，插卡即可将卡中信息读入并存放在单片机的EEPROM中，卡中的内容将被清除。在卡中采用用户鉴别码、数据加密等简单措施，保证信息的安全。

    7. 其他问题 a. 此电度表安装在用户，其工作电源由供电部门提供，即其电源取自用户之外（电压、电流互感器之外），不给用户造成负担。这就要求整个电表的用电量尽可能的少，例如正常工作时耗电在1W以下。 b. 电表工作在无人维护且环境相对比较恶劣。在进行设计时充分考虑到这些情况，采用必要的措施。例如，在电源中加入交流在线滤波器及直流滤波器；散热及注意便电路适应更严格（如－10OC到＋50OC）。采取这些措施后。样机在试运行时，曾连续工作在＋57OC下（七月未的天气）好几个小时。结束语从发展的眼光来看，电作为商品，应当先买后用。同时，未来的用电应当用不同的电价鼓励在低谷时段多用电。我们所研制的这种电度表恰好可用于这样的环境。

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