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ic卡预付费电子电能表设计毕设论文

毕业设计说明书

IC卡预付费电子电能表设计

摘要

飞速发展的电力工业对电能的计量与管理提出了更高的要求:

先付费、后用电，实施分时电价，实现自动抄表和收费等。

IC卡预付费电子电能表应运而生，能够满足上述要求。

本论文在大量文献查阅和市场调研的基础上，论述了IC卡预付费电子电能表的工作原理及采用的标准，IC卡的主要技术，论述了电能表的方案设计、电能测量电路芯片的选型及电表控制程序设计中应该考虑的具体技术问题。

售电管理系统软件不仅能实现对IC卡和电费的管理，还能实现对生活小区住户及其它各种费用的综合管理，论文详细地说明了售电管理系统的功能分析、模块划分、程序的总体结构、输入输出以及接口设计、数据结构的设计等，并说明了几个主要模块关键技术的实现。

因此，IC卡预付费电子电能表系统具有广泛的应用前景。

关键字：

电子电能表，IC卡，预付费，单片机，交流采样

Designofthefullelectronicwatt-hourmeterofprepayment

Author：

BaLuo

Tutor：

NiuYuelan

ABSTRACT

Theelectricindustryhasbeendevelopedatveryfastspeed,itbringsforwardhigherrequirestotheelectricitymanagement.Ithopesthattheusercanprepayelectricitybeforeusingit，time-sharingelectrovalence,copyingthedata’sfromwatt-hourmetersandchargingcanbecarriedoutautomatically.Inthesecasesthefullelectronicwatt-hourmeterofprepaymentofICcardemerges,itcanbemetthedemandsofthemanagementabove.

Basedonconsultingalotofliteratureandinvestigating，thepaperdiscussedtheprincipleofthefullelectronicwatt-hourmeterofprepaymentofICcard,thestandardandthetechnologyofICcard.Italsodiscussedthedesignofthewatt-hourmeter,thetypeoftheenergymeasurementchipsandthetechniqueproblemsofthecontrolprogram.

ThesoftwareofsellingelectricitymanagementsystemcancarryoutnotonlythemanagementtotheICcard,butalsothecomprehensivemanagementofvariousfees.Thepaperexplainedtheanalysisoffunction,modulepartition,programstructure,inputandoutput,interfaceandstructuredesignofthesoftwareindetail.Itstressedthecriticaltechnologyofeachmodule.

Thereforethesystemofthefullelectronicwatt-hourmeterofprepaymenthaswidelyapplicationprospect.

Keywords：

Thefullelectronicwatt-hourmeter，ICcard，Prepayment，Singlechipcomputer，Acsampling

1绪论

1.1IC卡概况

IC卡是集成电路卡（IntegratedCircuitCard）的英文简称，在有些国家也称之为灵巧卡（SmartCart）、智慧卡（IntelligentCard）、微芯片卡（MicrochipCard）等。

将一个专用的集成电路芯片镶嵌于卡片上，当然也可以封装成纽扣、钥匙、饰物等特殊形状。

IC卡的最初设想是由日本人提出来的。

1969年12月，日本的有村国孝（KarnatakaArimura）提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获得专利，那时叫ID（IdentificationCard）。

1974年，法国的罗兰•莫雷诺（RolandMoreno）发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。

1976年法国布尔（Bull）公司研制出世界第一枚IC卡。

1984年，法国的PTT（PostsTelegraphsandTelephones）将IC卡用于电话卡，由于IC卡具有良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。

随后，国际标准化组织（ISO，InternationalStandardizationOrganization）与国际电工委员会（IECInternationalElectrotechnicalCommission）的联合技术委员会为之制订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，信息可保存100年以上，读写次数在10万次以上，至少可用10年；二是安全性好；三是存储容量大；四是其类型多。

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。

目前在我国，随着金卡工程建设的不断深入发展，IC卡已在众多领域获得广泛应用，并取得了初步的社会效益和经济效益。

2000年，全国IC卡发行量约为2.3亿张，其中电信占据了大部分市场份额。

公用电话IC卡1.2亿多张，移动电话SIM卡超过4200万张，其它各类IC卡约6000万张。

2001年IC卡总出货量约3.8亿张，较上年增长26%；发行量约3.2亿张，较上年增长40%。

从应用领域来看，公用电话IC卡发行超过1.7亿张，SIM卡发行5500万张，公交IC卡为320万张，社保领域发卡为1400万张，其它发卡为8000万张。

尽管IC卡的发行量保持了较高的增长率，但市场销售额在IT市场中的比重还很小。

据CCID统计，2001年我国计算机市场销售额约2502亿元，而IC卡市场销售额不到21亿元。

IC卡市场还构不成我国IT业的亮点，对IT市场的拉动作用并不明显。

这一方面制约IT企业对IC卡技术的投入，另一方面，也预示着我国IC卡市场的巨大发展空间。

随着政府管理和支持力度的加大、技术研发水平的提升，IC卡市场竞争格局将发生深刻的变化。

由于高端芯片、核心模块、金融POS机、生产设备等被国外企业所掌握，造成国外品牌对一些细分市场的相对垄断。

随着政府智能卡项目的启动，移动通信市场的逐步开放，国内企业技术实力和工艺流程的优化，使得国外品牌市场份额受到很大程度的限制，而国内品牌将会有快速的发展。

2002年乃至今后5年，是我国IC卡应用向纵深发展的时期。

我国IC卡市场格局必将由无序走向有序，市场竞争必将由有限走向无限，IC卡市场将逐步走向成熟，进入微利时代。

在这种形势下，单纯的发卡量和新产品的数量并不能衡量IC卡产业与市场的发展水平，市场发展的程度最终取决于IC卡的应用水平及其带来的社会效益。

从可持续发展的角度讲，加强行业规范，推动IC卡企业由产品和技术型转向应用和服务型，将成为我国IC卡市场发展的重要趋势。

在此后的三十多年里，随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及信息安全技术等的发展，IC卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国内外得到了广泛的应用[1]。

1.2IC卡的分类

根据镶嵌的芯片的不同划分为：

（1）存储卡：

卡内芯片为电可擦除可编程只读存储器EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-onlyMemory），以及地址译码电路和指令译码电路。

为了能把它封装在0.76mm的塑料卡基中，特制成0.3mm的薄型结构。

存储卡属于被动型卡，通常采用同步通信方式。

这种卡片存储方便、使用简单、价格便宜，

在很多场合可以替代磁卡。

但该类IC卡不具备保密功能，因而一般用于存放不需要保密的信息。

例如医疗上用的急救卡、餐饮业用的客户菜单卡。

常见的存储卡有ATMEL公司的AT24C16、AT24C64。

（2）逻辑加密卡：

该类卡片除了具有存储卡的EEPROM外，还带有加密逻辑，每次读/写卡之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，逻辑加密卡也是一种被动型卡，采用同步方式进行通信。

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，如食堂就餐卡、电话卡、公共事业收费卡。

常见的逻辑加密卡有SIEMENS公司的SLE4442、SLE4428，ATMEL公司的AT88SC1608等。

（3）CPU卡：

该类芯片内部包含微处理器单元（CPU）、存储单元（RAM、ROM和EEPROM）、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中固化有片内操作系统COS（CardOperatingSystem），而EEPROM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（也可用高一级命令解锁）。

CPU卡的容量有大有小，价格比逻辑加密卡要高。

但CPU卡的良好的处理能力和上佳的保密性能，使其成为IC卡发展的主要方向。

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。

国际上比较著名的CPU卡提供商有Gemplus、G&D、Schlumberger等

（4）超级智能卡：

在CPU卡的基础上增加键盘、液晶显示器、电源，即成为超级智能卡，有的卡上还具有指纹识别装置。

VISA国际信用卡组织试验的一种超级卡即带有20个健，可显示16个字符，除有计时、计算机汇率换算功能外，还存储有个人信息、医疗、旅行用数据和电话号码等。

按通讯方式还可分为接触式和非接触式，接触式的有：

卡片卡、钥匙卡，非接触式的有：

射频卡、遥控卡。

1.3IC卡预付费电能表

IC卡预付费电度表是以标准的单相（三相）感应式电度表为基表改装而成（借用原感应式电度表的机芯，通过光电传感器读取转盘转数得到用户消耗的电度数），采用具有加密逻辑的存储器卡作为预付费传递媒介，以单片机作为处理和控制系统的核心。

使传统型电度表的功能得以更新。

用户从电力部门将购买的电费通过IC卡传递给电度表，单片机将新购电费与表内剩余电费相加得到新的剩余电费，存于SEEPROM芯片中。

电度表的盘转数通过红外光电检测器转换成电脉冲信号，送单片机计数。

计数值的大小反映了用电量大小，当用电量达到一个计费单元，单片机计费一次，从剩余电费中扣除用去电费，并对用去电费进行累加。

简单来说IC卡预付费电能表是以IC卡作为电能量值数据传输介质，在电能表（电子式电度表或机械式电能表）中加入负荷控制部分等功能模块，从而实现电量抄收和电量结算的智能型电能表。

管理售电系统包括用户信息管理子系统、IC卡初始化系统、统计分析子系统和售电子系统。

IC卡预付费电能表具有如下特点：

（1）预付费功能：

通过IC卡实现先买电后用电；

（2）电能计量功能：

配合原感应电度表使用，采用非接触式光电取样，不改变原电表计量精度；

（3）数字显示功能：

购电量、剩余电量、累计用电量随时可供查询，显示部分采用省电控制方式，即周期扫描显示，每过一段时间显示一次。

（4）预告功能：

当剩余电量小于设定的警告门限时，点亮提示用电量将尽的发光二极管和驱动提示扬声器发出声音，提醒用户及时购电；

（5）监控功能：

剩余电量为零时，自动切断用电回路；

（6）数据保护功能：

电网停电时，数据自行保持；

（7）防伪卡功能：

一表一卡，购电IC卡采用具有加密逻辑的存储器卡，加上软件算法和“动态”密码技术，严格有效地防止伪造和复制购电卡的行为；

（8）错误信息提示功能：

对卡坏、卡密码比较错误、非法卡及表内购电量存储单元溢出等情况给予显示提示[2][3]。

1.4近几年IC卡预付费电能表发展状态

1995年之前，主要为电钥匙IC卡，以93C46和24C01为主IC卡为可擦写存储芯片（EEPROM）或一般存储卡，IC卡存储方便、使用简单、价格便宜，安全性不高，存在被破解的可能性，用户以物业小区为主。

1995年~1999年，主要为电话卡式IC卡，以存储卡（24C01）和逻辑加密卡（4442、4428）为主其中逻辑加密卡（4442、4428）的安全性得到进一步提高，内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑，在访问存储区之前需要核对密码，只有密码正确，才能进行操作。

用户从单纯物业小区扩展到电力行业管理部门，开始大规模普及使用。

1998年~至今，主要为金融IC卡，以CPU卡（CPU卡和SAM模块为加密介质）为主CPU卡内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带有控制器，存储器，时序控制逻辑等外，还带有算法单元和操作系统，存储容量大，处理能力强，信息存储安全等特性。

率先在北京供电局全面推广，并在河南、湖南等城市开始推广。

IC卡预付费电能表为电力部门的收费及抄表带来了极大的方便和收益，也为生产厂商带来了利润；作为IC卡预付费电能表各生产厂家应充分借鉴该案件所带来的众多思考，积极进行自我反思，防微杜渐，积极淘汰问题产品，做到对企业自身负责、对行业发展负责、对社会负责，共同维护电度表行业的健康发展。

2IC卡电能表原理分析

2.1预付费电表原理和常识

在电子式电能表还未得到推广时，大部分预付费电表为机电混合预付费电表，是在机械电度表中增加电子处理单元来构成。

在电子电能表技术成熟后，机电混合预付费表基本已经淘汰。

常见预付费电表都是在电子式电能表的基础上增加了微计算机处理单元和存储单元以及控制断电装置等构成的。

必须先在电表中预存一定电量或金额才能合闸供电，用电时电表一边计量一边从剩余值中扣减已用的电量或金额，如果扣完则断电，为了保证正常用电必须在断电前再次预存并累加到电表的剩余值中。

预存电量或金额必须通过管理部门的售电系统向用户收取预购电费后，才能预存给用户。

预存信息通过一定方式送入电表中才能使用。

常见的预存方法有两种，一种为代码式，一种为写卡式。

代码式原理为，管理系统将用户信息和购电信息结合起来生成一组加密代码，并交给用户自己输入到电表中，电表经过正确解密后得到预存电量或金额并保存。

写卡式是将预购电量或金额写入专用电子卡（存储器）中，交给用户持电子卡到对应电表上进行通讯，预购值自动送入电表中。

2.2市场上常见预付费电表及其比较

目前市面上基本上都是电子式预付费电能表，原理大致相同，功能也相似，但是由于厂家间的技术实力和经营模式不同，推出的产品在性能和价格方面有所不同。

现将市场常见预付费电表优缺点作简单阐述：

（以下为个人讨论，不存在对其他厂家或产品的褒贬，只供有兴趣人士参考）代码式预付费电表，预付式代码形成提供给用户，因此在其电表上不需要和外部接口，密封性好，防止人为攻击，但是用户操作比较麻烦；因为考虑到数据安全，代码必须足够长，因此用户在电表上输入代码时极容易出错，而且在装表环境光线不足、装表位置较高、或者是年老体弱者操作时，更加不便。

接触型卡式预付费电表，操作上简单，用户购电后，只需将电卡插入电表上即可自动完成预存电累加，但是电表上有外部通讯接口，易受到潮湿和有害气体的侵蚀，使接触金属部分氧化，导致通讯失败甚至数据错误，同时接口还易受到人为干扰和攻击，为解决此问题，有的厂家装有接口防攻击电路，但是增加了成本和售价。

非接触卡式预付费电表，成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源和免接触难题。

射频卡无需专门的供电电源；它与读写器间无机械接触，避免了接触故障；它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题；射频卡使用时没有正反面。

总之，非接触式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点。

本文采用非接触式IC卡研制成功了智能预收费电能表[4][5]。

2.3IC卡电能表的组成框图

图4.2键盘中断子程序

图4.3采样中断子程序

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：

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该论文已经通过答辩

致谢

《IC卡预付费电子电能表设计》课题论文终于完成了，可以说它是我多年知识的集中体现，是我心血和智慧的结晶。

论文从开始准备到查阅资料，消化其中关键技术，从原理图设计，从用汇编语言对各部分调试到C52设计、混合编程完成整体读卡程序设计，整个历程既有试验的艰辛又有成功的喜悦。

这不仅是本人辛勤汗水的结晶，更是凝聚了导师和许多同学及家人的支持、鼓励、帮助和关心。

首先要感谢我的导师牛月兰老师，她不仅在课题的理论研究上给我以精心的指导，而且还在设计的细节上给以指导，甚至在过年的时间还在为我的课题准备资料，写指导文件。

正是牛老师的细心指导，我才能顺利的完成本课题的设计开发和论文的撰写。

牛老师治学严谨，对我的论文进行了细致的阅读，提出了详细的修改意见，几次的说明修改让牛老师付出了大量的时间和心血。

她的这种认真负责的工作态度将永远值得我学习，将激励我在今后的工作和人生道路上更加发奋努力，不断进取。

她的平易近人，智慧的头脑，扎实的专业知识，丰富的实践经验给我的影响很大，帮助很多，从他身上我看到了差距和我努力的方向。

在论文撰写上引用了很多别人的论文资料和成果，在此表示致谢。

最后，向所有关心帮助过我的人以及母校－黄河科技学院表示最诚挚的谢意。

参考文献

[1]陆永宁，编著，IC卡应用系统.东南大学出版社[M]，2005.5:

1～25

[2]马海峰，唐涛，非接触式IC卡及其发展和应用[J]，电子技术，1998年第4期

[3]朱灿，基于非接触式IC卡的读卡器的设计与开发[C]，武汉理工大学学位论，2006年4月

[4]杨耿杰，万如敏，预付费电度表的设计[J]，中国仪器仪表，1997，12（5）:

22～25

[5]庞桂云，瞿晓东，闫广明，智能IC卡电能表设计[J]，哈尔滨工业大学，150001;

[6]AtmelCorporation8-bitMicrocontrollerwith8KBytesFlash-AT89C52

[7]余永权，ATMEL89系列单片机应用技术[M]，北京：

北京航空航天大学出版社，2002

[8]何希才，传感器及其应用电路[M]，北京：

电子工业出版社，2001

[9]2000FairchildSemiconductorCorporationDs006391.www.Fairchild

[10]李战明，基于串行接口芯片的单片机智能控制器的设计与实现[M]，电子技术应用，1999（12）:

66～67

[11]SemiconductorComponentsLndustries,LLC,2007.MAY,

[12]吴金戎等，8051单片机实践与应用[M]，北京：

清华大学出版社，2002

[13]何立民，MCS51系列单片机应用系统设计[M]系统配置与接口技术，北京航空航天大学出版社，1998.2,P323～324

[14]徐爱钧，单片机高级语言C51应用程序设计[C]，北京:

电子工业出版社，1998

[15]何立民，单片机高级教程—单片机应用与设计[M]，北京：

北京航空航天大学出版社，2000

[16]万福君，单片微机原理系统设计与应用[M]，合肥：

中国科学技术大学出版社，2003

[17]马忠梅，单片机的C语言应用程序设计[M]，北京:

北京航空航天大学出版社，1996

[18]江思敏，Protel电路设计教程[M]，北京:

清华大学出版社，2002

附录AIC卡家用电度表硬件框图

附录B软件程序清单

主程序:

ORG0000H

LJMP0030H;;主程序入口

ORG0003H;;INT0中断入口

LJMPEXINT0

NOP;;冗余指令

NOP

LJMPERR;;陷阱

ORG000BH:

;T0中断入口

LJMPCYZD

NOP

NOP

LJMPERR

ORG0013H;;INTl中断入口

LJMPEXINT1

NOP

NOP

LJMPERR

LJMPERR;T1中断未使用,设陷阱

NOP

NOP

LJMPERR

ORG0023H;;串行口中断入口

LJMPCHAN

NOP

NOP

LJMPERR

LJMPERR

NOP

NOP

LJMPERR

LJMPERR

NOP

NOP

ORG0030H

MOVA,#7FH

MOVP1,A

LCALLSHEN;;声光报警

MOVDPTR.#9C02H;;取掉电标志位

MOVXA,@DPTR

ANLA,#0AAH

JZP-DOWN;;结果为零,说明属掉电后的操作,需恢复数据,否则转入正常上电后的初始化操作

LJMPSTART

NOP

NOP

LJMPERR

P-DOWN:

LJMPFEIFU;;转入掉电中断子程序内恢复数据处运行

NOP

NOP

LJMPERR

START:

MOVSP,#40H;;正常上电时的初始化操作,设置堆栈区

UTY:

NOP

NOP

JBPl1.4,UIY;;读入SB2的状态,如没按下等待

UIYO:

LCALLYSZCX1;;如SB2按下调延时25ms

NOP

NOP

JBP1.4,UIY;;再次读入SB2状态,如为1,说明误动作,返回操作

UIY1:

JNBP1.4,UIY1;;如两次状态均为0,说明属真实操作,再判断按键是否弹开

SETBIT1;;如弹开置IT1为边延触发

CLRIT0;;置IT0为电平触发方式

SETBPX0;;置IT0为高优先级

CLRET1;;定时器/计数器T1中断关闭

SETBET0;;定时器TO中断开放

MOVTMOD,#20H;;置定时器T1为定时方式2,TO为方式0

MOVTL1,#0F9H;;装入初值,波特率设定为9600

MOVTH1,#0F9H

MOVTL0,#18H;;设采样频率为1000HZ

MOVTH0,#0E0H

SETBTR1;;开始定时器T1

MOVPCON,#00H;;波特率不倍增

MOVSCON,#0D4H;;串口工作于方式3,RB8=1.REN=1

UIY3:

MOVDPTR,#9D07H

M