基于CortexM3单片机电量计费器毕业论文Word下载.docx
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基于CortexM3单片机电量计费器毕业论文Word下载.docx
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摘要
通过调查社会需求,我们可以发现数字电能表是以后的发展趋势,它能够方便实现与上位机通信来实现统一管理,本课题“基于Cortex-M3单片机智能电量计费器”分为存储部分、采样部分、读卡部分、人机交换部分、时钟模块、数据存储部分、数据处理部分和语音系统模块。
核心处理部分是采用Cortex-M3单片机,实现系统的精致化,其主要功能是可以独立地完成电能数据的采集和处理等工作,并确保电能数据的准确、完整与可靠,能对电能量进行实时监测和计数。
关键词:
电量采样、电量计费、Cortex-M3单片机、ID卡、ISD4004
IntelligentelectricenergymeterofCortex-M3
ABSTRACT
Throughtheinvestigationoftheneedsofsociety,wecanfindthatthedigitalelectricenergymeterisdevelopmenttrendinthefuture,itcanfacilitatetherealizationofPLCandPCcommunicationtoachieveunifiedmanagement.Thissubject"
IntelligentelectricenergymeterofCORTEX-M3"
isdividedintostorage,samplingpart,acardreadingpart,theman-machineexchangesectionpart,clockmodule,datastoragesectionpartan,dataprocessingpartandphoneticsystempart.ThecoreprocessingispartoftheCortex-M3developmentboard,realizethesystemrefined,itsmainfunctioniscanindependentlycompletetheelectricenergydataacquisitionandprocessingandsoon,andensuresthattheelectricenergydataisaccurate,completeandreliable,andmonitoringofelectricenergyandelectricenergycountingrealtime.
Keywords:
Powersampling;
Calculatingenergycost;
CORTEX-M3developmentboard;
IDcard;
ISD4004
目录
一、系统简介
(一)控制模块
(二)电源模块
(三)采样模块
(四)IC卡模块
(五)人机交换模块
(六)时钟模块
(七)数据处理模块
(八)数据存储模块
(九)语音系统模块
二、特色列举
三、市场前景
四、技术说明
五、系统适用范围
参考文献
致谢
附录
系统简介
(一)控制模块:
方案1:
机械式电表,电表内部有电压线圈和电流线圈,用电时电压线圈和电流线圈相互作用产生电磁场,推动电表内的转子转动,转子再推动计度器记录用电量。
如果电压线圈上的电压反向或流过电流线圈的电流反向,电磁场就会反向,使转子反转,进而计度器反向计度。
普通的机械式电表不能实现实时报表也不能拓展一些比较好的功能。
站在电厂的角度来看,要投入大量人力来抄表和监督。
而对于消费者来说,机械式电表的价格昂贵,而且机械式电表容易盗电,计算精度不高。
站在市场的角度来看,现在的很多产品都向着人性化发展,所以有些用户有时候担心电量的消耗情况,机械式电表没办法为用户实现实时报表的功能,为消费者的消费带来不便。
方案2:
采用单片机Cortex-M3作为控制器的智能电表。
Cortex-M3的优势应该在于低功耗、低成本、高性能3者的结合,在工控领域,用户要求具有更快的中断速度,Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术,完全基于硬件进行中断处理,最多可减少12个时钟周期数,在实际应用中可减少70%中断,而且Cortex-M3的处理精度比STC系列的单片机处理精度要高,稳定性好,用作于我们这个项目的智能电表的核心处理芯片再好不过了,它即满足了消费者的高精度要求,也为我们开发产品提供了一个很好的平台。
智能电表可以实现实时报表,智能监控,智能抄表等功能,是集诸多优势在一身的电表。
综上所述,我们选择方案2进行本项课题。
流程图:
(二)电源模块
本设计采用电子电路最常用的电源电路,用一个稳压集成电路芯片LM2577-ADJ构建12V稳压电源输出和一个5V直流电源组成我们这个项目的电源部分,为其它模块提供电源。
现在LM2577-ADJ芯片技术已经很成熟,作为电源的主控芯片,以下作简要介绍。
LM2577-ADJ芯片:
LM2577LM2577-ADJ是美国国家半导体公司生产的单片开关电源控制器。
用于DCDC转换。
其分为LM1577LM、LM1577LM和LM1577LM2577-ADJ三类,分别表示输出电压为12V、15V和输出电压可调整,本项目的电源采用12V输出。
该开关稳压电源的基本工作原理是:
LM1577以52kHz固定频率控制NPN晶体管VT通断工作,将能量储存在外接电感中。
当晶体管Ⅵ导通时,外接电感线圈电流以VlL速率增加,并储存于电感中,储存的电流(能量)与VT导通的时间成正比;
LM2577-ADJ芯片价格不高,性能稳定,可提供可调输出电压,为我们设计提供了方便。
对于芯片的电路设计,这里也作简单的介绍,LM2577-ADJ的4,5管脚之间接的电感是用于储存能量,为了控制LM2577-ADJ的输出电压,我们在管脚4,2之间加了一个可调电阻,图中的17.4K电阻即为可调电阻,我们所用的输出电压值是12V,阻值17.4K是经过调试后得到的。
芯片的输入输出端均加了电容,目的是滤波,因为电路中的干扰可能会产生谐波。
继电器开关电路:
电源模块框图:
(三)采样模块
该部分为整个作品的核心部分,如何准确并且稳定地采集电量数据是很关键的。
而本作品采用的是ADI公司生产的AD7755计费芯片,这芯片是本作品的采集数据的核心部分。
怎样准确稳定地采集电量数据,怎样处理电路中产生的无功功率和有功功率,综合的考虑到种种芯片,我们决定使用AD7755芯片。
AD7755是一种高准确度电能测量芯片,其技术指标超过IEC1036规定的准确度要求。
AD7755只在ADC和基准源中使用模拟电路,所有其它信号处(如相乘和滤波)都使用数字电路,这使AD7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性,智能电表需要的就是这些功能,站在客户的角度看,不可能时常因电表的准确度和稳定性出问题而换电表,这不是我们的初衷,我们是想利用低消费的东西,为客户带来高效益,所以对于处理电表的稳定性和准确度,AD7755芯片完全适用。
AD7755引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值,能直接驱动机电式计度器或与微控制器(MCU)接口。
引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值,用于校验或与MCU接口。
AD7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路,在AVDD上升到4V之前,AD7755一直保持在复位状态;
当AVDD降到4V以下,AD7755也被复位,此时F1、F2和CF都没有输出。
内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的,无论通道1内的高通滤波器(HPL)是接通的还是断开的。
内部的空载阈值特性保证AD7755在空载时没有潜动。
通过计算对电压电流进行采样,我们算出芯片的频率与功率之比为:
1.62(A=FP=1.62,详细数据请看附录A),AD7755有24脚DIP和SSOP两种封装。
其内部结构和工作原理如下:
AD7755内部结构:
AD7755工作原理:
AD7755电路图:
采样模块框图:
(四)IC卡部分
IC卡是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具。
IC卡是指集成电路卡,一般用的公交车卡就是IC卡的一种,一般常见的IC卡采用射频技术与IC卡的读卡器进行通讯。
IC卡与磁卡是有区别的,IC卡是通过卡里的集成电路存储信息,而磁卡是通过卡内的磁力记录信息。
IC卡的成本一般比磁卡高,但保密性更好。
IC卡电表收费系统的成本较低、可靠性高、使用寿命长。
IC卡是用硅片(EEPROM)来存储信息的,一张IC卡至少也可以使用10年以上。
IC卡电表收费系统安全性高,不易仿制,收费准确,不易出错。
它具有很强的加密性。
采用IC卡电表收费系统可提高居民用电收费的管理水平,确保电力部门能及时收到电费(用户不继续买电,将被断电)。
IC卡表的系统功能包括预收费功能,报警功能,断电功能,显示功能和加密功能。
IC卡表的整个收费系统包括主机,IC卡电表和IC卡三部分。
IC卡电表收费系统,实现了用电收费电子化,其技术成熟可靠,电力部门可以不必再为收费问题而发愁。
所以,IC卡收费系统在我国得到了较大范围的推广。
但是,从系统的角度来看,由于用户终端与系统主机并没有直接联系,只有在用户持卡交费时才能了解到用户情况,信息反馈滞后,可以讲,用户终端仍然与整个网络脱节。
从经济角度来看电力部门先收费后送电不符合经济政策,可以说在一定程序上侵犯了用户的利益,所以现在有许多城市已经原则上不再审批新的IC卡表项目,从长远来看,IC卡收费系统只能作为一种过渡性产品。
非接触式IC卡又称射频卡,成功地解决了无源(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。
主要用于公交、轮渡、地铁的自动收费系统,也应用在门禁管理、身份证和电子钱包。
本课题主要利用IC卡作为用户电费充值的手段,通过IC卡模块向单片机提供信号,从而单片机系统控制继电器开关电路,使得在金额不足的情况下,断开用户端用电。
打卡后,IC卡模块再向单片机提供信号,使得继电器重新导通,用户重新获得用电。
该卡功能在本课题中,每打一次卡就充值一定金额,这样可以保证系统和金额的完整性。
IC卡模块框图:
(五)人机交换模块
本课题当中,人机交换是通过按键来实行的,其中对应K1是整个系统的复位键和初始化,还有一个中断按键K2是对应功能转换,然后按下K3和K4来进行初始值的加减,以上所述的这些人机交换模式,这些按键可以设置LCD液晶屏上显示的一些内容,比如说时间,打卡金额,每度电的价格。
功能转换键主要用于产品升级,因为该作品还可以进行优化,在优化过程中需要用到电功和实施功率这些信息。
(六)时钟模块
为了能够做到实时性,本作品采用DS1302芯片,通过单片机处理,在液晶显示上显示出实时时间并且进行数据实时性,为用户提供方便。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片,附加31字节静态RAM,采用SPI三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年,一个月小与31天时可以自动调整,且具有闰年补偿功能。
工作电压宽达2.5~5.5V。
采用双电源供电(主电源和备用电源
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