淺談高校公寓電子式預付費電表的介紹與研究

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

【摘要】學生公寓內(nèi)用電安全是學校運行中非?？傄囊豁椆ぷ?，節(jié)約用電也是學校事業(yè)發(fā)展的重要改革措施。利用預付費式電度表是對每個學生寢室的用電情況進行實時監(jiān)控，對過度用電和使用大功率用電措施器進行識別管理，建立用電安全保障措施。電度表采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機、AT24C04存儲器EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換器和電度表集成電路SM9903以及液晶顯示器等器件進行設計和制作，編寫匯編程序控制各個輸入輸出設備實現(xiàn)預付費電度表的功能，幫助公寓管理部門做好用電安全管理工作。

【關鍵詞】電子式預付費電度表；AT89S52單片機；AT24004存儲器；EEPROM:A/D轉(zhuǎn)換器；集成電路SM9903

1. 設計任務與要求

設計單相電子式預付費電度表的主要任務是采用能讀取IC卡的電度表。主要要求是：①電能計量準確、精度高，要求至少達到二級表(誤差范圍為2)的進度；②要求IC卡的保密性高。③電度表正常工作時，能顯示剩余電能值、已用電能值，使學生能夠直觀地了解電度表的工作是否正常及用電負荷的大小。④當表內(nèi)剩余電能不足20kw·h(數(shù)值可根據(jù)需求由公寓管理部門調(diào)節(jié))時，能夠提醒學生余電不足，及時購電。⑤具有掉電保護功能，當停電時能將所有數(shù)據(jù)保存，恢復供電后繼續(xù)顯示所有數(shù)據(jù)。

2. 系統(tǒng)設計與分析

預付費電度表雖然只是不同計量器具，但是由于微控制器的引入，對設計的要求就會很高。因為由電源引入的干擾很容易導致程序出錯，比如各種數(shù)據(jù)丟失、改變、微處理器死機等情況發(fā)生。在常年不間斷運行的情況下要求設備高質(zhì)量和高可靠的運行，尤其是在東北地區(qū)冬夏溫差大的惡劣條件下。

2．1電能計量系統(tǒng)方案設計

對電流和電壓分別采樣，先通過模擬乘法器相乘，得到一個與功率P成正比的模擬電壓(或是電流)，再利用V/F變換(或是I/F)變換成頻率信號f，單片機對頻率信號f進行累加，便可得到電能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。采用這種方法硬件成本低、程序設計簡單而且對CPU要求低，*可以采用AT89S52單片機進行控制，而且現(xiàn)有集成電路SM99O3將模擬乘法器、低通濾波器和V/F變換器集成在一起，其性能指標遠遠高于分立元件。并且采用集成的液晶顯示屏大大降低了設備功耗，還可以顯示數(shù)字，界面清晰、明了。

2.2預付費系統(tǒng)方案設計

IC卡可以作為銷售電能的傳輸媒質(zhì)，由于是學校內(nèi)部進行購電因此可以采用非加密存儲器式IC卡，這種卡內(nèi)嵌入芯片為通用存儲器芯片，主要特點是卡內(nèi)嵌入通用EEPROM；卡內(nèi)無安全控制邏輯，可對卡內(nèi)部信息不受限制地任意存??；多采用2線串行通信協(xié)議(I2C總線協(xié)議)或是3線串行通信協(xié)議(SPI協(xié)議)采用這種方式的IC卡主要可以針對單位或是學校內(nèi)部進行定量用電、超標付款等應用。

2.3電能測量

電能測量利用集成電路SM9903，芯片內(nèi)包含了四象限模擬乘法器、積分器、電壓/頻率轉(zhuǎn)換器VFC、計數(shù)器(分頻器)及控制邏輯，其能將正弦電壓和電流相乘后轉(zhuǎn)換為頻率輸出，單片機對輸出的脈沖信號進行累計計數(shù)就能夠得到電能數(shù)量。

3. 硬件電路設計

3.1控制電路設計

AT89S52是一種低功耗、高性能COMS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。產(chǎn)品指令和引腳*兼容MCS51系列單片機。片內(nèi)Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程。AT89S52包括：8KFlash存儲器，256字節(jié)RAM，32位I/O端口，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。AT89S52還可以可降至0H z靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU在停止工作時，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。

系統(tǒng)中復位電路和震蕩電路是要有的，采用按鍵式復位電路，晶振采用12M Hz頻率。單片機的第31個引腳EA/上加一個高電平，14個定時/計數(shù)器T O上接一個型號為TL521的光耦，利用這個光耦將SM9903輸出的頻率信號進行累加計算。

3.2電能計量電路設計

電能計量電路采用了電度表集成電路SM9903。SM9903采用3tzm硅柵BICMOS工藝制成。電路設計先進，內(nèi)部集成有緩沖放大器、乘法器、V/F型A/D轉(zhuǎn)器等電路。模擬部分SM9903和數(shù)學部分可分開供電，所以可靠性較高。封裝采用DIP30塑封。

3.3顯示電路設計

顯示部分采用SMG12232B-2液晶顯示屏，顯示各種信息。SMG12232B-2液晶顯示屏特點是顯示內(nèi)容豐富(可顯示漢字)，功耗小，可靠性高，電路簡單，屏幕分辨率為122×32點陣。SMG12232B-2液晶顯示屏與單片機之間采用總線方式連接。在單片機AT89S52的每條數(shù)據(jù)總線上都加一個1OkQ上拉電阻然后再和液晶屏的每個數(shù)據(jù)引腳連接；液晶屏的片選信號CS2、CS1和數(shù)據(jù)/命令選擇端AO分別與單片機的P2．2、P 2．1、P2．0連接；寫信號WR/和讀信號R D/分別與單片機的寫信號WR/和讀信號RD/連接；復位段RST則可以通過按鍵連接高電平或是直接接地；背光源驅(qū)動電壓輸入端EL+和EL一則可以通過一個電位器接電源，調(diào)節(jié)屏幕亮度。

3.4 lC卡接口電路

IC卡接口電路用于存儲由售電管理系統(tǒng)寫入的密碼、卡號、電度數(shù)等，是公寓管理部門管理每個學生公寓的主要途徑。必須提高Ic卡操作的可靠性，要求有卡上下電控電路、卡插入檢測電路、卡短路檢測電路等輔助電路，結(jié)合匯編程序設計可以進一步加強IC卡的讀寫準確性和可靠性。在電路設計上可以利用單片機的P 1．6控制IC卡座電源的通斷，利用P1．5檢測IC卡電源有無短路現(xiàn)象發(fā)生，防止潮濕或人為造成的破壞。

3.5掉電檢測電路設計

掉電檢測電路設計比較簡單，可以利用一片L M 393電壓比較器來完成。電路中利用一個基準電壓LM336給比較器LM 393的反向輸入端提供一個基準電壓Vz，在同向輸入端輸入一個電源電壓的參考值，當電源正常時V一<V+則LM393將會輸出一個高電平，反之當電源斷開時則會輸出一個低電平。將L M 393輸出的電平送人單片機的P3．2作為斷電檢測信號。

3.6磁保持繼電器驅(qū)動電路設計

磁保持繼電器能在脈沖的作用下進行動作，并在無電源消耗的情況下長期保持在一定的位置，即保持在末尾一個脈沖指令的狀態(tài)。由于具有雙穩(wěn)態(tài)和記憶的功能，且能耗低，因此磁保持繼電器廣泛運用于航天、鐵路以及電氣測量等領域。磁保持繼電器正常工作時不需要加驅(qū)動電流，只在需要改變觸點狀態(tài)時加上200ms的反向脈沖即可。隨后不需要任何驅(qū)動。這就大大節(jié)省了能量，降低了消耗。

  H橋電路在驅(qū)動信號的驅(qū)動下，使繼電器線圈通過雙向脈沖電流，從而改變繼電器的通斷狀態(tài)。作為負載的磁保持繼電器內(nèi)部是感性線圈，通態(tài)電阻較小，且負載上面的電流、電壓不能突變。因此H橋主電路的MOSFET端設計常見的RCD吸收電路。同時，考慮到磁保持繼電器是脈沖驅(qū)動，對電源的要求不高，所以這種驅(qū)動電源設計簡單可靠、成本低廉、體積小，尤其適合于預付費電能計量系統(tǒng)。分別利用單片機的I/O端口P 1．0和P 1．1作為磁保持繼電器的驅(qū)動信號。

4. 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)程序主要由檢測IC卡余額程序、顯示程序、檢測漏電、過載保護程序和斷電程序等部分構(gòu)成。上電之初首先檢測IC卡余額當?shù)扔诹銜r系統(tǒng)斷電并提示余額不足，否則系統(tǒng)上電并顯示相應信息，然后判斷是否有用電設備用電并開始統(tǒng)計電量；然后檢測電路是否有漏電、過載等不安全現(xiàn)象發(fā)生，有則斷電并提示等待維修，否則進入到IC卡余額檢測環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)程序設計流程圖如圖2。

5. 安科瑞宿舍預付費電表介紹

控制功能

1、預付費管理控制
  支持預付費功能?？稍O置基礎金額，供免費使用；可對剩余金額進行四級報警：余額不足報警（一級）、預跳閘報警（二級）、欠費報警（三級）、達到賒欠上限（四級）報警。每級報警都會導致電表背光常亮，預跳閘報警跳閘方式可設置為不跳閘、跳閘后自動合閘以及跳閘后不合閘等，跳閘后可通過按鍵自行合閘，達到賒欠上限后電表跳閘，此時只有繳費后才能繼續(xù)合閘使用。

2、時間管理控制
  支持時間管理控制。L1、L2、L3可分別設置為工作日和節(jié)假日模式，每天上限可設置8個時間段，每個時間  段可分別設置為合閘狀態(tài)或夜間模式，合閘時間段內(nèi)電表保持合閘，夜間時間段內(nèi)，支路功率若大于夜間允許功率上限便跳閘。

3、負載管理控制
支持豐富的負載管理控制，具體工作功能如下：
電流上限限制：限制支路上限電流，支路電流超過設定值時，支路跳閘。
負載總功率限制：限制支路上限用電功率，支路功率超過設定值時，支路跳閘。
夜間功率限制：需要與時間管理控制共同使用，在夜間模式下，支路電流超過設定值，支路跳閘

4、惡性負載識別：限制支路接入未定義的惡性負載，當支路接入未經(jīng)允許的惡性負載時，支路跳閘。
負載白名單識別：允許已定義的具有惡性負載特征的負載正常使用（如飲水機等）。
空調(diào)模式：空調(diào)模式下，電表持續(xù)檢測空調(diào)微弱待機電流，一但存在拔斷空調(diào)插座的動作，電表便跳閘，且只能通過聯(lián)系管理人員進行合閘送電。
允許除空調(diào)模式以外的跳閘動作自動合閘。允許次數(shù)，跳閘等待時間可設置。

6. 結(jié)語

雞西大學學生公寓電子式電度表利用AT89S52單片機作為控制部件，其不需要再進行外部擴展，采用單片機系統(tǒng)。系統(tǒng)中還專門采用了電子電度表集成芯片SM9903，使硬件電路設計方便靈活，為單片機減少負擔，編程容易，而且電能計量精度較高，*可以達到二級表的精度要求。液晶圖2系統(tǒng)程序設計流程圖顯示屏成本低效果好，顯示數(shù)據(jù)直觀、內(nèi)容豐富，還大大降低了功耗。為提高電壓表的可靠性，采用了掉電保護措施，為進一步降低功耗，繼電器采用無須常加電的磁保持繼電器。整個系統(tǒng)安全可靠，功耗小，成本低，為學校節(jié)約能源降低教學成本起到了重要作用。

參考文獻

[1]彭為，黃科，雷道仲．單片機典型系統(tǒng)設計實例精講[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006

[2]楊超，大學生公寓電子式預付費電度表研究[J].長江大學學報，2013

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊

[4]安科瑞高校宿舍預付費電控系統(tǒng).2019.11月版