高校宿舍預付費電表的設計及其應用

【摘要】學(xué)生公寓內用電安全是學(xué)校運行中非?？傄囊豁椆ぷ?，節約用電也是學(xué)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(gè)學(xué)生寢室的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，對過(guò)度用電和使用大功率用電措施器進(jìn)行識別管理，建立用電安全保障措施。幫助公寓管理部門(mén)做好用電安全管理工作。

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

1. 設計任務(wù)與要求

設計單相電子式預付費電度表的主要任務(wù)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(jìn)度；②要求IC卡的保密性高。③電度表正常工作時(shí)，能顯示剩余電能值、已用電能值，使學(xué)生能夠直觀(guān)地了解電度表的工作是否正常及用電負荷的大小。④當表內剩余電能不足20kw·h(數值可根據需求由公寓管理部門(mén)調節)時(shí)，能夠提醒學(xué)生余電不足，及時(shí)購電。⑤具有掉電保護功能，當停電時(shí)能將所有數據保存，恢復供電后繼續顯示所有數據。

2. 系統設計與分析

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(huì )很高。因為由電源引入的干擾很容易導致程序出錯，比如各種數據丟失、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，尤其是在東北地區冬夏溫差大的惡劣條件下。

2．1電能計量系統方案設計

對電流和電壓分別采樣，先通過(guò)模擬乘法器相乘，得到一個(gè)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(jìn)行累加，便可得到電能。系統框圖如圖1所示。采用這種方法硬件成本低、程序設計簡(jiǎn)單而且對CPU要求低，*可以采用AT89S52單片機進(jìn)行控制，而且現有集成電路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，還可以顯示數字，界面清晰、明了。

2.2預付費系統方案設計

IC卡可以作為銷(xiāo)售電能的傳輸媒質(zhì)，由于是學(xué)校內部進(jìn)行購電因此可以采用非加密存儲器式IC卡，這種卡內嵌入芯片為通用存儲器芯片，主要特點(diǎn)是卡內嵌入通用EEPROM；卡內無(wú)安全控制邏輯，可對卡內部信息不受限制地任意存??；多采用2線(xiàn)串行通信協(xié)議(I2C總線(xiàn)協(xié)議)或是3線(xiàn)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(xué)校內部進(jìn)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，芯片內包含了四象限模擬乘法器、積分器、電壓/頻率轉換器VFC、計數器(分頻器)及控制邏輯，其能將正弦電壓和電流相乘后轉換為頻率輸出，單片機對輸出的脈沖信號進(jìn)行累計計數就能夠得到電能數量。

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Flash允許程序存儲器在系統可編程。AT89S52包括：8KFlash存儲器，256字節RAM，32位I/O端口，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數據指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計數器，1個(gè)6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時(shí)鐘電路。AT89S52還可以可降至0H z靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式?？臻e模式下，CPU在停止工作時(shí)，允許RAM、定時(shí)器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復位為止。

系統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(gè)引腳EA/上加一個(gè)高電平，14個(gè)定時(shí)/計數器T O上接一個(gè)型號為T(mén)L521的光耦，利用這個(gè)光耦將SM9903輸出的頻率信號進(jìn)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(jìn)，內部集成有緩沖放大器、乘法器、V/F型A/D轉器等電路。模擬部分SM9903和數學(xué)部分可分開(kāi)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(diǎn)是顯示內容豐富(可顯示漢字)，功耗小，可靠性高，電路簡(jiǎn)單，屏幕分辨率為122×32點(diǎn)陣。SMG12232B-2液晶顯示屏與單片機之間采用總線(xiàn)方式連接。在單片機AT89S52的每條數據總線(xiàn)上都加一個(gè)1OkQ上拉電阻然后再和液晶屏的每個(gè)數據引腳連接；液晶屏的片選信號CS2、CS1和數據/命令選擇端AO分別與單片機的P2．2、P 2．1、P2．0連接；寫(xiě)信號WR/和讀信號R D/分別與單片機的寫(xiě)信號WR/和讀信號RD/連接；復位段RST則可以通過(guò)按鍵連接高電平或是直接接地；背光源驅動(dòng)電壓輸入端EL+和EL一則可以通過(guò)一個(gè)電位器接電源，調節屏幕亮度。

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寫(xiě)入的密碼、卡號、電度數等，是公寓管理部門(mén)管理每個(gè)學(xué)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，結合匯編程序設計可以進(jìn)一步加強IC卡的讀寫(xiě)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(wú)短路現象發(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(jiǎn)單，可以利用一片L M 393電壓比較器來(lái)完成。電路中利用一個(gè)基準電壓LM336給比較器LM 393的反向輸入端提供一個(gè)基準電壓Vz，在同向輸入端輸入一個(gè)電源電壓的參考值，當電源正常時(shí)V一<V+則LM393將會(huì )輸出一個(gè)高電平，反之當電源斷開(kāi)時(shí)則會(huì )輸出一個(gè)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磁保持繼電器驅動(dòng)電路設計

磁保持繼電器能在脈沖的作用下進(jìn)行動(dòng)作，并在無(wú)電源消耗的情況下長(cháng)期保持在一定的位置，即保持在末尾一個(gè)脈沖指令的狀態(tài)。由于具有雙穩態(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(lǐng)域。磁保持繼電器正常工作時(shí)不需要加驅動(dòng)電流，只在需要改變觸點(diǎn)狀態(tài)時(shí)加上200ms的反向脈沖即可。隨后不需要任何驅動(dòng)。這就大大節省了能量，降低了消耗。

 H橋電路在驅動(dòng)信號的驅動(dòng)下，使繼電器線(xiàn)圈通過(guò)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部是感性線(xiàn)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(jiàn)的RCD吸收電路。同時(shí)，考慮到磁保持繼電器是脈沖驅動(dòng)，對電源的要求不高，所以這種驅動(dòng)電源設計簡(jiǎn)單可靠、成本低廉、體積小，尤其適合于預付費電能計量系統。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動(dòng)信號。

4. 軟件系統設計

系統程序主要由檢測IC卡余額程序、顯示程序、檢測漏電、過(guò)載保護程序和斷電程序等部分構成。上電之初首先檢測IC卡余額當等于零時(shí)系統斷電并提示余額不足，否則系統上電并顯示相應信息，然后判斷是否有用電設備用電并開(kāi)始統計電量；然后檢測電路是否有漏電、過(guò)載等不安全現象發(fā)生，有則斷電并提示等待維修，否則進(jìn)入到IC卡余額檢測環(huán)節。

系統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(jìn)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(huì )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(dòng)合閘以及跳閘后不合閘等，跳閘后可通過(guò)按鍵自行合閘，達到賒欠上限后電表跳閘，此時(shí)只有繳費后才能繼續合閘使用。

2、時(shí)間管理控制
 支持時(shí)間管理控制。L1、L2、L3可分別設置為工作日和節假日模式，每天上限可設置8個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間  段可分別設置為合閘狀態(tài)或夜間模式，合閘時(shí)間段內電表保持合閘，夜間時(shí)間段內，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(guò)設定值時(shí)，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(guò)設定值時(shí)，支路跳閘。
夜間功率限制：需要與時(shí)間管理控制共同使用，在夜間模式下，支路電流超過(guò)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(shí)，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）。
空調模式：空調模式下，電表持續檢測空調微弱待機電流，一但存在拔斷空調插座的動(dòng)作，電表便跳閘，且只能通過(guò)聯(lián)xi管理人員進(jìn)行合閘送電。
允許除空調模式以外的跳閘動(dòng)作自動(dòng)合閘。允許次數，跳閘等待時(shí)間可設置。

6. 結語(yǔ)

雞西大學(xué)學(xué)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(jìn)行外部擴展，采用單片機系統。系統中還專(zhuān)門(mén)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系統程序設計流程圖顯示屏成本低效果好，顯示數據直觀(guān)、內容豐富，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(jìn)一步降低功耗，繼電器采用無(wú)須常加電的磁保持繼電器。整個(gè)系統安全可靠，功耗小，成本低，為學(xué)校節約能源降低教學(xué)成本起到了重要作用。

參考文獻

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

[2]楊超，大學(xué)生公寓電子式預付費電度表研究[J].長(cháng)江大學(xué)學(xué)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.2019.11月版