【摘要】學(xué)生公寓內(nèi)用電安全是學(xué)校運(yùn)行中非常總要的一項(xiàng)工作,，節(jié)約用電也是學(xué)校事業(yè)發(fā)展的重要改革措施,。利用預(yù)付費(fèi)式電度表是對每個學(xué)生寢室的用電情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對過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,。幫助公寓管理部門做好用電安全管理工作。

【關(guān)鍵詞】電子式預(yù)付費(fèi)電度表,；AT89S52單片機(jī),；AT24004存儲器；EEPROM:A/D轉(zhuǎn)換器,；集成電路SM9903

1. 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

設(shè)計(jì)單相電子式預(yù)付費(fèi)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(jì)量準(zhǔn)確、精度高,，要求至少達(dá)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,，能顯示剩余電能值,、已用電能值，使學(xué)生能夠直觀地了解電度表的工作是否正常及用電負(fù)荷的大小,。④當(dāng)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(xué)生余電不足，及時購電,。⑤具有掉電保護(hù)功能,，當(dāng)停電時能將所有數(shù)據(jù)保存，恢復(fù)供電后繼續(xù)顯示所有數(shù)據(jù),。

2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

預(yù)付費(fèi)電度表雖然只是不同計(jì)量器具,，但是由于微控制器的引入,，對設(shè)計(jì)的要求就會很高。因?yàn)橛呻娫匆氲母蓴_很容易導(dǎo)致程序出錯,，比如各種數(shù)據(jù)丟失,、改變、微處理器死機(jī)等情況發(fā)生,。在常年不間斷運(yùn)行的情況下要求設(shè)備高質(zhì)量和高可靠的運(yùn)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(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(jī)對頻率信號f進(jìn)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(shè)計(jì)簡單而且對CPU要求低，*可以采用AT89S52單片機(jī)進(jìn)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(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分立元件,。并且采用集成的液晶顯示屏大大降低了設(shè)備功耗,，還可以顯示數(shù)字，界面清晰,、明了,。

2.2預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

IC卡可以作為銷售電能的傳輸媒質(zhì)，由于是學(xué)校內(nèi)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(nèi)嵌入芯片為通用存儲器芯片,，主要特點(diǎn)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取,；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(xué)校內(nèi)部進(jìn)行定量用電,、超標(biāo)付款等應(yīng)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(jì)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(jī)對輸出的脈沖信號進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)就能夠得到電能數(shù)量。

3. 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1控制電路設(shè)計(jì)

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(jī),。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(jì)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(jì)數(shù)器、串口,、中斷繼續(xù)工作,。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存,，振蕩器被凍結(jié),，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止,。

系統(tǒng)中復(fù)位電路和震蕩電路是要有的,，采用按鍵式復(fù)位電路，晶振采用12M Hz頻率,。單片機(jī)的第31個引腳EA/上加一個高電平,，14個定時/計(jì)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(jìn)行累加計(jì)算,。

3.2電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)

電能計(jì)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(shè)計(jì)先進(jìn),，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(xué)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(shè)計(jì)

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(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(diǎn)陣,。SMG12232B-2液晶顯示屏與單片機(jī)之間采用總線方式連接,。在單片機(jī)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(jī)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(jī)的寫信號WR/和讀信號RD/連接,；復(fù)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(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(jié)合匯編程序設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步加強(qiáng)IC卡的讀寫準(zhǔn)確性和可靠性,。在電路設(shè)計(jì)上可以利用單片機(jī)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(shè)計(jì)

掉電檢測電路設(shè)計(jì)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(zhǔn)電壓LM336給比較器LM 393的反向輸入端提供一個基準(zhǔn)電壓Vz，在同向輸入端輸入一個電源電壓的參考值,，當(dāng)電源正常時V一<V+則LM393將會輸出一個高電平,，反之當(dāng)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(jī)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(shè)計(jì)

磁保持繼電器能在脈沖的作用下進(jìn)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(yùn)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不需要加驅(qū)動電流,，只在需要改變觸點(diǎn)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(fù)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(fù)載上面的電流、電壓不能突變,。因此H橋主電路的MOSFET端設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)簡單可靠、成本低廉,、體積小,，尤其適合于預(yù)付費(fèi)電能計(jì)量系統(tǒng)。分別利用單片機(jī)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(shè)計(jì)

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(hù)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(dāng)?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(yīng)信息,，然后判斷是否有用電設(shè)備用電并開始統(tǒng)計(jì)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(jìn)入到IC卡余額檢測環(huán)節(jié),。

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2。

5. 安科瑞宿舍預(yù)付費(fèi)電表介紹

控制功能

1,、預(yù)付費(fèi)管理控制
 支持預(yù)付費(fèi)功能,。可設(shè)置基礎(chǔ)金額,，供免費(fèi)使用,；可對剩余金額進(jìn)行四級報(bào)警：余額不足報(bào)警（一級）、預(yù)跳閘報(bào)警（二級）,、欠費(fèi)報(bào)警（三級）,、達(dá)到賒欠上限（四級）報(bào)警。每級報(bào)警都會導(dǎo)致電表背光常亮,，預(yù)跳閘報(bào)警跳閘方式可設(shè)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(dá)到賒欠上限后電表跳閘,，此時只有繳費(fèi)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(shè)置為工作日和節(jié)假日模式,，每天上限可設(shè)置8個時間段，每個時間  段可分別設(shè)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(fù)載管理控制
支持豐富的負(fù)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(shè)定值時,，支路跳閘。
負(fù)載總功率限制：限制支路上限用電功率,，支路功率超過設(shè)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(shè)定值，支路跳閘

4、惡性負(fù)載識別：限制支路接入未定義的惡性負(fù)載,，當(dāng)支路接入未經(jīng)允許的惡性負(fù)載時，支路跳閘,。
負(fù)載白名單識別：允許已定義的具有惡性負(fù)載特征的負(fù)載正常使用（如飲水機(jī)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(jī)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)xi管理人員進(jìn)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(shè)置,。

6. 結(jié)語

雞西大學(xué)學(xué)生公寓電子式電度表利用AT89S52單片機(jī)作為控制部件,，其不需要再進(jìn)行外部擴(kuò)展，采用單片機(jī)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(shè)計(jì)方便靈活，為單片機(jī)減少負(fù)擔(dān),，編程容易,，而且電能計(jì)量精度較高，*可以達(dá)到二級表的精度要求,。液晶圖2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)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(hù)措施,，為進(jìn)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(xué)校節(jié)約能源降低教學(xué)成本起到了重要作用,。

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