涂志燕
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
【摘要】學(xué)生公寓內(nèi)用電安全是學(xué)校運(yùn)行中非?？傄捻?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(duì)每個(gè)學(xué)生寢室的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)過度用電和使用大功率用電措施器進(jìn)行識(shí)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(jī)、AT24C04存儲(chǔ)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(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，編寫匯編程序控制各個(gè)輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)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(guān)鍵詞】電子式預(yù)付費(fèi)電度表；AT89S52單片機(jī)；AT24004存儲(chǔ)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(jí)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(shí)，能夠提醒學(xué)生余電不足，及時(shí)購(gòu)電。⑤具有掉電保護(hù)功能，當(dāng)停電時(shí)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(duì)設(shè)計(jì)的要求就會(huì)很高。因?yàn)橛呻娫匆氲母蓴_很容易導(dǎo)致程序出錯(cuò)，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(duì)電流和電壓分別采樣，先通過模擬乘法器相乘，得到個(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(hào)f，單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào)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(jiǎn)單而且對(duì)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(gòu)電因此可以采用非加密存儲(chǔ)器式IC卡，這種卡內(nèi)嵌入芯片為通用存儲(chǔ)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(duì)卡內(nèi)部信息不受限制地任意存?。欢嗖捎?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(duì)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(cè)量
電能測(cè)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(duì)輸出的脈沖信號(hào)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(chǔ)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(chǔ)器在系統(tǒng)可編程。AT89S52包括：8KFlash存儲(chǔ)器，256字節(jié)RAM，32位I/O端口，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)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(jié)電模式。空閑模式下，CPU在停止工作時(shí)，允許RAM、定時(shí)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)切工作停止，直到下個(gè)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(gè)引腳EA/上加個(gè)高電平，14個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T O上接個(gè)型號(hào)為TL521的光耦，利用這個(gè)光耦將SM9903輸出的頻率信號(hào)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(jiǎn)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)總線上都加個(gè)1OkQ上拉電阻然后再和液晶屏的每個(gè)數(shù)據(jù)引腳連接；液晶屏的片選信號(hào)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(hào)WR/和讀信號(hào)R D/分別與單片機(jī)的寫信號(hào)WR/和讀信號(hào)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(dòng)電壓輸入端EL+和EL則可以通過個(gè)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(chǔ)由售電管理系統(tǒng)寫入的密碼、卡號(hào)、電度數(shù)等，是公寓管理部門管理每個(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(cè)電路、卡短路檢測(cè)電路等輔助電路，結(jié)合匯編程序設(shè)計(jì)可以進(jìn)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(cè)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(cè)電路設(shè)計(jì)
掉電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，可以利用片L M 393電壓比較器來完成。電路中利用個(gè)基準(zhǔn)電壓LM336給比較器LM 393的反向輸入端提供個(gè)基準(zhǔn)電壓Vz，在同向輸入端輸入個(gè)電源電壓的參考值，當(dāng)電源正常時(shí)V<V+則LM393將會(huì)輸出個(gè)高電平，反之當(dāng)電源斷開時(shí)則會(huì)輸出個(gè)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(cè)信號(hào)。
3.6磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
磁保持繼電器能在脈沖的作用下進(jìn)行動(dòng)作，并在無電源消耗的情況下長(zhǎng)期保持在定的位置，即保持在末尾個(gè)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(cè)量等領(lǐng)域。磁保持繼電器正常工作時(shí)不需要加驅(qū)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(qū)動(dòng)。這就大大節(jié)省了能量，降低了消耗。
H橋電路在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)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(shí)，考慮到磁保持繼電器是脈沖驅(qū)動(dòng)，對(duì)電源的要求不高，所以這種驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)信號(hào)。
4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序主要由檢測(cè)IC卡余額程序、顯示程序、檢測(cè)漏電、過載保護(hù)程序和斷電程序等部分構(gòu)成。上電之初先檢測(cè)IC卡余額當(dāng)?shù)扔跁r(shí)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(cè)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(cè)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
支持預(yù)付費(fèi)功能?？稍O(shè)置基礎(chǔ)金額，供免費(fèi)使用；可對(duì)剩余金額進(jìn)行四級(jí)報(bào)警：余額不足報(bào)警（級(jí)）、預(yù)跳閘報(bào)警（二級(jí)）、欠費(fèi)報(bào)警（三級(jí)）、達(dá)到賒欠上限（四級(jí)）報(bào)警。每級(jí)報(bào)警都會(huì)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(dòng)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(shí)只有繳費(fèi)后才能繼續(xù)合閘使用。
支持時(shí)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(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間 段可分別設(shè)置為合閘狀態(tài)或夜間模式，合閘時(shí)間段內(nèi)電表保持合閘，夜間時(shí)間段內(nèi)，支路功率若大于夜間允許功率上限便跳閘。
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(shí)，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(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，支路電流超過設(shè)定值，支路跳閘
- 惡性負(fù)載識(shí)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(shí)，支路跳閘。
負(fù)載白名單識(shí)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(cè)空調(diào)微弱待機(jī)電流，但存在拔斷空調(diào)插座的動(dòng)作，電表便跳閘，且只能通過管理人員進(jìn)行合閘送電。
允許除空調(diào)模式以外的跳閘動(dòng)作自動(dòng)合閘。允許次數(shù)，跳閘等待時(shí)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(jí)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)步降低功耗，繼電器采用無須常加電的磁保持繼電器。整個(gè)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。
參考文獻(xiàn)
[1]彭為，黃科，雷道仲．單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yù)付費(fèi)電度表研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2013
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)
[4]安科瑞高校宿舍預(yù)付費(fèi)電控系統(tǒng).2019.11月版
作者簡(jiǎn)介：涂志燕，女，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)轭A(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用,
