大學生公寓電子式預付費電度表研究

楊 超

（黑龍江工業學院電氣與信息工程系，黑龍江 雞西158100）

1 設計任務及要求

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當表內剩余電能不足20k W·h（數值可根據需求由公寓管理部門調節）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據保存，恢復供電后繼續顯示所有數據。

2 系統設計分析

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，比如各種數據丟失、改變、微處理器死機等情況發生。在常年不間斷運行的情況下要求設備高質量和高可靠的運行，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，完全可以采用AT89S52單片機進行控制，而且現有集成電路SM9903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。

圖1 系統設計框圖

2.2 預付費系統方案設計

IC卡可以作為銷售電能的傳輸媒質，由于是學校內部進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，主要特點是卡內嵌入通用EEPROM；卡內無安全控制邏輯，可對卡內部信息不受限制地任意存取；多采用2線串行通信協議（I2C總線協議）或是3線串行通信協議（SPI協議）。采用這種方式的IC卡主要可以針對單位或是學校內部進行定量用電、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CMOS8位微控制器，具有8 K系統可編程Flash存儲器。產品指令和引腳完全兼容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：8 K Flash存儲器，256字節RAM，32位I／O端口，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器／計數器，1個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。AT89S52還可以可降至0 Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU在停止工作時，允許RA M、定時器／計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RA M內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。

系統中復位電路和震蕩電路必須要有的，采用按鍵式復位電路，晶振采用12 MHz頻率。單片機的第31個引腳EA／上加一個高電平，第14個定時／計數器T0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專用集成電路SM9903。SM9903采用3μm硅柵BICMOS工藝制成。電路設計先進，內部集成有緩沖放大器、乘法器、V／F型A／D轉換器等電路。SM9903模擬部分和數學部分可分開供電，所以可靠性較高。封裝采用DIP20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的每條數據總線上都加一個10kΩ上拉電阻然后再和液晶屏的每個數據引腳連接；液晶屏的片選信號CS2、CS1和數據／命令選擇端A0分別與單片機的P2.2、P2.1、P2.0連接；寫信號WR／和讀信號RD／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；背光源驅動電壓輸入端EL＋和EL－則可以通過一個電位器接電源，調節屏幕亮度。

3.4 IC卡接口電路

IC卡接口電路用于存儲由售電管理系統寫入的密碼、卡號、電度數等，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P1.6控制IC卡座電源的通斷，利用P1.5檢測IC卡電源有無短路現象發生，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 M393電壓比較器來完成。電路中利用一個基準電壓L M336給比較器L M393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－＜V＋則L M393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 M393輸出的電平送入單片機的P3.2作為斷電檢測信號。

3.6 磁保持繼電器驅動電路設計

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，即保持在最后一個脈沖指令的狀態。由于具有雙穩態和記憶的功能，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動電流，只在需要改變觸點狀態時加上200 ms的反向脈沖即可。隨后不需要任何驅動。這就大大節省了能量，降低了消耗。

H橋電路在驅動信號的驅動下，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。作為負載的磁保持繼電器內部是感性線圈，通態電阻較小，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動，對電源的要求不高，所以這種驅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。分別利用單片機的I／O端口P1.0和P1.1作為磁保持繼電器的驅動信號。

圖2 系統程序設計流程圖

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始統計電量；最后檢測電路是否有漏電、過載等不安全現象發生，有則斷電并提示等待維修，否則進入到IC卡余額檢測環節。

系統程序設計流程圖如圖2。

5 結 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，采用單片機最小系統。系統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，完全可以達到二級表的精度要求。液晶顯示屏成本低效果好，顯示數據直觀、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。整個系統安全可靠，功耗小，成本低，為學校節約能源降低教學成本起到了重要作用。

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

［2］馬明建，周長城 .數據采集與處理技術［M］.西安：西安交通大學出版社，1998.

［3］王卓人，鄧晉鈞.劉宗祥.IC卡的技術與應用［M］.北京：電子工業出版社，1999.

［4］邱關源 .電路［M］.第3版 .北京：高等教育出版社，1989.

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