基于單片機智能型預付費電度表的設計

江南大學物聯網工程學院 孫文隆 陳宣含 沙 莉 徐穎秦 王 杰 羅 飛

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基于單片機智能型預付費電度表的設計

江南大學物聯網工程學院 孫文隆 陳宣含 沙 莉 徐穎秦 王 杰 羅 飛

【摘要】基于C52單片機、電能計量技術、IC卡技術和GSM通信技術，設計了一種智能型預付費電度表。該裝置以STC89C52型單片機為控制核心，由C52控制電路、ADE7755電能計量電路、IC卡接口電路、GSM通信電路、電源等模塊組成。其中，ADE7755對用戶用電量進行實時計量；C52實現對電量數據處理及各模塊的穩定控制；IC卡接口電路實現先付費，后用電；GSM實現電量不足時的智能提醒以及電量查詢。本設計同時還具備液晶顯示、掉電保護、限量供電等功能。經過實驗驗證，裝置性能穩定，計量準確。

【關鍵詞】電能計量；預付費；智能提醒；掉電保護

0　引言

電能的計量和付費，在居民日常生活、社會運行等方面都占有重要地位，傳統機械式電度表存在笨重、需要人工抄表、精度低等缺點。基于單片機的智能型預付費電度表集高精度、預付費、智能提醒、掉電保護等功能于一體，可以很好地滿足日常生活中單相電路電能計量的需要。

1　設計原理

基于單片機的智能型預付費電度表是以STC89C52單片機為控制核心，軟硬件相結合的電能計量裝置。該裝置主要由C52單片機控制電路、ADE7755電能計量電路、IC卡接口電路、GSM通信電路以及電源等5個部分組成，組成原理如圖1所示。ADE7755將采集到的電流電壓信號以脈沖的形式送到C52；通過IC讀寫，實現先付費，后用電；通過GSM模塊實現電量不足時的智能提醒以及電量查詢。C52控制電路是所有模塊的控制中心，實現數據處理、顯示、掉電保護以及對磁保持繼電器的控制等功能。

圖1　裝置組成原理圖

2　硬件組成及工作原理

2.1有功電能計量部分

本設計采用高精度電能測量集成電路ADE7755，實現對電能的采樣計量，其電路如圖2所示。電能計量電路主要由電流采樣電路、電壓采樣電路、ADE7755芯片及其外圍電路組成。負載電流經分流、濾波后送入ADE7755的電流通道，即V1P和V1N腳。電阻分壓網絡構成電壓采樣電路，將采集到的電壓信號送到ADE7755的電壓通道，即V2P和V2N腳。ADE7755將采樣到電流和電壓信號進行計算，將得到電度量以脈沖形式從CF腳輸出。輸出脈沖經2501光電隔離器送到單片機的P3.4口，供單片機讀取，提高了裝置的抗干擾性能。

2.2單片機主控電路

控制電路實現對電能脈沖信號、掉電信號采集和處理，完成對顯示模塊控制、IC卡讀寫控制、GSM模塊發送短信控制以及對磁保持繼電器驅動等功能。單片機控制電路如圖3所示。本設計選用宏晶科技STC89C52型單片機，其內部有8KB程序存儲器以及2KB EEPROM，容量足夠無須擴展；選用11.0592MHz高穩定無源晶體振蕩器，給CPU提供高穩定的時鐘信號；S1、R7、R11、C3、C4、D3組成復位電路，可實現對單片機的可靠復位；2200uF大電容用于單片機的掉電保護；1N5819二極管可以防止掉電后大電容放電對其他模塊產生干擾；LED燈指示程序的運行情況。

2.3IC卡接口電路

IC卡接口電路實現對IC卡的讀寫和預付費功能。本設計中采用以MF522讀寫卡芯片為核心的IC卡讀寫模塊。MF522內部發送器驅動讀寫器天線與非接觸式IC卡通信。當天線電路有效區域內有IC卡接近時，接口電路發送信號給單片機，由單片機讀取IC卡內電量數據，并將IC卡清零。在實際使用中，當單片機內剩余電量用完后，將控制繼電器斷開，線路斷電；用戶通過IC卡存入電量后，單片機控制繼電器閉合，恢復供電，以此實現先付費，后用電的功能。

2.4GSM通信電路

GSM通信電路實現電量不足時的短信提醒以及用戶查詢功能。當電度表內剩余電量低于設定值時（例如5度），單片機控制GSM模塊發送短信，提醒用戶及時充電。當用戶需要查詢剩余電量時，可向GSM模塊發送短信，實現對剩余電量的查詢。設計中，采用以SIM900A為核心的GSM模塊來實現短信發送功能。SIM900A是一種2分頻的GSM/GPRS芯片，采用省電模式，在睡眠模式下最低耗流僅有1mA，具有數據傳輸、串行通信等功能。

圖2　電能計量電路

圖3　單片機主控電路

圖4　液晶顯示電路

圖5　掉電檢測電路

2.5液晶顯示電路

本設計采用LCD1602液晶顯示器實現數據顯示，其顯示容量為16×2個字符，電路如圖4所示。在顯示器的BLK端加了一個2N3904三極管，單片機(P2.7口)通過2N3904實現對LCD背光的打開和關閉，以節約電表自身的耗電量，變阻器R9用來對顯示器對比度的調整。

2.6掉電檢測電路

掉電檢測電路實現掉電信號的檢測，電路如圖5所示。設計中采用LM393集成運放搭建電壓比較電路判斷掉電信號，LM336穩壓管保證了掉電檢測電路的穩定性。電壓正常時，LM393輸出高電平；發生掉電時，LM393輸出低電平。將LM393的輸出端(1腳)接到單片機的INT0口，默認設置為最高級別的中斷。當單片機發生掉電時，LM393輸出端產生一個由高電平到低電平的跳變信號送給單片機，單片機進入外部中斷服務程序，進行電量數據的存儲。

2.7跳閘驅動電路

當電量用完時，要求磁保持繼電器斷開線路，以實現限量供電。本設計采用BL8023跳閘驅動芯片實現磁保持繼電器驅動功能，電路如圖6所示。當單片機通過P1.6口和P1.7口給BL8023發送符合功能表的觸發脈沖時，就能驅動磁保持繼電器相應動作，達到控制電路斷開和閉合的目的。

圖6　跳閘驅動電路

2.8電源部分

電源主要功能是提供穩定的電壓以保證各芯片的正常運行，電路如圖7所示。由于各模塊工作電壓不同，如BL8023為12V，IC卡為3.3V，其余模塊為5V，因此需要3種不同大小的供電電壓。通過SHB-12W開關電源將220V交流電轉變為12V直流電，再經過LM7805穩壓集成電路得到5V，最后經LM1117電壓調節器穩壓得到3.3V。FU1是額定電流為1A的自恢復熔斷器，起短路保護作用。壓敏電阻RV用于過電壓保護。

圖7　電源電路

3　系統軟件結構設計

3.1主程序流程圖

圖8為系統軟件的主程序流程圖。在程序開始時先讀出單片機內部EEPROM保存的剩余電量和累計電量數據，然后進行各個模塊的初始化。在主循環中，依次循環檢測是否有IC卡接近，是否電量不足以及是否收到查詢短信；若有，則跳轉到相應的執行程序。

圖8　主程序流程圖

3.2計數器T0服務程序流程圖

圖9所示為計數器T0的服務程序流程圖。計數器T0用來計數電能計量模塊傳輸到單片機的脈沖，以供單片機對電量數據的處理。每進入一次中斷，剩余電量減一個單位同時累計電量增加一個單位，然后更新液晶顯示。另外，將是否有剩余電量的判斷程序放到中斷程序而不是放到主程序中，避免了因主程序在執行其他子程序的過程中無法及時斷開繼電器，導致電能計量錯誤。

3.3外部中斷INT0服務程序流程圖

圖10是外部中斷INT0的服務程序流程圖。外部中斷0主要是在掉電時將單片機內的剩余電量和累計電量數據保存到片內EEPROM中，等待下次上電后再讀出，防止掉電后數據丟失。

圖9　計數器T0服務程序流程圖

圖10　外部中斷INT0服務程序流程圖

4　結論

本設計以STC89C52單片機為控制核心，設計了可用于單相電路電能計量的電度表系統。以ADE7755為核心的電能計量電路可實現對電能的精確計量；采用IC卡預付費的方式，避免了傳統電度表需要手工抄表等諸多缺點；創新性地采用GSM模塊實現電量不足時的短信提醒以及短信查詢功能，大大方便了用戶對用電情況的把握；掉電保護的設計保證了停電時對單片機內電量數據的可靠存儲。經實驗驗證，本設計可以很好地滿足日常生活中單相電路電能計量的需要。

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孫文隆（1994—），男，浙江永嘉人，大學本科，現就讀于江南大學物聯網工程學院電氣工程及其自動化專業。

徐穎秦（1965—），女，碩士，副教授，主要從事智能電力監控方向的研究。

Research of Intelligent prepayment electricity meter based on MCU

SUN Wen-long，CHEN Xuan-han，SHA Li，XU Ying-qin，WANG Jie，LUO Fei
（School of IoT Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Abstract：C52 microcontroller，electric energy metering technology，IC card technology and GSM communication technology based on the design of an intelligent prepayment meter.The device takes the STC89C52 microcomputer as the control core，which is composed of a single chip microcomputer control circuit，an electric energy metering circuit，an IC card interface circuit，a GSM communication circuit and a power supply module.By ADE7755 electrical measurement circuit of user power consumption of real-time measurement；using C52 single-chip to realize the stable control of the electric energy data processing and the module；through IC card interface circuit to achieve the prepayment before using electricity；using GSM module to realize the power of intelligent remind and electric quantity queries.The design also includes a liquid crystal display，power down protection，limited power supply function.Experiments show that the device has stable performance and accurate measurement.

Key words：electric energy measurement；prepayment；intelligent reminder；power off protection

作者簡介：

基金項目：2015年江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201510295010Y）。