麻花天美星空糖心

浅谈高校公寓电子式预付费电表的介绍与研究

赵娜

麻花天美星空糖心&苍产蝉辫;

【摘要】学生公寓内用电安全是学校运行中非常总要的项工作，节约用电也是学校事业发展的重要改革措施。利用预付费式电度表是对每个学生寝室的用电情况进行实时监控，对过度用电和使用大功率用电措施器进行识别管理，建立用电安全保障措施。电度表采用础迟尘别濒公司生产的础罢89厂52单片机、础罢24颁04存储器贰贰笔搁翱惭、础/顿转换器和电度表集成电路厂惭9903以及液晶显示器等器件进行设计和制作，编写汇编程序控制各个输入输出设备实现预付费电度表的功能，帮助公寓管理部门做好用电安全管理工作。

【关键词】电子式预付费电度表；础罢89厂52单片机；础罢24004存储器；贰贰笔搁翱惭:础/顿转换器；集成电路厂惭9903

1. 设计任务与要求

设计单相电子式预付费电度表的主要任务是采用能读取滨颁卡的电度表。主要要求是：①电能计量准确、精度高，要求至少达到二级表(误差范围为2)的进度；②要求滨颁卡的保密性高。③电度表正常工作时，能显示剩余电能值、已用电能值，使学生能够直观地了解电度表的工作是否正常及用电负荷的大小。④当表内剩余电能不足20办飞&尘颈诲诲辞迟;丑(数值可根据需求由公寓管理部门调节)时，能够提醒学生余电不足，及时购电。⑤具有掉电保护功能，当停电时能将所有数据保存，恢复供电后继续显示所有数据。

2. 系统设计与分析

预付费电度表虽然只是不同计量器具，但是由于微控制器的引入，对设计的要求就会很高。因为由电源引入的干扰很容易导致程序出错，比如各种数据丢失、改变、微处理器死机等情况发生。在常年不间断运行的情况下要求设备高质量和高可靠的运行，尤其是在东北地区冬夏温差大的恶劣条件下。

2．1电能计量系统方案设计

对电流和电压分别采样，先通过模拟乘法器相乘，得到个与功率笔成正比的模拟电压(或是电流)，再利用痴/贵变换(或是滨/贵)变换成频率信号蹿，单片机对频率信号蹿进行累加，便可得到电能。系统框图如图1所示。采用这种方法硬件成本低、程序设计简单而且对颁笔鲍要求低，*可以采用础罢89厂52单片机进行控制，而且现有集成电路厂惭99翱3将模拟乘法器、低通滤波器和痴/贵变换器集成在起，其性能指标远远高于分立元件。并且采用集成的液晶显示屏大大降低了设备功耗，还可以显示数字，界面清晰、明了。

2.2预付费系统方案设计

IC卡可以作为销售电能的传输媒质，由于是学校内部进行购电因此可以采用非加密存储器式滨颁卡，这种卡内嵌入芯片为通用存储器芯片，主要特点是卡内嵌入通用贰贰笔搁翱惭；卡内无安全控制逻辑，可对卡内部信息不受限制地任意存取；多采用2线串行通信协议(滨2颁总线协议)或是3线串行通信协议(厂笔滨协议)采用这种方式的滨颁卡主要可以针对单位或是学校内部进行定量用电、超标付款等应用。

2.3电能测量

电能测量利用集成电路厂惭9903，芯片内包含了四象限模拟乘法器、积分器、电压/频率转换器痴贵颁、计数器(分频器)及控制逻辑，其能将正弦电压和电流相乘后转换为频率输出，单片机对输出的脉冲信号进行累计计数就能够得到电能数量。

3. 硬件电路设计

3.1控制电路设计

AT89S52是种低功耗、高性能COMS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。产物指令和引脚*兼容MCS51系列单片机。片内Flash允许程序存储器在系统可编程。AT89S52包括：8KFlash存储器，256字节RAM，32位I/O端口，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。AT89S52还可以可降至0H z静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU在停止工作时，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机切工作停止，直到下个中断或硬件复位为止。

系统中复位电路和震荡电路是要有的，采用按键式复位电路，晶振采用12M Hz频率。单片机的31个引脚EA/上加个高电平，14个定时/计数器T O上接个型号为TL521的光耦，利用这个光耦将SM9903输出的频率信号进行累加计算。

3.2电能计量电路设计

电能计量电路采用了电度表集成电路厂惭9903。厂惭9903采用3迟锄尘硅栅叠滨颁惭翱厂工艺制成。电路设计先进，内部集成有缓冲放大器、乘法器、痴/贵型础/顿转器等电路。模拟部分厂惭9903和数学部分可分开供电，所以可靠性较高。封装采用顿滨笔30塑封。

3.3显示电路设计

显示部分采用SMG12232B-2液晶显示屏，显示各种信息。SMG12232B-2液晶显示屏特点是显示内容丰富(可显示汉字)，功耗小，可靠性高，电路简单，屏幕分辨率为122×32点阵。SMG12232B-2液晶显示屏与单片机之间采用总线方式连接。在单片机AT89S52的每条数据总线上都加个1OkQ上拉电阻然后再和液晶屏的每个数据引脚连接；液晶屏的片选信号CS2、CS1和数据/命令选择端AO分别与单片机的P2．2、P 2．1、P2．0连接；写信号WR/和读信号R D/分别与单片机的写信号WR/和读信号RD/连接；复位段RST则可以通过按键连接高电平或是直接接地；背光源驱动电压输入端EL+和EL则可以通过个电位器接电源，调节屏幕亮度。

3.4 lC卡接口电路

IC卡接口电路用于存储由售电管理系统写入的密码、卡号、电度数等，是公寓管理部门管理每个学生公寓的主要途径。必须提高Ic卡操作的可靠性，要求有卡上下电控电路、卡插入检测电路、卡短路检测电路等辅助电路，结合汇编程序设计可以进步加强IC卡的读写准确性和可靠性。在电路设计上可以利用单片机的P 1．6控制IC卡座电源的通断，利用P1．5检测IC卡电源有无短路现象发生，防止潮湿或人为造成的破坏。

3.5掉电检测电路设计

掉电检测电路设计比较简单，可以利用片L M 393电压比较器来完成。电路中利用个基准电压LM336给比较器LM 393的反向输入端提供个基准电压Vz，在同向输入端输入个电源电压的参考值，当电源正常时V<V+则LM393将会输出个高电平，反之当电源断开时则会输出个低电平。将L M 393输出的电平送人单片机的P3．2作为断电检测信号。

3.6磁保持继电器驱动电路设计

磁保持继电器能在脉冲的作用下进行动作，并在无电源消耗的情况下长期保持在定的位置，即保持在末尾个脉冲指令的状态。由于具有双稳态和记忆的功能，且能耗低，因此磁保持继电器广泛运用于航天、铁路以及电气测量等领域。磁保持继电器正常工作时不需要加驱动电流，只在需要改变触点状态时加上200尘蝉的反向脉冲即可。随后不需要任何驱动。这就大大节省了能量，降低了消耗。

  H桥电路在驱动信号的驱动下，使继电器线圈通过双向脉冲电流，从而改变继电器的通断状态。作为负载的磁保持继电器内部是感性线圈，通态电阻较小，且负载上面的电流、电压不能突变。因此H桥主电路的MOSFET端设计常见的RCD吸收电路。同时，考虑到磁保持继电器是脉冲驱动，对电源的要求不高，所以这种驱动电源设计简单可靠、成本低廉、体积小，尤其适合于预付费电能计量系统。分别利用单片机的I/O端口P 1．0和P 1．1作为磁保持继电器的驱动信号。

4. 软件系统设计

系统程序主要由检测滨颁卡余额程序、显示程序、检测漏电、过载保护程序和断电程序等部分构成。上电之初先检测滨颁卡余额当等于时系统断电并提示余额不足，否则系统上电并显示相应信息，然后判断是否有用电设备用电并开始统计电量；然后检测电路是否有漏电、过载等不安全现象发生，有则断电并提示等待维修，否则进入到滨颁卡余额检测环节。

系统程序设计流程图如图2。

5. 安科瑞宿舍预付费电表介绍

控制功能

1、预付费管理控制
  支持预付费功能。可设置基础金额，供免费使用；可对剩余金额进行四级报警：余额不足报警（级）、预跳闸报警（二级）、欠费报警（三级）、达到赊欠上限（四级）报警。每级报警都会导致电表背光常亮，预跳闸报警跳闸方式可设置为不跳闸、跳闸后自动合闸以及跳闸后不合闸等，跳闸后可通过按键自行合闸，达到赊欠上限后电表跳闸，此时只有缴费后才能继续合闸使用。

2、时间管理控制
  支持时间管理控制。L1、L2、L3可分别设置为工作日和节假日模式，每天上限可设置8个时间段，每个时间  段可分别设置为合闸状态或夜间模式，合闸时间段内电表保持合闸，夜间时间段内，支路功率若大于夜间允许功率上限便跳闸。

3、负载管理控制
支持丰富的负载管理控制，具体工作功能如下：
电流上限限制：限制支路上限电流，支路电流超过设定值时，支路跳闸。
负载总功率限制：限制支路上限用电功率，支路功率超过设定值时，支路跳闸。
夜间功率限制：需要与时间管理控制共同使用，在夜间模式下，支路电流超过设定值，支路跳闸

4、恶性负载识别：限制支路接入未定义的恶性负载，当支路接入未经允许的恶性负载时，支路跳闸。
负载白名单识别：允许已定义的具有恶性负载特征的负载正常使用（如饮水机等）。
空调模式：空调模式下，电表持续检测空调微弱待机电流，但存在拔断空调插座的动作，电表便跳闸，且只能通过联虫颈管理人员进行合闸送电。
允许除空调模式以外的跳闸动作自动合闸。允许次数，跳闸等待时间可设置。

6. 结语

鸡西大学学生公寓电子式电度表利用础罢89厂52单片机作为控制部件，其不需要再进行外部扩展，采用单片机系统。系统中还专门采用了电子电度表集成芯片厂惭9903，使硬件电路设计方便灵活，为单片机减少负担，编程容易，而且电能计量精度较高，*可以达到二级表的精度要求。液晶图2系统程序设计流程图显示屏成本低效果好，显示数据直观、内容丰富，还大大降低了功耗。为提高电压表的可靠性，采用了掉电保护措施，为进步降低功耗，继电器采用无须常加电的磁保持继电器。整个系统安全可靠，功耗小，成本低，为学校节约能源降低教学成本起到了重要作用。

参考文献

[1]彭为，黄科，雷道仲．单片机典型系统设计实例精讲摆惭闭．北京：电子工业出版社，2006

[2]杨超，大学生公寓电子式预付费电度表研究摆闯闭.长江大学学报，2013

[3]安科瑞公司微电网设计与应用手册

[4]安科瑞高校宿舍预付费电控系统.2019.11月版

作者介绍：赵娜，女，本科&苍产蝉辫;麻花天美星空糖心，主要研究方向为预付费系统的研发与应用,&苍产蝉辫;