楊 超

（黑龍江工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程系，黑龍江 雞西158100）

1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

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20k W·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)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(guò)模擬乘法器相乘，得到一個(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，完全可以采用AT89S52單片機(jī)進(jìn)行控制，而且現(xiàn)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(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。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

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(wú)安全控制邏輯，可對(duì)卡內(nèi)部信息不受限制地任意存??；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(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是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 K系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。產(chǎn)品指令和引腳完全兼容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：8 K Flash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0 Hz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RA M、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，RA M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(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。

系統(tǒng)中復(fù)位電路和震蕩電路必須要有的，采用按鍵式復(fù)位電路，晶振采用12 MHz頻率。單片機(jī)的第31個(gè)引腳EA／上加一個(gè)高電平，第14個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器T0上接一個(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專用集成電路SM9903。SM9903采用3μm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)換器等電路。SM9903模擬部分和數(shù)學(xué)部分可分開(kāi)供電，所以可靠性較高。封裝采用DIP20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)總線上都加一個(gè)10kΩ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A0分別與單片機(jī)的P2.2、P2.1、P2.0連接；寫(xiě)信號(hào)WR／和讀信號(hào)RD／分別與單片機(jī)的寫(xiě)信號(hào) WR／和讀信號(hào)RD／連接；復(fù)位段RST則可以通過(guò)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(guò)一個(gè)電位器接電源，調(diào)節(jié)屏幕亮度。

3.4 IC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(xiě)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)一步加強(qiáng)IC卡的讀寫(xiě)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P1.6控制IC卡座電源的通斷，利用P1.5檢測(cè)IC卡電源有無(wú)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，可以利用一片L M393電壓比較器來(lái)完成。電路中利用一個(gè)基準(zhǔn)電壓L M336給比較器L M393的反向輸入端提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓Vz，在同向輸入端輸入一個(gè)電源電壓的參考值，當(dāng)電源正常時(shí)V－＜V＋則L M393將會(huì)輸出一個(gè)高電平，反之當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)則會(huì)輸出一個(gè)低電平。將L M393輸出的電平送入單片機(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(wú)電源消耗的情況下長(zhǎng)期保持在一定的位置，即保持在最后一個(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200 ms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(guò)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(jiàn)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P1.0和P1.1作為磁保持繼電器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

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(guò)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(cè)IC卡余額當(dāng)?shù)扔诹銜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(kāi)始統(tǒng)計(jì)電量；最后檢測(cè)電路是否有漏電、過(guò)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 結(jié) 語(yǔ)

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)最小系統(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，完全可以達(dá)到二級(jí)表的精度要求。液晶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(wú)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。

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