張彥航，張 軍，鮮 寧

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150001；2黑龍江省商業(yè)職工醫(yī)院，哈爾濱150010；3.北京航空航天大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院，北京100191）

基于PIC16F917單片機(jī)的預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計

張彥航1，張 軍2，鮮 寧3

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150001；2黑龍江省商業(yè)職工醫(yī)院，哈爾濱150010；3.北京航空航天大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院，北京100191）

預(yù)付費(fèi)電能表是實行“先購電，后用電”的一種計量裝置。系統(tǒng)以單片機(jī)為主控核心，集電能采集、數(shù)據(jù)處理、寫卡、顯示及控制等多種功能為一體。設(shè)計實現(xiàn)的智能預(yù)付費(fèi)電能表具有穩(wěn)定性強(qiáng)、實時性好及使用方便等特點(diǎn)，不僅克服了手工抄表缺乏智能化的缺點(diǎn)，而且能適應(yīng)多種應(yīng)用狀況，具有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用價值。

單片機(jī)；預(yù)付費(fèi)；電能表

1 引 言

近年來，隨著節(jié)能減排理念的增強(qiáng)以及行業(yè)服務(wù)意識的提高，非接觸式IC卡技術(shù)得到了廣泛關(guān)注［1-3］，目前在電表、水表、燃?xì)獗硪约芭瘹鉄崃Ρ碇幸殃懤m(xù)開始采用非接觸式IC卡作為抄表收費(fèi)、控制以及數(shù)據(jù)管理的媒介。預(yù)付費(fèi)電能表作為其中的一個典型應(yīng)用，又稱為“IC卡電能表”，是實行“先購電，后用電”的一種計量裝置，按存儲方式的不同主要分為投幣式、磁卡式、光卡式和電卡式（又稱電子鑰匙或IC卡）等幾種［4］。隨著微電子技術(shù)、自動控制、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，預(yù)付費(fèi)電能表技術(shù)也在不斷進(jìn)步，從最初的感應(yīng)式電能表到電子式電能表，從單一計費(fèi)功能的電能表到多費(fèi)率、多功能電能表，從人工抄表發(fā)展到遠(yuǎn)程自動抄表。設(shè)計實現(xiàn)的預(yù)付費(fèi)電能表以PIC16F917單片機(jī)［5］為主控核心，采用目前應(yīng)用最為廣泛的IC卡技術(shù)，該系統(tǒng)不僅具有實時性強(qiáng)、安全性高的特點(diǎn)，而且具備脫線應(yīng)用能力，在克服傳統(tǒng)電能表功能單一、缺少智能化缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，能滿足不同程度的多種應(yīng)用需求，為人們提供更高品質(zhì)以及更便捷的生產(chǎn)和生活環(huán)境。

2 系統(tǒng)總體功能

電能表主要由電能計量單元及數(shù)據(jù)處理單元兩個功能模塊組成，通過光耦取樣器獲得與電能量相對應(yīng)的脈沖，并通過專用微處理器，完成電能采集、數(shù)據(jù)處理、寫卡、顯示及控制等功能。本系統(tǒng)由單片機(jī)、電能計量、射頻接口、數(shù)碼顯示以及鳴響提示等模塊組成，主要模塊所需的關(guān)鍵芯片及器件包括：PIC16F917單片機(jī)、ADE7755電能芯片、FM1702SL射頻接口芯片、XC2023磁繼電器拉合閘控制、數(shù)碼管、發(fā)光二極管及蜂鳴器等。硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框架圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 電源電路

為提高系統(tǒng)的抗干擾性，設(shè)計了兩個獨(dú)立的電源電路，使計量與微控制器的電源相互隔離，達(dá)到互不影響的目的，如圖2所示。

圖2 電源電路

3.2 脈沖采集電路

計量芯片將累積的電能量以脈沖的形式輸出，單片機(jī)通過計算此輸出脈沖得到用戶所用電量，并以此來判斷是否欠費(fèi)，是否需要鳴響報警等。脈沖采集電路如圖3所示，將光電耦合器件的一端加5V上拉，沒有脈沖時單片機(jī)檢測引腳為低電平，當(dāng)有脈沖通過時，單片機(jī)檢測引腳為高電平，單片機(jī)產(chǎn)生中斷響應(yīng)并完成計數(shù)。

圖3 脈沖采集電路

3.3 計量電路

計量電路原理如圖4所示，電能表的精度誤差由電壓通道的10片串連電阻值控制，其中R12至 R24為上拉電阻，R8為下拉電阻。電流通道采樣由錳銅分流器完成，經(jīng)磁環(huán)Z4和Z5、電阻R1和R2以及電容C1和C2構(gòu)成低通濾波器。針對電能表的增益和選頻，為方便選擇各種電壓、電流以及常數(shù)的配置，特將該五個點(diǎn)設(shè)計成斷點(diǎn)式連接方式，使靈活性更強(qiáng)。

3.5 射頻接口電路

射頻接口電路如圖5所示，MISO、SCK、MOSI、MSS及RSTPD為射頻接口芯片F(xiàn)M1702SL與單片機(jī)的5個連接端口。FM1702SL在使用時需要在TVDD和TVSS之間接入一個0.1uF的電容。VMID引腳的接地電容為標(biāo)稱值10nF。對于數(shù)字與模擬電源的5V和地分別另加磁環(huán)做濾波處理。TX1、TX2及RX引線應(yīng)盡量短，并用數(shù)字地做屏蔽處理，以免干擾電源信號。天線為13.56M，線圈面積用標(biāo)準(zhǔn)卡大小，圈數(shù)為3～5圈。

3.6 顯示電路

本系統(tǒng)顯示電路采用共陰極型數(shù)碼管動態(tài)顯示當(dāng)前電能信息。數(shù)碼管通過1K限流電阻與單片機(jī)連接，數(shù)碼管控制端用三極管9013的開關(guān)特性，當(dāng)9013基極為高時，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，從而控制相應(yīng)位的數(shù)碼管導(dǎo)通。

圖4 計量電路

圖5 射頻接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。電能表加額定電壓時首先進(jìn)行初始化操作，包括變量設(shè)置、周圍設(shè)備配置，設(shè)置I／0口輸出方向及輸出值等。主程序中包含多個子程序，如：尋卡子程序、顯示子程序、脈沖中斷子程序、掉電檢測子程序、拉合閘子程序以及電壓監(jiān)測子程序、讀／寫EEPROM子程序、電量處理子程序等。

4.1 脈沖中斷子程序

ADE7755發(fā)出的電能脈沖經(jīng)光電耦合器送入PIC16F917的電平變化中斷端口，當(dāng)有電平變化時，單片機(jī)產(chǎn)生中斷響應(yīng)，并進(jìn)行電平毛刺處理。根據(jù)設(shè)置的脈沖當(dāng)量（1KWh對應(yīng)的脈沖數(shù)），由單片機(jī)對脈沖計數(shù)。將電量顯示的最低小數(shù)位（通常為0.01KWh）對應(yīng)的脈沖數(shù)設(shè)置為一個計數(shù)周期，每當(dāng)單片機(jī)的計數(shù)達(dá)到這個數(shù)值時，置電量標(biāo)志位為1，以備主程序?qū)﹄娏窟M(jìn)行存儲。當(dāng)賒欠電量標(biāo)志為1時，說明剩余電量已經(jīng)計完，則剩余電量將不再遞減，而是在賒欠電量中遞加，程序流程圖如圖7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 脈沖中斷流程圖

4.2 低壓檢測中斷子程序

低壓檢測模塊用于執(zhí)行中斷驅(qū)動的電源電壓檢測功能。電壓檢測監(jiān)視內(nèi)部電源電壓，當(dāng)電壓低于4V時（正常工作電壓為5V），單片機(jī)響應(yīng)低電壓中斷程序，置電壓低于4V標(biāo)志位，以備主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，程序流程圖如圖8所示。

圖8 低壓檢測中斷流程圖

5 結(jié)束語

以單片機(jī)為主控核心，設(shè)計實現(xiàn)了集電能采集、數(shù)據(jù)處理、寫卡、顯示及控制等多種功能為一體的智能預(yù)付費(fèi)電能表系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、使用方便，能完成電力系統(tǒng)的開戶、售電及撤表等相關(guān)操作，對預(yù)付費(fèi)電能表用戶的購電、用電活動實現(xiàn)全過程管理。不僅可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)排灌與居民照明，還可以應(yīng)用在工礦企業(yè)等大用戶場合，具有廣闊的市場發(fā)展前景和應(yīng)用價值。

［1］孫君曼，孫慧君，張懷德，等.智能預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009，24（1）：91-96.

［2］閆群民.基于非接觸式IC卡的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2009，17（1）：215-217.

［3］王志梁，郭軼敏，陳曉穎.非接觸卡式預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計及應(yīng)用［J］.電氣時空，2008（5）：20-21.

［4］劉銳.推廣預(yù)付費(fèi)電能表，創(chuàng)新電力營銷模式［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（4）：147-149.

［5］李學(xué)海.PIC單片機(jī)實用教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

Design of Electronic Prepayment Energy Meter Based on PIC16F917 Microcontroller

ZHANG Yan-hang1，ZHANG Jun2，XIAN Ning3
（1.School of Computer Science and Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.Commercialworkers＇hospital of Heilongjiang Province，Harbin 150010，China；3.Institute of Science and Technology，Beijing University of Aeronautics＆Astronautics，Beijing 100191，China）

Prepayment energy meter is a kind of measurement device which is used for electric paying.The device employs themicrocontroller as the corewith themain modules such as electric energy collection module，data processingmodule，card read-write controlmodule，digital displaymodule and so on.The proposed intelligent device has good performance such as stronger stability，higher real-time level and easy to use.Moreover，the new electrical meter overcomes disadvantage of low intelligence because ofmanual operation.The designed prepayment energy meter can be used in different environments and has great prospect for development and application.

Microcontroller；Prepayment；Energy Meter

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.03.025

TP391

：A

：1002-2279（2014）03-0092-04

張彥航（1971-），女，吉林省大安市人，博士，主研方向：信號檢測、信息融合。

2013-09-07