高校宿舍预付费电表的设计及其应用

【摘要】学生公寓内用电安全是学校运行中非常总要的一项工作，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。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；AT89S52单片机；AT24004存储器；EEPROM:A/D转换器；集成电路SM9903

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IC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IC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20kw·h(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，得到一个与功率P成正比的模拟电压(或是电流)，再利用V/F变换(或是I/F)变换成频率信号f，单片机对频率信号f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CPU要求低，*可以采用AT89S52单片机进行控制，而且现有集成电路SM99O3将模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器集成在一起，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IC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EEPROM；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(I2C总线协议)或是3线串行通信协议(SPI协议)采用这种方式的IC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SM9903，芯片内包含了四象限模拟乘法器、积分器、电压/频率转换器VFC、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是一种低功耗、高性能COMS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。产品指令和引脚*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，单片机一切工作停止，直到下一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。单片机的第31个引脚EA/上加一个高电平，14个定时/计数器T O上接一个型号为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SM9903。SM9903采用3tzm硅栅BICMOS工艺制成。电路设计先进，内部集成有缓冲放大器、乘法器、V/F型A/D转器等电路。模拟部分SM9903和数学部分可分开供电，所以可靠性较高。封装采用DIP30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一个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一则可以通过一个电位器接电源，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一步加强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，可以利用一片L M 393电压比较器来完成。电路中利用一个基准电压LM336给比较器LM 393的反向输入端提供一个基准电压Vz，在同向输入端输入一个电源电压的参考值，当电源正常时V一<V+则LM393将会输出一个高电平，反之当电源断开时则会输出一个低电平。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一定的位置，即保持在末尾一个脉冲指令的状态。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200ms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IC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。上电之初首先检测IC卡余额当等于零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IC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（一级）、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，一但存在拔断空调插座的动作，电表便跳闸，且只能通过联xi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AT89S52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SM9903，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，为进一步降低功耗，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[M]．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[J].长江大学学报，2013

[3]安科瑞企业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