淺談高校公寓電子式預(yù)付費(fèi)電表的介紹與研究

    楊馨

     

    安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

     

    【摘要】學(xué)生公寓內(nèi)用電安全是學(xué)校運(yùn)行中非??傄囊豁?xiàng)工作,節(jié)約用電也是學(xué)校事業(yè)發(fā)展的重要改革措施。利用預(yù)付費(fèi)式電度表是對(duì)每個(gè)學(xué)生寢室的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)過度用電和使用大功率用電措施器進(jìn)行識(shí)別管理,建立用電安全**措施。電度表采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)、AT24C04存儲(chǔ)器EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換器和電度表集成電路SM9903以及液晶顯示器等器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作,編寫匯編程序控制各個(gè)輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)電度表的功能,幫助公寓管理部門做好用電安全管理工作。

    【關(guān)鍵詞】電子式預(yù)付費(fèi)電度表;AT89S52單片機(jī);AT24004存儲(chǔ)器;EEPROM:A/D轉(zhuǎn)換器;集成電路SM9903

     

    1. 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

    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20kw·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)與分析

    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。

    21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SM99O3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)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。

     

    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)無安全控制邏輯,可對(duì)卡內(nèi)部信息不受限制地任意存取;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、標(biāo)付款等應(yīng)用。

    2.3電能測量

     

    電能測量利用集成電路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COMS8位微控制器,具有8K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:8KFlash存儲(chǔ)器,256字節(jié)RAM,32I/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0H z靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式??臻e模式下,CPU在停止工作時(shí),允許RAM、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,RAM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)位電路和震蕩電路是要有的,采用按鍵式復(fù)位電路,晶振采用12M Hz頻率。單片機(jī)的31個(gè)引腳EA/上加一個(gè)高電平,14個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T O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集成電路SM9903SM9903采用3tzm硅柵BICMOS工藝制成。電路設(shè)計(jì),內(nèi)部集成有緩沖放大器、乘法器、V/FA/D轉(zhuǎn)器等電路。模擬部分SM9903和數(shù)學(xué)部分可分開供電,所以可靠性較高。封裝采用DIP30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)1OkQ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)CS2CS1和數(shù)據(jù)/命令選擇端AO分別與單片機(jī)的P22P 21、P20連接;寫信號(hào)WR/和讀信號(hào)R D/分別與單片機(jī)的寫信號(hào)WR/和讀信號(hào)RD/連接;復(fù)位段RST則可以通過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+EL一則可以通過一個(gè)電位器接電源,調(diào)節(jié)屏幕亮度。

    3.4 lC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、卡插入檢測電路、卡短路檢測電路等輔助電路,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P 16控制IC卡座電源的通斷,利用P15檢測IC卡電源有無短路現(xiàn)象發(fā)生,防止潮濕或人為造成的破壞。

    3.5掉電檢測電路設(shè)計(jì)

    掉電檢測電路設(shè)計(jì)比較簡單,可以利用一片L M 393電壓比較器來完成。電路中利用一個(gè)基準(zhǔn)電壓LM336給比較器LM 393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+LM393將會(huì)輸出一個(gè)高電平,反之當(dāng)電源斷開時(shí)則會(huì)輸出一個(gè)低電平。將L M 393輸出的電平送人單片機(jī)的P32作為斷電檢測信號(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,并在無電源消耗的情況下長期保持在一定的位置,即保持在末尾一個(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200ms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P 10P 11作為磁保持繼電器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

    4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)程序主要由檢測IC卡余額程序、顯示程序、檢測漏電、過載保護(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)備用電并開始統(tǒng)計(jì)電量;然后檢測電路是否有漏電、過載等不安全現(xiàn)象發(fā)生,有則斷電并提示等待維修,否則進(jìn)入到IC卡余額檢測環(huán)節(jié)。

     

    系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2

     

     

    5. 安科瑞宿舍預(yù)付費(fèi)電表介紹

     

     

    控制功能

    1、預(yù)付費(fèi)管理控制
      支持預(yù)付費(fèi)功能??稍O(shè)置基礎(chǔ)金額,供免費(fèi)使用;可對(duì)剩余金額進(jìn)行四級(jí)報(bào)警:余額不足報(bào)警(一級(jí))、預(yù)跳閘報(bào)警(二級(jí))、欠費(fèi)報(bào)警(三級(jí))、達(dá)到賒欠上限(四級(jí))報(bào)警。每級(jí)報(bào)警都會(huì)導(dǎo)致電表背光常亮,預(yù)跳閘報(bào)警跳閘方式可設(shè)置為不跳閘、跳閘后自動(dòng)合閘以及跳閘后不合閘等,跳閘后可通過按鍵自行合閘,達(dá)到賒欠上限后電表跳閘,此時(shí)只有繳費(fèi)后才能繼續(xù)合閘使用。

    2、時(shí)間管理控制
      支持時(shí)間管理控制。L1、L2、L3可分別設(shè)置為工作日和節(jié)假日模式,每天上限可設(shè)置8個(gè)時(shí)間段,每個(gè)時(shí)間  段可分別設(shè)置為合閘狀態(tài)或夜間模式,合閘時(shí)間段內(nèi)電表保持合閘,夜間時(shí)間段內(nèi),支路功率若大于夜間允許功率上限便跳閘。

    3、負(fù)載管理控制
    支持豐富的負(fù)載管理控制,具體工作功能如下:
    電流上限限制:限制支路上限電流,支路電流過設(shè)定值時(shí),支路跳閘。
    負(fù)載總功率限制:限制支路上限用電功率,支路功率過設(shè)定值時(shí),支路跳閘。
    夜間功率限制:需要與時(shí)間管理控制共同使用,在夜間模式下,支路電流過設(shè)定值,支路跳閘

    4、惡性負(fù)載識(shí)別:限制支路接入未定義的惡性負(fù)載,當(dāng)支路接入未經(jīng)允許的惡性負(fù)載時(shí),支路跳閘。
    負(fù)載白名單識(shí)別:允許已定義的具有惡性負(fù)載特征的負(fù)載正常使用(如飲水機(jī)等)。
    空調(diào)模式:空調(diào)模式下,電表持續(xù)檢測空調(diào)微弱待機(jī)電流,一但存在拔斷空調(diào)插座的動(dòng)作,電表便跳閘,且只能通過聯(lián)系管理人員進(jìn)行合閘送電。
    允許除空調(diào)模式以外的跳閘動(dòng)作自動(dòng)合閘。允許次數(shù),跳閘等待時(shí)間可設(shè)置。

     

     

     

    6. 結(jié)語

    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)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,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。液晶圖2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖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。

     

    參考文獻(xiàn)

    [1]彭為,黃科,雷道仲.單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006

    [2]楊,大學(xué)生公寓電子式預(yù)付費(fèi)電度表研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào),2013

    [3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)

    [4]安科瑞高校宿舍預(yù)付費(fèi)電控系統(tǒng).2019.11月版


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