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技術文章

淺談高校公寓電子式預付費電表的介紹與研究

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淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 

【摘要】學生公寓內用電安全是學校運行中非??傄囊豁椆ぷ?,節約用電也是學校事業發展的重要改革措施。利用預付費式電度表是對每個學生寢室的用電情況進行實時監控,對過度用電和使用大功率用電措施器進行識別管理,建立用電安全保障措施。電度表采用Atmel公司生產的AT89S52單片機、AT24C04存儲器EEPROM、A/D轉換器和電度表集成電路SM9903以及液晶顯示器等器件進行設計和制作,編寫匯編程序控制各個輸入輸出設備實現預付費電度表的功能,幫助公寓管理部門做好用電安全管理工作。

【關鍵詞】電子式預付費電度表;AT89S52單片機;AT24004存儲器;EEPROM:A/D轉換器;集成電路SM9903

 

 

1. 設計任務與要求

設計單相電子式預付費電度表的主要任務是采用能讀取IC卡的電度表。主要要求是:①電能計量準確、精度高,要求至少達到二級表(誤差范圍為2)的進度;②要求IC卡的保密性高。③電度表正常工作時,能顯示剩余電能值、已用電能值,使學生能夠直觀地了解電度表的工作是否正常及用電負荷的大小。④當表內剩余電能不足20kw·h(數值可根據需求由公寓管理部門調節)時,能夠提醒學生余電不足,及時購電。⑤具有掉電保護功能,當停電時能將所有數據保存,恢復供電后繼續顯示所有數據。

 

2. 系統設計與分析

預付費電度表雖然只是不同計量器具,但是由于微控制器的引入,對設計的要求就會很高。因為由電源引入的干擾很容易導致程序出錯,比如各種數據丟失、改變、微處理器死機等情況發生。在常年不間斷運行的情況下要求設備高質量和高可靠的運行,尤其是在東北地區冬夏溫差大的惡劣條件下。

2.1電能計量系統方案設計

對電流和電壓分別采樣,先通過模擬乘法器相乘,得到一個與功率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f,單片機對頻率信號f進行累加,便可得到電能。系統框圖如圖1所示。采用這種方法硬件成本低、程序設計簡單而且對CPU要求低,完全可以采用AT89S52單片機進行控制,而且現有集成電路SM99O3將模擬乘法器、低通濾波器和V/F變換器集成在一起,其性能指標遠遠高于分立元件。并且采用集成的液晶顯示屏大大降低了設備功耗,還可以顯示數字,界面清晰、明了。

 

2.2預付費系統方案設計

IC卡可以作為銷售電能的傳輸媒質,由于是學校內部進行購電因此可以采用非加密存儲器式IC卡,這種卡內嵌入芯片為通用存儲器芯片,主要特點是卡內嵌入通用EEPROM;卡內無安全控制邏輯,可對卡內部信息不受限制地任意存??;多采用2線串行通信協議(I2C總線協議)或是3線串行通信協議(SPI協議)采用這種方式的IC卡主要可以針對單位或是學校內部進行定量用電、超標付款等應用。

2.3電能測量

 

電能測量利用集成電路SM9903,芯片內包含了四象限模擬乘法器、積分器、電壓/頻率轉換器VFC、計數器(分頻器)及控制邏輯,其能將正弦電壓和電流相乘后轉換為頻率輸出,單片機對輸出的脈沖信號進行累計計數就能夠得到電能數量。

 

3. 硬件電路設計

3.1控制電路設計

 

AT89S52是一種低功耗、高性能COMS8位微控制器,具有8K系統可編程Flash存儲器。產品指令和引腳完全兼容MCS51系列單片機。片內Flash允許程序存儲器在系統可編程。AT89S52包括:8KFlash存儲器,256字節RAM,32位I/O端口,看門狗定時器,2個數據指針,3個16位定時器/計數器,1個6向量2級中斷結構,全雙工串行口,片內晶振及時鐘電路。AT89S52還可以可降至0H z靜態邏輯操作,支持2種軟件可選擇節電模式??臻e模式下,CPU在停止工作時,允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下,RAM內容被保存,振蕩器被凍結,單片機一切工作停止,直到下一個中斷或硬件復位為止。

系統中復位電路和震蕩電路是要有的,采用按鍵式復位電路,晶振采用12M Hz頻率。單片機的第31個引腳EA/上加一個高電平,14個定時/計數器T O上接一個型號為TL521的光耦,利用這個光耦將SM9903輸出的頻率信號進行累加計算。

3.2電能計量電路設計

電能計量電路采用了電度表集成電路SM9903。SM9903采用3tzm硅柵BICMOS工藝制成。電路設計先進,內部集成有緩沖放大器、乘法器、V/F型A/D轉器等電路。模擬部分SM9903和數學部分可分開供電,所以可靠性較高。封裝采用DIP30塑封。

3.3顯示電路設計

顯示部分采用SMG12232B-2液晶顯示屏,顯示各種信息。SMG12232B-2液晶顯示屏特點是顯示內容豐富(可顯示漢字),功耗小,可靠性高,電路簡單,屏幕分辨率為122×32點陣。SMG12232B-2液晶顯示屏與單片機之間采用總線方式連接。在單片機AT89S52的每條數據總線上都加一個1OkQ上拉電阻然后再和液晶屏的每個數據引腳連接;液晶屏的片選信號CS2、CS1和數據/命令選擇端AO分別與單片機的P2.2、P 2.1、P2.0連接;寫信號WR/和讀信號R D/分別與單片機的寫信號WR/和讀信號RD/連接;復位段RST則可以通過按鍵連接高電平或是直接接地;背光源驅動電壓輸入端EL+和EL一則可以通過一個電位器接電源,調節屏幕亮度。

3.4 lC卡接口電路

IC卡接口電路用于存儲由售電管理系統寫入的密碼、卡號、電度數等,是公寓管理部門管理每個學生公寓的主要途徑。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,結合匯編程序設計可以進一步加強IC卡的讀寫準確性和可靠性。在電路設計上可以利用單片機的P 1.6控制IC卡座電源的通斷,利用P1.5檢測IC卡電源有無短路現象發生,防止潮濕或人為造成的破壞。

3.5掉電檢測電路設計

掉電檢測電路設計比較簡單,可以利用一片L M 393電壓比較器來完成。電路中利用一個基準電壓LM336給比較器LM 393的反向輸入端提供一個基準電壓Vz,在同向輸入端輸入一個電源電壓的參考值,當電源正常時V一<V+則LM393將會輸出一個高電平,反之當電源斷開時則會輸出一個低電平。將L M 393輸出的電平送人單片機的P3.2作為斷電檢測信號。

3.6磁保持繼電器驅動電路設計

磁保持繼電器能在脈沖的作用下進行動作,并在無電源消耗的情況下長期保持在一定的位置,即保持在末尾一個脈沖指令的狀態。由于具有雙穩態和記憶的功能,且能耗低,因此磁保持繼電器廣泛運用于航天、鐵路以及電氣測量等領域。磁保持繼電器正常工作時不需要加驅動電流,只在需要改變觸點狀態時加上200ms的反向脈沖即可。隨后不需要任何驅動。這就大大節省了能量,降低了消耗。

  H橋電路在驅動信號的驅動下,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。作為負載的磁保持繼電器內部是感性線圈,通態電阻較小,且負載上面的電流、電壓不能突變。因此H橋主電路的MOSFET端設計常見的RCD吸收電路。同時,考慮到磁保持繼電器是脈沖驅動,對電源的要求不高,所以這種驅動電源設計簡單可靠、成本低廉、體積小,尤其適合于預付費電能計量系統。分別利用單片機的I/O端口P 10P 11作為磁保持繼電器的驅動信號。

4. 軟件系統設計

系統程序主要由檢測IC卡余額程序、顯示程序、檢測漏電、過載保護程序和斷電程序等部分構成。上電之初首先檢測IC卡余額當等于零時系統斷電并提示余額不足,否則系統上電并顯示相應信息,然后判斷是否有用電設備用電并開始統計電量;然后檢測電路是否有漏電、過載等不安全現象發生,有則斷電并提示等待維修,否則進入到IC卡余額檢測環節。

 

系統程序設計流程圖如圖2。

 

 

5. 安科瑞宿舍預付費電表介紹

 

 

控制功能

1、預付費管理控制
  支持預付費功能??稍O置基礎金額,供免費使用;可對剩余金額進行四級報警:余額不足報警(一級)、預跳閘報警(二級)、欠費報警(三級)、達到賒欠上限(四級)報警。每級報警都會導致電表背光常亮,預跳閘報警跳閘方式可設置為不跳閘、跳閘后自動合閘以及跳閘后不合閘等,跳閘后可通過按鍵自行合閘,達到賒欠上限后電表跳閘,此時只有繳費后才能繼續合閘使用。

2、時間管理控制
  支持時間管理控制。L1、L2、L3可分別設置為工作日和節假日模式,每天上限可設置8個時間段,每個時間  段可分別設置為合閘狀態或夜間模式,合閘時間段內電表保持合閘,夜間時間段內,支路功率若大于夜間允許功率上限便跳閘。

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

4、惡性負載識別:限制支路接入未定義的惡性負載,當支路接入未經允許的惡性負載時,支路跳閘。
負載白名單識別:允許已定義的具有惡性負載特征的負載正常使用(如飲水機等)。
空調模式:空調模式下,電表持續檢測空調微弱待機電流,一但存在拔斷空調插座的動作,電表便跳閘,且只能通過聯系管理人員進行合閘送電。
允許除空調模式以外的跳閘動作自動合閘。允許次數,跳閘等待時間可設置。

 

 

 

6. 結語

雞西大學學生公寓電子式電度表利用AT89S52單片機作為控制部件,其不需要再進行外部擴展,采用單片機系統。系統中還專門采用了電子電度表集成芯片SM9903,使硬件電路設計方便靈活,為單片機減少負擔,編程容易,而且電能計量精度較高,完全可以達到二級表的精度要求。液晶圖2系統程序設計流程圖顯示屏成本低效果好,顯示數據直觀、內容豐富,還大大降低了功耗。為提高電壓表的可靠性,采用了掉電保護措施,為進一步降低功耗,繼電器采用無須常加電的磁保持繼電器。整個系統安全可靠,功耗小,成本低,為學校節約能源降低教學成本起到了重要作用。

 

參考文獻

[1]彭為,黃科,雷道仲.單片機典型系統設計實例精講[M].北京:電子工業出版社,2006

[2]楊超,大學生公寓電子式預付費電度表研究[J].長江大學學報,2013

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊

[4]安科瑞高校宿舍預付費電控系統.2019.11月版

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