【关键词】电子式预支费电度表；AT89S52单片机；AT24004存储器；EEPROM:A/D转换器；集成电路SM9903
1. 设计任务与哀求
设计单相电子式预支费电度表的紧张任务是采取能读取IC卡的电度表。紧张哀求是：①电能计量准确、精度高，哀求至少达到二级表(偏差范围为2)的进度；②哀求IC卡的保密性高。③电度表正常事情时，能显示剩余电能值、已用电能值，使学生能够直不雅观地理解电度表的事情是否正常及用电负荷的大小。④当表内剩余电能不敷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敷，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，规复供电后连续显示所有数据。
2. 系统设计与剖析
预支费电度表虽然只是不同计量用具，但是由于微掌握器的引入，对设计的哀求就会很高。由于由电源引入的滋扰很随意马虎导致程序出错，比如各种数据丢失、改变、微处理器去世机等情形发生。在常年不间断运行的情形下哀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，先通过仿照乘法器相乘，得到一个与功率P成正比的仿照电压(或是电流)，再利用V/F变换(或是I/F)变换成频率旗子暗记f，单片机对频率旗子暗记f进行累加，便可得到电能。系统框图如图1所示。采取这种方法硬件本钱低、程序设计大略而且对CPU哀求低，完备可以采取AT89S52单片机进行掌握，而且现有集成电路SM99O3将仿照乘法器、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。并且采取集成的液晶显示屏大大降落了设备功耗，还可以显示数字，界面清晰、明了。
2.2预支费系统方案设计
IC卡可以作为发卖电能的传输媒质，由于是学校内部进行购电因此可以采取非加密存储器式IC卡，这种卡内嵌入芯片为通用存储器芯片，紧张特点是卡内嵌入通用EEPROM；卡内无安全掌握逻辑，可对卡内部信息不受限定地任意存取；多采取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)采取这种办法的IC卡紧张可以针对单位或是学校内部进行定量用电、超标付款等运用。
2.3电能丈量
电能丈量利用集成电路SM9903，芯片内包含了四象限仿照乘法器、积分器、电压/频率转换器VFC、计数器(分频器)及掌握逻辑，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旗子暗记进行累计计数就能够得到电能数量。
3. 硬件电路设计
3.1掌握电路设计
AT89S52是一种低功耗、高性能COMS8位微掌握器，具有8K系统可编程Flash存储器。产品指令和引脚完备兼容MCS51系列单片机。片内Flash许可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级中断构造，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在停滞事情时，许可RAM、定时器/计数器、串口、中断连续事情。掉电保护办法下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机统统事情停滞，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，采取按键式复位电路，晶振采取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输出的频率旗子暗记进行累加打算。
3.2电能计量电路设计
电能计量电路采取了电度表专用集成电路SM9903。SM9903采取3tzm硅栅BICMOS工艺制成。电路设计前辈，内部集成有缓冲放大器、乘法器、V/F型A/D转器等电路。仿照部分SM9903和数学部分可分开供电，以是可靠性较高。封装采取DIP30塑封。
3.3显示电路设计
显示部分采取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，电路大略，屏幕分辨率为122×32点阵。SMG12232B-2液晶显示屏与单片机之间采取总线办法连接。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；液晶屏的片选旗子暗记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；写旗子暗记WR/和读旗子暗记R D/分别与单片机的写旗子暗记WR/和读旗子暗记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紧张路子。必须提高Ic卡操作的可靠性，哀求有卡高下电控电路、卡插入检测电路、卡短路检测电路等赞助电路，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掌握IC卡座电源的通断，利用P1．5检测IC卡电源有无短路征象发生，防止湿润或人为造成的毁坏。
3.5掉电检测电路设计
掉电检测电路设计比较大略，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的反向输入端供应一个基准电压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作为断电检测旗子暗记。
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浸染下进行动作，并在无电源花费的情形下长期保持在一定的位置，即保持在末端一个脉冲指令的状态。由于具有双稳态和影象的功能，且能耗低，因此磁保持继电器广泛利用于航天、铁路以及电气丈量等领域。磁保持继电器正常事情时不须要加驱动电流，只在须要改变触点状态时加上200ms的反向脉冲即可。随后不须要任何驱动。这就大大节省了能量，降落了花费。
H桥电路在驱动旗子暗记的驱动下，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接管电路。同时，考虑到磁保持继电器是脉冲驱动，对电源的哀求不高，以是这种驱动电源设计大略可靠、本钱低廉、体积小，尤其适宜于预支费电能计量系统。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旗子暗记。
4. 软件系统设计
系统程序紧张由检测IC卡余额程序、显示程序、检测泄电、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卡余额当即是零时系统断电并提示余额不敷，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泄电、过载等不屈安征象发生，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. 安科瑞宿舍预支费电表先容
掌握功能
1、预支费管理掌握
支持预支费功能。可设置根本金额，供免费利用；可对剩余金额进行四级报警：余额不敷报警（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，预跳闸报警跳闸办法可设置为不跳闸、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连续合闸利用。
2、韶光管理掌握
支持韶光管理掌握。L1、L2、L3可分别设置为事情日和节假日模式，每天上限可设置8个韶光段，每个韶光 段可分别设置为合闸状态或夜间模式，合闸韶光段内电表保持合闸，夜间韶光段内，岔路支路功率若大于夜间许可功率上限便跳闸。
3、负载管理掌握
支持丰富的负载管理掌握，详细事情功能如下：
电流上限限定：限定岔路支路上限电流，岔路支路电流超过设定值时，岔路支路跳闸。
负载总功率限定：限定岔路支路上限用电功率，岔路支路功率超过设定值时，岔路支路跳闸。
夜间功率限定：须要与韶光管理掌握共同利用，在夜间模式下，岔路支路电流超过设定值，岔路支路跳闸
4、恶性负载识别：限定岔路支路接入未定义的恶性负载，当岔路支路接入未经许可的恶性负载时，岔路支路跳闸。
负载白名单识别：许可已定义的具有恶性负载特色的负载正常利用（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，且只能通过联系管理职员进行合闸送电。
许可除空调模式以外的跳闸动作自动合闸。许可次数，跳闸等待韶光可设置。
6. 结语
鸡西大学学生公寓电子式电度表利用AT89S52单片机作为掌握部件，其不须要再进行外部扩展，采取单片机系统。系统中还专门采取了电子电度表集成芯片SM9903，使硬件电路设计方便灵巧，为单片机减少包袱，编程随意马虎，而且电能计量精度较高，完备可以达到二级表的精度哀求。液晶图2系统程序设计流程图显示屏本钱低效果好，显示数据直不雅观、内容丰富，还大大降落了功耗。为提高电压表的可靠性，采取了掉电保护方法，为进一步降落功耗，继电器采取无须常加电的磁保持继电器。全体系统安全可靠，功耗小，本钱低，为学校节约能源降落传授教化本钱起到了主要浸染。
参考文献
[1]彭为，黄科，雷道仲．单片机范例系统设计实例精讲[M]．北京：电子工业出版社，2006
[2]杨超，大学生公寓电子式预支费电度表研究[J].长江大学学报，2013
[3]安科瑞企业微电网设计与运用手册
[4]安科瑞高校宿舍预支费电控系统.2019.11月版
作者简介：张豪，男，安科瑞电气株式会社，紧张从事电气防火限流式保护器的研发与运用
