产品展示
PRODUCT DISPLAY
技术支持您现在的位置:首页 > 技术支持 > 浅谈高校公寓电子式预付费电表的介绍与研究
浅谈高校公寓电子式预付费电表的介绍与研究
  • 发布日期:2020-07-05      浏览次数:50
    • 蒋超萍

      江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405

      【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。电度表采用Atmel公司生产的AT89S52单片机、AT24C04存储器EEPROM、A/D转换器和电度表专用集成电路SM9903以及液晶显示器等器件进行设计和制作,编写汇编程序控制各个输入输出设备实现预付费电度表的功能,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,完全可以采用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。产品指令和引脚完全兼容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专用集成电路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。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

      单相预付费电能表ADM130

      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(yi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,完全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。

    联系方式
    • 电话

      0510-86179837

    • 手机

      18860995252

    在线客服