【摘要】
學生公寓內用電安全是學校執行中非常總要的一項工作，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。電度表採用
Atmel
公司生產的
AT89S52
微控制器、
AT24C04
儲存器
EEPROM
、
A/D
轉換器和電度表專用積體電路
SM9903
以及液晶顯示器等器件進行設計和製作，編寫彙編程式控制各個輸入輸出裝置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
微控制器；
AT24004
儲存器；
EEPROM：A/D
轉換器；積體電路
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採用能讀取
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
（
誤差範圍為
2）
的進度；②要求
IC
卡的保密性高。③電度表正常工作時，能顯示剩餘電能值、已用電能值，使學生能夠直觀地瞭解電度表的工作是否正常及用電負荷的大小。④當表內剩餘電能不足
20kw
·
h（
數值可根據需求由公寓管理部門調節
）
時，能夠提醒學生餘電不足，及時購電。⑤具有掉電保護功能，當停電時能將所有資料儲存，恢復供電後繼續顯示所有資料。
2。
系統設計與分析
預付費電度表雖然只是不同計量器具，但是由於微控制器的引入，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式出錯，比如各種資料丟失、改變、微處理器宕機等情況發生。在常年不間斷執行的情況下要求裝置高質量和高可靠的執行，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
對電流和電壓分別取樣，先透過模擬乘法器相乘，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）
變換成頻率訊號
f
，微控制器對頻率訊號
f
進行累加，便可得到電能。系統框圖如圖
1
所示。採用這種方法硬體成本低、程式設計簡單而且對
CPU
要求低，完全可以採用
AT89S52
微控制器進行控制，而且現有積體電路
SM99O3
將模擬乘法器、低通濾波器和
V/F
變換器整合在一起，其效能指標遠遠高於分立元件。並且採用整合的液晶顯示屏大大降低了裝置功耗，還可以顯示數字，介面清晰、明瞭。
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，由於是學校內部進行購電因此可以採用非加密儲存器式
IC
卡，這種卡內嵌入晶片為通用儲存器晶片，主要特點是卡內嵌入通用
EEPROM
；卡內無安全控制邏輯，可對卡內部資訊不受限制地任意存取；多采用
2
線序列通訊協議
（I2C
匯流排協議
）
或是
3
線序列通訊協議
（SPI
協議
）
採用這種方式的
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
電能測量利用積體電路
SM9903
，晶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後轉換為頻率輸出，微控制器對輸出的脈衝訊號進行累計計數就能夠得到電能數量。
3。
硬體電路設計
3。1
控制電路設計
AT89S52
是一種低功耗、高效能
COMS8
位微控制器，具有
8K
系統可程式設計
Flash
儲存器。產品指令和引腳完全相容
MCS51
系列微控制器。片內
Flash
允許程式儲存器在系統可程式設計。
AT89S52
包括：
8KFlash
儲存器，
256
位元組
RAM
，
32
位
I/O
埠，看門狗定時器，
2
個數據指標，
3
個
16
位定時器
/
計數器，
1
個
6
向量
2
級中斷結構，全雙工序列口，片內晶振及時鐘電路。
AT89S52
還可以可降至
0H z
靜態邏輯操作，支援
2
種軟體可選擇節電模式。空閒模式下，
CPU
在停止工作時，允許
RAM
、定時器
/
計數器、串列埠、中斷繼續工作。掉電保護方式下，
RAM
內容被儲存，振盪器被凍結，微控制器一切工作停止，直到下一個中斷或硬體復位為止。
系統中復位電路和震盪電路是要有的，採用按鍵式復位電路，晶振採用
12M Hz
頻率。微控制器的第
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
輸出的頻率訊號進行累加計算。
3。2
電能計量電路設計
電能計量電路採用了電度表專用積體電路
SM9903
。
SM9903
採用
3tzm
矽柵
BICMOS
工藝製成。電路設計先進，內部整合有緩衝放大器、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。封裝採用
DIP30
塑封。
3。3
顯示電路設計
顯示部分採用
SMG12232B-2
液晶顯示屏，顯示各種資訊。
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，螢幕解析度為
122
×
32
點陣。
SMG12232B-2
液晶顯示屏與微控制器之間採用匯流排方式連線。在微控制器
AT89S52
的每條資料匯流排上都加一個
1OkQ
上拉電阻然後再和液晶屏的每個資料引腳連線；液晶屏的片選訊號
CS2
、
CS1
和資料
/
命令選擇端
AO
分別與微控制器的
P2
．
2
、
P 2
．
1
、
P2
．連線；寫訊號
WR/
和讀訊號
R D/
分別與微控制器的寫訊號
WR/
和讀訊號
RD/
連線；復位段
RST
則可以透過按鍵連線高電平或是直接接地；背光源驅動電壓輸入端
EL+
和
EL
一則可以透過一個電位器接電源，調節螢幕亮度。
3。4 lC
卡介面電路
IC
卡介面電路用於儲存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，結合彙編程式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微控制器的
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，防止潮溼或人為造成的破壞。
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
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
輸出的電平送人微控制器的
P3
．
2
作為斷電檢測訊號。
3。6
磁保持繼電器驅動電路設計
磁保持繼電器能在脈衝的作用下進行動作，並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衝指令的狀態。由於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於航天、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
的反向脈衝即可。隨後不需要任何驅動。這就大大節省了能量，降低了消耗。
H
橋電路在驅動訊號的驅動下，使繼電器線圈透過雙向脈衝電流，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衝驅動，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，尤其適合於預付費電能計量系統。分別利用微控制器的
I/O
埠
P 1
．
和
P 1
．
1
作為磁保持繼電器的驅動訊號。
4。
軟體系統設計
系統程式主要由檢測
IC
卡餘額程式、顯示程式、檢測漏電、過載保護程式和斷電程式等部分構成。上電之初首先檢測
IC
卡餘額當等於零時系統斷電並提示餘額不足，否則系統上電並顯示相應資訊，然後判斷是否有用電裝置用電並開始統計電量；然後檢測電路是否有漏電、過載等不安全現象發生，有則斷電並提示等待維修，否則進入到
IC
卡餘額檢測環節。
系統程式設計流程圖如圖
2
。
5。
安科瑞宿舍預付費電錶介紹
控制功能
1
、預付費管理控制 支援預付費功能。可設定基礎金額，供免費使用；可對剩餘金額進行四級報警：餘額不足報警（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錶背光常亮，預跳閘報警跳閘方式可設定為不跳閘、跳閘後自動合閘以及跳閘後不合閘等，跳閘後可透過按鍵自行合閘，達到賒欠上限後電錶跳閘，此時只有繳費後才能繼續合閘使用。
2
、時間管理控制 支援時間管理控制。
L1
、
L2
、
L3
可分別設定為工作日和節假日模式，每天上限可設定
8
個時間段，每個時間段可分別設定為合閘狀態或夜間模式，合閘時間段內電錶保持合閘，夜間時間段內，支路功率若大於夜間允許功率上限便跳閘。
3
、負載管理控制支援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徵的負載正常使用（如飲水機等）。空調模式：空調模式下，電錶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，電錶便跳閘，且只能透過聯絡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，跳閘等待時間可設定。
6。
結語
雞西大學學生公寓電子式電度表利用
AT89S52
微控制器作為控制部件，其不需要再進行外部擴充套件，採用微控制器系統。系統中還專門採用了電子電度表整合晶片
SM9903
，使硬體電路設計方便靈活，為微控制器減少負擔，程式設計容易，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
系統程式設計流程圖顯示屏成本低效果好，顯示資料直觀、內容豐富，還大大降低了功耗。為提高電壓表的可靠性，採用了掉電保護措施，為進一步降低功耗，繼電器採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。