自助下单地址（拼多多砍价，ks/qq/dy赞等业务）：点我进入

【摘要】学生公寓的用电安全是学校运行中一项十分重要的工作。 节约用电也是学校发展的一项重要改革措施。 使用预付费电能表，实时监测每个学生宿舍用电情况，识别和管理超额用电和使用大功率用电措施，建立用电安全保护措施。 该电能表采用Atmel公司生产的AT89S52单片机、AT24C04存储器EEPROM、A/D转换器、电能表专用集成电路SM9903和液晶显示器等设计制作，编写汇编程序控制各种输入输出设备，实现预付费用电。 电表的功能可以帮助公寓管理部门做好用电安全管理工作。

【关键词】电子预付费电度表； AT89S52单片机； AT24004内存； EEPROM：A/D转换器； 集成电路SM9903

一、设计任务及要求

设计单相电子式预付费电能表的主要任务是采用可读IC卡电能表。 主要要求是：①准确、高精度的电能计量，至少达到秒表级（误差范围为2）； ② IC卡的保密性要求高。 ③ 电能表正常工作时，可以显示剩余电能值和已用电能值，让学生直观了解电能表是否正常工作，用电负荷大小。 ④当电表剩余电能小于20kw·h（数值可由公寓管理部门根据需求调整）时，可提醒学生剩余电能不足，及时购电。 ⑤ 具有断电保护功能，断电保存所有数据，恢复供电后所有数据继续显示。

2. 系统设计与分析

预付费电能表虽然只是一种不同的计量仪表，但由于引入了单片机，对设计的要求会非常高。 因为电源引入的干扰很容易导致程序错误，如各种数据丢失、改变、微处理器死机等。 在常年不间断运行的情况下，需要高质量、高可靠性的设备，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

电流和电压分别采样，先通过模拟乘法器乘以得到与功率P成正比的模拟电压（或电流），再通过V/F变换（或I/F）转换成频率信号f，单片机将频率信号f累加得到电能。 系统框图如图1所示。该方法硬件成本低，程序设计简单，对CPU要求低。 可用AT89S52单片机控制，现有集成电路SM99O3将模拟乘法器、低通滤波器和V/F转换器集成在一起。 其性能指标远高于分立元件。 并且一体式液晶屏大大降低了设备的功耗，还可以显示数字，界面清晰明了。

2.2 预付费系统设计

IC卡可以作为销售电能的传输介质。 由于是校内购电，可以使用非加密存储IC卡。 卡内嵌的芯片是通用的存储芯片。 主要特点是卡内嵌了通用的EEPROM； 安全控制逻辑可以不受限制地自由访问卡片内部信息； 采用这种方式的IC卡主要采用2线串行通信协议（I2C总线协议）或3线串行通信协议（SPI协议）。 可用于单位或学校定量用电、超标缴费。

2.3电能计量

电能计量采用集成电路SM9903。 该芯片包含一个四象限模拟乘法器、一个积分器、一个电压/频率转换器VFC、一个计数器（分频器）和控制逻辑，可以将正弦电压和电流相乘并转换成频率。 输出，单片机对输出的脉冲信号进行累加计数，得到电能的多少。

3、硬件电路设计

3.1 控制电路设计

AT89S52是一款低功耗、高性能的COMS 8位单片机，具有8K系统可编程Flash存储器。 产品说明和引脚完全兼容 MCS51 系列微控制器。 片上闪存允许程序存储器在系统内编程。 AT89S52包括：8KFlash存储器、256字节RAM、32位I/O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、全双工串口、on片式晶振和时钟电路。 AT89S52 还可以低至 0Hz 静态逻辑运行，并支持 2 种软件可选择的省电模式。 在空闲模式下，当CPU停止工作时，允许RAM、定时器/计数器、串口和中断继续工作。 在掉电保护模式下，RAM的内容被保存，振荡器被冻结，单片机的所有工作停止，直到下一次中断或硬件复位。

系统中需要复位电路和振荡电路，采用按键复位电路，晶振采用12M Hz频率。 在单片机的第31脚EA/上加一个高电平，在14个定时器/计数器的TO上接一个TL521型的光耦，用这个光耦对SM9903输出的频率信号进行累加计算。

3.2 电能计量电路设计

电能计量电路采用电能表专用集成电路SM9903。 SM9903 采用 3tzm 硅栅 BICMOS 工艺制造。 电路设计先进，内部集成了缓冲放大器、乘法器、V/F型A/D转换器等电路。 SM9903的模拟部分和数学部分可以单独供电电表节电器有用吗，可靠性高。 封装采用DIP30塑封。

3.3 显示电路设计

显示部分采用SMG12232B-2液晶显示器显示各种信息。 SMG12232B-2液晶显示器具有显示内容丰富（可显示汉字）、低功耗、高可靠性、电路简单等特点，屏幕分辨率为122×32点阵。 SMG12232B-2液晶显示器通过总线与单片机相连。 在单片机AT89S52的每条数据总线上加一个1OkQ的上拉电阻，然后接在液晶屏的各个数据管脚上； 液晶屏的片选信号CS2、CS1和数据/命令选择端AO接P2.2、P2.1、P2.0连线。 写信号WR/和读信号RD/分别连接到微控制器的写信号WR/和读信号RD/。 复位段RST可接高电平或直接接地； 背光驱动电压输入端EL+和EL可通过电位器接入电源，调节屏幕亮度。

3.4 lC卡接口电路

IC卡接口电路用于存储售电管理系统写入的密码、卡号、电量等，是公寓管理部门管理每套学生公寓的主要方式。 必须提高IC卡运行的可靠性，需要卡上下电控电路、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，可进一步提高IC卡的读写精度和可靠性。 在电路设计方面，可以利用单片机的P1.6控制IC卡座电源的通断，利用P1.5检测IC卡座是否短路。 IC卡的电源，防止受潮或人为损坏。

3.5 掉电检测电路设计

掉电检测电路的设计比较简单，用一片LM 393电压比较器即可完成。该电路中，参考电压LM336用于给反相输入端提供参考电压Vz。比较器LM393和电源电压的参考值在同一输入端输入。 电源正常时，V1

3.6 磁保持继电器驱动电路设计

磁保持继电器可以在脉冲的作用下动作，在不消耗功率的情况下长期保持一定的位置，即保持上次脉冲指令的状态。 由于具有双稳态和记忆功能，以及低能耗等特点，磁保持继电器广泛应用于航空航天、铁路和电气测量领域。 磁保持继电器在正常工作时不需要加驱动电流，需要改变触点状态时只需要加一个200ms的反向脉冲即可。 然后不需要驱动程序。 这大大节省了能源并降低了消耗。

H桥电路在驱动信号的驱动下，使继电器线圈流过双向脉冲电流，从而改变继电器的通断状态。 作为负载，磁保持继电器内部有一个电感线圈，通态电阻小，负载上的电流和电压不能突然变化。 因此，在H桥主电路的MOSFET侧设计了一个普通的RCD吸收电路。 同时考虑到磁保持继电器由脉冲驱动，对电源要求不高，这种驱动电源设计简单可靠电表节电器有用吗，成本低，体积小，特别是适用于预付费电能计量系统。 单片机的I/O口P 1.0 和P 1.1 分别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IC卡余额检测程序、显示程序、漏电检测、过载保护程序和断电程序组成。 开机开始，先检查IC卡余额，当为零时，系统关机并提示余额不足，否则系统开机并显示相应信息，然后判断用电设备是否有电，开始计算电量； 然后检测电路是否有漏电，当出现过载等不安全现象时，如果有则切断电源并提示等待维修，否则进入IC卡余额检测环节。

系统程序设计流程图如图2所示。

五、安科瑞宿舍预付费水表介绍

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，免费使用； 余额可发出四级告警：余额不足告警（1级）、行前告警（2级）、欠款告警（3级）、信用额度已达（4级）告警。 每一级报警都会使电流表的背光常亮。 预报警脱扣方式可设置为不脱扣、脱扣后自动合闸、脱扣后不合闸。 缴费后才能继续开机使用。

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。 上限可以设置为每天 8 个时间段。 每个时间段可以分别设置为关闭状态或夜间模式。 时间段内，若夜间支路功率大于允许功率上限，则跳闸。

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：限制支路的上限电流，当支路电流超过设定值时，支路跳闸。

负载总功率限制：限制支路功率上限，当支路功率超过设定值时，支路跳闸。

夜间限电：需配合时间管理控制使用。 在夜间模式下，如果支路电流超过设定值，支路将跳闸

4.恶意负载识别：限制分支访问未定义的恶意负载，当分支访问未经批准的恶意负载时，分支跳闸。

负载白名单识别：允许定义的具有恶意负载特征的负载正常使用（如饮水机等）。

空调模式：在空调模式下，电流表持续检测空调的微弱待机电流。 一旦有拔空调插座的动作，电流表就会跳闸，联系管理人员才能接通电源。

允许自动关闭空调模式以外的跳闸动作。 可设置允许次数、行程等待时间。

六，结论

鸡西大学学生公寓电子式电能表采用AT89S52单片机作为控制元件，不需要外接扩展，采用单片机系统。 本系统还特别采用了电子式电能表集成芯片SM9903，使硬件电路设计方便灵活，减轻了单片机的负担，编程方便，电能计量精度高，可以充分满足二级表的精度要求。 LCD 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，功耗大大降低。 为了提高电压表的可靠性，采用了掉电保护措施。 为了进一步降低功耗，该继电器采用了不需要不断供电的磁保持继电器。 整个系统安全可靠，功耗低，成本低，对学校节约能源，降低教学成本起到了重要作用。

参考

[1] 彭薇，黄可，雷道中． 单片机典型系统设计实例精讲[M]. 北京：电子工业出版社，2006

[2] 杨超，大学生公寓电子预付费电表研究[J]． 长江大学学报, 2013

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册

[4] 安科瑞学院高校宿舍预付费电控系统。 2019.11版

作者简介：张浩，男，安科瑞电气有限公司，主要从事电气防火限流保护器的研发与应用