单相电子式预付费电度表的设计.docx
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单相电子式预付费电度表的设计
单相电子式预付费电度表的设计
摘要：
基于单片机AT89C52对单相电子式预付费电度表系统进行了系统的设计，是以AT89C52单片机为控制核心，预付费电度表的硬件电路包括电能计量电路、控制电路、显示电路、IC卡接口、电能存储器、掉电检测和电源几大模块等组成。
电能计量系统是完成电能测量、电能值显示、超负荷断电等功能，预付费系统主要是利用IC卡实现先付费，再用电。
使用户必须先付费方可用电的电能表。
它使收费从过去繁琐的人工抄表、手工计价转变为用户持卡购电，实现了电费收缴管理自动化。
主要追求可靠性，后者要求安全性高。
安全可靠、功耗小、成本低符合设计要求。
关键词：
AT89C52；电度表；单片机；集成电路
Single-phaseElectronicPre-paidEnergyMeterDesign
Abstract：
Single-phaseelectronictypeprepaidelectricitymetersystemwasdesignedsystematicallybasedonSingle-chipmicrocomputerAT89C52,wheretheAT8952wascontrolcenter.Hardwareelectricroadoftheprepaymentelectricitymeterwasconsistingofelectricitymeasurementcircuit,controlcircuitandshowingcircuit,ICcardinterface,electricalenergypacket,offelectricaltestingandpowersource.Electricitymeasurementsystemhasthefunctionofelectricpowermeasurement,electricpowervalueshows,overloadbreakpoint,etc.WhiletheprepaymentsystemmainlymakesuseofICcardtoachievethegoalofsupplyingpowerafterprepayment.TheusermustfirstpayPartycanpowerelectricenergymeter.Itmakesthechargefromthepastcumbersomemanualmeterreading,handmadevaluationintousercardtobuyelectricity,realizestheautomaticmanagementtariffcollection.Theformerpursuesthereliabilityandthelatterpursuesthesaftety.Theworkmeetsthedesigningrequirementsofsafety,reliability,littlepowerconsumptionandlowcost.
Keywords：
AT89C52;Electricitymeter;Singlechipmicrocomputer;Integratedcircuit
1前言
我国传统的电表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后，再到各家索取，误差大、统计工作量大，人为的错误给电力部门和用户带来极大不便,也造成了用户和电力部门的纠纷。
随着城市经济的发展以及人民生活水平的提高,家用电器的大量使用。
抄表难、收费难困扰着电力部门，抄表人员的不断增加提高了电业公司的经营成本，也给管理带来许多麻烦，造成了人力资源的巨大浪费。
针对这一问题，人们开始思考解决这一问题的方法。
在美国，智能电网作为美国总统奥巴马经济刺激方案的重要项目之一，几乎在一夜之间“成名”，而且美国还为此制定了35亿美元规模的预算，于是是IC卡电度表应运而生。
2011年5月21日，国家电网公司总经理刘振亚在“2009特高压输电技术国际会议上”指出：
国家电网将立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。
于其发展势头迅猛，锐不可当。
IC卡预付费电表的成功推广应用，达到了控制电能和节约电能的双重效果，改革了沿袭几十年的消费模式，即先用电后付费的模式，而以先充值购电后消费的模式取而代之。
作为使用者，用数一目了然，不再和邻里发生用量上的矛盾，还做到了即时控制：
作为管理者，解决了抄表难、算帐麻烦、收费难等一系列令人头痛的难题；作为供电部门，将先行回收投资,提高管理效能，利国利民。
如果集体消费群体，也使用智能IC卡表，将使管理者不再为收费为难，不再为分摊劳神，省心省力，事半功倍[1]。
2单相电子式预付费电度表概述
电度表虽然只是非常普通并常见的电能计量设备，但是由于微控制器引入，对设计者提出了很高的要求。
这是因为由交流电源等引入的干扰很容易导致程序出错，可能引起不可预测的后果，比如像剩余电能数据的丢失或改变、电度表死机等情况。
家用电脑和普通仪器仪表对死机是允许的，通过人工复位、重新设置等操作就可以恢复，但对电度表而言则是致命的[2]。
而且，预付费电度表的工作环境大部分都是在户外，条件相当恶劣，因此，对其可靠性的要求也相对较高。
电子式预付费电度表集计量技术、电子技术、自动化控制及计算机技术于一体，其原理是利用电能测量集成电路对电压、电流取样信号进行计算处理，并输出与有功功率成正比的频率信号（脉冲），微处器通过对脉冲计数来计算所消费的电量[3]。
电能计量系统采用成熟的电子式电能表技术，整体结构合理、工艺先进，实现电能测量、电能值显示、超负荷断电等功能，并具有电子式电能表的各种优点。
预付费电度表的设计内容主要包括电能计量系统设计和预付费系统设计两方面。
从整体上进行考虑，具体分硬件设计和软件设计等两个方面进行讨论。
2.1硬件部分
预付费电度表根据设计任务的需要，其硬件电路主要包括电能计量电路、控制电路、显示电路、IC卡接口、电能存储器、掉电检测和电源等模块[4]。
电能计量电路：
采用电子电度表专用集成电路SM9903。
芯片内部包含了模拟乘法器、电压频率转换器、VFC（VoltageFrequencyConverter）、计数器（分频器）及控制逻辑。
控制部分为整个电能表的心脏，实现电能脉冲、掉电信号、IC卡信号、串行EFPROM数据的采集和读写，完成显示驱动模块的控制和继电器的驱动等功能。
显示电路：
采用液晶显示，其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。
IC卡接口电路：
采用Atmel公司的存储IC卡AT89C52，用于存储由售电管理系统写入密码、卡号、电度数等。
2.2软件部分
硬件是系统的基础，软件则是系统的灵魂。
本系统的软件设计主要依托于硬件设计，采用模块化编程，可分为系统初始化程序、主程序MAIN、IC卡检测及读写程序、定时器0中断服务程序、外中断0服务程序（掉电保护）等。
结合用户的群众性及经济利益等诸多特殊要求与条件，本电度表引入微控制器，其具有更多的技术特点和优越功能，具体如下[5]：
1）电能计量准确、精度高、要求至少达到二级表（误差为2%）的精度；
2）用户将存有电能的IC卡插入卡槽卡中电能被读入表中，同时把IC卡清”0”；
3）专卡专用：
当有非本机卡或异物插入卡槽时，能及时发现，切断卡座的供电,并在液晶显示屏上给出相应的汉字提示信息，且保密性高；
4）电度表正常工作时，液晶显示剩余电能值、已用电能值，并随时改写剩余电能和已用的工作是否正常及用电负荷的大小；
5）当表内剩余电能不足20KW·H时，在液晶显示器上显示“请及时购电”以提醒用户余电不多，及时购电；
6）当表内剩余电能为0时，自动断电，这时用户不能用电。
在用户将重新购电的IC卡插入槽中时，表完成上述第一项的功能，恢复供电；
7）有负荷限制功能：
当用户电流大于25A时自动断电，1分钟后恢复供电；
8）具有掉电保护功能：
掉电时，自动把剩余电能从RAM转储在EEPROM中。
因此，电度表有多少功能并不是最重要的，关键是做到低功耗、高可靠性。
预付费电度表的工作过程如下：
1）上电时，在液晶屏上显示“电子电能表”。
随后将存放在EEPROM中的剩余电能调出到RAM中。
2）当单片机工作正常时，能显示剩余电能和已用电能。
3）当有本机IC卡插入卡槽时，根据有电卡和无电卡（空卡）做出不同的处理。
若为有电卡，则显示“正在读卡，主稍候”。
稍候显示：
“请抽卡”。
这时卡中的电4、能被写入表中，且将卡清零；若为空卡，则显示“空卡”。
4）当用电时，剩余电能递减，已用电能递增。
5）当插入无效卡时，系统提示“IC卡型号不对，请换卡”。
6）当电用完时，切断电源，并显示：
“电用完，请及时购电”。
液晶显示器显示的内容与处理，如表1所示。
表1液晶显示内容
Table1ThecontentsoftheLCDdisplay
显示内容处理
超负荷减少用电负荷
密码有误非本机卡，请换卡
卡短路卡座的电源短路，可能是认为破坏
非法卡IC卡型号不对，请换卡
读写错误IC卡可能已坏，请换卡
电子电能表上电复位
正在读卡，请稍后将IC卡中数据送入表中，清IC卡
请抽卡IC卡已读写完
空卡所插IC卡无电能
3电度表的方案设计与比较论证
预付费电度表主要包括电能计量系统和预付费系统。
电能计量系统完成了电能测量、电能值显示、超负荷断电等功能；预付费系统主要是利用IC卡实现先付费，再用电的模式。
前者追求可靠性，后者追求高安全性。
3.1电能计量系统方案设计
根据电能计量系统的功能要求，有以下一些设计方案，对各类方案进行描述并比较论证，得出结论[6]。
方案一：
机械电子式
前置通道采用原感应式电度表电路，通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。
具体方案是在转盘上涂上大约1cm的“黑条”，在转盘上方或者下方设置一红外线发射接收对管。
当红外线照射在“黑条”处，红外线被吸收，无反射，即接收管接收不到红外线；当红外线照在其他部分时，被反射，接收管能接收到红外线。
这样转盘每转一圈，产生一个脉冲，再通过对脉冲的整形、计数、显示完成电能的计量。
这种方案显示直观，读数容易。
但它仍然具有机械式感应电度表的缺点，即耗电多并且笨重。
方案二：
模数转换式
对电流和电压分别采样，再通过A/D转换器（模数转换器）转换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。
并在CPU中设置一个定时器定时对功率进行累加，其系统如图1所示。
图1方案二的系统图
Fig1ThesystemdiagramofoptionⅡ
这种方案对信号的采样速度快，但A/D转换器的精度要求高，而且由于电网的电力谐波引入前置通道，导致A/D转换后产生错误数据。
为抑制这种干扰，必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大器。
这将增加CPU的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。
方案三：
电压频率转换式
采用电压/频率（V/F）转换器加单片机实现对电流和电压的A/D转换。
这样，模拟通道中本身的干扰信号被抑制。
无须专门的A/D转换器，大大减小了硬件成本。
CPU只需对V/F转换后的脉冲进行定时计数，便可测出电压和电流的数字量。
同时，电压和电流分别经过零检测电路。
将过零脉冲送CPU处理，得出电流和电压的相位差，经过查表得功率因数（cosΦ），按公式P=UIcosΦ计算，便得有功功率，再定时累加就是电能值。
系统框图如图2所示。
图2方案三的系统图
Fig2ThesystemdiagramofoptionⅢ
这种方案CPU要实现读写卡控制、求功率因数（cosΦ）、电能计算等功能，负担较重，一般的MCS-51、MCS-96和PIC系列单片机难以胜任。
方案四：
功率累加式
将端口电流和电压先送入模拟乘法器相乘，得到一个与功率成正比的模拟电压（或电流），再经过V／F变换（或I／F变换）变成频率信号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3所示。
图3方案四的系统图
Fig3ThesystemdiagramofoptionⅣ
这种方案对CPU的要求低，采用MCS-51系列单片机完全可以胜任。
而且，现在已有集成电路（如：
BL0932、SM9903）将模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器集成，其性能指标都远远高于分立元件。
其中，模拟乘法器、低通滤波器和V/F变换器采用集成电路SM9903。
CPU采用AT89C52，它内部有8KB的程序存储器，应用于此系统绰绰有余。
采用液晶显示器，可大大减少功耗，并且可显示汉字，使界面清晰、明了。
3.2有功电能测量的基本原理
本设计采用有功电能测量集成电路SM9903，芯片内部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，它能将正弦电压和电流相乘后，转换为频率输出。
只需对输出脉冲累计计数，就可计量出电能[7]。
SM9903内部电路模型如图4所示。
图4SM9903内部电路模型示意图
Fig4ThediagramofSM9903internalcircuitmodel
在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为：
（1）
（2）
式中，u为交流电压瞬时值，i为交流电流瞬时值，U为交流电压有效值，I为交流电流有效值，
为交流电的角频率，
=
u-
i为电压电流的相位差。
经四象限模拟乘法器相乘后的瞬时功率为：
（3）
可见，瞬时功率有恒定分量UI
和正弦分量两面三量两面三刀部分，正弦分量的频率是电压（或电流）频率的两倍。
瞬时功率p经积分器后，得有功功率P，即
P=
（4）
以上分析表明，有功功率P为恒定分量，将正比于P的电压经V/F变换后，输出的是频率随P变化的脉冲，只需将脉冲累计计数，则计数值N即为电能。
3.3预付费电度表电路
预付费电度表的硬件电路可分为电能计量电路、显示电路、IC卡接口、电能存储器、掉电检测和电源几大模块。
下面分别介绍各部分电路。
3.3.1电能计量电路
电能计量电路采用电子电度表专用集成电路SM9903。
SM9903是将取自电阻网络的交流电压和交流电流信号进行放大。
应用乘法器将功率转换成电压，再通过V/F（电压/频率转换）型A/D转换器等电路将电压信号转换成可供MCU读取和直接驱动步进电机的数字信号．SM9903同时具有测量负向有功功率的功能，测量负向有功功率以正向有功功率计算，并通过IND（9脚）输出负电干以指示测量负向有功功率。
SM9903采用3
m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转换器等电路。
本芯片模拟部分和数学部分可分开供电，所以可靠性较高。
封装采用DIP20塑封。
SM9903其管脚定义如表2所示，管脚图如图5所示。
图6所此即为由SM9903构成的电能计量电路。
该电路采用340
Ω的锰铜片作为电流采样电阻，用精密金属膜作为电压采样电阻。
C4、R4、VD1、VD2、C7、C8、VZ1、VZ2为电容降压式电源，为SM9903提供±5V的工作电压。
32768Hz为表用晶体振荡器，为SM9903提供时钟。
C5、C6为积分电容。
R9为参考电压调整电位器。
本电路无须机械计数器。
表2管脚定义
Table2Thepinofdefinition
管脚号
符号
说明
1
VI1
电流取样信号输入
2
VI2
电流取样信号输入
3
GADA
模拟地端
4
VV
电压取样信号输入
5
NC
与4脚内部互相连接
6
VR1
参考电压1外调整端
7
VR2
参考电压2外调整端
8
POUT
有功功率计算输出脉冲
9
IND
负相有功功率指示
10
TC
测试控制器
续表2
11
VSS
负电源（－5V）
12
GNDD
数字地端
13
DMO1
脉冲电机驱动输出1
管脚号
符号
说明
14
DMO2
脉冲电机驱动输出2
15
OSCIN
晶振输入
16
OSCOUT
晶振输出
17
VDD
正电源（+5V）
18
C1
积分电容1
19
COM
积分电容公共端
20
C2
积分电容2
图5SM9903的管脚
Fig5ThepinofSM9903
3.3.2控制部分
控制部分为整个电度表的心脏,实现电能脉冲、掉电信号、IC卡信号、串行EEPROM数据的采集与读写，完成显示驱动模块的控制和驱动等功能。
单片机的选择是决定电度表性能的关键因素，本设计选用Atmel公司的AT89C52。
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是Atmel公司生产的。
一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理
器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
图6SM9903构成的电能计量电路
Fig6TheSM9903constitutecircutofapowermeasurement
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。
兼容MCS51指令系统8k可反复擦写（>1000次）FlashROM、32个双向I/O口、256x8bit内部RAM、3个16位可编程定时/计数器中断、时钟频率0-24MHz、2个串行中断、可编程UART串行通道、2个外部中断源、共6个中断源、2个读写中断口线、3级加密位、低功耗空闲和掉电模式、软件设置睡眠和唤醒功能。
采用40脚双列直插封装的8位通用微处理器。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1和XTAL2为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC和VSS为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS和SCLS端口。
其内部有8KB的程序存储器，无须外部扩展。
使硬件电路简单电路图如8所示。
AT89C52与时钟电路，上电复位电路构成的单片机的最小系统。
其中晶体振荡器选用12MHz的高稳定无源晶体振荡器，它与AT89C52中的反向放大器构成振荡器，给CPU提供稳定的时钟信号。
电容C14、C15可起频率微调作用，电容值5pF～30pF之间选择，本电路选择的是20pF。
电源开启时，电源对电容C13充电，在CPU的复位端产生一高脉冲。
只要高脉冲的时间维持两个机械周期，CPU就可以复位。
二极管D10的作用是当断电时，可以使电容C13所存储的电荷迅速释放，以便下次上电时可靠复位。
电容C31可过滤掉高频信号的干扰，防止点偏激误复位，电阻R30和S1构成键盘，用以实现显示内容的切换。
电能脉冲由SM9903的8脚过光电耦合送到AT89C52的T0
端，用以实现脉冲计数。
其引脚图如图7。
图7AT89C52引脚图
Fig7ThepinofAT89C52
图8由AT89C52组成的主控电路
Fig8BytheAT89C52compositionofthemaincontrolcircuit
3.3.3显示电路
本系统采用液晶显示器，其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。
器件型号是：
SMG12232B-2，显示容量为122*32点阵。
采用总线方式连接，液晶显示器SMG12232B-2的片选信号引脚CS2或CS1被选中时，液晶显示器SMG12232B-2处于工作状态。
当数据/命令选择端A0为低电平时，执行命令操作，且在写信号WR是有效，单片机P0口向液晶显示器显示SMG12232B-2的DB7-DB0位输出状态字（如液晶显示状态、读写操作使能状态）和显示指令码。
当数据/命令选择端A0高电平时且在写信号WR分别有效时，单片机P0向液晶显示器SMG12232B-2的DB7-DB0输出数据和显示数据（如正在读卡；请稍后；空卡；卡短路；非法卡；超负荷等）。
电路如图9所示。
图9液晶显示接口电路
Fig9LCDdisplayinterfacecircuit
图10IC卡接口电路
Fig10ICcardinterfacecircuit
3.3.4IC卡接口电路
IC卡接口电路采用的是Atmel公司的存储IC卡AT89C52，用于存储由售电管理系统写入的密码、卡号、电度数等，是电管部门与用户连接的桥梁。
为了提高IC卡操作的可靠性，必须有卡上下电控电路、卡插入检测电路、卡短路检测电路等辅助电路，结合软件可以大大提高其读写的准确性和可靠性。
IC卡接口电路如图10所示
3.3.5电能存储器
电能存储器由串行EEPROM和上拉电阻组成，在串行时钟和数据端接了上拉电阻R25和R27，分别连接到IC4的P3.0和P3.1端。
串行EEPROM选用AT24C04，AT24C04为低电压（2.5V-5.5V）、长寿命（可擦写10万次以上）器件。
在掉电时存储剩余电度数。
电能存储电路如图11所示。
图11电能存储电路
Fig11Energystoragecircuit
3.3.6掉电检测电路
掉电检测电路比较器（运放LM393）、电压基准LM336（2.5V）、R31、R32、R33、R34、R35、R36和二极管VD7组成[8]。
图12掉电检测电路
Fig12Brown-outdetectioncircuit
R31为VZ3提供合适的工作电流，VZ3上端作为电压基准，R32、R33对5V电压分压，为VZ做比较。
电源电压正常时，V-当下降到V->V+时，比较器输出低电平，使微处理器产生外中断，做掉电处理。
VD7、R36为施密特电路，是为了避免电压在阀值左右波动时引起反复的写操作。
3.3.7磁保持继电器驱电路
磁保持继电器使电器能使电磁线圈中保持上次驱动脉冲所注入的磁场不变，即在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左右的反向脉冲即可。
随后不需要任何驱动，这就大节省了能量，降低了功耗。
磁保持继电器由AT89C52的P1.0、P1.1发出控制信号，P1.1为高电平时线圈中有正向电流，P1.0为高电平时线圈渡过反向电流。
驱动电路由电阻R21、R4
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