摘 要： 介紹了基于AT89S52單片機的一種新型多用戶單相電能表設(shè)計原理。給出了硬軟件設(shè)計及試驗測試結(jié)果。經(jīng)測試與生產(chǎn)表明，該單相電能表設(shè)計技術(shù)新穎，具有計量準(zhǔn)確、智能卡預(yù)付費、多用戶、用電管理靈活、低成本的特點。
??? 關(guān)鍵詞： 智能卡；預(yù)付費；多用戶；單相電能表；AT89S52
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?? 隨著電子技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，智能卡應(yīng)用越來越廣泛，校園內(nèi)一卡通管理應(yīng)用越來越多。為了解決學(xué)校洗衣房的自動控制問題，本文設(shè)計了基于AT89S52單片機的一種新型的多用戶電能表，用戶利用智能卡實現(xiàn)先買電后用電的預(yù)付費方式，按照誰插卡誰用電的原則，插卡送電；用電結(jié)束后，再插卡取電，實現(xiàn)了一表多用戶的管理。該電能表采用AD7755單相電能計量芯片，電能計量精確，具有設(shè)計理念新穎、智能卡控制靈活、液晶顯示直觀、功耗低的特點，特別適合于學(xué)校洗衣房等公共用電場所的多用戶用電計量與管理。
1 電能表的結(jié)構(gòu)與工作原理
多用戶電能表是基于AT89S52單片機研制而成的。AT89S52具有8 KB Flash閃速存儲器，三級加密程序存儲器，256 KB內(nèi)部RAM，32個可編程I/O 口線，3個16位定時/計數(shù)器，1個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)等。接口電路采用I2C總線結(jié)構(gòu)，是一個比較適合于以開關(guān)量信號輸入檢測的性價比較高的8位單片機。多用戶電能表結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括單相電能計量電路AD7755、智能卡讀寫控制電路、串行存儲與看門狗X25045電路、HT1621液晶顯示電路、繼電器控制、漏電檢測及掉電檢測6大模塊。電能表的工作原理是：把單相交流電壓和電流分別經(jīng)過分壓器和電流互感器轉(zhuǎn)換為小信號送到電能計量電路AD7755，由AT89S52對用電電能進行計量和供電控制。利用智能卡實現(xiàn)先買電后用電的預(yù)付費管理，通過插卡送電，再插卡取電，實現(xiàn)多用戶供電與斷電管理。該電能表可供數(shù)千戶用戶使用，當(dāng)用戶把智能卡插入電能表中時，首先進行智能卡密碼校驗，識別該用戶卡是否是本單位用戶卡，若是則進行智能卡讀寫和供電與斷電控制；若不是，則顯示不是本單位用戶卡。該表還具有液晶顯示清晰、直觀、停電檢測與存儲、余額不足預(yù)報警處理、漏電檢測和負荷控制等功能。
2 硬件電路設(shè)計
2.1 智能卡控制電路
智能卡采用SIEMENS公司的HD4442加密卡[1]。智能卡控制電路由HD4442卡座和保護電路構(gòu)成，如圖2所示(2個未使用的引腳略)。卡座的復(fù)位RST、時鐘CLK、數(shù)據(jù)線SD、卡輸入CIN引腳，分別與AT89S52的P20、P21、P22、P23引腳連接，AT89S52的P2端口內(nèi)部有上拉電阻，不需外加上拉電阻?？ㄗ锥擞幸粋€微動常開開關(guān)，無卡插入開關(guān)時，斷開CIN引腳為高電平，有卡插入開關(guān)閉合時，CIN引腳為低電平，AT89S52通過查詢P23引腳的電平判斷是否有智能卡。當(dāng)卡插入時，智能卡的金屬卡片與卡座觸點緊密相連，AT89S52通過P21、P22實現(xiàn)對智能卡的讀寫控制操作?？ūＷo電路由三極管Q1實現(xiàn)，智能卡的電源VCC利用三極管Q1的輸出供電，這樣可以有效地防止卡座被人為插入片狀金屬物造成短路情況。為了可靠讀取卡中數(shù)據(jù)信息，當(dāng)檢測到有卡時，可以延時10 ms去抖動，然后再進行智能卡讀寫。
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2.2 電能計量
單相電能計量采用美國ADI公司的AD7755低功耗芯片實現(xiàn)[2-3]。AD7755內(nèi)部除了ADC和濾波、相乘電路外都采用了數(shù)字電路，有效地消除了尖脈沖等干擾信號。對單相交流電源回路中的電壓、電流信號采樣，計算出功率并積分將其轉(zhuǎn)換為電能脈沖輸出，輸出端CF的脈沖經(jīng)光電隔離器4N25后接入AT89S52的INT0中斷引腳，CPU進行電能計量。利用S0和S1狀態(tài)組合調(diào)整CF輸出脈沖常數(shù)。電能與脈沖的關(guān)系為：W＝M/C，式中W為電能(單位為千瓦時)，M為脈沖累計個數(shù)，C為電表脈沖常數(shù)，選取Ｃ=3 200，每千瓦時為3 200個脈沖。
2.3 液晶顯示
? 采用HOLTEK公司HT1621的LCD顯示驅(qū)動芯片，實現(xiàn)12位LCD數(shù)字顯示。HT1621是具有128段(32×4)、內(nèi)置存儲器的LCD驅(qū)動器，片內(nèi)包括控制與計時電路、顯示RAM、LCD驅(qū)動及偏置、監(jiān)視定時器等，具有體積小、功耗低的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于電能表中。HT1621與AT89S52之間采用串行接口，只需3根線。AT89S52的P14、P15、P16引腳分別接到HT1621的CS片選、WR寫允許、DATA串行數(shù)據(jù)3個引腳上，以控制刷新顯示RAM緩沖區(qū)。另外，應(yīng)用中，在VDD、VLCD之間接1個20 kΩ可調(diào)電阻，用來調(diào)節(jié)LCD顯示對比度，通過調(diào)節(jié)電阻，使得VDD=5 V、VLCD=4 V對比度較好。
2.4 串行存儲器
??? 串行存儲器采用XICOR公司的X25045低功耗芯片，它具有看門狗定時器WTD、電源電壓監(jiān)控和具有512 B的串行E2PROM存儲器3種功能。E2PROM的512 B分別用于存儲電能表的單位碼、電表編碼、累計電量、停電時的用戶信息等，可以暫存用戶信息達到128戶，存儲次數(shù)可改寫10萬次，數(shù)據(jù)可保存100年。WTD設(shè)置為600 ms喂狗定時間隔，軟件編程寫入X25045中。在程序運行期間，WTD在定時間隔內(nèi)收到觸發(fā)信號，以確保程序正常運行。如果一端WTD在定時間隔內(nèi)沒有收到觸發(fā)信號，X25045即通過RESET引腳輸出1個高電平信號，觸發(fā)電能表復(fù)位來防止程序跑飛。X25045與AT89S52接口電路如圖2所示。
2.5 繼電器控制與漏電檢測
??? 利用AT89S52的P27引腳來實現(xiàn)繼電器控制，如圖2所示。P27經(jīng)過4N25光電隔離器直接控制繼電器，完成供電與斷電控制。漏電檢測采用交流電源的火線與零線穿過電流線圈取樣，經(jīng)過二極管全波整流和電容濾波后接入電壓比較器，比較器輸出接光電隔離器的1腳，檢測隔離器的4腳判斷其是否漏電。一旦檢測到漏電后，再次檢測，2次確認漏電立即斷電。掉電保護電路，用AT89S52的INT1中斷引腳檢測掉電信號，當(dāng)突然發(fā)生斷電時，INT1跳變?yōu)榈碗娖剑琁NT1中斷進入掉電保護程序。在系統(tǒng)中，AD7755的脈沖輸出端、繼電器控制端、檢測漏電信號輸入端都使用了4N25光電隔離器。通過光的耦合作用傳遞電信號，提高系統(tǒng)抗干擾的能力。
3 軟件程序設(shè)計
3.1 軟件程序資源分配
??? 智能卡多用戶單相電能表軟件程序包括：初始化及主程序、X25045讀寫程序、智能卡讀寫處理程序、中斷處理程序、定時器處理程序、HT1621顯示控制程序、電能計量與掉電處理程序、系統(tǒng)自檢與軟件抗干擾處理程序模塊。系統(tǒng)的中斷資源分配為：INT0中斷用于AD7755脈沖檢測，INT1中斷用于掉電檢測，定時器T0用于定時100 ms，T1用于定時1 s，T2未使用。
3.2 程序模塊的設(shè)計
電能表每次上電時都要進行初始化，初始化程序包括對AT89S52單片機定時器、中斷等工作方式的設(shè)定，寫入串行存儲芯片X25045的控制字以及串行液晶驅(qū)動芯片HT1621的控制字。在子程序模塊中，INT0中斷處理程序完成電能計量、電量暫存儲于AT89S52的RAM存儲器中，然后累計電量每到1度時即寫入到X25045相應(yīng)的地址中。電能表中電量分為用戶剩余電量和多用戶累計用電量，AT89S52根據(jù)用戶剩余電量余額大小進行控制，當(dāng)余額不足時，電能表LED指示燈閃爍，提醒用戶需要購電。X25045讀寫程序完成串行數(shù)據(jù)的寫入與讀出。HT1621顯示控制程序?qū)崿F(xiàn)12位液晶顯示器輪流顯示用戶編碼和單位碼、剩余電量、累計用電量信息，輪流顯示間隔為5 s。
智能卡處理程序完成智能卡的密碼校驗、讀寫和卡的類型判斷并進行相應(yīng)操作。智能卡的類型共分5種：清零卡用于電能表的出廠初始設(shè)置；設(shè)置卡用來設(shè)置電能表的單位碼和負荷門限；換表卡用來換出表內(nèi)全部信息再送入新更換的信息到電能表中；抄表卡用來抄回表內(nèi)用戶信息和累計用電量，然后利用讀卡器傳送給上位計算機售電管理系統(tǒng)；用戶卡用戶首先通過計算機售電管理系統(tǒng)進行開戶交費充值，計算機售電管理系統(tǒng)根據(jù)電費和水費的總計價，把充值金額換算成電能數(shù)值寫于用戶卡中，然后用來向電能表送電與取電。前4種卡是用電管理部門使用，用戶僅持有用戶卡。當(dāng)前用戶正在用電時，其他用戶插入用戶卡電能表指示有人正在用電，此時插入的用戶卡只取走本人的表內(nèi)信息，不影響他人正常使用。當(dāng)前無人用電時，插入用戶卡則把卡中信息寫入電能表中，并指示送入購電量數(shù)值，拔出智能卡后立即供電；再次插入用戶卡則把電能表中本人信息寫入卡中，并指示取走本人剩余電量，立即斷電。若當(dāng)前用戶正在用電突然停電時，則電表進入掉電處理程序，把當(dāng)前用戶剩余電量和累計用電量存入X25045中。若當(dāng)前用戶正在用電卻檢測到漏電時，電能表存儲當(dāng)前信息后并立即斷電。若用電超負荷時則斷電。
系統(tǒng)自檢與軟件抗干擾處理程序用來完成數(shù)據(jù)校驗與系統(tǒng)自診斷。電能表的工作過程主程序流程圖如圖3所示。
4 測試結(jié)果
??? 該電能表在淄博貝林電子有限公司進行了誤差測試和運行試驗，用1.0級標(biāo)準(zhǔn)電子式電能表校驗臺作為標(biāo)準(zhǔn)表，多用戶單相電能表為被測表，電能表額定負荷為12 kW。貝林電子有限公司針對不同負荷的情況下進行測試，限于篇幅僅列出負荷為1 kW、5 kW、12 kW時的實測數(shù)據(jù)，如表1所示。測試結(jié)果表明，該智能卡電能表誤差小于1%，屬于1.0級標(biāo)準(zhǔn)。
??? 經(jīng)實驗，減小電能計量誤差方法有：(1)通過調(diào)節(jié)AD7755的取樣匹配電阻調(diào)整到精確值；(2)該匹配電阻阻值要求隨溫度變化阻值變化較??；(3)在電能計量過程中，當(dāng)送電和取電時，計量電能的尾數(shù)部分不足0.01度的電能及余下的脈沖數(shù)值一并存取，避免了不足0.01度的電能丟失而造成累計電量有誤差。
??? 該電能表經(jīng)淄博貝林電子有限公司生產(chǎn)表明，設(shè)計技術(shù)新穎、計量準(zhǔn)確、智能卡控制靈活、液晶顯示直觀、功耗低。各項技術(shù)指標(biāo)均達到國家智能卡電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在山東多所高校投入使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻
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