1、单相电子预付费电度表设计摘 要电度表作为现今普遍电能计量工具，鉴于微控制器和大规模集成电路的引入，对相关的电路的熟知以及能够设计还有对系统的主要硬件电路设计的工作电路及其相应的基本原理的了解以及掌握。为设计达到比普通计量器更具有优势，需要能对其系统电路的分析和设计。而本文介绍了单相电子预付费电度表的工作原理、硬件组成及其实现的功能，并给出了硬件电路。 关键词单片机及集成电路，电表设计 中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0381-02 为了让用户在使用电表方面更加方便，为此设计了一款方便迅捷的电度表。一般传统设计的电表需要抄表人员定期挨家
2、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。因此我设计了利用单片机作为控制器的 IC 卡预付费式电度表，而且微控制器和大规模集成电路在电能计量领域的广泛应用，也使的这一设计更加合理化。同时本设计作为一种智能化的家居电气，也给人们生活带来了诸多的便利，这无疑促使它在现在的生活节奏中更具有优势。 1 系统主要硬件电路设计 1.1 有功电能测量的基本原理 电度表由分压器取得电压信号，电流互感器取得电流采样信号，经乘法器得到电压电流乘积信号，再经频率变换产生一个频率与电压电流乘积正比的电能计量脉冲，就容易计量处电
3、能。 电度表采用了专用集成电路 SM9903.SM9903 芯片包含四象模拟乘法器、积分器、电压/频率转换器 VFC、计数器（分频器）及控制逻辑。 在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为： 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
4、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。 1.2 预付费电度表工作电路基本原理 预付费电度表的硬件电路可分为、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。 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. 用 SM9903 构成的电路计量如图 1： 在上图中，采用 340 的锰通篇为电流采样电阻，用精密金属作为电压采样电阻。C4、R17、VD1、VD2、C8、C9、VZ1、VZ2 为电容降压示电源，为 SM9903 提供5V 的工作电压。32768HZ 为表用晶体振荡器，为SM99
5、03 提供时钟。C6、C7 为积分容。R8 为参考电压整电位器。 2）IC 卡接口电路 IC 卡接口电路采用存储 IC 卡 AT24C01，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。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） ，功耗低，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。 4）电能存储器 电能存储器是由串行 EEPROM 和上拉
6、电阻组成，电路如下图，在串行时针和数据接上拉电阻 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（2.55.5V） ，长寿命（可擦写十万次以上）器件。在掉电时存储剩余电度数。 5）掉电检测电路 掉电检测电路由比较器（运放 LM393） 、电压基准 LM336（2.5V） 、R31、R32、R33、R34、R35、R36 和二极管 VD7 组成，电路如图 R31 为 VZ3 提供合适的工作电流，VZ3 上端作为电压基准，R32、R33对电压分压，与 Vz 做比较。电源电压正常时，V-V+时，比较器输出低电
7、平，使微处理器产生外中断，做掉电处理（将剩余电能存入 EEPROM 中） 。VD7、R36 为施密特电路，是为了避免电压在阀值左右波动引起反复的写操作。 6）磁保持继电器驱动 磁保持继电器能使电磁线圈中保持上次驱动脉冲所注入的磁场不便，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。 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 为高电平时线圈中有反向电流。驱动电路由 R21、R45、R47、R48、R49、R50、PNP 三极管 V
8、T1、VT4，三极管VT5、VT6、VT7、VT8 组成。L 为电磁线圈。 当 P1.1=1、P1.0=0 时三极管 VT4、VT7、VT8 导通，而VT1、VT5、VT6 截止。流经 L 的电流方向为+12VVT4 的 E 极VT4 的 C极线圈的 B 端线圈的 A 端VT7 的 C 极VT7 的 E 极地，继电器触点接通； 当 P1.1=0、P1.0=1 时三极管 VT4、VT7、VT8 截止，而VT1、VT5、VT6 导通。流经 L 的电流方向为+12VVT1 的 E 极VT1 的 C极线圈的 A 端线圈的 B 端VT6 的 C 极VT6 的 E 极地，继电器触点断开。 当 P1.1=P
9、1.0=0 时，所有三极管均截止，线圈无电流。当P1.1=P1.0=1 是不允许的情况，因为这时所有的三极管均导通，功耗很大。系统软件程序设计主要包括：主程序设计、IC 卡检测及读写程序、掉电保护程序设计等. 2 总结 通过这次的课程设计，认知到了自己对单片机应用很多方面的不足.在实际的运用中，很多知识对自己来说都是陌生的.不过通过这次的设计，让我的知识也增加了不少，对论文的书写有了更好的认知.更重要的是对单片机有了更加深刻的理解.在查找的大量书籍和资料中获取了很多的知识. 本设计有着许多的优点，比如说计量准确，精度高，IC 卡保密性好，可以知道你剩余的电量，已用电量，而且在不足时候会提醒用户
10、及时充值，而且具有相当好的保护措施. 当然本设计也有着一些不足之处，例如抗干扰性不强，而很多的硬件损坏，以及系统失效都是由于各种干扰引起的，很多干扰来自电源，而电源由于电压的稳定性有着必然的联系.而在软件方面，当微处理器收到干扰时，程序指针 PC 会出错，因为 MC-51 的系统指令二字节、三字节指令较多，运行到程序区时，将操作数当成操作码执行，会造成混乱；跳到非程序区时，很有可能陷入某种循环不能出来，这也是本设计的不足之处. 总的来说本设计还是相当实用的，我也在其中获得了很多的指导，我相信这次的设计会对我今后的工作有帮助的，我也相信我的毕业论文会做的更好. 参考文献 1 阎石.数字电子技术基本教程.北京：清华大学出版社，2007. 2 黄仁欣，张琴.单片机原理与接口技术.北京：清华大学出版社，2010. 3 余修武.单片机原理及应用.成都：电子科技大学出版社，2008.
