基于單片機(jī)智能型預(yù)付費(fèi)電度表的設(shè)計(jì)

江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 孫文隆 陳宣含 沙 莉 徐穎秦 王 杰 羅 飛

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基于單片機(jī)智能型預(yù)付費(fèi)電度表的設(shè)計(jì)

江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 孫文隆 陳宣含 沙 莉 徐穎秦 王 杰 羅 飛

【摘要】基于C52單片機(jī)、電能計(jì)量技術(shù)、IC卡技術(shù)和GSM通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能型預(yù)付費(fèi)電度表。該裝置以STC89C52型單片機(jī)為控制核心，由C52控制電路、ADE7755電能計(jì)量電路、IC卡接口電路、GSM通信電路、電源等模塊組成。其中，ADE7755對(duì)用戶(hù)用電量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量；C52實(shí)現(xiàn)對(duì)電量數(shù)據(jù)處理及各模塊的穩(wěn)定控制；IC卡接口電路實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)，后用電；GSM實(shí)現(xiàn)電量不足時(shí)的智能提醒以及電量查詢(xún)。本設(shè)計(jì)同時(shí)還具備液晶顯示、掉電保護(hù)、限量供電等功能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，裝置性能穩(wěn)定，計(jì)量準(zhǔn)確。

【關(guān)鍵詞】電能計(jì)量；預(yù)付費(fèi)；智能提醒；掉電保護(hù)

0　引言

電能的計(jì)量和付費(fèi)，在居民日常生活、社會(huì)運(yùn)行等方面都占有重要地位，傳統(tǒng)機(jī)械式電度表存在笨重、需要人工抄表、精度低等缺點(diǎn)?；趩纹瑱C(jī)的智能型預(yù)付費(fèi)電度表集高精度、預(yù)付費(fèi)、智能提醒、掉電保護(hù)等功能于一體，可以很好地滿(mǎn)足日常生活中單相電路電能計(jì)量的需要。

1　設(shè)計(jì)原理

基于單片機(jī)的智能型預(yù)付費(fèi)電度表是以STC89C52單片機(jī)為控制核心，軟硬件相結(jié)合的電能計(jì)量裝置。該裝置主要由C52單片機(jī)控制電路、ADE7755電能計(jì)量電路、IC卡接口電路、GSM通信電路以及電源等5個(gè)部分組成，組成原理如圖1所示。ADE7755將采集到的電流電壓信號(hào)以脈沖的形式送到C52；通過(guò)IC讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)，后用電；通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)電量不足時(shí)的智能提醒以及電量查詢(xún)。C52控制電路是所有模塊的控制中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示、掉電保護(hù)以及對(duì)磁保持繼電器的控制等功能。

圖1　裝置組成原理圖

2　硬件組成及工作原理

2.1有功電能計(jì)量部分

本設(shè)計(jì)采用高精度電能測(cè)量集成電路ADE7755，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的采樣計(jì)量，其電路如圖2所示。電能計(jì)量電路主要由電流采樣電路、電壓采樣電路、ADE7755芯片及其外圍電路組成。負(fù)載電流經(jīng)分流、濾波后送入ADE7755的電流通道，即V1P和V1N腳。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成電壓采樣電路，將采集到的電壓信號(hào)送到ADE7755的電壓通道，即V2P和V2N腳。ADE7755將采樣到電流和電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，將得到電度量以脈沖形式從CF腳輸出。輸出脈沖經(jīng)2501光電隔離器送到單片機(jī)的P3.4口，供單片機(jī)讀取，提高了裝置的抗干擾性能。

2.2單片機(jī)主控電路

控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電能脈沖信號(hào)、掉電信號(hào)采集和處理，完成對(duì)顯示模塊控制、IC卡讀寫(xiě)控制、GSM模塊發(fā)送短信控制以及對(duì)磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)等功能。單片機(jī)控制電路如圖3所示。本設(shè)計(jì)選用宏晶科技STC89C52型單片機(jī)，其內(nèi)部有8KB程序存儲(chǔ)器以及2KB EEPROM，容量足夠無(wú)須擴(kuò)展；選用11.0592MHz高穩(wěn)定無(wú)源晶體振蕩器，給CPU提供高穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)；S1、R7、R11、C3、C4、D3組成復(fù)位電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的可靠復(fù)位；2200uF大電容用于單片機(jī)的掉電保護(hù)；1N5819二極管可以防止掉電后大電容放電對(duì)其他模塊產(chǎn)生干擾；LED燈指示程序的運(yùn)行情況。

2.3IC卡接口電路

IC卡接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的讀寫(xiě)和預(yù)付費(fèi)功能。本設(shè)計(jì)中采用以MF522讀寫(xiě)卡芯片為核心的IC卡讀寫(xiě)模塊。MF522內(nèi)部發(fā)送器驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)器天線與非接觸式IC卡通信。當(dāng)天線電路有效區(qū)域內(nèi)有IC卡接近時(shí)，接口電路發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，由單片機(jī)讀取IC卡內(nèi)電量數(shù)據(jù)，并將IC卡清零。在實(shí)際使用中，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)剩余電量用完后，將控制繼電器斷開(kāi)，線路斷電；用戶(hù)通過(guò)IC卡存入電量后，單片機(jī)控制繼電器閉合，恢復(fù)供電，以此實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)，后用電的功能。

2.4GSM通信電路

GSM通信電路實(shí)現(xiàn)電量不足時(shí)的短信提醒以及用戶(hù)查詢(xún)功能。當(dāng)電度表內(nèi)剩余電量低于設(shè)定值時(shí)（例如5度），單片機(jī)控制GSM模塊發(fā)送短信，提醒用戶(hù)及時(shí)充電。當(dāng)用戶(hù)需要查詢(xún)剩余電量時(shí)，可向GSM模塊發(fā)送短信，實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余電量的查詢(xún)。設(shè)計(jì)中，采用以SIM900A為核心的GSM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送功能。SIM900A是一種2分頻的GSM/GPRS芯片，采用省電模式，在睡眠模式下最低耗流僅有1mA，具有數(shù)據(jù)傳輸、串行通信等功能。

圖2　電能計(jì)量電路

圖3　單片機(jī)主控電路

圖4　液晶顯示電路

圖5　掉電檢測(cè)電路

2.5液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，其顯示容量為16×2個(gè)字符，電路如圖4所示。在顯示器的BLK端加了一個(gè)2N3904三極管，單片機(jī)(P2.7口)通過(guò)2N3904實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD背光的打開(kāi)和關(guān)閉，以節(jié)約電表自身的耗電量，變阻器R9用來(lái)對(duì)顯示器對(duì)比度的調(diào)整。

2.6掉電檢測(cè)電路

掉電檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)掉電信號(hào)的檢測(cè)，電路如圖5所示。設(shè)計(jì)中采用LM393集成運(yùn)放搭建電壓比較電路判斷掉電信號(hào)，LM336穩(wěn)壓管保證了掉電檢測(cè)電路的穩(wěn)定性。電壓正常時(shí)，LM393輸出高電平；發(fā)生掉電時(shí)，LM393輸出低電平。將LM393的輸出端(1腳)接到單片機(jī)的INT0口，默認(rèn)設(shè)置為最高級(jí)別的中斷。當(dāng)單片機(jī)發(fā)生掉電時(shí)，LM393輸出端產(chǎn)生一個(gè)由高電平到低電平的跳變信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序，進(jìn)行電量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.7跳閘驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)電量用完時(shí)，要求磁保持繼電器斷開(kāi)線路，以實(shí)現(xiàn)限量供電。本設(shè)計(jì)采用BL8023跳閘驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)功能，電路如圖6所示。當(dāng)單片機(jī)通過(guò)P1.6口和P1.7口給BL8023發(fā)送符合功能表的觸發(fā)脈沖時(shí)，就能驅(qū)動(dòng)磁保持繼電器相應(yīng)動(dòng)作，達(dá)到控制電路斷開(kāi)和閉合的目的。

圖6　跳閘驅(qū)動(dòng)電路

2.8電源部分

電源主要功能是提供穩(wěn)定的電壓以保證各芯片的正常運(yùn)行，電路如圖7所示。由于各模塊工作電壓不同，如BL8023為12V，IC卡為3.3V，其余模塊為5V，因此需要3種不同大小的供電電壓。通過(guò)SHB-12W開(kāi)關(guān)電源將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?2V直流電，再經(jīng)過(guò)LM7805穩(wěn)壓集成電路得到5V，最后經(jīng)LM1117電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)壓得到3.3V。FU1是額定電流為1A的自恢復(fù)熔斷器，起短路保護(hù)作用。壓敏電阻RV用于過(guò)電壓保護(hù)。

圖7　電源電路

3　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1主程序流程圖

圖8為系統(tǒng)軟件的主程序流程圖。在程序開(kāi)始時(shí)先讀出單片機(jī)內(nèi)部EEPROM保存的剩余電量和累計(jì)電量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化。在主循環(huán)中，依次循環(huán)檢測(cè)是否有IC卡接近，是否電量不足以及是否收到查詢(xún)短信；若有，則跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的執(zhí)行程序。

圖8　主程序流程圖

3.2計(jì)數(shù)器T0服務(wù)程序流程圖

圖9所示為計(jì)數(shù)器T0的服務(wù)程序流程圖。計(jì)數(shù)器T0用來(lái)計(jì)數(shù)電能計(jì)量模塊傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的脈沖，以供單片機(jī)對(duì)電量數(shù)據(jù)的處理。每進(jìn)入一次中斷，剩余電量減一個(gè)單位同時(shí)累計(jì)電量增加一個(gè)單位，然后更新液晶顯示。另外，將是否有剩余電量的判斷程序放到中斷程序而不是放到主程序中，避免了因主程序在執(zhí)行其他子程序的過(guò)程中無(wú)法及時(shí)斷開(kāi)繼電器，導(dǎo)致電能計(jì)量錯(cuò)誤。

3.3外部中斷INT0服務(wù)程序流程圖

圖10是外部中斷INT0的服務(wù)程序流程圖。外部中斷0主要是在掉電時(shí)將單片機(jī)內(nèi)的剩余電量和累計(jì)電量數(shù)據(jù)保存到片內(nèi)EEPROM中，等待下次上電后再讀出，防止掉電后數(shù)據(jù)丟失。

圖9　計(jì)數(shù)器T0服務(wù)程序流程圖

圖10　外部中斷INT0服務(wù)程序流程圖

4　結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了可用于單相電路電能計(jì)量的電度表系統(tǒng)。以ADE7755為核心的電能計(jì)量電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的精確計(jì)量；采用IC卡預(yù)付費(fèi)的方式，避免了傳統(tǒng)電度表需要手工抄表等諸多缺點(diǎn)；創(chuàng)新性地采用GSM模塊實(shí)現(xiàn)電量不足時(shí)的短信提醒以及短信查詢(xún)功能，大大方便了用戶(hù)對(duì)用電情況的把握；掉電保護(hù)的設(shè)計(jì)保證了停電時(shí)對(duì)單片機(jī)內(nèi)電量數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)可以很好地滿(mǎn)足日常生活中單相電路電能計(jì)量的需要。

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孫文隆（1994—），男，浙江永嘉人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。

徐穎秦（1965—），女，碩士，副教授，主要從事智能電力監(jiān)控方向的研究。

Research of Intelligent prepayment electricity meter based on MCU

SUN Wen-long，CHEN Xuan-han，SHA Li，XU Ying-qin，WANG Jie，LUO Fei
（School of IoT Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Abstract：C52 microcontroller，electric energy metering technology，IC card technology and GSM communication technology based on the design of an intelligent prepayment meter.The device takes the STC89C52 microcomputer as the control core，which is composed of a single chip microcomputer control circuit，an electric energy metering circuit，an IC card interface circuit，a GSM communication circuit and a power supply module.By ADE7755 electrical measurement circuit of user power consumption of real-time measurement；using C52 single-chip to realize the stable control of the electric energy data processing and the module；through IC card interface circuit to achieve the prepayment before using electricity；using GSM module to realize the power of intelligent remind and electric quantity queries.The design also includes a liquid crystal display，power down protection，limited power supply function.Experiments show that the device has stable performance and accurate measurement.

Key words：electric energy measurement；prepayment；intelligent reminder；power off protection

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：2015年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201510295010Y）。