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摘 要：为了改善用电不均衡的僵局，适应市场对数字式电度表的要求，本设计开发的单相预付费电度表是以Atmel公司生产的AT89C52为核心控制芯片，以专用的电能计量芯片SM9903为计量芯片的全电子式预付费数字电度表， 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），微处理器通过对脉冲计数来计算所消费的电量。
关键词：电度表；数据采集；单相；预付费
1、引言
随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门己开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。1995 年4月，由国家计委、国家经贸委和电力工业部联合在上海召开的全国计划用电工作会议上决定，用3～4年时间，在全国各大电网内，有计划、分步骤全面推行峰谷分时电价制度。总目标是各网轉移高峰电力10～15%，全国实现转移高峰电力1000～2000万千瓦，推行的范围不仅是工业、商业用户，而且对非工业、农业用电也要逐步实行。在有条件的地区，即已经实行一户一表的居民用电区，也将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以提高电能利用率，提高居民的用电质量。今年，上海、湖北、广东、四川等省市供电局先后宣布将大力推广复费率电度表，对电力用户采用不同时段和不同计费标准鼓励谷时段的电力消费。
2、系统框架设计
2.1电能计量系统方案设计
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P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1所示。
这种方案不但具有很低优点，而且对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。
2.2预付费系统方案设计
非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片，其逻辑结构如图2所示。
存储器卡的特点：
卡内嵌入的芯片多为通用EEPROM。
无安全控制逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取。
卡片制造中也很少采取安全保护措施。
多采用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）。非加密存储器卡信息存储方便、使用简单、价格便宜，很多场合可替代磁卡。但由于本身不具备信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的场合，其典型型号有：
AT24C0La/02/04/08/16/32/64二线串行EEPROM。
AT93C46/56/66三线串行EEPROM。
Microchip24LC0La/02/04/08/16/32/65二线串行EEPROM。
SLE4418智能型1KB EEPROM。
SLE4432智能型256B EEPROM。
AT45D041大容量（4MB）闪速存储卡。
3、硬件电路设计
3.1预付费电度表电路工作原理
预付费电度表的硬件电路可分为电能计量电路、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。
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宇信号。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）输出负电平以指示测量负向有功功率。SM9903管脚图如图3所示。
3.2控制部分电路
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数据的采集和读写，完成显示驱动模块的控制和继电器的驱动等功能。
单片机的选择是决定电度表性能的关键因素，本设计采用MCS-51系列单片机，其特点是通用性强，堆栈丰富和编程容易。其Flash型如：Atmel公司的AT89C51、AT89C52、AT89C105l、AT89C2051等和台湾华帮公司的W78E5l、W78E52等，使用十分方便。51系列单片机的指令系统中，2～3B的指令很多。当程序指针PC跳飞至某条指令的中间时，会把操作数当成指令码执行而引起混乱，这一致命的弱点将导致电度表的可靠性下降。所以，在软件中，必须采用相应的措施加以解决。这在后面的提高付费电度表可靠性的措施中将做详细的论述[7]。
本设计选用Atmel公司的AT89C52，其内部有8KB的程序存储器，无须外部扩展，使硬件电路简单，电路如图5所示。
IC4与时钟电路（包括晶体振荡器、电容C14、C15和内部电路），上电复位电路（包括R23、C13、S2、VD10、C3l、R50）构成单片机的最小系统。其中，晶体振荡器选用l2MHz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提供高稳定的时钟信号。电容C14、C15可起频率微调作用，电容值在5pF～30pF之间选择，本电路选20pF。电容C13和电阻R23构成上电复位电路。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。只要高电平的维持时间大于两个机器周期（24个振荡周期）。CPU就可复位。二极管VDl0的作用是当断电时，可使电容C13所储存的电荷迅速释放，以便下次上电时可靠复位。电容C31可滤除高频干扰，防止单片机误复位。按键S2和电阻R50构成按键复位电路。 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 点阵。采用总线方式连接，硬件电路如图6所示。
3.4 IC卡接口电路
IC卡接口电路采用的是Atmel公司的存储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，必须有卡上下电控制电路、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7所示。
3.5电能信息存储电路
电能信息存储器由串行EEPROM和上拉电阻组成，电路如图8所示。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選用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。
4、系统软件设计
4.1主程序流程
主程序中，在初始化之后，首先应判别是上电复位还是自复位。若为上电复位，则从EEPROM中读取保护起来的剩余电量，累计用电量等数据。为了能够区别上电和自复位两种情况，设置一个“掉电”标志，存于EEPROM中，由INT0中断服务程序置位，而由主程序清除。主程序中还设置了一个“卡插入”标志，以区别卡是第一次插入还是上个程序循环周期已经插入，以避免单片机对卡进行重复读写而缩短卡的使用寿命。IC卡处理程序主要是检测卡的合法性，判别卡的类型（初始化卡/用户购电卡），比较卡密码，对于初始化卡则还要读取主密码常数并将表内剩余电量和累计用电量单元清零，对于用户购电卡还要读取购电量或赊电量，并将卡内相应数据清零。继电器跳闸程序主要是当剩余电量为零或超负荷时，跳继电器切断用电回路。图9所示为软件系统主程序的流程图。
4.2掉电保护流程
5、结论
设计的单相预付费电度表具有结构简单、使用方便、性价比高、高稳定性、高精度等特点。用户从电力部门购买的电量通过IC卡传递给电度表，单片机将新购电量与表内剩余电量相加得到新的剩余电量，存于EEPROM芯片中。电度表的盘转数通过电检测器转换成电脉冲信号，送单片机计数。计数值的大小反映了用电量大小，单片机从剩余电量中扣除用电量，并对用电量进行累加。该电表具预付费功能，从用户的需求、电表的性能、价格等各个方面考虑，该表都非常适合市场要求，有远大的市场前景。
参考文献
[1] 彭为，黄科，雷道仲.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] 王卓人，刘宗祥等.IC卡技术与应用[M].北京：电子工业出版社，1999.
[3] 王爱英.智能卡技术[M].北京：清华大学出版社，1996.
[4] 蓝永林.交流电能表检定和调整[M].北京：中国计量出版社，1992.
[5] 陈建铎.电力线路多参数微机测试方法[J].电测与仪表，1988（4）.
[6] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.
[7] 沈德，陈粤初.MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.
[8] 冯克.MCS-51系列单片机实用子程序及其应用实例[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1990.
[9] 包广清等.电能计量微机监控系统的研究[J].自动化与仪表，2001.
[10] 王移风.预收费电度表的设计[J].电子技术，1998.
[11]王海春.EEP-1单相电度表预收费装置的设计[J].自动化，2000.
[12]魏少春.智能IC卡预收费电度表[J].仪表技术，1997.
[13] D. Dubois and H. Prade. Fuzzy Sets and Systems： Theory and Applications [M].New York： Academic Press， 2002.
作者简介：
罗峰，西南石油大学测控技术与仪器专业学生，主要从事测控技术方面的研究与应用工作。
关键词：电度表；数据采集；单相；预付费
1、引言
随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门己开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。1995 年4月，由国家计委、国家经贸委和电力工业部联合在上海召开的全国计划用电工作会议上决定，用3～4年时间，在全国各大电网内，有计划、分步骤全面推行峰谷分时电价制度。总目标是各网轉移高峰电力10～15%，全国实现转移高峰电力1000～2000万千瓦，推行的范围不仅是工业、商业用户，而且对非工业、农业用电也要逐步实行。在有条件的地区，即已经实行一户一表的居民用电区，也将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以提高电能利用率，提高居民的用电质量。今年，上海、湖北、广东、四川等省市供电局先后宣布将大力推广复费率电度表，对电力用户采用不同时段和不同计费标准鼓励谷时段的电力消费。
2、系统框架设计
2.1电能计量系统方案设计
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P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1所示。
这种方案不但具有很低优点，而且对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。
2.2预付费系统方案设计
非加密存储器卡的卡内嵌入芯片为通用存储器芯片，其逻辑结构如图2所示。
存储器卡的特点：
卡内嵌入的芯片多为通用EEPROM。
无安全控制逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取。
卡片制造中也很少采取安全保护措施。
多采用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）。非加密存储器卡信息存储方便、使用简单、价格便宜，很多场合可替代磁卡。但由于本身不具备信息保密功能，因此只能用于保密性要求不高的场合，其典型型号有：
AT24C0La/02/04/08/16/32/64二线串行EEPROM。
AT93C46/56/66三线串行EEPROM。
Microchip24LC0La/02/04/08/16/32/65二线串行EEPROM。
SLE4418智能型1KB EEPROM。
SLE4432智能型256B EEPROM。
AT45D041大容量（4MB）闪速存储卡。
3、硬件电路设计
3.1预付费电度表电路工作原理
预付费电度表的硬件电路可分为电能计量电路、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。
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宇信号。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）输出负电平以指示测量负向有功功率。SM9903管脚图如图3所示。
3.2控制部分电路
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数据的采集和读写，完成显示驱动模块的控制和继电器的驱动等功能。
单片机的选择是决定电度表性能的关键因素，本设计采用MCS-51系列单片机，其特点是通用性强，堆栈丰富和编程容易。其Flash型如：Atmel公司的AT89C51、AT89C52、AT89C105l、AT89C2051等和台湾华帮公司的W78E5l、W78E52等，使用十分方便。51系列单片机的指令系统中，2～3B的指令很多。当程序指针PC跳飞至某条指令的中间时，会把操作数当成指令码执行而引起混乱，这一致命的弱点将导致电度表的可靠性下降。所以，在软件中，必须采用相应的措施加以解决。这在后面的提高付费电度表可靠性的措施中将做详细的论述[7]。
本设计选用Atmel公司的AT89C52，其内部有8KB的程序存储器，无须外部扩展，使硬件电路简单，电路如图5所示。
IC4与时钟电路（包括晶体振荡器、电容C14、C15和内部电路），上电复位电路（包括R23、C13、S2、VD10、C3l、R50）构成单片机的最小系统。其中，晶体振荡器选用l2MHz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提供高稳定的时钟信号。电容C14、C15可起频率微调作用，电容值在5pF～30pF之间选择，本电路选20pF。电容C13和电阻R23构成上电复位电路。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。只要高电平的维持时间大于两个机器周期（24个振荡周期）。CPU就可复位。二极管VDl0的作用是当断电时，可使电容C13所储存的电荷迅速释放，以便下次上电时可靠复位。电容C31可滤除高频干扰，防止单片机误复位。按键S2和电阻R50构成按键复位电路。 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 点阵。采用总线方式连接，硬件电路如图6所示。
3.4 IC卡接口电路
IC卡接口电路采用的是Atmel公司的存储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，必须有卡上下电控制电路、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7所示。
3.5电能信息存储电路
电能信息存储器由串行EEPROM和上拉电阻组成，电路如图8所示。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選用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。
4、系统软件设计
4.1主程序流程
主程序中，在初始化之后，首先应判别是上电复位还是自复位。若为上电复位，则从EEPROM中读取保护起来的剩余电量，累计用电量等数据。为了能够区别上电和自复位两种情况，设置一个“掉电”标志，存于EEPROM中，由INT0中断服务程序置位，而由主程序清除。主程序中还设置了一个“卡插入”标志，以区别卡是第一次插入还是上个程序循环周期已经插入，以避免单片机对卡进行重复读写而缩短卡的使用寿命。IC卡处理程序主要是检测卡的合法性，判别卡的类型（初始化卡/用户购电卡），比较卡密码，对于初始化卡则还要读取主密码常数并将表内剩余电量和累计用电量单元清零，对于用户购电卡还要读取购电量或赊电量，并将卡内相应数据清零。继电器跳闸程序主要是当剩余电量为零或超负荷时，跳继电器切断用电回路。图9所示为软件系统主程序的流程图。
4.2掉电保护流程
5、结论
设计的单相预付费电度表具有结构简单、使用方便、性价比高、高稳定性、高精度等特点。用户从电力部门购买的电量通过IC卡传递给电度表，单片机将新购电量与表内剩余电量相加得到新的剩余电量，存于EEPROM芯片中。电度表的盘转数通过电检测器转换成电脉冲信号，送单片机计数。计数值的大小反映了用电量大小，单片机从剩余电量中扣除用电量，并对用电量进行累加。该电表具预付费功能，从用户的需求、电表的性能、价格等各个方面考虑，该表都非常适合市场要求，有远大的市场前景。
参考文献
[1] 彭为，黄科，雷道仲.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] 王卓人，刘宗祥等.IC卡技术与应用[M].北京：电子工业出版社，1999.
[3] 王爱英.智能卡技术[M].北京：清华大学出版社，1996.
[4] 蓝永林.交流电能表检定和调整[M].北京：中国计量出版社，1992.
[5] 陈建铎.电力线路多参数微机测试方法[J].电测与仪表，1988（4）.
[6] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.
[7] 沈德，陈粤初.MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.
[8] 冯克.MCS-51系列单片机实用子程序及其应用实例[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1990.
[9] 包广清等.电能计量微机监控系统的研究[J].自动化与仪表，2001.
[10] 王移风.预收费电度表的设计[J].电子技术，1998.
[11]王海春.EEP-1单相电度表预收费装置的设计[J].自动化，2000.
[12]魏少春.智能IC卡预收费电度表[J].仪表技术，1997.
[13] D. Dubois and H. Prade. Fuzzy Sets and Systems： Theory and Applications [M].New York： Academic Press， 2002.
作者简介：
罗峰，西南石油大学测控技术与仪器专业学生，主要从事测控技术方面的研究与应用工作。