基于单片机的智能电表控制系统

【摘要】二十世纪以来，经济迅速发展，用电量也在日益增加，传统的电表已不能满足社会的需要，以单片机为主控芯片的智能电表技术开始出现。论文主要以AT89S52单片机为控制核心，设计一种高精度多功能的单相电能表，利用电能计量专用芯片来计量所耗电量，功能多，精度高，更有利于实行远程抄表，有利于电能的合理管理和应用。

【关键词】AT89S52;电能计量;ADE7755

1.引言

随着经济的不断发展，电力已经成为我国比较重要的能源。对于民用电力，由于人民物质生活的丰富了许多，生活质量提高很大，对电力的需求也越来越大。但是，目前对于居民用电的管理还处于落后状况，向居民收取电费的方式多年来一直是用户先用电、管理部门后抄表、用户再付费的传统方式。这种用电管理模式，给居民带来了很多不便，而且加大了工作人员的工作量。为更好的满足社会的需要，保证用户安全、合理、方便地用电，改造传统电表和用电的管理方式，让它符合社会发展的需要就显得非常有必要。为了改变这种长期落后的用电方式，IC卡智能电表开始出现。

2.智能电表控制系统的设计方案

所谓智能电表，就是通过应用计算机技术，通讯技术等，形成以智能芯片（如单片机）为核心，具有电功率计量、记费、用电管理等功能的智能型电度表。

IC卡智能电能表控制系统中含有微处理器或微控制器，在微处理器或微控制器的进行设备的扩展如程序存储器ROM、数据存储器RAM、显示器、报警装置。系统主要包括以下部分：

（1）AT89S52单片机是整个IC卡智能电表硬件的核心部分，它是电能表的“大脑”，所有的硬件模块都是在它的控制协调下进行工作的。单片机通过烧制在其中的各种程序，控制着其它硬件模块的工作状态。

（2）ADE7755是电能计量芯片，在整个硬件电路中发挥着重要作用。主要完成对电能量的计量，将模拟电能信息转化为单片机可以读取并且操作的数字电能信息。

（3）电能采样模块是将电能表硬件系统与主电网进行隔离，使强电和弱电分开。将主网中的大电压，大电流转化为小电压，小电流，以便提供给电能计量芯片进行处理。

（4）电源模块为整个电能表硬件系统正常工作供电，它通过电能变换将主电网中的220V交流电，降压、整流为5V和12V的直流电，从而为其他硬件的正常工作提供电源。

（5）数据存储模块是所有电能信息的存储单元。单片机对存储器里的数据信息进行读操作时，将信息读出后送给其它模块使用。单片机对存储器里的数据信息进行写操作时，是将计量芯片计量的数据保存到存储器里的过程。

（6）显示模块可以将用电信息，剩余金额等信息，清楚地显示在液晶显示模块上，供用户和抄表人员参考。

（7）报警电路，当用户IC卡内的剩余金额到达预设数字时，系统开始报警，提示用户及时充值，以免影响正常生活用电。

（8）看门狗电路，可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护电表的硬件电路。

3.电路设计

3.1 电能采样及计量模块

电表通过电流传感器和电压传感器采集用户的用电信息，在经过滤波电路后转化成合适电信号送入到电能计量芯片ADE7755的电流通道和电压通道。ADE7755将电能信息转换成有功功率以高频脉冲的形式从CF端输出然后接入到单片机AT89S52外部中断信号输入端INT0端口，如图1所示。

图1 电能采样及计量

图2 显示模块

3.2 数据存储模块

近年来电子技术迅速发展，一些大容量的存储器开始出现了，大体分为一下三种。一种是传统的电荷存储为原理的E2PROM制作的存储器，这种存储器擦写次数可达到106次，数据的保存时间是100年，抗干扰能力比较强，但是新型的存储器相比写入的时间较长。二是以快闪存储器为代表的FLASH存储器，它的擦鞋速度快，数据保存时间长，但是擦写次数少，只有1000次左右，把它用在要经常更新数据的场合不合适。三是以铁电体为基本储单元的铁电存储器，他利用分子结构，将一个铁氧体悬浮在存储单元中间，存储1或者存储0时只要将铁氧体的极性反转，因此它的写入速度快。

作为智能电表的数据存储模块，读写次数会很频繁，所以要选择可以满足多次读写的存储器。考虑到要节约单片机的端口和布线的方便性，选用串行的存储器。

设计中选用的是CATALYST公司生产的串行存储器，型号为AT24C08，中主要存储相关参数，剩余用电量、累计用电量、IC卡的卡号等参数

3.3 显示模块

显示电路主要是由LCD1602组成的如图2所示，负责显示用户的用电信息。例如，当前的剩余电量和累计用电量等信息。

3.4 看门狗电路

设计中的复位电路是由MAX706构成，负责监控电路的通电、断电、单片机程序跑飞或意外进入“死循环”，产生一个单片机复位脉冲，将单片机复位。

3.5 供电控制电路

该模块由一个晶体三极管Q2，继电器J限流电阻R5和二极管D1组成。当用户IC卡电表的数据存储模块中的剩余电量没有达到剩余电量跳闸极限值时，该电路通过继电器让用户保持供电;当用户剩余电量达到跳闸限值时，本电路通过继电器停止向用户供电。如图3所示。

图3 供电控制电路

图4 主程序

当用户电表中的剩余电量达到跳闸限值时，单片机将从P13端口输出高电平，经过电阻R4加到三极管Q2的基极，让三极管Q2导通，则继电器J吸合，从而使得常闭触点断开，将供电电路断开停止对用户供电。为到达跳闸限值时，单片机的P13口输出为低电平，使得晶体管Q2截止，使继电器不能吸合，常闭触点闭合，供电电路接通，给用户供电。

4.软件设计

本控制系统的软件设计主要包括主程序的设计、IC卡插入中断程序的设计、电能计量脉冲中断程序的设计、显示子程序的设计、用户卡子程序的设计、报警子程序的设计、断电子程序的设计。主程序设计如图4所示。

参考文献

[1]刘守义.智能卡技术[M].西安电子科技大学出版社，2004.

[2]王忠飞，胥芳.MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用[M].西安电子科技大学出版社，2007.

[3]万福君.MCS-51单片机原理、系统设计与应用[M].清华大学出版社，2008.

[4]胡宴如，耿苏燕.高频电子线路[M].高等教育出版社，2009.

[5]于凌宇.继电器技术及发展[J].国外电子元器件， 2000 （8）.