基于单片机智能型预付费电度表的设计

江南大学物联网工程学院 孙文隆 陈宣含 沙 莉 徐颖秦 王 杰 罗 飞



基于单片机智能型预付费电度表的设计

江南大学物联网工程学院 孙文隆 陈宣含 沙 莉 徐颖秦 王 杰 罗 飞

【摘要】基于C52单片机、电能计量技术、IC卡技术和GSM通信技术，设计了一种智能型预付费电度表。该装置以STC89C52型单片机为控制核心，由C52控制电路、ADE7755电能计量电路、IC卡接口电路、GSM通信电路、电源等模块组成。其中，ADE7755对用户用电量进行实时计量；C52实现对电量数据处理及各模块的稳定控制；IC卡接口电路实现先付费，后用电；GSM实现电量不足时的智能提醒以及电量查询。本设计同时还具备液晶显示、掉电保护、限量供电等功能。经过实验验证，装置性能稳定，计量准确。

【关键词】电能计量；预付费；智能提醒；掉电保护

0　引言

电能的计量和付费，在居民日常生活、社会运行等方面都占有重要地位，传统机械式电度表存在笨重、需要人工抄表、精度低等缺点。基于单片机的智能型预付费电度表集高精度、预付费、智能提醒、掉电保护等功能于一体，可以很好地满足日常生活中单相电路电能计量的需要。

1　设计原理

基于单片机的智能型预付费电度表是以STC89C52单片机为控制核心，软硬件相结合的电能计量装置。该装置主要由C52单片机控制电路、ADE7755电能计量电路、IC卡接口电路、GSM通信电路以及电源等5个部分组成，组成原理如图1所示。ADE7755将采集到的电流电压信号以脉冲的形式送到C52；通过IC读写，实现先付费，后用电；通过GSM模块实现电量不足时的智能提醒以及电量查询。C52控制电路是所有模块的控制中心，实现数据处理、显示、掉电保护以及对磁保持继电器的控制等功能。

图1　装置组成原理图

2　硬件组成及工作原理

2.1有功电能计量部分

本设计采用高精度电能测量集成电路ADE7755，实现对电能的采样计量，其电路如图2所示。电能计量电路主要由电流采样电路、电压采样电路、ADE7755芯片及其外围电路组成。负载电流经分流、滤波后送入ADE7755的电流通道，即V1P和V1N脚。电阻分压网络构成电压采样电路，将采集到的电压信号送到ADE7755的电压通道，即V2P和V2N脚。ADE7755将采样到电流和电压信号进行计算，将得到电度量以脉冲形式从CF脚输出。输出脉冲经2501光电隔离器送到单片机的P3.4口，供单片机读取，提高了装置的抗干扰性能。

2.2单片机主控电路

控制电路实现对电能脉冲信号、掉电信号采集和处理，完成对显示模块控制、IC卡读写控制、GSM模块发送短信控制以及对磁保持继电器驱动等功能。单片机控制电路如图3所示。本设计选用宏晶科技STC89C52型单片机，其内部有8KB程序存储器以及2KB EEPROM，容量足够无须扩展；选用11.0592MHz高稳定无源晶体振荡器，给CPU提供高稳定的时钟信号；S1、R7、R11、C3、C4、D3组成复位电路，可实现对单片机的可靠复位；2200uF大电容用于单片机的掉电保护；1N5819二极管可以防止掉电后大电容放电对其他模块产生干扰；LED灯指示程序的运行情况。

2.3IC卡接口电路

IC卡接口电路实现对IC卡的读写和预付费功能。本设计中采用以MF522读写卡芯片为核心的IC卡读写模块。MF522内部发送器驱动读写器天线与非接触式IC卡通信。当天线电路有效区域内有IC卡接近时，接口电路发送信号给单片机，由单片机读取IC卡内电量数据，并将IC卡清零。在实际使用中，当单片机内剩余电量用完后，将控制继电器断开，线路断电；用户通过IC卡存入电量后，单片机控制继电器闭合，恢复供电，以此实现先付费，后用电的功能。

2.4GSM通信电路

GSM通信电路实现电量不足时的短信提醒以及用户查询功能。当电度表内剩余电量低于设定值时（例如5度），单片机控制GSM模块发送短信，提醒用户及时充电。当用户需要查询剩余电量时，可向GSM模块发送短信，实现对剩余电量的查询。设计中，采用以SIM900A为核心的GSM模块来实现短信发送功能。SIM900A是一种2分频的GSM/GPRS芯片，采用省电模式，在睡眠模式下最低耗流仅有1mA，具有数据传输、串行通信等功能。

图2　电能计量电路

图3　单片机主控电路

图4　液晶显示电路

图5　掉电检测电路

2.5液晶显示电路

本设计采用LCD1602液晶显示器实现数据显示，其显示容量为16×2个字符，电路如图4所示。在显示器的BLK端加了一个2N3904三极管，单片机(P2.7口)通过2N3904实现对LCD背光的打开和关闭，以节约电表自身的耗电量，变阻器R9用来对显示器对比度的调整。

2.6掉电检测电路

掉电检测电路实现掉电信号的检测，电路如图5所示。设计中采用LM393集成运放搭建电压比较电路判断掉电信号，LM336稳压管保证了掉电检测电路的稳定性。电压正常时，LM393输出高电平；发生掉电时，LM393输出低电平。将LM393的输出端(1脚)接到单片机的INT0口，默认设置为最高级别的中断。当单片机发生掉电时，LM393输出端产生一个由高电平到低电平的跳变信号送给单片机，单片机进入外部中断服务程序，进行电量数据的存储。

2.7跳闸驱动电路

当电量用完时，要求磁保持继电器断开线路，以实现限量供电。本设计采用BL8023跳闸驱动芯片实现磁保持继电器驱动功能，电路如图6所示。当单片机通过P1.6口和P1.7口给BL8023发送符合功能表的触发脉冲时，就能驱动磁保持继电器相应动作，达到控制电路断开和闭合的目的。

图6　跳闸驱动电路

2.8电源部分

电源主要功能是提供稳定的电压以保证各芯片的正常运行，电路如图7所示。由于各模块工作电压不同，如BL8023为12V，IC卡为3.3V，其余模块为5V，因此需要3种不同大小的供电电压。通过SHB-12W开关电源将220V交流电转变为12V直流电，再经过LM7805稳压集成电路得到5V，最后经LM1117电压调节器稳压得到3.3V。FU1是额定电流为1A的自恢复熔断器，起短路保护作用。压敏电阻RV用于过电压保护。

图7　电源电路

3　系统软件结构设计

3.1主程序流程图

图8为系统软件的主程序流程图。在程序开始时先读出单片机内部EEPROM保存的剩余电量和累计电量数据，然后进行各个模块的初始化。在主循环中，依次循环检测是否有IC卡接近，是否电量不足以及是否收到查询短信；若有，则跳转到相应的执行程序。

图8　主程序流程图

3.2计数器T0服务程序流程图

图9所示为计数器T0的服务程序流程图。计数器T0用来计数电能计量模块传输到单片机的脉冲，以供单片机对电量数据的处理。每进入一次中断，剩余电量减一个单位同时累计电量增加一个单位，然后更新液晶显示。另外，将是否有剩余电量的判断程序放到中断程序而不是放到主程序中，避免了因主程序在执行其他子程序的过程中无法及时断开继电器，导致电能计量错误。

3.3外部中断INT0服务程序流程图

图10是外部中断INT0的服务程序流程图。外部中断0主要是在掉电时将单片机内的剩余电量和累计电量数据保存到片内EEPROM中，等待下次上电后再读出，防止掉电后数据丢失。

图9　计数器T0服务程序流程图

图10　外部中断INT0服务程序流程图

4　结论

本设计以STC89C52单片机为控制核心，设计了可用于单相电路电能计量的电度表系统。以ADE7755为核心的电能计量电路可实现对电能的精确计量；采用IC卡预付费的方式，避免了传统电度表需要手工抄表等诸多缺点；创新性地采用GSM模块实现电量不足时的短信提醒以及短信查询功能，大大方便了用户对用电情况的把握；掉电保护的设计保证了停电时对单片机内电量数据的可靠存储。经实验验证，本设计可以很好地满足日常生活中单相电路电能计量的需要。

参考文献

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孙文隆（1994—），男，浙江永嘉人，大学本科，现就读于江南大学物联网工程学院电气工程及其自动化专业。

徐颖秦（1965—），女，硕士，副教授，主要从事智能电力监控方向的研究。

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

作者简介：

基金项目：2015年江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201510295010Y）。