分析新型智能電表的設(shè)計(jì)和研究

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能電表應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，這樣可以省去中間很多環(huán)節(jié)，降低了成本，提高公司的利益。作為現(xiàn)在使用較為廣泛的IC卡電表系統(tǒng)的替代升級(jí)產(chǎn)品，智能電表在日本和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已有了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)也有廠商正在積極研制商品化的智能電表產(chǎn)品。本文介紹一種新型智能電表的電路構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)方案。

該智能電表屬機(jī)電式智能電表，它由硬件電路、相應(yīng)軟件及發(fā)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)某一電力公司不同時(shí)間段不同電價(jià)的計(jì)費(fèi)，從而可實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)管的智能化。用戶的購(gòu)電信息實(shí)行微機(jī)管理，方便進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、收費(fèi)及打印票據(jù)等。工作原理　用戶持IC卡到供電部門交款購(gòu)電，供電部門用售電管理機(jī)將購(gòu)電量寫(xiě)入IC卡中，用戶持IC卡在感應(yīng)區(qū)刷非接觸式IC卡(簡(jiǎn)稱刷卡，下同)，即可合閘供電，供電后將卡拿走。當(dāng)表內(nèi)剩余電量等于報(bào)警電量時(shí)，拉閘斷電報(bào)警(或蜂鳴器報(bào)警)，此時(shí)用戶在感應(yīng)區(qū)刷卡即可恢復(fù)供電;當(dāng)剩余電量為零時(shí)，自動(dòng)拉閘斷電，用戶必須再次持卡交費(fèi)購(gòu)電，才可以恢復(fù)用電。

1 電表硬件裝置

本電表裝置的硬件包括接口卡、手持單元及電表費(fèi)率系統(tǒng)三部分。電力公司通過(guò)普通微機(jī)串口輸入用戶購(gòu)電信息到手持單元部分，用戶再將購(gòu)電信息用手持單元發(fā)送到電表費(fèi)率系統(tǒng)，由費(fèi)率系統(tǒng)根據(jù)用戶購(gòu)電信息來(lái)監(jiān)視用戶用電情況，完成計(jì)費(fèi)，并在適當(dāng)時(shí)候提醒用戶購(gòu)電。

1.1 手持單元

手持單元部分的電路原理圖如圖1所示。

它要完成以下功能：

通過(guò)串口接收由微機(jī)程序輸出的用戶購(gòu)電信息，并將該用戶購(gòu)電信息存儲(chǔ)并加密。在發(fā)送完用戶的購(gòu)電信息后，系統(tǒng)將自動(dòng)清除購(gòu)電信息。

在圖1中，Intel公司的單片機(jī)87C51為完成該部分功能的主體器件，手持單元部分的功能由存儲(chǔ)在87C51內(nèi)的軟件程序完成。需用87C51的主要引腳功能說(shuō)明如下：

外接晶振引腳XTAL1和XTAL2可與87C51片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成振蕩電路，用于為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。P1引腳為輸入/輸出口，它內(nèi)部帶有上拉電阻，為8位I/O口。在EEPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，該引腳用于接收低8位地址。

RXD(P3.0)引腳為串行輸入口。

TXD(P3.1)引腳為串行輸出口。

87C51的RST引腳外接復(fù)位電路，P1.2引腳外接發(fā)射電路，P1.3引腳外接接收電路。24C01A為美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的 EEPROM,是一個(gè)容量為1k比特(128×8)的雙線串行接口CMOS存儲(chǔ)器。用于存儲(chǔ)軟件程序運(yùn)行時(shí)所必需的信息。其中SDA為串行數(shù)據(jù)線，SCL 為串行時(shí)鐘線。

1.2 電表費(fèi)率系統(tǒng)

電表費(fèi)率系統(tǒng)需要完成的功能主要如下：

接收手持單元發(fā)送的用戶購(gòu)電信息;

將新收到的用戶購(gòu)電信息與費(fèi)率系統(tǒng)的自有用戶用電信息進(jìn)行合并計(jì)算以得到新的信息;●動(dòng)態(tài)計(jì)算以得出剩余電量，以提醒用戶購(gòu)電，并在超額用量電達(dá)到一定值時(shí)切斷電源。

電表費(fèi)率系統(tǒng)的電路原理如圖2所示。

其中PHILIPS SEMICONDUCTORS公司的高性價(jià)比單片機(jī)P87LPC764為完成該部分功能的主體器件。單片機(jī)P87LPC764自帶內(nèi)部6MHz的RC振蕩器、內(nèi)部看門狗電路和內(nèi)部復(fù)位電路，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力和較小的工作電流。

PCF8583為PHILIPS SEMICONDUCUORS公司的自帶240×8位RAM的時(shí)鐘/日歷芯片。用來(lái)提供時(shí)間信息，以供電力公司實(shí)行分時(shí)電價(jià)策略。它可存儲(chǔ)4年的日歷時(shí)間信息，也可通過(guò)編程設(shè)置它的日歷時(shí)間信息功能。

CAT24WC02是一種真正的0功耗EEPROM芯片，采用I2C總線接口，具有100萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命。

2 智能電表的軟件設(shè)計(jì)

手持單元部分的軟件程序包括微機(jī)串口通信、87C51內(nèi)部工作和手持單元數(shù)據(jù)發(fā)射三部分。

微機(jī)串口通信部分主要完成將用戶購(gòu)電信息通過(guò)串口異步通訊適配器UART輸出到手持單元部分的單片機(jī)87C51中。87C51內(nèi)部工作部分主要完成將用戶購(gòu)電信息進(jìn)行加密工作。

手持單元數(shù)據(jù)發(fā)射程序主要完成將加密后的用戶購(gòu)電信息發(fā)送到電表費(fèi)率系統(tǒng)。并在確定用戶購(gòu)電信息已無(wú)誤地被電表費(fèi)率接收后自動(dòng)清零。它的程序流程圖如圖3所示。

單片機(jī)P87LPC764工作程序主要用來(lái)完成接收加密后用戶購(gòu)電信息，并解密用戶購(gòu)電信息，再將用戶購(gòu)電信息與EEPROM外圍存儲(chǔ)器 CAT24WC02中所存儲(chǔ)的上次用電剩余信息相加，以完成在剩余電量到達(dá)警戒值時(shí)向用戶報(bào)警和在超出設(shè)定值時(shí)切斷電源，同時(shí)將此用戶用電信息存入到外圍EEPROM芯片CAT 24WC02中。

電子式IC卡預(yù)付費(fèi)交流單相有功電能表是該廠開(kāi)發(fā)推向市場(chǎng)的新產(chǎn)品，它采用專用集成電路進(jìn)行電能計(jì)量、專用CPU電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示和控制繼電器動(dòng)作。其主要特點(diǎn)是性能可靠、準(zhǔn)確度高、高過(guò)載、功耗低、體積小、重量輕和使用方便等。