多用戶電能計(jì)量管理系統(tǒng)*

李昂

(陜西理工學(xué)院 電氣工程系，陜西 漢中 723003)

隨著高校后勤的社會化，學(xué)生公寓用電管理的科學(xué)化和智能化勢在必行。目前國內(nèi)已有多家公司開發(fā)、生產(chǎn)學(xué)生公寓用電智能管理控制系統(tǒng)，主要有IC卡查詢、電腦集中查詢、柜體自動顯示查詢、網(wǎng)絡(luò)查詢、電話查詢等幾種方案。本設(shè)計(jì)既具有一般系統(tǒng)的主要功能，又具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化、計(jì)量控制智能化的特點(diǎn)，易于推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)學(xué)生公寓各房間的電費(fèi)預(yù)繳、用電自動檢測計(jì)量、自動計(jì)費(fèi)；低電量自動報(bào)警、電量為零自動斷電；超負(fù)荷或惡性負(fù)載時(shí)強(qiáng)制斷電；短路、過流保護(hù)、定時(shí)供電/斷電等功能，采用電腦集中查詢與柜體自動顯示相結(jié)合的查詢方式。實(shí)現(xiàn)了公寓用電管理的自動化與智能化，而且計(jì)量精度高、安全可靠、功耗較低。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)屬于典型的由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成的主從式結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。上位機(jī)(計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng))對用戶的用電信息進(jìn)行讀寫、匯總和管理，系統(tǒng)軟件采用VB設(shè)計(jì)；下位機(jī)(計(jì)量控制部分)采用單片機(jī)系統(tǒng)對電量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)量和對用戶負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控，由電量采集模塊、數(shù)據(jù)處理/控制模塊、顯示模塊等組成。

從電氣性能及使用維護(hù)方便等方面考慮，系統(tǒng)計(jì)量控制部分采用卡式結(jié)構(gòu)。每個(gè)主板上插有16個(gè)電量采集模塊及數(shù)據(jù)處理/控制模塊構(gòu)成16路巡回采樣處理子系統(tǒng)，并通過顯示模塊集中輪回顯示。各子系統(tǒng)通過485總線與微機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)多用戶電量的集中管理控制。

2.2 工作原理

2.2.1 電量采集模塊

電能采集計(jì)量芯片采用ADI公司的ADE7755，它是一種高精度的電能測量集成電路，對來自電流和電壓互感器的兩個(gè)電壓信號進(jìn)行運(yùn)算、處理，其低頻端(F1、F2)輸出頻率正比于平均有功功率，高頻端(CF)輸出頻率正比于瞬時(shí)有功功率[1]。本設(shè)計(jì)將ADE7755高頻輸出端接到單片機(jī)的T1口，由內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)對CF輸出的脈沖計(jì)數(shù)，則在一個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能為：

電能＝平均功率×積分時(shí)間＝(脈沖個(gè)數(shù)/積分時(shí)間)×積分時(shí)間＝脈沖個(gè)數(shù)

根據(jù)事先設(shè)定的計(jì)量芯片的脈沖常數(shù) (即計(jì)量1度電所對應(yīng)的CF輸出的脈沖個(gè)數(shù))，對ADE7755輸出的脈沖計(jì)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對電能的計(jì)量[2]。設(shè)計(jì)中采用CF輸出為3 200 imp/kWh供單片機(jī)進(jìn)行計(jì)量處理。

電量采樣模塊上另一部分電路是磁保持繼電器控制電路，磁保持繼電器用于通斷負(fù)載控制，采用正、負(fù)脈沖信號進(jìn)行開、關(guān)驅(qū)動。驅(qū)動電路可用晶體管電路實(shí)現(xiàn)，亦可用專用集成芯片實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用集成電路BH3024實(shí)現(xiàn)繼電器驅(qū)動控制。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理/控制模塊

數(shù)據(jù)處理/控制模塊采用卡式結(jié)構(gòu)插在主板上，巡回采集處理16個(gè)采樣模塊(對應(yīng) 16個(gè)房間)的用電量數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)對各房間電源的通斷控制。芯片采用飛利浦 P89C58單片機(jī)[3]，利用 P0口進(jìn)行地址編碼，P1口進(jìn)行顯示、數(shù)據(jù)存儲、采樣板地址譯碼與繼電器驅(qū)動等。為保證掉電后數(shù)據(jù)不丟失，采用EEPROM 62256實(shí)現(xiàn)電量等數(shù)據(jù)保存。采用75LBC184芯片作為485通信接口，由帶屏蔽的雙絞線實(shí)現(xiàn)與微機(jī)的串行通信。

數(shù)據(jù)處理/控制模塊還具有判別線性負(fù)載與非線性整流負(fù)載的功能，以起到限制超標(biāo)用電、消除“諧波”干擾的作用，具體內(nèi)容參見文獻(xiàn)[4]。

2.2.3 顯示模塊

12位LED顯示器(房間號3位、剩余電量 3位、用電量6位)置于控制柜面板上。設(shè)計(jì)中采用三片74HC595A芯片實(shí)現(xiàn)12位串行LED顯示，該芯片可實(shí)現(xiàn)串行輸入、并行輸出。使用時(shí)，在串行時(shí)鐘的控制下，可將顯示器位控碼與段控碼逐位串行輸入至三個(gè)芯片中，然后利用鎖存信號實(shí)現(xiàn)并行輸出，完成12位數(shù)碼顯示更新。此顯示方式僅占用單片機(jī)三根口線，節(jié)約了單片機(jī)的口線資源。采用串行數(shù)據(jù)輸入，顯示速度相對較慢，但使用時(shí)顯示效果穩(wěn)定、可靠。

2.2.4 主板

主板可實(shí)現(xiàn)16個(gè)房間電量數(shù)據(jù)及開關(guān)控制信號與單片機(jī)系統(tǒng)的通信聯(lián)系。利用一片譯碼器74HC154通過對三態(tài)門74425的選通控制實(shí)現(xiàn)對16個(gè)房間用電量的巡檢；利用兩片模擬開關(guān)CD4067實(shí)現(xiàn)對16個(gè)房間磁保持繼電器的通斷控制。

2.2.5 微機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

各單片機(jī)子系統(tǒng)通過485協(xié)議與微機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信。RS-485總線是平衡差動式半雙工總線接口，只需兩根信號線，便于高速遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的傳送[5]。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)各房間用電量的集中管理與控制，系統(tǒng)軟件采用VB設(shè)計(jì)，主要完成如下功能：

(1)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。設(shè)置電費(fèi)單價(jià)、設(shè)置(修改)房間基礎(chǔ)用電量、設(shè)置瞬時(shí)用電量最高限值、設(shè)置電費(fèi)交費(fèi)告警限值等。

(2)通信功能。實(shí)現(xiàn)對各房間巡檢、電源通斷控制、各種用電數(shù)據(jù)(基礎(chǔ)電量、購買電量等)傳送。

(3)查詢功能。可進(jìn)行房間電量、欠費(fèi)告警、超限用電、欠費(fèi)關(guān)斷等各種查詢。

(4)登錄功能。實(shí)現(xiàn)交費(fèi)登錄、入/退房登錄等。

(5)打印。打印交費(fèi)收據(jù)、總交費(fèi)及電量、查詢結(jié)果等。

3 工作流程

本系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)量管理系統(tǒng)，內(nèi)容涉及上位機(jī)的數(shù)據(jù)管理、下位機(jī)電能的計(jì)量與控制，以及上位機(jī)與下位機(jī)之間、下位機(jī)各功能模塊之間的數(shù)據(jù)通信等。限于篇幅，在此僅給出主板及電量采集模塊的程序流程，如圖2、圖 3所示。

本系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)新穎、價(jià)格低廉的多用戶電能計(jì)量管理系統(tǒng)，具有性能可靠、操作簡單、易于維護(hù)等特點(diǎn)，有效地節(jié)省了人力、物力，加強(qiáng)了電量、電費(fèi)及用電的安全管理。系統(tǒng)測試符合GB/T17215-1998《1級和2級靜止式交流有功電度表》標(biāo)準(zhǔn)的全部技術(shù)要求，準(zhǔn)確度等級達(dá)到1.0級。

[1]Analog Devices Inc.ADE7755 energy metering IC with pulse output.2002.

[2]Anthony Collins.用 AD7755設(shè)計(jì)的低成本電能表.ADI公司.2000.

[3]Philips Semiconductors.P89C58 data sheet.2002.

[4]李昂，史延?xùn)|，寧飛.智能負(fù)載識別器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2005(4)，21-22.

[5]韓世進(jìn)，張樂年.基于RS-485總線的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003(11).14-15.