摘  要： 介紹了根據(jù)學(xué)生公寓用電負(fù)荷特點而研制開發(fā)的多用戶電能計量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu),，上位機對用戶的用電信息進(jìn)行讀寫,、匯總和管理；下位機采用單片機系統(tǒng)對電量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,、計量和對用戶負(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,。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用電管理的自動化與智能化，而且計量精度高,，工作可靠,。
關(guān)鍵詞： 多用戶；電能計量管理系統(tǒng),；主從式結(jié)構(gòu)

    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,、計量控制智能化的特點,，易于推廣應(yīng)用。
1 系統(tǒng)主要功能
    本系統(tǒng)可實現(xiàn)學(xué)生公寓各房間的電費預(yù)繳,、用電自動檢測計量,、自動計費；低電量自動報警,、電量為零自動斷電,；超負(fù)荷或惡性負(fù)載時強制斷電；短路,、過流保護(hù),、定時供電/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,。實現(xiàn)了公寓用電管理的自動化與智能化,，而且計量精度高、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和下位機構(gòu)成的主從式結(jié)構(gòu),，如圖1所示。上位機(計算機管理系統(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；下位機(計量控制部分)采用單片機系統(tǒng)對電量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,、計量和對用戶負(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)計量控制部分采用卡式結(jié)構(gòu),。每個主板上插有16個電量采集模塊及數(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總線與微機通信,，實現(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電壓信號進(jìn)行運算,、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有功功率[1]。本設(shè)計將ADE7755高頻輸出端接到單片機的T1口,，由內(nèi)部定時器設(shè)定的積分時間內(nèi)對CF輸出的脈沖計數(shù),，則在一個積分周期內(nèi)消耗的電能為：
    電能＝平均功率×積分時間＝(脈沖個數(shù)/積分時間)×積分時間＝脈沖個數(shù)
    根據(jù)事先設(shè)定的計量芯片的脈沖常數(shù)(即計量1度電所對應(yīng)的CF輸出的脈沖個數(shù))，對ADE7755輸出的脈沖計數(shù)即可實現(xiàn)對電能的計量[2],。設(shè)計中采用CF輸出為3 200 imp/kWh供單片機進(jìn)行計量處理,。
    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現(xiàn),，亦可用專用集成芯片實現(xiàn)，本設(shè)計采用集成電路BH3024實現(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個采樣模塊(對應(yīng)16個房間)的用電量數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)對各房間電源的通斷控制。芯片采用飛利浦P89C58單片機[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現(xiàn)與微機的串行通信。
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)計中采用三片74HC595A芯片實現(xiàn)12位串行LED顯示,，該芯片可實現(xiàn)串行輸入、并行輸出,。使用時,，在串行時鐘的控制下,，可將顯示器位控碼與段控碼逐位串行輸入至三個芯片中,，然后利用鎖存信號實現(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三根口線,，節(jié)約了單片機的口線資源。采用串行數(shù)據(jù)輸入,，顯示速度相對較慢,，但使用時顯示效果穩(wěn)定、可靠,。
2.2.4 主板
    主板可實現(xiàn)16個房間電量數(shù)據(jù)及開關(guān)控制信號與單片機系統(tǒng)的通信聯(lián)系,。利用一片譯碼器74HC154通過對三態(tài)門74425的選通控制實現(xiàn)對16個房間用電量的巡檢；利用兩片模擬開關(guān)CD4067實現(xiàn)對16個房間磁保持繼電器的通斷控制,。
2.2.5 微機數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
    各單片機子系統(tǒng)通過485協(xié)議與微機實現(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)利用微機實現(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，主要完成如下功能：
    (1)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,。設(shè)置電費單價,、設(shè)置(修改)房間基礎(chǔ)用電量、設(shè)置瞬時用電量最高限值,、設(shè)置電費交費告警限值等,。
    (2)通信功能。實現(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,、欠費告警,、超限用電、欠費關(guān)斷等各種查詢,。
    (4)登錄功能,。實現(xiàn)交費登錄、入/退房登錄等,。
    (5)打印,。打印交費收據(jù)、總交費及電量,、查詢結(jié)果等,。
3 工作流程
    本系統(tǒng)是一個復(fù)雜的計量管理系統(tǒng)，內(nèi)容涉及上位機的數(shù)據(jù)管理,、下位機電能的計量與控制,，以及上位機與下位機之間、下位機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、價格低廉的多用戶電能計量管理系統(tǒng),，具有性能可靠,、操作簡單、易于維護(hù)等特點,，有效地節(jié)省了人力,、物力,，加強了電量、電費及用電的安全管理,。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。
參考文獻(xiàn)
[1] Analog Devices Inc. ADE7755 energy metering IC with pulse output. 2002．
[2] Anthony Collins.用AD7755設(shè)計的低成本電能表.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[J].微型機與應(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.