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

    隨著高校后勤的社會化，學生公寓用電管理的科學化和智能化勢在必行。目前國內已有多家公司開發(fā)、生產學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)絡查詢、電話查詢等幾種方案。本設計既具有一般系統(tǒng)的主要功能，又具有系統(tǒng)結構模塊化、計量控制智能化的特點，易于推廣應用。
1 系統(tǒng)主要功能
    本系統(tǒng)可實現(xiàn)學生公寓各房間的電費預繳、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；超負荷或惡性負載時強制斷電；短路、過流保護、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)結構與工作原理
2.1 系統(tǒng)結構
    本系統(tǒng)屬于典型的由上位機和下位機構成的主從式結構，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行讀寫、匯總和管理，系統(tǒng)軟件采用VB設計；下位機(計量控制部分)采用單片機系統(tǒng)對電量數(shù)據(jù)進行采集、計量和對用戶負載進行監(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方便等方面考慮，系統(tǒng)計量控制部分采用卡式結構。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]。本設計將ADE7755高頻輸出端接到單片機的T1口，由內部定時器設定的積分時間內對CF輸出的脈沖計數(shù)，則在一個積分周期內消耗的電能為：
    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)事先設定的計量芯片的脈沖常數(shù)(即計量1度電所對應的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]。設計中采用CF輸出為3 200 imp/kWh供單片機進行計量處理。
    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載控制，采用正、負脈沖信號進行開、關驅動。驅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)，本設計采用集成電路BH3024實現(xiàn)繼電器驅動控制。
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構插在主板上，巡回采集處理16個采樣模塊(對應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口進行地址編碼，P1口進行顯示、數(shù)據(jù)存儲、采樣板地址譯碼與繼電器驅動等。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載與非線性整流負載的功能，以起到限制超標用電、消除“諧波”干擾的作用，具體內容參見文獻[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設計，主要完成如下功能：
    (1)系統(tǒng)參數(shù)設置。設置電費單價、設置(修改)房間基礎用電量、設置瞬時用電量最高限值、設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)(基礎電量、購買電量等)傳送。
    (3)查詢功能。可進行房間電量、欠費告警、超限用電、欠費關斷等各種查詢。
    (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、查詢結果等。
3 工作流程
    本系統(tǒng)是一個復雜的計量管理系統(tǒng)，內容涉及上位機的數(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)是一種結構新穎、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》標準的全部技術要求，準確度等級達到1.0級。
參考文獻
[1] Analog Devices Inc. ADE7755 energy metering IC with pulse output. 2002．
[2] Anthony Collins.用AD7755設計的低成本電能表.ADI公司.2000.
[3] Philips Semiconductors. P89C58 data sheet. 2002.
[4] 李昂，史延東，寧飛.智能負載識別器的設計[J].微型機與應用，2005(4)，21-22.
[5] 韓世進，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，2003(11).14-15.