【導讀】地對學生公寓進行電能管理是一個亟待解決的重要課題。公寓用電管理的實際情況，設計了一種帶身份識別的學生公寓電能計量控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場級以專用電能計量芯片AD7755和帶有A/D轉換功能的微處理器。類阻性發(fā)熱負載識別、公寓用電情況的監(jiān)視等，并通過RS-485與上層管理級通信，本文的創(chuàng)新點在于先刷卡識別身份再用電的管理模式。設計中給宿舍內的用。情況進行計量與控制。當用戶超過一定的時間未用電時，系統(tǒng)將自動關斷該用電。支路，以達到節(jié)電、安全用電，并防止其他用戶竊電的目的。

　　

【正文】 ?c os0???? （ hhh ??? ?? ） 由上可見，電壓和電流相乘后經過低通濾波器的數(shù)字輸出包含有功功率信息，但由于此低通濾波器不是理想濾波器，其輸出信號仍含有衰減的基波和諧波成分，即 ? ?th?cos ，其中 h=1， 2， 3，??。 該濾波器的幅頻響應特性為： )(1)( HzffH ?? （ 4－ 7） 在線路頻率為 50Hz時， )100(2 Hz? 成分的衰減大約 為－ 22dB。主諧波 )2cos( t?由瞬時有功功率產生，而這個信號通過數(shù)字 頻率轉換器隨時間被積分（累加），進而產生輸出頻率，這種累加起到平均作用，將抑制瞬時有功功率信號中的非直流成分，正弦信號的平均值等于零。因此 ADE7755 產生的頻率與平均有功功率成正比。 對于 ADE7755 的高頻輸出端 CF（其輸出頻率能高達 F F2 的 2048 倍）來說，即使在穩(wěn)定負載條件下輸出頻率仍然隨時間變化 ，這也是由于瞬時有功功率進行累加完成頻率轉換的過程中累加的時間較短，而較短的累加時間意味著減弱了對 )2cos( t? 成分的平均作用，于是部分瞬時有功功率信號成分通過了數(shù)字 頻率轉換器，但這在實際應用中并不成為問題。當 CF 用于校驗時，輸出頻率還應該用頻率計數(shù)器進一步平均以消除紋波。當 CF 用于帶微處理器的電能計量時，也應該進行平均后再計算功率。 而對于 ADE7755 的低頻輸出端 F F2，其輸出頻率很低，對瞬時有功功率已有足夠的平均作用，因此大大衰減了正弦成分，獲得幾乎無紋波的輸出。 由以上分析可見，電壓和電流波形提供的各次諧波都產生諧波有功功率分量。在純正弦情況下功率因數(shù)的計算是正確的，而諧波是 由一系列純正弦波組成的，因此諧波功率因數(shù)和有功功率的計算也是正確的。 ADE7755 功率計算 計量芯片 ADE7755 先計算通道 1 和通道 2 兩個輸入電壓信號的乘積，然后對乘積進行低通濾波。獲取有功功率信息。再將這個有功功率信息進一步轉換成頻率，以低電平有效的脈沖信號從引腳 F1 和 F2 輸出。 本科生畢業(yè)設計（論文） 18 輸出頻率與輸入電壓大小的關系如下式所示： F=（ 1V 2V G 41?F ） / 2REFV （ 4－ 8） 式中： F—— 引腳 F F2 輸出的脈沖頻率（ Hz） 1V ， 2V —— 通道 1， 2 差動輸入電壓有效值（ V） G—— 增益（ ），由 G0 和 G1 的邏輯輸入確定 REFV —— 基準電壓（ 177。 8%）（ V） CF 的輸出頻率與瞬時有功功率成正比，它與引腳 F F2 輸出 頻率的關系如表 所示。 表 CF的輸出頻率 SCF S1 S0 F 的最高 輸出頻率（ Hz） CF 的最高輸出頻率（ Hz） 1 0 0 128F= 0 0 0 64F= 1 0 1 64F= 0 0 1 32F= 1 1 0 32F= 0 1 0 16F= 1 1 1 16F= 0 1 1 2048F=5570 由 ADE7755 構成的計量模塊具有抗?jié)搫庸δ?，即如果輸出頻率低于某最低頻率時，在 CF、 F1 和 F2 引腳上沒有脈沖輸出。這個特性保證當不接負載時，電表不記錄能量。 ADE7755 與微控制器（ MCU）的接口 ADE7755 與微控制器（ MCU）接口最簡單的方法是使用 CF 高頻輸出，如圖 所示。即 ADE7755 高頻輸出端（ CF）連接到 MCU 的計數(shù)器或端口，由 MCU內部定時器設定的積分時間內對 CF 輸出的脈沖計數(shù)，平均功率正比于平均功率，即： 平均功率 =平均頻率 =脈沖個數(shù) /積分時間 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) 根據事先設定好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)），通過對 ADE7755 輸出的脈沖計數(shù)也就實現(xiàn)了對電能的計量。 本科生畢業(yè)設計（論文） 19 圖 ADE7755與控制器的接口 電能計量的硬件電路 采集前端的主要功能是將輸入的電壓和電流信號變換為能夠反映功率的脈沖信號，本方案中采用全數(shù)字處理的電能計量芯片 ADE7755 作為取樣電路的核心芯片，其原理圖如 圖 所示 圖 電能采集電路原理圖 圖 中， V1P、 V2P 是用戶入口電線經過電流和電壓互感器獲得的電流、電壓取樣信號，這兩個信號是以差動的形式分別接入 ADE7755 的電流輸入端（ V1P、1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 4 M a y 2 0 0 7 S h e e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設計 \成品 \參考 \電路圖 . d d b D r a w n B y :C 1 50 . 0 1 u fC 1 40 . 0 1 u fR21KR31KR4470R5470C 1 20 . 0 1 u fT1C 1 30 . 0 1 u fV 1 PV 1 N相線 中線R71KR61KV 2 PV 2 NT2DVDDA C / D CAVDDNCV 1 PV 1 NV 2 NV 2 PR E S TR E FAGNDS C F S1S0G1G0C L K I NC L K O U TNCR E V PDGNDCFF2F1u1A D E 7 7 5 5C20 . 1 uC60 . 1 u fC810ufC910ufC71 0 0 ufC40 . 1 u+ C110u+ C310u+ C510ufGNDV C CV C CV C CV 1 PV 1 NV 2 NV 2 PV C CV C CGNDDOUTD I N用戶 1C 1 133pC 1 033pJTC R Y S T A LDOUTD I NGNDADE7755 CF REVP ? MCU up/down 本科生畢業(yè)設計（論文） 20 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAV C CWPS C LS D AA0A1A2GNDu24A T 2 4 C 0 4V C CH S O . 1H S O . 2V1N）和電壓輸入端（ V2N、 V2P），經 ADE7755 內部乘法累加后由 CF、 F F2輸出反映有功功率大小的脈沖，其中 CF 頻率高，可反映瞬時有功功率的大小， FF2 頻率低，反映平均有功功率的大小。 由于單片機的口線資源不足以滿足系統(tǒng)的要求，因此來自電能采集前端的 9 路脈沖信號（用戶 1－用戶 8 以及 照明電路 ）并未直接與 80C196 相連，而是通過一 16選 1數(shù)字選擇器 74150，然后將選擇器輸出端與單片機相連，單片機在進行脈沖采樣時通過軟件配合采取輪流查詢的方式，依次對 9路脈沖計數(shù)。 再通過軟件編程將照明電路的電量平均分配給 8位用戶，從而實現(xiàn)電能的計費。 電 能存儲器 電能存儲器由串行 EEPROM 和上拉電阻組成，電路如圖 。在串行時鐘和數(shù)據端接了上拉電阻 R77 和 R78。分別連接到單片機的 和 端，串行EEPROM 選用 AT24C04， AT24C04 為低電壓（ ～ ）、長壽命（可擦 寫 10萬次以上）器件。在掉電時存儲剩余電度數(shù)，也可做為系統(tǒng)的后備存儲芯片。 圖 電能存儲電路 身份識別電路的設計 身份識別功能主要由非接觸式射頻 IC 卡來實現(xiàn)的，而非接觸式 IC 卡電路設計中最重要的是讀卡器電路的設計。本系統(tǒng)采用 MF RC500 來實現(xiàn)讀卡功能。 MF RC500 是應用于 非接觸式通信中高度集成讀卡 IC 系列中的一員，該讀卡 IC 系列利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。 MF RC500 支持 ISO 14443A 所有的層。內部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線（可達 100mm）；接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于 ISO 14443A 兼容的應答器信號；數(shù)字部分處理 ISO 14443A 幀 和錯誤檢測（奇偶 amp。CRC)。此外它還支持快遞 CRYPTOI 加密算法，用于驗證 MIFARE 系列產品。方便的并行接口可直接連接 本科生畢業(yè)設計（論文） 21 到任何 8 位微處理器，給讀卡器 /終端的設計提供了極大的靈活性。 MF RC500 的特性 ? 高集成度模擬電路用于 IC 卡應答的解調和解碼 ? 緩沖輸出驅動器使用最少數(shù)目的外部元件連接到 天線 ? 近距離操作 (可達 100mm ) ? 時鐘頻率監(jiān)視 ? 帶低功耗的硬件復位 ? 軟件實現(xiàn)掉電模式 ? 并行微處理接口帶有內部地址鎖存和 IRQ 線 ? 自動檢測微處理器并行接口類型 ? 方便的 64 字節(jié)發(fā)送和接收 FIFO 緩沖區(qū) ? 支持防沖突過程 ? 唯一的序列號 ? 片內時鐘電路 ? 支持 MIFARE PRO 雙接口卡 IC 和 ISO 14443A 部分 ? 支持 MIFARE Classic ? C:rypto1 加密并保護內部非易失性密鑰存儲器 ? 支持 MIFARE 有源天線 ? 適合于高安全的終端 ? 靈活的中斷處理 ? 可一編程定時器 ? 用戶可編程的啟動配置 ? 位和字節(jié)定位器 ? 數(shù) 字模擬和發(fā)送器部分各自獨立的電源輸入腳 ? 內部振蕩器緩沖連接 石英晶體，低相位抖動時鐘頻率濾波 ? 短距離應用中發(fā)送器天線驅動器為 MF RC500 的內部結構 MF RC500 的內部結構如圖 所示 并行微控制器接口自動檢測連接的 8 位并行接口的類型。它包含一個易用的雙向 FIFO 緩沖區(qū)和一個可配置的中斷輸出。這樣就為連接各種 MCU提供了極大的靈活性。即使使用非常低成本的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。 數(shù)據處理部分執(zhí)行數(shù)據的并行 — 串行轉換。它支持的 幀包括 CRC 和奇偶校 驗。 本科生畢業(yè)設計（論文） 22 它以完全透明 的模式進行操作，因而支持 ISO 14443A 的所有層。 狀態(tài)和控制部分允許對器件進行配置以適應環(huán)境的影響，并使性能調節(jié)到最佳狀態(tài)。 當與 MIFARE Standard 和 MIFARE 產品通信時，使用高速 CRYPTOI 流密碼單元和一個可靠的非易失性密匙存儲器。 模擬電路包含了一個具有非常低阻抗橋驅動器輸出的發(fā)送部分。這使得最大操作距離可達 100mm。接收器可以檢測到并解碼非常弱的應答信號。由于采用了非常先進的技術，接收器己不再是 限制操作距離的因素了。 MF RC500 與單片機的接口 MF RC500 與單片機的接口電路圖如圖 所示。 MF RC500 支持不同的并行微控制器接口，其智能自動探測邏輯可以自動適應系統(tǒng)總線的并行接口可直接連接到微處理器上。它的總線控制有三種類型：獨立讀寫選通、共享讀寫選通和帶信號交換的共享讀寫選通。其中前兩種又都可以分為獨立地址、數(shù)據總線型和地址線、數(shù)據線復用型，第三種只有復用形式。本讀卡器采用的是獨立讀寫選通，地址線和數(shù)據線復用的連接方式。這樣的好處是可以提高對各個端口的利用率。實現(xiàn)更多的功能。 采用這 種方式時讀入寄存器的值時，首先置端口的狀態(tài)為輸出，送出需要讀取的寄存器地址，鎖存地址，取出地址，設置端口的狀態(tài)為輸入，片選信號置 0選中 MF RC531，設置成讀取狀態(tài)，從端口獲得讀到的數(shù)，設置成非讀取狀態(tài)，片MIFARE Clasic MF RC500 微行微控制器接口 高速 CRYPT01 流密碼單元 模擬電路 狀態(tài)和控制部分 數(shù)據處理部分 線據數(shù) 地址線 控制線 報警電量”并保存 ISO 14443A 圖 MF RC500 的內部結構圖 本科生畢業(yè)設計（論文） 23 選信號置 1 不再選中芯片。 圖 MF RC500 與單片機的接口電路 采用這種連接方式向寄存器寫值時，首先置端口的狀態(tài)為輸出，送出需要改