基于PIC16F917单片机的预付费电能表设计

张彦航，张 军，鲜 宁

（1.哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院，哈尔滨150001；2黑龙江省商业职工医院，哈尔滨150010；3.北京航空航天大学科学技术研究院，北京100191）

基于PIC16F917单片机的预付费电能表设计

张彦航1，张 军2，鲜 宁3

（1.哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院，哈尔滨150001；2黑龙江省商业职工医院，哈尔滨150010；3.北京航空航天大学科学技术研究院，北京100191）

预付费电能表是实行“先购电，后用电”的一种计量装置。系统以单片机为主控核心，集电能采集、数据处理、写卡、显示及控制等多种功能为一体。设计实现的智能预付费电能表具有稳定性强、实时性好及使用方便等特点，不仅克服了手工抄表缺乏智能化的缺点，而且能适应多种应用状况，具有良好的发展前景和应用价值。

单片机；预付费；电能表

1 引 言

近年来，随着节能减排理念的增强以及行业服务意识的提高，非接触式IC卡技术得到了广泛关注［1-3］，目前在电表、水表、燃气表以及暖气热力表中已陆续开始采用非接触式IC卡作为抄表收费、控制以及数据管理的媒介。预付费电能表作为其中的一个典型应用，又称为“IC卡电能表”，是实行“先购电，后用电”的一种计量装置，按存储方式的不同主要分为投币式、磁卡式、光卡式和电卡式（又称电子钥匙或IC卡）等几种［4］。随着微电子技术、自动控制、计算机网络及通信技术的飞速发展，预付费电能表技术也在不断进步，从最初的感应式电能表到电子式电能表，从单一计费功能的电能表到多费率、多功能电能表，从人工抄表发展到远程自动抄表。设计实现的预付费电能表以PIC16F917单片机［5］为主控核心，采用目前应用最为广泛的IC卡技术，该系统不仅具有实时性强、安全性高的特点，而且具备脱线应用能力，在克服传统电能表功能单一、缺少智能化缺点的基础上，能满足不同程度的多种应用需求，为人们提供更高品质以及更便捷的生产和生活环境。

2 系统总体功能

电能表主要由电能计量单元及数据处理单元两个功能模块组成，通过光耦取样器获得与电能量相对应的脉冲，并通过专用微处理器，完成电能采集、数据处理、写卡、显示及控制等功能。本系统由单片机、电能计量、射频接口、数码显示以及鸣响提示等模块组成，主要模块所需的关键芯片及器件包括：PIC16F917单片机、ADE7755电能芯片、FM1702SL射频接口芯片、XC2023磁继电器拉合闸控制、数码管、发光二极管及蜂鸣器等。硬件系统总体框图如图1所示。

图1 硬件结构框架图

3 系统硬件电路设计

3.1 电源电路

为提高系统的抗干扰性，设计了两个独立的电源电路，使计量与微控制器的电源相互隔离，达到互不影响的目的，如图2所示。

图2 电源电路

3.2 脉冲采集电路

计量芯片将累积的电能量以脉冲的形式输出，单片机通过计算此输出脉冲得到用户所用电量，并以此来判断是否欠费，是否需要鸣响报警等。脉冲采集电路如图3所示，将光电耦合器件的一端加5V上拉，没有脉冲时单片机检测引脚为低电平，当有脉冲通过时，单片机检测引脚为高电平，单片机产生中断响应并完成计数。

图3 脉冲采集电路

3.3 计量电路

计量电路原理如图4所示，电能表的精度误差由电压通道的10片串连电阻值控制，其中R12至 R24为上拉电阻，R8为下拉电阻。电流通道采样由锰铜分流器完成，经磁环Z4和Z5、电阻R1和R2以及电容C1和C2构成低通滤波器。针对电能表的增益和选频，为方便选择各种电压、电流以及常数的配置，特将该五个点设计成断点式连接方式，使灵活性更强。

3.5 射频接口电路

射频接口电路如图5所示，MISO、SCK、MOSI、MSS及RSTPD为射频接口芯片FM1702SL与单片机的5个连接端口。FM1702SL在使用时需要在TVDD和TVSS之间接入一个0.1uF的电容。VMID引脚的接地电容为标称值10nF。对于数字与模拟电源的5V和地分别另加磁环做滤波处理。TX1、TX2及RX引线应尽量短，并用数字地做屏蔽处理，以免干扰电源信号。天线为13.56M，线圈面积用标准卡大小，圈数为3～5圈。

3.6 显示电路

本系统显示电路采用共阴极型数码管动态显示当前电能信息。数码管通过1K限流电阻与单片机连接，数码管控制端用三极管9013的开关特性，当9013基极为高时，集电极和发射极导通，从而控制相应位的数码管导通。

图4 计量电路

图5 射频接口电路

4 系统软件设计

系统主程序流程图如图6所示。电能表加额定电压时首先进行初始化操作，包括变量设置、周围设备配置，设置I／0口输出方向及输出值等。主程序中包含多个子程序，如：寻卡子程序、显示子程序、脉冲中断子程序、掉电检测子程序、拉合闸子程序以及电压监测子程序、读／写EEPROM子程序、电量处理子程序等。

4.1 脉冲中断子程序

ADE7755发出的电能脉冲经光电耦合器送入PIC16F917的电平变化中断端口，当有电平变化时，单片机产生中断响应，并进行电平毛刺处理。根据设置的脉冲当量（1KWh对应的脉冲数），由单片机对脉冲计数。将电量显示的最低小数位（通常为0.01KWh）对应的脉冲数设置为一个计数周期，每当单片机的计数达到这个数值时，置电量标志位为1，以备主程序对电量进行存储。当赊欠电量标志为1时，说明剩余电量已经计完，则剩余电量将不再递减，而是在赊欠电量中递加，程序流程图如图7所示。

图6 主程序流程图

图7 脉冲中断流程图

4.2 低压检测中断子程序

低压检测模块用于执行中断驱动的电源电压检测功能。电压检测监视内部电源电压，当电压低于4V时（正常工作电压为5V），单片机响应低电压中断程序，置电压低于4V标志位，以备主程序进行数据存储，程序流程图如图8所示。

图8 低压检测中断流程图

5 结束语

以单片机为主控核心，设计实现了集电能采集、数据处理、写卡、显示及控制等多种功能为一体的智能预付费电能表系统。该系统稳定性强、使用方便，能完成电力系统的开户、售电及撤表等相关操作，对预付费电能表用户的购电、用电活动实现全过程管理。不仅可以应用在农业排灌与居民照明，还可以应用在工矿企业等大用户场合，具有广阔的市场发展前景和应用价值。

［1］孙君曼，孙慧君，张怀德，等.智能预付费电能表设计［J］.郑州轻工业学院学报，2009，24（1）：91-96.

［2］闫群民.基于非接触式IC卡的高速公路收费系统设计［J］.计算机测量与控制，2009，17（1）：215-217.

［3］王志梁，郭轶敏，陈晓颖.非接触卡式预付费电能表设计及应用［J］.电气时空，2008（5）：20-21.

［4］刘锐.推广预付费电能表，创新电力营销模式［J］.中国高新技术企业，2013（4）：147-149.

［5］李学海.PIC单片机实用教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

Design of Electronic Prepayment Energy Meter Based on PIC16F917 Microcontroller

ZHANG Yan-hang1，ZHANG Jun2，XIAN Ning3
（1.School of Computer Science and Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.Commercialworkers＇hospital of Heilongjiang Province，Harbin 150010，China；3.Institute of Science and Technology，Beijing University of Aeronautics＆Astronautics，Beijing 100191，China）

Prepayment energy meter is a kind of measurement device which is used for electric paying.The device employs themicrocontroller as the corewith themain modules such as electric energy collection module，data processingmodule，card read-write controlmodule，digital displaymodule and so on.The proposed intelligent device has good performance such as stronger stability，higher real-time level and easy to use.Moreover，the new electrical meter overcomes disadvantage of low intelligence because ofmanual operation.The designed prepayment energy meter can be used in different environments and has great prospect for development and application.

Microcontroller；Prepayment；Energy Meter

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.03.025

TP391

：A

：1002-2279（2014）03-0092-04

张彦航（1971-），女，吉林省大安市人，博士，主研方向：信号检测、信息融合。

2013-09-07