摘  要： 介紹了根據學生公寓用電負荷特點而研制開發的多用戶電能計量控制系統的基本結構及實現方法。系統采用主從式結構，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對電量數據進行采集、計量和對用戶負載進行監控，由電量采集模塊、數據處理/控制模塊、顯示模塊等組成。該系統能夠實現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；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、生產學生公寓用電智能管理控制系統，主要有IC卡查詢、電腦集中查詢、柜體自動顯示查詢、網絡查詢、電話查詢等幾種方案。本設計既具有一般系統的主要功能，又具有系統結構模塊化、計量控制智能化的特點，易于推廣應用。
1 系統主要功能
    本系統可實現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 系統結構與工作原理
2.1 系統結構
    本系統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)對用戶的用電信息進行讀寫、匯總和管理，系統軟件采用VB設計；下位機(計量控制部分)采用單片機系統對電量數據進行采集、計量和對用戶負載進行監控，由電量采集模塊、數據處理/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據處理/控制模塊構成16路巡回采樣處理子系統，并通過顯示模塊集中輪回顯示。各子系統通過485總線與微機通信，實現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，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/積分時間)×積分時間＝脈沖個數
    根據事先設定的計量芯片的脈沖常數(即計量1度電所對應的CF輸出的脈沖個數)，對ADE7755輸出的脈沖計數即可實現對電能的計量[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，亦可用專用集成芯片實現，本設計采用集成電路BH3024實現繼電器驅動控制。
2.2.2 數據處理/控制模塊
    數據處理/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)的用電量數據，并可實現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、數據存儲、采樣板地址譯碼與繼電器驅動等。為保證掉電后數據不丟失，采用EEPROM 62256實現電量等數據保存。采用75LBC184芯片作為485通信接口，由帶屏蔽的雙絞線實現與微機的串行通信。
數據處理/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12位串行LED顯示，該芯片可實現串行輸入、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并行輸出，完成12位數碼顯示更新。此顯示方式僅占用單片機三根口線，節約了單片機的口線資源。采用串行數據輸入，顯示速度相對較慢，但使用時顯示效果穩定、可靠。
2.2.4 主板
    主板可實現16個房間電量數據及開關控制信號與單片機系統的通信聯系。利用一片譯碼器74HC154通過對三態門74425的選通控制實現對16個房間用電量的巡檢；利用兩片模擬開關CD4067實現對16個房間磁保持繼電器的通斷控制。
2.2.5 微機數據庫管理系統
    各單片機子系統通過485協議與微機實現串行通信。RS-485總線是平衡差動式半雙工總線接口，只需兩根信號線，便于高速遠距離數據的傳送[5]。
數據庫管理系統利用微機實現各房間用電量的集中管理與控制，系統軟件采用VB設計，主要完成如下功能：
    (1)系統參數設置。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。實現對各房間巡檢、電源通斷控制、各種用電數據(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。實現交費登錄、入/退房登錄等。
    (5)打印。打印交費收據、總交費及電量、查詢結果等。
3 工作流程
    本系統是一個復雜的計量管理系統，內容涉及上位機的數據管理、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據通信等。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。

    本系統是一種結構新穎、價格低廉的多用戶電能計量管理系統，具有性能可靠、操作簡單、易于維護等特點，有效地節省了人力、物力，加強了電量、電費及用電的安全管理。系統測試符合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總線的多路數據采集系統[J].現代電子技術，2003(11).14-15.