专利名称：单相多功能自动集成电路卡电度表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种单相多功能自动集成电路卡电度表，属物理检测技术领域。
已有的已经商品化的民用及工业用电表，主要有两种类型，一种是机械感应式电度表，能够检测所用电能，但不具备预收电费和计价的功能，也不能进行限电控制。另一种是集成电路卡(即IC卡)电度表，虽然能达到预收电费和计价的目的，但不具备各种安全保护性能，如防过压、过载、人员触电、偷电等功能。
本实用新型的目的是设计一种新型的单相多功能IC卡电度表，使其不但具备已有感应式机械电度表的全部功能，而且能具备自动限电、预收费、费用显示和提示、安全保护、自动诊断并排除故障等多种功能。
本实用新型设计的多功能自动集成电路卡电度表，包括机械感应式单相电度表和集成电路卡。集成电路卡由主电路和控制电路组成，其中的主电路包括机械感应式单相电度表kwh、漏电检测线圈L1、过载检测线圈L2以及断电继电器J。其中的控制电路包括(1)单片机U1；(2)显示电路，由译码驱动器U2、集成片U3、限流电阻R0--R6和显示器组成；(3)电耗检测传感器和输入电路，由安装在磁铁附近固定框架上的霍尔开关器件H、上拉电阻R7和抗抖动电容C7组成；(4)断电控制电路，由用于触发保护电路驱动，用可控硅SCRI，从而使断电继电器J吸合的整流二极管D5、用于关断可控硅SCRI的电容C11和抗干扰电容C10组成；(5)过压、过载、漏电检测、保护处理电路，由整流二极管D0、D1、电阻R11、比较器U6A组成过压检测电路，过载检测线圈L2、整流二极管D2、D3、电阻R12组成过流检测电路，漏电检测线圈L1、比较器O1、R14、R13组成漏电检测电路，由比较器U6A、U6B、U6C和反相用三极管T3组成保护处理电路；
(6)运行自诊断电路，包括由电容C14、电阻R17、二极管D7、D6组成的微分电路，比较器U6D、C13和R24组成的上电复位电路以及复位按钮S1；(7)IC卡、IC卡读写电路、机内存储电路，包括IC卡U7和读卡用三极管T1、T2。
图1是本实用新型原理框图。
图2是主电路原理图。
图3是本实用新型控制部分原理框图。
图4是控制部分电路原理图。
以下结合附图，详细介绍本实用新型的内容。
本实用新型的原理框图如图1所示，由主电路和控制电路组成。主电路的电路原理图如图2所示，主电路由机械感应式单相电度表kwh、漏电检测线圈L1、过载检测线圈L2和断电继电器J组成。
漏电检测线圈的作用是检测主回路有无漏电流。正常时，火线、零线上电流不同，副边无电流输出；若漏电时，火线、零线上电流不同，副边有电流输出，送入控制电路中的保护部分处理。
过载检测线圈的作用是检测主回路是否过电流。过载检测线圈原边为串入火线的电流互感线圈，原边电流与副边电流呈正比，副边输出信号送入控制电路。
继电器J在下述情况下断电a.当主回路电流达到限定值(可用复位按钮恢复供电)。b.当主回路漏电流达到限定值(可用复位按钮恢复供电)。c.当主回路电压高于限定值(可用复位按钮恢复供电)。d.当预交费电量消耗完时由主控电路发出断电信号(除更换有效IC卡外不可恢复供电)。断电继电器由控制电路控制，使用常闭接点。
控制电路的电路原理图如图3所示。由CUP U1、显示电路、断电控制电路、程序运行自诊断(“看门狗”)电路、电耗检测输入处理电路、IC卡读写电路、机内存储电路、IC卡过压检测、过载检测、漏电检测、保护处理电路、电源电路组成。
显示电路的作用是a.显示IC卡内度数。b.当卡内度数即将用完时，显示报警信号。c.故障显示。如图4所示，采用扫描方式、4位BCD显示。译码驱动器U2(7447)为BCD-7段译码驱动器。CPU U1的P1.4～P1.7送入7447的A～D，为显示数据。CPU U1的P1.0～P1.3为扫描位选信号，通过1413驱动4个7段显示器。R0～R6为限流电阻。
电耗检测传感器和输入电路的作用是检测电耗信号。如图4所示，传感器和磁铁装在机械感应式电度表中，磁铁嵌在电度表铝盘轴内。传感器为霍尔开关器件，安装在磁铁附近的固定框架上。铝盘每转动一周，磁铁N极靠近霍尔器件H一次，霍尔器件输出由高电平变为低电平。当磁铁离开时，霍尔器件恢复正常。由此可将电度表铝盘转动圈数转变成计数脉冲，送入CPU U1。R7为上拉电阻，C7为抗抖动电容。
断电控制电路的作用是控制继电器产生断电作用。继电器J吸合时，主电路断电。当CPU U1发出断电信号时，通过集成片U3(1413)的5脚送入，1413内部达林顿管导通，J吸合。当保护电路产生保护信号时，保护信号(高电平有效)通过D5触发SCR1，J吸合。同时SCR1保持导通状态。此时只有当CPU U1复位时产生一断电信号，将SCR1关断，断电控制电路才能恢复正常。C10为干扰电容，C11用于关断SCR1。
过压、过载、漏电检测、保护处理电路如图4所示，其中D0、D1、R11、U6A和L2组成过流检测电路，调节R11可调节过载输出信号的大小。D2、D3、R12、L1组成漏电检测电路，调节R12可调节漏电输出信号的大小；O1、R14、R13组成检测电路，调节R14可调节电压检测输出信号的大小。R8、R9、C8组成分压电路供给339-基准电压源。
正常情况时，U6A、U6B、U6C均为高压电平，经T3反相后不触发SCR1；当U6A、U6B、U6C中任一路输出为负时都将使T3输出高压平，触发SCR1，J吸合，主回路断电。
运行自诊断电路即图3中的看门狗，其作用是发现并较正系统工作中出现的错误。
如图4，正常工作时，CPU的P3.5定时产生一频率固定的高低变化电平，进入由C14、R17、D7、D6组成的微分电路，由1443内部达林顿管对C12放电，使U6D输出为低电平，不对CPU产生影响。
若出现干扰，造成CPU程序混乱，P3.5将不再产生变化的高低电平，微分电路无输，C12由R15充电，比较器U6D输出高电平，使CPU复位，程序恢复正常。C13～R24组成上电复位电路。S1为复位按钮。
IC卡、IC卡读写电路、机内存储电路的作用是记录电耗量、记录密码和系统数据。
卡内和机内存储电路主芯片为24C02。
如图4，CPU的P3.1、P3.2通过T2、T1选择IC卡或机内存储电路(EEPROM)。P3.3、P3.4为共用时钟、数据线。
IC卡存储使用密码和电耗量，机内存储电路存储本机密码和IC卡拔下时(小于限量值需换卡时不断电)的电耗量。
本实用新型的各种功能如下所述保留原机械感应式电表的功能本实用新型的电能消耗检测的一次器件，仍采用机械感应式电度表。改造中未破坏原表的结构，其功能不变。
自动限电和预收电费功能的实现用户向电管部门购来有效IC卡，插入本表后能正常供电。此卡由电管部门依用户所交预付款和供电部门有关用电规定写入允许使用的限电量和密码，经控制电路中的CPU判断卡是否有效。供电过程中，CPU通过电耗检测传感器和输入电路，检测到耗电量的脉冲数，经计算处理后将IC卡中记录的允许耗电量减去已实际使用值。当卡中允许用电量为0时，通过CPU P3.7脚和控制断电电路去控制供电继电器断电。当更换新卡后重复上述过程。
数显和预先提示换卡功能的实现数显IC卡内允许用电量本实用新型中，此功能是由软件通过CPU控制显示电路来实现的。当更换新卡后或按复位钮后，4位LED七段数码管显示卡内允许用电量，显示5秒钟后显示自动熄灭以节省电耗。
预先提示换卡功能的实现本功能也是通过软件控制的。当CPU检测到的卡内允许用电量余值少到一定量(本实用新型设定为10kwh)时显示器闪烁显示IC卡允许用电余量以提示用户更换新卡。
换卡不断电功能的实现本实用新型利用主控电路(图4所示)中所设的内部存储器存储IC卡中剩余电量。插下卡后，软件自动转为由内部存储器剩余电量值控制，继续供电直至新卡插入。当剩余电量减至0仍没检测到新的有效卡插入则终断供电。软件可自动判断插入的IC卡是原卡还是新卡。若为原卡则自动减去插卡后耗去电量，若为新的有效卡，软件自动将表内用电余量加入新卡以保证换卡时电量计量的正确。
自诊断功能的实现本实用新型的软件中设置了“看门狗”，监测程序运行是否正确，若发生程序运行故障时程序自动转向固定地址处理。此硬件上也设置了程序运行自诊断电路。当程序运行发生比较严重故障，软件“看门狗”失效时，程序不能正常扫描CPU的P3.5脚说明程序发生锁死现象。自诊断电路在25ms之内使CPU复位信号有效。软件重新启动，并判断故障点继续运行，从而实现了自诊断和自恢复功能。
保护功能的实现过电压保护过电压信号直接取自主供电电路经R14限流后接光电隔离O1的发光管，光藕输出三极管工作在放大区。当电压超过260V时比较器339-3正输入端电平低于负端，比较器输出OC门导通，使三极管T3截止电路输出高电平去触发停供电可控硅，从而停止供电以保护用户的电器。
过电流保护过电流信号取自主电路中的过电流互感器，互感器的次极L2接入保护电路。互感器的次极电流正比于初极电流。当初极电流大于限定值(本实用新型中为20A)时，次极感应电流在R11上产生高于比较器正端电位的压降，使339-1输出低电平。并使断电继电器吸合、断电，达到保护用户电器的目的。
漏电(防触电)保护漏电信号取自主电路中的漏电流检测互感器，其次极L1接到保护电路。正常用电时，由于互感器原边是双线(相线与零线)并绕。其流过电流相同方向相反，产生的磁势相互抵消，次极感应电流为0，保护电路不动作。当发生人员触电或其它漏电情况时，由于漏电回路的漏电流不能从零线返回，破坏了互感器铁芯中的磁势平衡。次极将感应出正比于漏电电流的感生电流，此电流在保护电路中的R12上产生压降并使保护电路发出断电的高电平，引起可控硅导通并使继电器吸合断电。
保护的恢复保护电路动作是以“跳闸”方式进行的，即电路起作用后不能自然恢复，其目的是为了更好地保护用户电器，防止供电故障消失后自动供电可能造成的意外事故。由于保护断电是用可控硅作为执行元件来实现的，可控硅导通后，除非使其电流减少至维持电流以下方可关断。故在保护动作后，本实用新型利用按复位后由程序控制CPU P3.7给并在可控硅上的T5一个导通脉信使可控硅关断，恢复正常供电。
防偷电功能的实现本实用新型可防止两种最常见的偷电方法。
1.电表倒转使电表倒转最常见的一种方法是将电度表1号和2号接线端子的接线对调，另一种方法是使用所谓的“倒电机”使电表倒转。本实用新型计量电耗的方法是测电表内机械转动的圈数，无论转动是正转还是反转均不影响耗电计量的检测。
2.将电表1号端子和2号端子的接线短路，使机械电度不转。本实用新型中使用了零序电流互感器(见附图1中L2)来检测电流。上述偷电方法中由于有一部分电流未经过零序电流互感器，会产生较大的“漏电流信号”。此信号将驱动断电控制电路使继电器J动作，切断电源停止供电。
权利要求1.一种单相多功能自动集成电路卡电度表，包括机械感应式单相电度表，其特征在于还包括集成电路卡，所述的集成电路卡由主电路和控制电路组成，其中的主电路包括机械感应式单相电度表kwh、漏电检测线圈L1、过载检测线圈L2以及断电继电器J；其中的控制电路包括(1)单片机U1；(2)显示电路；由译码驱动器U2、集成片U3、限流电阻R0--R6和显示器组成；(3)电耗检测传感器和输入电路，由安装在磁铁附近固定框架上的霍尔开关器件H、上拉电阻R7和抗抖动电容C7组成；(4)断电控制电路，由用于触发保护电路驱动，用可控硅SCRI，从而使断电继电器J吸合的整流二极管D5、用于关断可控硅SCRI的电容C11和抗干扰电容C10组成；(5)过压、过载、漏电检测、保护处理电路，由整流二极管D0、D1，电阻R11、比较器U6A组成过压检测电路，过载检测线圈L2、整流二极管D2、D3、电阻R12组成过流检测电路，漏电检测线圈L1、比较器O1、R14、R13组成漏电检测电路，由比较器U6A、U6B、U6C和反相用三极管T3组成保护处理电路；(6)运行自诊断电路，包括由电容C14、电阻R17、二极管D7、D6组成的微分电路，比较器U6D、C13和R24组成的上电复位电路以及复位按钮S1；(7)IC卡、IC卡读写电路、机内存储电路，包括IC卡U7和读卡用三极管T1、T2。
专利摘要本实用新型涉及一种单相多功能自动IC卡电度表，该电度表由已有的机械感应式单相电度表及IC卡组成。IC卡包括漏电检测线圈、过载检测线圈、断电继电器及控制电路。控制电路由单片机、显示电路、电耗检测传感器和输入电路、断电控制电路、过压过载漏电检测及保护处理电路、运行自诊断电路以及IC卡读写电路等组成。本IC卡电度表不仅具有原机械电度表的功能，而且具有自动限电、预收费用、费用提示、安全保护、防止偷电等多种功能。
文档编号G01R11/36GK2265541SQ9620525
公开日1997年10月22日 申请日期1996年3月6日 优先权日1996年3月6日
发明者戴炜, 阎军, 阎有成 申请人:阎有成, 戴炜, 阎军