专利名称：控制到户的居民计划用电智能管理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种控制到户的居民计划用电智能管理装置。
目前，居民家庭用电的管理手段相当落后，除了安装家用电表外，几乎没有更好的管理手段。供电局收取电费采用垫支式，这一方式使国家每年要损失银行利率数亿元。由于家庭供电管理手段落后和节能意识淡薄，造成浪费能源、甚至有窃电现象的发生。
本实用新型的目的是提供一种控制到户的予付款式居民用电智能管理装置，同时它还具有多功能用电保护功能，报警功能和节电功能，并能扩展到供水、气、暖的管理。
本实用新型的目的是这样实现的它由终端和分机两部分组成，终端与诸分机之间的信息传输媒介为电力线载波，分机由传感器、编码发射电路、混合网络、接收解调电路、执行及信号电路和节电保护电路组成，传感器的输出接编码发射电路的输入端，编码发射电路的输出接混合网络的输入，混合网络一路接电力线，另一路接接收解调电路的输入端，接收解调电路的输出一路去控制编码发射电路和传感器的计数器，另一路去控制执行及信号电路，执行及信号电路一路接编码发射电路，另一路接节电保护电路，终端由主机和微机及其外设组成，主机由与分机相对应的混合网络，接收解调电路，编码发射电路，以及同步变址器组成，微机控制同步变址器和编码发射电路，同步变址器的输出一路接编码发射电路，另一路接接收解调电路，编码发射电路的输出接混合网络，混合网络一路接电力线，另一路接接收解调电路的输入端，接收解调电路的输出至微机。
本实用新型的工作原理如下其终端主机在使用图5所示程序的微机指令控制下作自动巡检、监控等操作(以巡检为例简述)。其同步变址器使终端开机后确保主机的编码发射、接收解调电路的地址码依次按照第一用户分机、第二用户分机、第n用户分机地址码的顺序同步变化，确保可靠地巡检每一用户。其流程在某一地址码状态，主机编码发射电路向电网发送巡检信号后，与主机地址码相同的分机接收解调电路译出巡检信号，驱动本机编码发射电路将本机本周期内耗电量(电度表转数)信息反馈给主机，主机接收解调电路收到此信息解调译码后，传输给微机并存入对应用户存储器。同时利用分机反馈信号经微机处理后给变址器计数输入端一个计数脉冲，使变址器变址，进行下一用的巡检(过程同上)。
下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述
图1为本实用新型的原理方框图。
图2(1)为分机编码发射电路电原理图。
图2(2)为分机接收解调电路原理图。
图2(3)a、b、c分别为传感器、混合网络、不间断电源原理图。
图2(4)为分机节电保护电路原理图。
图2(5)为分机执行及信号电路原理图。
图3(1)为终端主机编码发射电路原理图。
图3(2)为终端主机接收解调电路原理图。
图3(3)a、b、c分别为终端主机混合网络和电源原理图。
图3(4)a、b分别为终端主机与微机接口电原理图、同步变址器电原理图。
图4为报警编码电路原理图。
图5为程序框图。
由图2(3)a、c可知，传感器采用光电传感器，它由红外发射、接收二极管D20、D3、整形器IC3，计数器U5，组成，红外发射接收二极管安装在电度表转盘的两侧，并与转盘上的小孔相对应。
它的工作原理如下，D3利用电表转动时，其转盘上固有的小孔取得脉冲信号，经IC3整形触发U5作两级十进位计数，其十位的BCD码输出端Q1、Q2(U5的11、12脚)作为用户耗电量数据输出端(个位仅作进位计数用)。
由图2(1)可知，分机编码发射电路由地址开关K1、编码器U1、载频发生器U2、键控发射器组成，键控发射器由三极管Q1－2、R5－6、B1、C4组成，B1、C4构成选频电路，地址开关K1控制U1的8位地址线，U1的输出接Q2的基极，Q2的集电极接Q1的发射极，载频发生器U2的输出通过C3接Q1的基极，编码发射电路输出端F、G接分机混合网络。
它的工作原理如下K1的作用是控制U1的8位地址线的“0”、“1”电位状态，确定各分机的地址码，U1是具有8位三态地址线和4位两态数据传输位的编码器，由其14脚的电位控制其是否工作；U2的作用是产生一固定载频。当14脚为“0”时，U1的17脚输出一串代表其地址码和4位数据信息的脉冲，当脉冲为“1”时，Q2导通，U2产生的载频通过Q1放大经C4、B1选频后，馈送到F、G端子。当脉冲为“0”时，Q2截止，Q1截止，F、G端子没有载频信号输出。这样在F、G端输出一组与U1的17脚脉冲对应的键控载频信号。当U1的14脚为“1”时，U1不工作，其17脚为低电平“0”，编码发射电路处于禁止状态。
由图2(3)b可知，分机混合网络由C16－18、R17－26、L1、B3、B4组成，B4的次级接分机解调电路，O、N端接交流电网。分机混合网络的作用是隔离收发电路之间的信号串扰，以及电网对分机信号回路的影响。
由图2可知，分机接收解调电路由选频放大器，限幅器D1－2、载频解调器U3，整形器IC1，变址开关K2、译码器U4、自动清零电路组成，选频放大器由Q3、TL1、TL2、B2、R8－10、C7组成，自动清零电路由IC2、C15、R16组成，选频放大器的输出经限幅器D1－2接至载频解调器U3的输入端，载频解调器U3的输出经整形器IC1接至译码器U4的输入端，U4的一路输出经自动清零电路，分别去分机编码发射电路及传感器的计数器清零端，U4的另一路输出I、J、K去执行及信号电路。
它的工作原理如下当TL1的H端从分机混合网络收到来自主机的信号后，经选频放大器、限幅器至载频解调器U3的3脚，当3脚电压有25mv以上且与其固有频率相同的信号时，其第8脚为“0”，否则为“1”。U3的输出经整形器IC1至译码器U4，变址开关K2的作用与K1同。U4的作用是对其14脚输入的脉冲信号进行译码，当有与地址码相同的脉冲串输入时，其17脚由“0”变“1”，表示译码有效，其数据传输端子(10－13脚)的状态与主机编码器的数据传输端子的状态一一对应。
图2(2)中由IC2、C15、R16组成的自动清零电路的工作原理如下平时L为“0”，当巡检信号到来时，U4的17脚为“1”，IC2输出端E为“0”，L仍为“0”，当巡检过后，U4的17脚为“0”，E为“1”，L为“1”，导致图2(3)a中U5的15脚L为“1”，使其十位计数器清零。
由图2(5)、图2(4)可知，分机执行及信号电路由解警执行电路，交费提示电路和供电断电执行电路及停电信号电路组成，解警执行电路和交费提示电路由触发器IC5－6及其外接元件和音频发生器组成，音频发生器由IC7－12，及其外接元件YD1组成，信号电路包括机壳 防拆报警信号电路和停电信号电路，机壳防拆报警信号电路由K4、IC6、IC7－12组成，停电信号电路由W7、D22、IC19组成，其输出端B接编码发射电路。
供断电执行电路由D15－16、R41－42、C27、IC17、固态继电器SP1、J1组成，继电器J1控制电度表的电源进线。
由W7、IC19组成的停电信号电路，来电时D22得电发光，IC19输出端B为“0”，停电时D22熄灭，IC19输出端B为“1”、在巡检信号到来时，将此停电信号反馈给主机；由K4、IC6、IC7－IC12等组成的机壳防拆报警信号电路，平时机壳微动开关K4常开，IC6的Q端为“0”，由IC7－IC12组成的内部报警电路不工作，当机壳被拆开(打开)后，K4合上，IC6的Q端为“1”，IC7－IC12启动工作，发出警笛音响，同时IC6引出端A为“1”，导致图2(1)中U1的13脚为“1”，在巡检信号到来时，将此报警信号反馈给主机，分机一旦报警，由于IC6的自锁作用，分机不能自行解警。
解警执行电路的工作原理如下当某用户打开机壳后电路自行报警，主机确认后，在巡检该用户时，使图3(1)中U1的11脚C1为“1”，导致图2(2)U4的11脚J为“1”，图2(5)中的IC6置零端R为“1”，其Q端为“0”，关闭内外部报警电路。
交费提示电路的工作原理如下当某用户电费耗至设定值时，在巡检该用户时，使图3(1)中U1的10脚D1为“1”，图2(2)中U4的10脚K为“1”，图2(5)中的IC5的S端为“1”，IC5端Q为“1”，由IC7－IC10组成的断续音响电路工作，发出提示交费信号，用户确认后按动开关K3使IC5复位，关闭音响提示电路。
供断电执行电路的工作原理如下当图2(4)中的I端子为“1”，D15、D16截止，IC17输出端为“0”，D17截止，SP1不得电，J1不动用，其常闭触点J1－1－，I1－2闭合，给用户供电；当I为“0”则相反，J1－1，J1－2断开，关闭用户供电电路。
由图2(4)可知，节电保护电路由限电及短路保护电路，漏、触电保护电路，过欠压保护电路，来电延时保护电路，电度表节电电路及供断电执行电路组成，限电及短路保护电路，漏触电保护电路及过欠压保护电路通过或门控制供断电执行电路，限电及短路保护电路由B5、D10、W4、W5、C25、IC6组成，漏、触电保护电路由L2－4、D9、IC15、R40、C26、W3组成，过欠压保护电路由D8、R38－39、C24、W1－2、IC13－14组成，来电延时保护电路由R42、C27组成，电度表节电电路由KP1、D18－19组成。
上述限电及短路，漏电及触电，过压及欠压保护电路的简要工作过程是，正常状态，IC13－16的输出端为“1”，D11－14截止，D16截止，当某一检测电压超出设定值时，其对应输出端为“O”，其对应指示二极管D11或D12－14中有一只相应导通发光，D16导通，电容C27通过该支路放电，IC17输出端随即为“1”，D17导通发光(断电指示)，SP1得电工作，J1动作，通过J1－1、J1－2触点断开用户供电电路，起到保护作用，其详细工作原理如下(1)过压、欠压保护电路。电源电压VDX经稳压二极管D8降压，其下端电压随电网波动，调节W1给IC13同相端提供一个上限基准电压，调节W2给IC14的反相端提供一个下限基准电压，当电网电压过高(或过低)时，IC13“－”和IC14“＋”也随之变化，当超过上限基准电压(或低于下限基准电压)，则IC13(或IC14)输出低电位，D11、D12发光，D16导通，C27放电，IC17输出为“1”，D17发光，SP1导通，J1吸合，J1－1、J1－2断开用户供电电路。(2)漏(触)电保护电路。调节W3给IC15同相端提供一个基准电压，无漏(触)电时，L3输出电压为零，IC15输出高电位，D13截止，当有漏(触)电发生时，L3感应电压经D9整流使IC15“－”电位上升，当超过IC15“＋”基准电压时，IC15输出低电位，D13发光，其断电过程同(1)。(3)、限电(短路保护)电路。调节W4给IC16同相端一个基准电压，当负载电流(未发生短路时)小于设定值时，B5次级电压经D10整流使IC16反相端电压低于基准电压，IC16输出端为高电位，D14截止，当负载电流(发生短路)时大于设定值，IC16反相端电压大于其基准电压，IC16输出端为低电位，D14发光，其断电过程同(1)。由R42、C27、IC17等组成的来电延时供电保护电路，利用R42与C27的充电时间常数达到延时供电之目的，本实施例选取延迟时间为5分钟。由KP1、D18－19组成的电度表节电电路，其原理是当负载工作时(KN合上)，利用D18－19上的电压降触发KP1导通使电压线圈得电工作，当负载不工作时(KN)断开，D18－19上的电压降为零，SP1截止，流过电度表电压线圈L5的电流为零，因而当负载不工作时，电度表电压线圈不耗电，达到空载节电的目的。
分机还配有图2(3)c所示的不间断电源。
由图3(1)－图3(4)可知，主机的编码发射电路和接收解调电路的结构与分机相同，而主机编码发射电路的编码器地址线和主机接收解调电路的译码器地址线同时受控于主机同步变址器，主机混合网络的电路结构与分机混合网络的电路结构相同。
主机同步变址器是由U5、IC2、IC3－18组成的电子同步变址器。
同步变址是这样实现的(见图3(4))，当N1端(清零)输入一个“1”脉冲时，U5的BCD码端子均为“0”，IC3－IC18输出端均为“1”，导致U1、U4的8位地址线均为“1”，当M1端(计数)输入1个“1”脉冲时，U5的Q1(3脚)为“1”，IC3、IC11输出端为“0”，U1、U4的地址线1脚均为“0”(其它地线脚为“1”)，当M1端输入第2个“1”脉冲时，U1、U4的地址线2脚均为“0”(其它地址线脚为“1”)依次类推，实现同步变址。
以下结合附图叙述系统巡检某一用户的工程过程(假定分机全部处于工作状态)，终端开机后，(见图3(4))，微机通过接口J1给N1端子(U5的7、15脚)一清零信号“1”。U5的3－6、11－14脚均为“0”，通过变址同步开关IC3－IC18的作用，使发射编码器U1和接收译码器U4的8位地址线均为“1”(即U1、U4的1－8脚的地址代码均为11111111)，此时，即可巡检系统内地址码为“11111111”的用户(其它地址码不同的用户无效)。其工作过程是图3(1)中U1的17脚输出的脉冲信号，通过R3控制Q2的导通与截止，当17脚为正脉冲时Q2导通，Q1工作，将载频发生器U2的信号放大后通过B1的E1、F1端输出给混合网络，并通过电容C15、C16馈送到电网中去，并接在同一电网上的诸分机接收解调器，均接收到这一信号，但只有其地址码为“11111111”的分机能够有效解调终端主机的指令信号(以图2为例)。图2(3)中H点的信号，经TL1滤波送入选频放大器Q3放大后，送入由R11、C8、D1、D2组成的限幅电路整形后，通过C9馈入解调器U3，当外来信号载频与U3固有频率相同时，在其第8脚即有与终端主机U1第17脚反相的脉冲输出，U3的输出脉冲经IC1整形倒相后送入U4，因U4与终端主机中的U1地址码相同，因而其17脚输出为“1”，以示解码成功，同时其10－13脚的状态即与终端主机U1的10－13脚状态相同，达到传输数据或指令的目的，当U4的17脚为“1”时(无正确信号时为“0”)，IC2的输出端E为“0”，导致图2(1)中的E端(U1发射控制端14脚)为“0”，U1处于发射状态，将4个数据传输端子10、11脚的耗电量数据及12、13脚的报警信息通过U2、Q1、Q2、B1经混合网络馈送到电网中去。终端主机接收解调电路(图3(2))中U4的第10－13脚的状态即为对应分机U1的10－13脚的状态(其原理同分机接收解调)，通过J1的6－9脚馈给微机，至此达到巡检第一个用户的目的。同理，在程序作用下，当图3(2)中U4的17脚每输出一个“1”信号，则图3(4)b中的M1端(U5的2、10脚)就得到一个计数脉冲“1”，变址器即自动按照用户1、2、3……n、1、2、3……n的顺序循环，达到自动巡检之目的。
传感器增设水表、燃气表、暖气计量表检测探头，则该装置同时具有供电、水、气、暖管理功能。
当分机编码发射电路的数据传输端子端接一报警编码电路，在终端增设一受微机控制的收发信机，则装置同时具有火警、匪警、急救报警功能。报警编码电路由火警、匪警、急救报警开关K3－5、编码开关K2、开关K1、触发器IC1－4组成，IC1－4的Q端A2、B2、C2、D2接分机编码发射电路编码器U1的A、B、C、D端，IC1－4的公共置零端J2接分机接收解调电路的译码器U4有J端。K1和编码开关K2配合可编成13种更为具体的“火、匪、急”报警信号内容(或与各种探头接口构成自动控制监控报警器)，便于报警网络中心采取更加具体的救援措施，以便最大限度地减轻人民生命财产的损失。其报警过程是分机报警后，图4中BCD码输出端子A2、B2、C2、D2的信号通过图2(1)中的U1发射给主机，主机将其解码并馈送给微机，经微机处理后，驱动发信机工作，以便与整个报警网络联网。
本实用新型终端在图5所示的程序支持下运行。在终端打印用户予付电费收据的同时，自动将电费存入用户对应存储器，并按照“高峰、低谷、正常”三个时段，三种费率自动巡检累减，当某用户予付电费耗至设定值时，自动向该用户发出交费提示信号；当该用户电费耗尽时，自动实施断电操作，终端还具有数据自动采集、累减、比较，生成单位或每户年、月、日整点耗电综合报表功能，具有通信、转信接口，与上级有关部门构成能级式自动化管理网络。
本实用新型的优点是原理简单，功能齐全，组网方便，可实现家庭能源管理的自动化。适合能源，公安、消防、卫生等部门优选推广使用。
权利要求1.一种控制到户的居民计划用电智能管理装置，其特征在于它由终端和分机两部分组成，终端与诸分机之间的信息传输媒介为电力线载波，分机由传感器、编码发射电路、混合网络、接收解调电路、执行及信号电路的节电保护电路组成，传感器的输出接编码发射电路的输入端，编码发射电路的输出接混合网络的输入，混合网络一路接电力线，另一路接接收解调电路的输入端，接收解调电路的输出一路去控制编码发射电路和传感器的计数器，另一路去控制执行及信号电路，执行及信号电路一路接编码发射电路，另一路接节电保护电路，终端由主机和微机及其外设组成，主机由与分机相对应的混合网络，接收解调电路，编码发射电路，以及同步变址器组成，微机控制同步变址器和编码发射电路，同步变址器的输出一路接编码发射电路，另一端接接收解调电路，编码发射电路的输出接混合网络，混合网络一路接电力线，另一路接接收解调电路的输入端，接收解调电路的输出至微机。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于传感器采用光电传感器，它由红外发射、接收二极管D20、D3、整形器IC3，计数器U5，组成，红外发射接收二极管安装在电度表转盘的两侧，并与转盘上的小孔相对应。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于分机编码发射电路由地址开关K1、编码器U1、载频发生器U2、键控发射器组成，键控发射器由三极管Q1－2、R5－6、B1、C4组成，B1、C4构成选频电路，地址开关K1控制U1的8位地址线，U1的输出接Q2的基极，Q2的集电极接Q1的发射极，载频发生器U2的输出通过C3接Q1的基极，编码发射电路输出端F、G接分机混合网络。
4.根据权利要求4所述的装置，其特征在于分机混合网络由C16－18、R17－26、L1、B3、B4组成，B4的次级接分机解调电路输入端，O、N端接交流电网。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于分机接收解调电路由选频放大器，限幅器D1－2、载频解调器U3，整形器IC1，变址开关K2、译码器U4、自动清零电路组成，选频放大器由Q3、TL1、TL2、B2、R8－11、C7组成，自动清零电路由IC2、C15、R16组成，选频放大器的输出经限幅器D1－2接至载频解调器U3的输入端，载频解调器U3的输出经整形器IC1接至译码器U4的输入端，U4的一路输出经自动清零电路，分别去分机编码发射电路及传感器的计数器清零端，U4的另一路输出I、J、K去执行及信号电路。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于分机执行及信号电路由解警执行电路、交费提示电路和供电断电执行电路及停电信号电路组成，解警执行电路和交费提示电路由触发器IC5－6及其外接元件和音频发生器组成，音频发生器由IC7－12，及其外接元件YD1组成，信号电路包括机壳防拆报警信号电路和停电信号电路，机壳防拆报警信号电路由K4、IC6、IC7－12组成，停电信号电路由W7、D22、IC19组成，其输出端B接编码发射电路，供断电执行电路由D16、R41－42、C27、IC17，固态继电器SP1、J1组成，继电器J1控制电度表的电源进线。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于节电保护电路由限电及短路保护电路，漏、触电保护电路，过欠压保护电路，来电延时保护电路，电度表节电电路及供断电执行电路组成，限电及短路保护电路，漏触电保护电路及过欠压保护电路通过或门控制供断电执行电路，限电及短路保护电路由B5、D10、W5、C25、IC6组成，漏、触电保护电路由L2－4、D9、IC15、R40、C26、W3组成，过欠压保护电路由D8、R38－39、C24、W1－2、IC13－14组成，来电延时保护电路由R42、C27组成，电度表节电电路由KP1、D18－19组成。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于主机的编码发射电路和接收解调电路的结构与分机相同，而主机编码发射电路的编码器地址线和主机接收解调电路的译码器地址线同时受控于主机同步变址器，主机混合网络的电路结构与分机混合网络的电路结构相同。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于在主机同步变址器由U5、IC2、IC3－18组成的电子同步变址器。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于传感器增设水表、燃气表、暖气计量表检测探头，则该装置同时具有供电、水、气、暖管理功能。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于在分机编码发射电路的输入端接一报警编码电路，在终端增设一受微机控制的收发信机，则装置同时具有火警、匪警、急救报警功能。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于报警编码电路由火警、匪警、急救报警开关K3－5、编码开关K2、开关K1、触发器IC1－4组成，IC1－4的Q端A2、B2、C2、D2接分机编码发射电路编码器U1的A、B、C、D端，IC1－4的公共置零端J2接分机接收解调电路的译码器U4有J端。
专利摘要本实用新型涉及一种控制到户的居民计划用电智能管理装置，它由终端和分机两部分组成，终端与诸分机之间的信息传输媒介为电力线载波。分机由传感器、编码发射电路、混合网络、接收解调电路、执行及信号电路，节电保护电路组成，终端由主机和微机及其外设组成，主机包括由与分机相对应的混合网络，编码发射电路和接收解调电路以及同步变址器。本装置为供电(水、气、暖)等部门提供一种控制到户的预付款式管理手段，为居民提供一种有节电效能的多功能家电保护器及联防报警手段。
文档编号H02J13/00GK2139748SQ9222957
公开日1993年8月4日 申请日期1992年8月1日 优先权日1992年8月1日
发明者杨学海 申请人:中国人民解放军51002部队科学技术委员会