专利名称：智能电能计量控制集成电表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电能表，尤其是能智能地对电能计量并能通过网络对其进行控制的集成电表。
背景技术：
历年来，我国电能计量的表计绝大部分沿用机械式电能表，这种电能表造价较高，能耗高。近年来市场上出现一种机电合一的“电子式电能表”，这种“电能表”具有计量精度高，能耗低的优点，但它的电能采样采用模数转换电子器件，显示仍采用机械式计器，机械部分的走合误差使精密的电子计量性能降低；且电子元器件抗干扰性能不如机械表，使用者对其稳定性心存疑虑，不敢大面积推广使用；结构仍采用单一的分立式结构，导致产品成本过高，其市场价格甚至高于机械式电能表。为适应市场经济的需要，供电部门利用经济杠杆来调整用电高峰负荷的复费率计费的方式，而“复费率电表”因其价格昂贵，很难被广大用户所能接受。同时由于电表的系统时钟需定期到现场逐一调校，也给供电部门增加较多的麻烦和工作量。故复费率收费方式自今尚未能广泛实施。
电业部门的电费抄收工作则一直采用上门“抄表收费”的落后模式，工作效率低，劳动强度大，且抄收人员估抄、漏抄、不抄现象时有发生；而用户拒交电费、窃电的行为也屡见不鲜。供电部门迫切需求一种自动化程度高，工作性能稳定，功能强大，价格低廉，并能通过网络进行管理的智能化电表。为解决落后的抄表管理模式，推出了如“集中抄表”、“预付费电表”“无线电传输抄表”“电力线传输抄表”等产品，其技术手段是在原有的传统产品中加装一“单片机”，实现“预付费供电”或“远程抄表”。改装产品的单片机一般都安装在机械式电能表，空间狭窄，电子部分与强干扰磁场距离太近，严重影响其运行的安全可靠性；电能取样则在机械式电能表上加装一光电取样探头，由于原产品设计时并未考虑加装，加装探头有可能损坏原产品的结构，影响计量精度；并且安装调试工作要求较高，操作繁琐，不适宜产业化生产。
目前使用的“集中抄表”系统的“用户终端”的网络接口一般采用以下几种联网方式1)电力MODEM与低压电网联接方式，使用电力线路作为传输数据的通道。这种方法的弊病是由于电力线路经常受到外界强电磁场及用户用电设备的噪声干扰，气候对线路分布参数的影响，线路绝缘性能好坏等以上这些因素，严重影响了数据通讯的可靠性，且其通讯范围仅局限于一个低压变压器供电电网。因此电力线路作为一种数据通讯通道不能用作收费数据采集。
2)无线电通讯方式，系统设备投资昂贵，仅作为一种抄表、控制用电设备使用，有“大马拉小车”之嫌；如若只考虑成本，产品性能又大大下降，难得两全其美。
3)串行485总线方式，通讯稳定，系统投资较小。但受通讯距离和线路阻抗匹配的制约，只能连接较少数量的用户终端，为保证通讯的可靠性，线路阻抗需进行现场匹配调整，增加施工的难度。
根据以上分析，目前市场上推出的产品存在以下不足之处电能计量能耗高但精度不高，或者价格昂贵难以被用户接受。
电费抄表的改进重在对传统产品的改良，改良资金的投入与产出效果不理想，无法实现规模化生产，生产成本降价空间有限。
网络接口要么采用现成的电力电网作数据传输媒体，电力线路中的各种干扰无法全部排除，实际应用中效果不佳，实用性不强；要么采用无线电方式，性能价格比太高；要么采用串行485总线，信号衰减大，通讯距离受限。且对外通讯只有联网通讯一种，形式单一，对于不适宜联网安装必需上门集中抄表的用户，或者只适宜实施“预付费方式”供电的用户都无法使用，供供电部门选择的方法单一。且用户终端只能向上级计算机单向传输用电数据，上级计算机不能远程控制用户终端，无法实现“双工”通信。
产品结构分散，分立单元之间如从机械表到采集器线路的连接，对安装施工和运行维护增加了不少的工作量和费用，并给窃电者提供了可乘之机。
对供电系统现行的管理方法缺乏全面了解，产品设计中只针对某一实际问题的解决，产品功能单一。
缺乏个性化设计。传统的配电箱一般都是十几个电表集中安装在一起，用户很难分清自家电表的位置，再加上电表计数器显示窗口太小，用户读表有一定难度。即使读下电表读数，也是一个累计电度数，还得减去上月抄表电度数才能得知本月用电量。由于太麻烦，绝大多数用户都懒得去理会；少数用户抄表几次，最终也是嫌麻烦，只得放弃。所以一旦发生电费纠纷，用户手中缺乏第一手证据，无法与供电部门理论。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题就是针对目前电能表存在的不足，提出一种新型的集成电表，集电能计量、智能控制、双工通讯、结构紧合于一身，实现供电部门对于多家用户用电情况的智能化管理。
本实用新型的技术方案是将多个用户回路的计量、控制器件集成于一个用防火阻燃工程塑料制做的方框外壳内，采用一个微处理器(CPU)进行智能化管理和控制，实现供电局对用户的遥信、遥控、遥调及分时计费、自检报错、短路保护、过流保护、数据记录等功能。
本实用新型由电能取样计数模块、中心微处理器(CPU)模块、串行数据读写存储器模块、串行通讯模块、拉合闸控制模块、工作电源模块、显示模块和按键电路模块组成。电能取样计数模块的大部分元器件集成在计数器板上，中心微处理器(CPU)模块、串行数据读写存储器模块、串行通讯模块集成在CPU板上，拉合闸控制模块集成在拉闸电路板上，工作电源模块集成在开关电源板上，显示模块和按键电路模块集成在显示板上。计数器板、CPU板、拉闸电路板、开关电源板都插在插座板上。插座板、显示板、红外线电路板及用户回路、用户开关等全装在塑料方框外壳中。塑料方框外壳的面板上设置总开关、显示窗、脉冲信号灯、红外线收发窗、IC卡读写端口、用户编号栏及电费单据信箱、用户开关箱活动透明外罩、宣传广告栏。总开关在校表和维护时，切断供电电网进线电源，确保检修人员的人身安全和设备安全。同时用户发生短路事故时，若用户开关保护失效，总开关切断电源，起速断保护作用。宣传广告栏既可用于用电安全宣传，又可用作商业广告宣传。用户编号栏可将用户的编号、开关位置及集成电表的使用说明框于“编号栏”内，便于用户随时查阅。用户编号栏的后半部用作存放用户电费收据的信箱，用户能随时取到自己电费收据，解决以前电费单据无人保管丢失问题。
其工作过程是集成电表初始化后，由电能取样计数模块采集用户的用电数据，用电数据送至CPU进行计算后保存到串行数据读写存储器模块，并通过串行通讯模块上报到供电局和抄表员，用户也可通过显示电路随时查看用电情况，同时设置拉合闸控制模块控制用户的超功率用电和欠费拉闸断电催交。
电能取样计数模块可根据用户需求设置相应的回路，每个回路由电能模数转换电路、光电隔离电路、计数器、三态门缓冲器、缓冲器地址译码器电路组成，计数器、三态门缓冲器、缓冲器地址译码器电路集成在计数器板上，其主要功能是对电能模拟量取样，将模拟量转换成数字信号，计数后传送给CPU的I/O端口。
中心微处理器(CPU)模块由CPU、日历时钟电路、程序存储器(EPROM)、读写存储器(RAM)、地址锁存器、地址译码器、程序监测器、复位电路、掉电中断保护电路、按键电路组成。此模块接受电能取样计数模块的电能数据，存到串行数据读写存储器模块，根据用户用电情况发出拉、合闸命令，在对外通信时发出串行通讯命令、红外线通讯命令、报错命令，并与串行通讯模块进行各项用电数据的接收和发送，同时将需要显示的各项数据送到显示电路。
串行数据读写存储器模块由系统参数串行程序存储器EEPROM、用电参数串行程序存储器EEPROM和备份串行程序存储器EEPROM、串行存储器地址译码电路、端口光电隔离电路、IC卡读写端口组成。其主要功能是存储“集成电表”正常运行需要长期保存的“系统参数”和“用电参数”。同时，若用户从IC卡读写端口插入IC卡，则根据IC卡的标志，将IC卡中的数据写入用电参数串行程序存储器EEPROM，或用电参数串行程序存储器EEPROM中的数据读入IC卡。
串行通讯模块由总线调制解调器电路，总线隔离变压器端口电路、红外线通讯调制解调器电路、红外线收发窗口电路组成。总线调制解调器电路，总线隔离变压器端口电路、红外线通讯调制解调器电路集成在CPU板上；红外线收发窗口电路则集成在红外线电路板上，对应外壳上的红外线收发窗。总线通讯方式可实施远程通讯，传送和接收各项数据；红外线通讯方式则可实现现场数据采集。
拉合闸控制模块由缓冲器、数据锁存器、光电隔离电路、拉合闸执行电路、用户开关组成，执行CPU发出的拉合闸命令。
显示模块由三态门缓冲器、数据锁存器、显示器组成，其功能是显示CPU送出的需要显示的各项数据。
工作电源模块由三个5V直流开关电源组成，分别向各功能模块提供工作电源。
集成电表的具体工作过程是1.对串行存储器进行初始化上电前，将供电局管理中心计算机中的“管理软件”所设置的各种参数写入集成电表的串行数据读写存储器模块的串行存储器中。“系统参数”包括集成电表的地址编码、峰、平、谷时段参数、零点抄表日期、报错时间间隔、报错最小用电量阀值、各回路报错数据存储区地址编码写入系统参数存储器；“用电参数”包括每千瓦-小时的脉冲个数(n/kw.h)、用户地址编码、允许使用的最大功率阀值、供电模式如“预付费”或“先用电”等写入用电参数存储器。用电参数存储器为每个用户回路开辟一个专用数据存储区，保存每一用户回路需要长期保存的各项数据。
集成电表通电后，首先调入串行EEPROM内预先设置好的“用电参数”和“系统参数”，读入的各参数暂存入中心微处理器(CPU)模块的读写存储器RAM中。
2.电能取样计数本实用新型可对多个用户的用电情况同时采样。若要对N个用户的用电情况进行计量与控制，则电能取样计数模块中设置N个回路，每个回路均由电能模数转换电路、光电隔离电路、计数器、三态门缓冲器、缓冲器地址译码器电路组成。计数器的输出端连至数据缓冲器的输入端，缓冲器的输出端接到CPU的一组I/O端口。用户负载电流、电压的模拟信号经模数转换电路转换成千瓦小时的脉冲个数(n/kw.h)的数字量，由光电隔离电路整形后输入计数器进行脉冲计数，同时CPU向缓冲器地址译码器发出极短间隔的缓冲器选通地址讯号，逐一选通缓冲器，被选通的缓冲器传输计数器的数据，未被选通的缓冲器均呈高阻状态，与缓冲器相连的CPU的I/O端口逐一读入缓冲器的数据。
3.用电数据的存贮读入的用电数据暂存中心微处理器(CPU)模块的读写存贮器RAM中，然后每隔一秒钟读入日历时钟的当前时间，判断当前时间属峰、平、谷哪一类，分区存入RAM中。同时根据所采集的电量，CPU每三十秒钟计算一次用户的平均功率，计算公式为M/n/kw.h，即三十秒采集的脉冲总数M除以每千瓦小时的脉冲个数，乘上120(120等于一小时6400秒除以30秒)，所得的结果即为功率，单位为千瓦(KW)。CPU的I/O端口发出存储器片选地址信号，经串行EEPROM存储器地址译码电路译码，选中需要写入的EEPROM，串行存储器同步脉冲端口发出串行数据同步时钟脉冲，计算出来的用电功率写入用电参数EEPROM，同时该数据备份到备份串行程序存储器EEPROM。若用电功率超过用电参数中的允许功率阀值，读入当前时间，保存到RAM中，并转存至用电参数串行EEPROM中该用户回路专用数据区。同时CPU每隔十秒钟扫描一次IC卡读写端口，当检测到有IC卡插入时，读出该用户的地址码和供电模式标识，并判断其用电属性。“先用电”用户则向卡内写入本次用电量和抄表日期、时间，预付费用户读入其本次购电量，并与表内剩余电量相加，同时在显示窗显示。
4.超功率处理保存数据后，若用电功率大于用电参数中的允许功率阀值，CPU I/O端口通过数据总线发出拉闸指令，经拉合闸控制模块的缓冲器输入到数据锁存器锁存，数据锁存器驱动光电隔离电路，光电隔离电路驱动拉合闸执行电路，对用户开关实施跳闸处理。出现跳闸时，用户应及时检查线路和用电设备，看是否有超负荷用电或线路是否存在短路等。避免由此而引发其他安全事故。30秒后，CPU发合闸指令，用户处理好故障后，可自行手动合闸，电表运行正常。若用户未检修线路使功率超过允许值，则电表仍将跳闸，迫使用户合理调整负荷安全用电。
5.报错处理当CPU在某一时间间隔内(例如24小时)所采集的某一用户回路累计电量小于系统参数中设置的最小用电量阀值时，设置标识，并将出错起始时间、间隔时间内所采集的电量、该用户回路地址码转存于串行EEPROM该用户回路的专用数据区。对外通讯时CPU将存于串行EEPROM数据取出，通过CPU的串行通讯口把数据同时传送给总线调制解调器和红外线调制解调器的输入端，通过总线网络向供电局传报错回路的数据，或者通过红外线收发窗口将数据直接传送给红外线抄表机。
6.对外通讯CPU串行端口对外通讯有两条通道，一条是经总线调制解调器和隔离变压器连至总线网；一条是经红外线调制解调器与光电收发电路相连，与外界进行红外线通讯。集成电表平时处于等待被叫状态，当收到呼叫本集成电表的地址码时开始通讯，根据CPU通讯命令进行接收和发送数据的操作。通过总线通讯，串行存贮器模块可接收供电局中心计算机发来的系统当前实时时间及修改后的“系统参数”和“用电参数”、拉、合闸命令，并向供电局传送用户分时计量的电量、零点抄表的电量、事故拉闸数据、报错数据、集成电表的停电时间数据。红外线通讯输出的数据与总线通讯输出的数据相同，当有些用户不便总线通讯时，抄表员可用红外线抄表机进行抄表。
7.远程拉、合闸处理若收到供电局发来的拉闸或合闸命令，通过CPU数据总线输出，经缓冲器、数据锁存器、光电隔离电路、拉合闸执行电路驱动用户开关。供电局拉闸后的用户开关自动锁定。用户无法自行合闸，必须经供电局发来合闸命令后方可合闸用电。
8.显示和校表本实用新型在面板上设置四个按键，每个按键通过按键电路与CPU I/O端口相连，按下某一按键时与其相连的CPU I/O端口会由高电平信号变成低电平信号。当CPU检测到规定端口的信号后，执行显示或者调校时钟的操作。K1、K2作显示按键用，按动K1可依序选择用户(1~k号)，选择好用户后，按动K2逐项显示该用户的各项参数；K3、K4用于现场调校日历时钟和现场校表，按动K3可选择要调整年、月、日、时、分、秒，按动K4在选项上增加数值，若同时按下K3、K4则可现场校表，长时间(三秒钟)按下K4则结束校表。
采用本实用新型可以达到如下有益效果采用电子模数转换器取代传统机械电能表对电能取样，将智能化系统、多个电能取样回路、多个自动断路器集成于一个装置内。整体采取全封闭式结构，从根本上杜绝人为窃电的可能。外壳采用工程塑料模压，适宜于产业化生产，且一个集成电表可对多个用户的电能计量，用一块电表的价钱就可实现目前多块电表的功能，大大降低了电表价格。电能取样回路可根据用户的多少进行多样化设计，集成的用户数越大单个用户承担的费用越低。
本实用新型设置有总线通讯端口，串行通信数据信号被总线调制解调器高倍频调制和解调，并经功率放大后，通讯距离可达7km，并且没有线路匹配要求，施工简单。相对于目前集中采集系统普遍采用的串行485端口方式，具有通讯距离远，挂接的负载多，免除了施工中需进行烦锁的总线线路阻抗匹配调整等优点。集成电表既有专用网络通讯端口，又有红外线通讯端口，对由于环境和其他原因不适宜联网安装的用户，或者已联网但网络线路因自然灾害影响和人为破坏暂时无法通讯时，可采用手持式红外线抄表机到现场集中抄表；且设置了一个对用户开放的IC卡读写端口，用户可持其专用卡自行抄表，一旦发生电费纠纷，可持卡去供电部门核对。因此本实用新型给用户和供电局都提供了多利选择方式，给用户和供电局都带来了方便。
本实用新型具有报错功能，当在管理者规定一段时间内采集不到某一用户的用电数据时，自动向供电局报错，并自动记录下事件的起始时间和终止时间及用户的地址码，使人们不必担心的一旦电子采样器损坏而丢失用电计量，大大提高了可靠性。
本实用新型具有超功率过流保护和短路速断保功能，能有效督促用户安全用电和保护用户电气设备的安全，避免因线路老化和违章用电引发其他安全事故。
本实用新型设计有远程拉、合闸功能，对恶意欠费的用户可实施拉闸断电催费，对远程监测到的严重违章用电的用户可实施拉闸断电警告，为保证电费的及时回收和供电系统的安全运行提供了有效的技术手段。
由于全部采用电子元器件，对电子脉冲的计数准确无遗漏，且不需要将电子脉冲转换成机械计数，因此无任何机械计数误差，大大提高了测量精度，既维护了用户权益又保护了供电部门的利益，为供电部门科学管理广大民用户提供有力的技术手段，大幅度降低了管理成本和运行成本。
性能价格比高。本实用新型利用电子线路工艺结构简单、体积小的优点，将功能模块高密度集中，利用其易于进行逻辑控制的特点，将各分立单元以逻辑控制的方式接成一个微处理系统，既充分发挥了微处理器的优点，大幅度降低了生产成本，市场价位接近于传统的“机械式电表箱”，具有极强的市场生命力。仅从价格一点与分立的单一功能的“智能电度表”相比，如“预付费电表”“复费率电表”等，每户安装价格降低了五倍；与多功能的“集中抄表系统”相比每户价格降低了三至四倍；且采用模压塑料外壳取代传统金属铁箱，大幅度降低了生产成本。
运行费用低成本，本实用新型工艺结构采用分立的模块化设计，一但某个模块损坏，维护人员只需拔出坏模块，插入新模块即可，操作十分简单方便，避免了分立式电表某个部分损坏，需整体更换的高成本运行费用，使高新技术在供电部门推广提供可靠的价格基础。
本实用新型有现场校表功能，能在几分钟内完成对电能取样计数模块、电能脉冲缓冲通道的好坏和计量精确度进行测试。
本实用新型功能强大，既可实行“先用电”方式，又可实行“预付费”方式，计费还可采取复费率方式，用户可通过显示窗口随时读取自己的用电情况，使用非常方便。
本实用新型采用塑料外壳，外壳空白部分设计透明宣传窗和用户编号栏，宣传窗既可用于用电安全宣传，又可用作商业广告宣传用。用户编号栏可将用户的编号、开关位置及集成电表的使用说明框于“编号栏”内，便于用户随时查阅。用户编号栏的后半部用作存放用户电费收据的信箱，用户能随时取到自己电费收据，解决以前电费单据无人保管丢失问题。
图1是本实用新型面板布置图；图2是本实用新型打开面板结构示意图；图3是本实用新型打开面板将显示板和红外线电路板移开的结构示意图；图4是本实用新型内部结构方框原理图；图5是本实用新型一个实施例的电能模数取样模块电路图(模数取样部分)；图6是本实用新型一个实施例的电能模数取样模块电路图(计数部分)；图7是本实用新型一个实施例的中心微处理器(CPU)模块电路图(图A部分)；图8是本实用新型一个实施例的中心微处理器(CPU)模块电路图(图B部分)；图9是本实用新型一个实施例的串行数据读写存储器模块电路图；图10是本实用新型一个实施例的串行通信模块电路图；图11是本实用新型一个实施例的控制模块电路图；图12是本实用新型一个实施例的显示模块电路图。
具体实施方式
图1是本实用新型面板布置图，本实用新型塑料方框外壳11的面板12上设置总开关1、显示窗2、脉冲讯号灯3、红外线收发窗4、IC卡读写端口5、用户编号栏及电费单据信箱6、用户开关箱活动透明外罩8、宣传广告栏10。
图2是本实用新型打开面板结构示意图；图3是本实用新型打开面板将显示板和红外线电路板移开的结构示意图。如图2，脉冲信号灯3和K1、K2、K3、K4 4个按键及显示器13都集成在显示板14上，显示板14和红外线电路板15通过信号线连接到插座板22上。图4说明本实用新型由电能取样计数模块、中心微处理器(CPU)模块、串行数据读写存储器模块、串行通讯模块、拉合闸控制模块、工作电源模块、显示模块和按键电路模块组成。电能取样计数模块的大部分元器件集成在计数器板21上，中心微处理器(CPU)模块、串行数据读写存储器模块、串行通讯模块集成在CPU板20上，拉合闸控制模块集成在拉闸电路板19上，工作电源模块集成在开关电源板18上，显示模块和按键电路模块集成在显示板14上。计数器板21、CPU板20、拉闸电路板19、开关电源板18都插在插座板22上。插座板22、显示板14、红外线电路板15及电能模数转换电路24、用户开关26、零线端子排27、电源进线28、电源进线端子29、拉闸控制线30和零线31集成在外壳11中。
下面结合图4-图12描述一个本实用新型的实施例。电能取样计数模块可根据用户需求设置相应的回路，每个回路的电流取样由经电能模数转换电路24、脉冲信号线23、光电隔离电路、计数器、三态门缓冲器传送到CPU。本实施例电能取样计数模块设置16个用户回路，可同时智能管理16个用户的用电情况。图5描述了一个用户回路的电能模数取样模块的模数取样部分。图6描述了本实施例16个用户回路的计数、缓冲、译码电路。电能模数转换电路24由多个电阻、电容、晶振和电能模数转换器J600-芯片AD7755组成。用户回路的电流取样从一个330uΩ的取样电阻R600取出压降信号输入AD7755的电流模拟信号输入端VIN和VIP，电压信号经多个电阻降压后输入AD7755的电压模拟信号输入端V2P，电流和电压信号经AD7755电能模数转换器转换成每千瓦小时的脉冲数，由CF信号端输出，经光电隔离器U600一芯片TLP521整形输入到U410A-U417A任意一个计数器—芯片74HC393进行计数，计下的脉冲数输入到相应的三态门缓冲器74HC244-U401-U404和U406-U409，即U410A-U413A的2组Q0-Q3输出到U401-U404的1A1-1A4、2A1-2A4，与此同时，CPU U100-芯片80C196的P1.0-P1.2端口发出三态门选通地址到缓冲器地址译码器U419-芯片74HC138，被选通的三态门缓冲器先输出数据信号三态门缓冲器74HC244-U400或U405缓冲，而U400和U405的输出端1Y1-1Y4、2Y1-2Y4连到CPU的P0.0-P0.7端口，这样对应用户回路的电能取样计数输入到了CPU。本实施例采用芯片74HC393作计数器，74HC244作缓冲器，一个计数器和一个缓冲器可分别由两个用户回路共用，因此只须8块74HC393、10块74HC24。计数器、三态门缓冲器、缓冲器地址译码器电路集成在计数器板21上，电能模数转换电路24与脉冲信号线23相通，从脉冲信号灯3显示各用户用电脉冲情况。
如图7和图8，中心微处理器(CPU)模块由CPU U100-芯片80C196、日历时钟电路U304-MC146818、程序存储器(EPROM)U102-27C256、读写存储器(RAM)U103 AT29C256、地址锁存器U101-74HC373、地址译码器U206 GAL20V8、程序监测器U105-74HC4060、复位电路U104C-LM339、掉电中断保护电路U104A-LM339、按键电路组成。80C196的P3.0-P3.7数据总线输出端口连接到地址锁存器74HC373的D0-D7输入端，80C196的地址输出允许端ALE连至74HC373的LE端口，在ALE的地址有效信号控制下，对CPU的低8位地址码进行锁存；同时，80C196的P3.0-P3.7数据总线输出端连接27C256的I/O0-I/O7，CPU的读有效信号RD连到27C256的OE端，GAL20V8的选通信号EPR连到27C256的CE端，在CPU的读有效信号RD与GAL20V8的选通信号共同控制下，读取27C256的控制程序指令；80C196的P3.0-P3.7数据总线输出端还连接到AT29C256的I/O0-I/O7，CPU的读控制信号RD连到AT29C256的OE端，CPU的写控制信号WR连到AT29C256的WE端，GAL20V8的选通信号RAM连到27C256的CE端，在CPU的读控制信号RD、写控制信号WR以及地址译码器选通信号的控制下，缓冲存取CPU的数据。80C196的P3.0-P3.7还连接时钟芯片MC146818的AD0-AD7，CPU的读控制信号RD连到MC146818的RD端，CPU的写控制信号WR连到MC146818的R/W端，CPU的ALE端连到MC146818的AS端，GAL20V8的CTM端连到MC146818的CS端，在CPU的RD、WR、ALE以及地址译码器的选通信号的控制下读取实时时钟数据。CPU的高位地址线P4.0-P4.7连到27C256的A8-A14、AT29C256的A8-A14，向27C256、AT29C256输出高位地址信号。CPU的P4.0-P4.7还连至GAL20V8的输入端，CPU的RD连到GAL20V8的IN/CLK端，CPU的WR端连至GAL20V8的IN/OE端。CPU的高位地址信号与CPU的读、写控制信号经GAL20V8逻辑编程后，GAL20V8输出端口分别输出到27C256、AT29C256、MC146818、显示电路的段数据锁存器74HC273以及位数据锁存器74HC273、控制电路的两个数据锁存器74HC273的选通控制信号EPR、RAM、CTM、DNCS3、DNCS4、DNCS1、DNCS2。因此，CPU接受电能取样计数模块的电能数据，存到串行数据读写存储器模块，并根据用户用电情况发出拉、合闸命令，在对外通信时发出串行通讯命令、红外线通讯命令、报错命令，同时与串行通讯模块进行各项用电数据的接收和发送，并将需要显示的各项数据送到显示电路。
如图9，串行数据读写存储器模块由系统参数串行数据存储器EEPROMU212-AT93C86、用电参数串行数据存储器EEPROM U213-AT93C86和备份串行数据存储器EEPROM U214-AT93C86、串行存储器地址译码器U208-74HC155、端口光电隔离电路U306-HP4504、IC卡端口插座16组成。CPU高速输出端口HS0.2、HS0.3输出串行存储器的片选地址信号，连至74HC155的A0、A1端口，74HC155的输出端口1Y0-1Y3分别输出IC卡端口插座、系统参数存储器、用电参数存储器、备份数据存储器的选通信号ICS0、ICS1、ICS2和ICS3。选通信号经74HC04 U209A、U209B、U209C、U209D反相后，分别连至各个AT93C86的CS端。CPU的P2.5端口发出串行存储器的数据读写同步时钟脉冲，与其对应的选通信号经对应的与门电路74HC08-U210A、U210B或U210C、U210D或U211A、U211B连至各AT93C86的SK端口。CPU的P2.6端口输出需向串行存储器保存的串行数据，与其对应的选通信号经对应的与门电路74HC08-U210A、U210B或U210C、U210D或U211A、U211B连至各AT93C86的DI端口。从串行存储器AT93C86读出的数据从D0端口输入至CPU的P2.7端口。IC卡也是一块EEPROM-AT93C86，它的选通信号CS从74HC155的1Y0端口输出，经缓冲器U303C-74ALS34输出端连至光电隔离器U305-HP4504的D-端，HP4504的VD端连至IC卡插座。SK、DI、D0的连接方式与用电参数串行数据存储器的SK、DI、D0的连接方式相同，只是中间都要经过端口光电隔离电路HP4504。IC卡端口插座16位置对应面板12上IC卡读写端口5。
如图10，串行通信模块由总线调制解调器电路，总线隔离变压器端口电路、红外线通信调制解调器电路、红外线收发窗口电路组成。CPU的串行通信端口TXD、RXD连接至总线调制解调器-BUS-MODEM的串行通信端口TXD、RXD，CPU的高速端口HSO.0向调制解调器的控制电路输出控制讯号MedOE，以保证通信的可靠性。总线调制解调器的输出端TXDA、RXDA、GND与隔离变压器T300相连，红外线调制解调器IRMODEM的输出端IROUT1、IROUT2、IRIN1、IRIN2与红外线收发窗口电路相连。总线调制解调器电路，总线隔离变压器端口电路、红外线通讯调制解调器电路集成在CPU板20上；红外线收发窗口电路则集成在红外线电路板15上，对应外壳11上的红外线收发窗4。
如图11，控制模块由缓冲器U500-74HC244、数据锁存器U501、U502-74HC273、光电隔离电路U502-TLP521、光电隔离电路及拉合闸执行电路、用户开关26组成。CPU的数据总线端口P3.0-P3.7连至缓冲器74HC244的输入端1A1-1A4，2A1-2A4，74HC244的输出端1Y1-1Y4、2Y1-2Y4，并联至两个数据锁存器U501、U502的输入端，两个数据锁存器U501、U502的CLK端口分别连至地址译码器U206-GAL20V8的选通信号输出端口DNCS1和DNCS2。74HC244的输出端分别连至光电隔离电路U503-TLP521，TLP521的输出端连至一个由三极管、小型继电器组成的拉合闸执行电路，这个电路与用户开关26相连。
如图12，显示模块由三态门缓冲器U200-74HC245、数据锁存器U201、U202-74HC273、显示器组成。CPU的P3.0-P3.4连至缓冲器74HC244的输入端，输出端并连至位显示数据锁存器U201和段显示数据锁存器U202的D1-D8端，两个数据锁存器的CLK端口分别连至地址译码器U206-GAL20V8的对应的选通信号输出端口SEG和SET。显示器的位置对应面板12上的显示窗。
本实用新型的具体工作过程是
1.对串行存储器进行初始化上电前，将供电局管理中心计算机所设置的各种参数写入集成电表的串行数据读写存储器模块的串行存储器中。“系统参数”写入系统参数存储器；“用电参数”写入用电参数存储器。用电参数存储器为每个用户回路开辟一个专用数据存储区，保存每一用户回路需要长期保存的各项数据。
集成电表通电后，首先调入串行EEPROM内预先设置好的“用电参数”和“系统参数”，读入的各参数暂存入中心微处理器(CPU)模块的读写存储器RAM中。
2.电能取样计数本实用新型可对多个用户的用电情况同时采样。若要对N个用户的用电情况进行计量与控制，则电能取样计数模块中设置N个回路，每个回路均由电能模数转换电路24、光电隔离电路、计数器、三态门缓冲器、缓冲器地址译码器电路组成。计数器的输出端连至数据缓冲器的输入端，缓冲器的输出端接到CPU的一组I/O端口。用户负载电流、电压的模拟信号经模数转换电路转换成千瓦小时的脉冲个数(n/kw.h)的数字量，由光电隔离电路整形后输入计数器进行脉冲计数，同时CPU向缓冲器地址译码器发出极短间隔的缓冲器选通地址讯号，逐一选通缓冲器，被选通的缓冲器传输计数器的数据，未被选通的缓冲器均呈高阻状态，与缓冲器相连的CPU的I/O端口逐一读入缓冲器的数据。
3.用电数据的存贮读入的用电数据暂存中心微处理器(CPU)模块的读写存贮器RAM中，然后每隔一秒钟读入日历时钟的当前时间，判断当前时间属峰、平、谷哪一类，分区存入RAM中。同时根据所采集的电量，CPU每三十秒钟计算一次用户的平均功率，CPU的I/O端口发出存储器片选地址信号，经串行EEPROM存储器地址译码电路译码，选中需要写入的EEPROM，串行存储器同步脉冲端口发出串行数据同步时钟脉冲，计算出来的用电功率写入用电参数EEPROM，同时该数据备份到备份串行程序存储器EEPROM。若用电功率超过用电参数中的允许功率阀值，读入当前时间，保存到RAM中，并转存至用电参数串行EEPROM中该用户回路专用数据区。同时CPU每隔十秒钟扫描一次IC卡读写端口5，当检测到有卡插入时，读出该用户的地址码和供电模式标识，并判断其用电属性。“先用电”用户则向卡内写入本次用电量和抄表日期、时间，预付费用户读入其本次购电量，并与表内剩余电量相加，同时在显示器13上显示。
4.超功率处理保存数据后，若用电功率大于用电参数中的允许功率阀值，CPU I/O端口通过数据总线发出拉闸指令，经拉合闸控制模块的缓冲器输入到数据锁存器锁存，数据锁存器驱动光电隔离电路，光电隔离电路驱动拉合闸执行电路，对用户开关实施跳闸处理。30秒后，CPU发合闸指令。
5.报错处理当CPU在设定某一时间间隔内(例如24小时)所采集的某一用户回路累计电量小于系统参数中设置的最小用电量阀值时，设置标识，并将出错起始时间、间隔时间内所采集的电量、该用户回路地址码转存于串行EEPROM该用户回路的专用数据区。对外通讯时CPU将存于串行EEPROM数据取出，通过CPU的串行通讯口把数据同时传送给总线调制解调器和红外线调制解调器的输入端，通过总线网络向供电局传报错回路的数据，或者通过红外线收发窗口4将数据直接传送给红外线抄表机。
6.对外通讯CPU串行端口对外通讯有两条通道，一条是经总线调制解调器和隔离变压器连至总线网；一条是经红外线调制解调器与光电收发电路相连，与外界进行红外线通讯。集成电表平时处于等待被叫状态，当收到呼叫本集成电表的地址码时开始通讯，根据通讯命令进行接收和发送数据的操作。通过总线通讯，串行存贮模块可接收供电局中心计算机发来的系统当前实时时间及修改后的“系统参数”和“用电参数”、拉、合闸命令，并向供电局传送用户分时计量的电量、零点抄表的电量、事故拉闸数据、报错数据、集成电表的停电时间数据。红外线通讯输出的数据与总线通讯输出的数据相同，当有些用户不便总线通讯时，抄表员可用红外线抄表机进行抄表。
7.显示和校表面板12上设置按键K1、K2、K3、K4，每个按键通过按键电路与CPU I/O端口相连，按下某一按键时与其相连的CPU I/O端口会由高电平信号变成低电平信号。当CPU检测到规定端口的信号后，执行显示或者调校时钟的操作。K1、K2作显示按键用，按动K1可依序选择用户(1~N号)，选择好用户后，按动K2逐项显示该用户的各项参数；K3、K4用于现场调校日历时钟和现场校表，按动K3可选择要调整年、月、日、时、分、秒，按动K4在选项上增加数值，若同时按下K3、K4则可现场校表，长时间(三秒钟)按下K4则结束校表。
本实用新型功能丰富，操作简便，制作成本和运行成本低，计量精度高，使用起来案例可靠，可有效实现对多家用户的智能计量及远程控制，具有极高的商业价值和实用价值。
权利要求1.一种智能电能计量控制集成电表，采用一个微处理器CPU和多个电子元器件，用塑料外壳包装，外壳上设计有面板，其特征在于多个用户回路的计量、控制器件高度集成，构成电能取样计数模块、中心微处理器(CPU)模块、串行数据读写存储器模块、串行通讯模块、拉合闸控制模块、工作电源模块、显示模块和按键电路模块；电能取样计数模块的大部分元器件集成在计数器板(21)上，中心微处理器(CPU)模块、串行数据读写存储器模块、串行通讯模块集成在CPU板(20)上，拉合闸控制模块集成在拉闸电路板(19)上，工作电源模块集成在开关电源板(18)上，显示模块和按键电路模块集成在显示板(14)上；其工作过程是集成电表初始化后，由电能取样计数模块采集用户的用电数据，用电数据送至CPU进行计算后保存到串行数据读写存储器模块，并通过串行通讯模块上报到供电局和抄表员，用户也可通过显示电路随时查看用电情况，同时设置拉合闸控制模块控制用户的超功率用电和欠费拉闸断电催交，这个过程可分为集成电表初始化、电能取样计数、用电数据存贮、超功率处理、报错处理、对外通讯、远程拉、合闸处理、显示和校表。
2.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述电能取样计数模块可根据用户需求设置相应的回路，每个回路由电能模数转换电路、光电隔离电路、计数器、三态门缓冲器、缓冲器地址译码器电路组成，计数器、三态门缓冲器、缓冲器地址译码器电路集成在计数器板上，其主要功能是对电能模拟量取样，将模拟量转换成数字信号，计数后传送给CPU的I/O端口。
3.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述中心微处理器(CPU)模块由CPU、日历时钟电路、程序存储器(EPROM)、读写存储器(RAM)、地址锁存器、地址译码器、程序监测器、复位电路、掉电中断保护电路、按键电路组成，此模块接受电能取样计数模块的电能数据，存到串行数据读写存储器模块，并根据用户用电情况发出拉、合闸命令，并在对外通信时发出串行通讯命令、红外线通讯命令、报错命令，同时与串行通讯模块进行各项用电数据的接收和发送，并将需要显示的各项数据送到显示电路。
4.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述串行数据读写存储器模块由系统参数串行程序存储器EEPROM、用电参数串行程序存储器EEPROM和备份串行程序存储器EEPROM、串行存储器地址译码电路、端口光电隔离电路、IC卡读写端口(5)组成，其主要功能是存储“集成电表”正常运行需要长期保存的“系统参数”和“用电参数”，同时，若用户从IC卡读写端口(5)插入IC卡，则根据IC卡的标志，将IC卡中的数据写入用电参数串行程序存储器EEPROM，或用电参数串行程序存储器EEPROM中的数据读入IC卡。
5.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述串行通讯模块由总线调制解调器电路，总线隔离变压器端口电路、红外线通讯调制解调器电路、红外线收发窗口电路组成，总线调制解调器电路，总线隔离变压器端口电路、红外线通讯调制解调器电路集成在CPU板(20)上；红外线收发窗口电路则集成在红外线电路板(15)上，对应外壳(11)上的红外线收发窗(4)；总线通讯方式可实施远程通讯，传送和接收各项数据；红外线通讯方式则可实现现场数据采集。
6.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述拉合闸控制模块由缓冲器、数据锁存器、光电隔离电路、拉合闸执行电路、用户开关(26)组成，执行CPU发出的拉合闸命令。
7.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述显示模块由三态门缓冲器、数据锁存器、显示器(13)组成，其功能是显示CPU送出的需要显示的各项数据。
8.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述工作电源模块由三个5V直流开关电源组成，分别向各功能模块提供工作电源。
9.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述工作过程中的集成电表初始化、电能取样计数、用电数据存贮、超功率处理、报错处理、对外通讯、远程拉、合闸处理、显示和校表具体为9.1集成电表初始化是指对串行存储器进行初始化上电前，将供电局管理中心计算机中的“管理软件”所设置的各种参数写入集成电表的串行数据读写存储器模块的串行存储器中；“系统参数”包括集成电表的地址编码、峰、平、谷时段参数、零点抄表日期、报错时间间隔、报错最小用电量阀值、各回路报错数据存储区地址编码写入系统参数存储器；“用电参数”包括每千瓦-小时的脉冲个数(n/kw.h)、用户地址编码、允许使用的最大功率阀值、供电模式如“预付费”或“先用电”等写入用电参数存储器；用电参数存储器为每个用户回路开辟一个专用数据存储区，保存每一用户回路需要长期保存的各项数据；集成电表通电后，首先调入串行EEPROM内预先设置好的“用电参数”和“系统参数”，读入的各参数暂存入中心微处理器(CPU)模块的读写存储器RAM中；9.2电能取样计数是指对多个用户的用电情况同时采样若要对N个用户的用电情况进行计量与控制，则电能取样计数模块中设置N个回路，每个回路均由电能模数转换电路、光电隔离电路、计数器、三态门缓冲器、缓冲器地址译码器电路组成；计数器的输出端连至数据缓冲器的输入端，缓冲器的输出端接到CPU的一组I/O端口；用户负载电流、电压的模拟信号经模数转换电路转换成千瓦小时的脉冲个数(n/kw.h)的数字量，由光电隔离电路整形后输入计数器进行脉冲计数，同时CPU向缓冲器地址译码器发出极短间隔的缓冲器选通地址讯号，逐一选通缓冲器，被选通的缓冲器传输计数器的数据，未被选通的缓冲器均呈高阻状态，与缓冲器相连的CPU的I/O端口逐一读入缓冲器的数据；9.3用电数据存贮是指读入的用电数据暂存中心微处理器(CPU)模块的读写存贮器RAM中，然后每隔一秒钟读入日历时钟的当前时间，判断当前时间属峰、平、谷哪一类，分区存入RAM中；同时根据所采集的电量，CPU每三十秒钟计算一次用户的平均功率，计算公式为M/n/kw.h，即三十秒采集的脉冲总数M除以每千瓦小时的脉冲个数，乘上120(120等于一小时6400秒除以30秒)，所得的结果即为功率，单位为千瓦(KW)；CPU的I/O端口发出存储器片选地址信号，经串行EEPROM存储器地址译码电路译码，选中需要写入的EEPROM，串行存储器同步脉冲端口发出串行数据同步时钟脉冲，计算出来的用电功率写入用电参数EEPROM，同时该数据备份到备份串行程序存储器EEPROM；若用电功率超过用电参数中的允许功率阀值，读入当前时间，保存到RAM中，并转存至用电参数串行EEPROM中该用户回路专用数据区。同时CPU每隔十秒钟扫描一次IC卡读写端口(5)，当检测到有IC卡插入时，读出该用户的地址码和供电模式标识，并判断其用电属性；“先用电”用户则向卡内写入本次用电量和抄表日期、时间，预付费用户读入其本次购电量，并与表内剩余电量相加，同时在显示窗(2)显示；9.4超功率处理是指保存数据后，若用电功率大于用电参数中的允许功率阀值，CPU I/O端口通过数据总线发出拉闸指令，经拉合闸控制模块的缓冲器输入到数据锁存器锁存，数据锁存器驱动光电隔离电路，光电隔离电路驱动拉合闸执行电路，对用户开关实施跳闸处理；30秒后，CPU发合闸指令，用户处理好故障后，可自行手动合闸，电表运行正常；若用户未检修线路使功率超过允许值，则电表仍将跳闸，迫使用户合理调整负荷安全用电；9.5报错处理是指当CPU在某一时间间隔内所采集的某一用户回路累计电量小于系统参数中设置的最小用电量阀值时，设置标识，并将出错起始时间、间隔时间内所采集的电量、该用户回路地址码转存于串行EEPROM该用户回路的专用数据区；对外通讯时CPU将存于串行EEPROM数据取出，通过CPU的串行通讯口把数据同时传送给总线调制解调器和红外线调制解调器的输入端，通过总线网络向供电局传报错回路的数据，或者通过红外线收发窗口(4)将数据直接传送给红外线抄表机；9.6对外通讯是指CPU串行端口对外通讯有两条通道，一条是经总线调制解调器和隔离变压器连至总线网；一条是经红外线调制解调器与光电收发电路相连，与外界进行红外线通讯；集成电表平时处于等待被叫状态，当收到呼叫本集成电表的地址码时开始通讯，根据CPU通讯命令进行接收和发送数据的操作；通过总线通讯，串行存贮器模块可接收供电局中心计算机发来的系统当前实时时间及修改后的“系统参数”和“用电参数”、拉、合闸命令，并向供电局传送用户分时计量的电量、零点抄表的电量、事故拉闸数据、报错数据、集成电表的停电时间数据；红外线通讯输出的数据与总线通讯输出的数据相同，当有些用户不便总线通讯时，抄表员可用红外线抄表机进行抄表；9.7远程拉、合闸处理是指若供电局发来拉闸或合闸命令，通过CPU数据总线输出，经缓冲器、数据锁存器、光电隔离电路、拉合闸执行电路驱动用户开关；供电局拉闸后的用户开关自动锁定，用户无法自行合闸，必须经供电局发来合闸命令后方可合闸用电；9.8显示和校表过程是面板(12)上设置四个按键K1、K2、K3、K4，每个按键通过按键电路与CPU I/O端口相连，按下某一按键时与其相连的CPU I/O端口会由高电平信号变成低电平信号；当CPU检测到规定端口的信号后，执行显示或者调校时钟的操作；K1、K2作显示按键用，按动K1可依序选择用户(1~k号)，选择好用户后，按动K2逐项显示该用户的各项参数；K3、K4用于现场调校日历时钟和现场校表，按动K3可选择要调整年、月、日、时、分、秒，按动K4在选项上增加数值，若同时按下K3、K4则可现场校表，长时间按下K4则结束校表。
10.如权利要求1所述的一种智能电能计量控制集成电表，其特征在于所述塑料外壳(11)是用防火阻燃工程塑料制做的方框外壳，计数器板(21)、CPU板(20)、拉闸电路板(19)、开关电源板(18)都插在插座板(22)上，插座板(22)、显示板(14)、红外线电路板(15)及用户回路、用户开关(26)等全装在塑料方框外壳(11)中；所述面板(12)上设置总开关(1)、显示窗(2)、脉冲信号灯(3)、红外线收发窗(4)、IC卡读写端口(5)、用户编号栏及电费单据信箱(6)、用户开关箱活动透明外罩(8)、宣传广告栏(10)，总开关(1)在校表和维护时，切断供电电网进线电源，确保检修人员的人身安全和设备安全，同时用户发生短路事故时，若用户开关保护失效，总开关切断电源，起速断保护作用；宣传广告栏(10)既可用于用电安全宣传，又可用作商业广告宣传；用户编号栏(6)可将用户的编号、开关位置及集成电表的使用说明框于“编号栏”内，便于用户随时查阅，用户编号栏(6)的后半部用作存放用户电费收据的信箱，用户能随时取到自己电费收据，解决以前电费单据无人保管丢失问题。
专利摘要本实用新型公开了一种智能电能计量控制集成电表，其目的是解决目前电表功能单一、精确度低、管理困难、价格昂贵等问题。技术方案是将多个用户回路的计量、控制器件高度集成，构成电能取样计数模块、中心微处理器(CPU)模块、串行数据读写存储器模块、串行通讯模块、拉合闸控制模块、工作电源模块、显示模块和按键电路模块；完成集成电表初始化、电能取样计数、用电数据存贮、超功率处理、报错处理、对外通讯、远程拉、合闸处理、显示和校表，实现供电局对用户的遥信、遥控、遥调及分时计费、自检报错、短路保护、过流保护、数据记录等功能。它集电能计量、智能控制、双工通讯、结构紧合于一身，实现了供电部门对于多家用户用电情况的智能化管理。
文档编号G01R22/00GK2577295SQ0227746
公开日2003年10月1日 申请日期2002年10月16日 优先权日2002年10月16日
发明者陈立珉 申请人:陈立珉