专利名称：复费率与单费率两用预付费电能表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量电能消耗量的专用的计费仪表，也属于一种适宜于配电网络的计算机部件的设计，具体是指一种复费率与单费率两用预付费电能表。
目前无论工业或民用的电能表，都是先用电，后由供电部门定期抄表和收费，这样做不但手续麻烦，需要投入大量的人力，而且电费的收入滞后于供电的投入，甚至有时还有拖欠电费的现象，随着市场经济改革的深入发展，供电部门迫切需要实行先缴费后用电的管理方式，以加速资金的回笼。此外，随着社会生产力和人民生活水平的迅速提高，供电能力的增长已难于赶上用电量的迅速增长。解决这种供需矛盾的一种方法是实行复费率计费制，以平抑高峰用电，尽量做到均衡用电，提高现有发电设备的供电效率。
根据社会的这种实际需要，本实用新型的目的，乃是提供一种无需人工抄表而必须先缴电费才可有限量用电的复费率与单费率两用预付费电能表，使得这种电能表对用电量的计费，既可采用复费率制(即按供电部门制定的规则编制软件进行数据处理)，也可以按现行的普通费率即单费率计费。
由于目前国内的电能表绝大部分都是采用感应式电能表，这种电能表在相当长的一段时间里也不可能废弃不用，因此，本实用新型的设计思想，就是通过加装一个以微计算机为核心的智能控制表，把现有的感应式电能表改造成以IC卡做为预付费购电量的传递媒介、按照复费率或普通费率进行用电控制的智能电能表，以满足社会的实际需要。
参见
图1所示的本实用新型电原理方框图及图2所示的本实用新型的采样转盘与红外光电开关的装接示意图，这种复费率与单费率两用预付费电能表的设计方案如下。它由现有的普通感应式电能表1和新设计的控制表2至13两大部分组合而成，在普通感应式电能表1的转盘的边沿均匀涂上一小段黑漆或贴上一小段黑色不干胶带而形成采样转盘11，在普通感应式电能表1的机架上安装两只与采样转盘11的边沿相靠近的反射式红外光电开关12与13，并使黑漆或黑色不干胶带的长度稍大于两只光电开关12与13之间的间隔距离，红外光电开关12与13跟采样转盘11结合在一起，将普通感应式电能表1测量到的电力模拟信号转变成脉冲数字信号，红外光电开关12与13的信号输出端分别跟用电量采样处理电路4的输入端相连，将脉冲数字信号送用电最采样处理电路4处理，处理后的信号再输送给与用电量采样处理电路4输出端相连的单片计算机电路3进行处理；载有购电量及密码数据的有效IC卡10插接在IC卡读写电路6的IC卡座中，IC卡读写电路6与所连接的单片计算机电路3结合在一起，完成对IC卡的读写操作，单片计算机3外部配接以实时钟电路7A和串行E2PROM存贮器电路7B(7A和7B不能同时插接使用，即工作时只能两者择一)，单片计算机电路3外部还连有停电检测电路5；单片计算机电路3对输入的信号进行处理后，在外连的数码显示电路9显示有关内容，并且还输出信号给相连的供电控制电路8，由供电控制电路8控制与之相连的普通感应式电能表1的供电，系统电源2从输出端E给整个控制表电路3至9的电源端提供工作电源。
在上述设计方案中，同时使用两只红外光电开关12与13，一方面是为了提高对用电量采样的可靠性，另一方面也是为了防止用户将交流电源的输入线与输出线反接以使采样转盘11倒转而窃电(在相同用电量时，采样转盘11倒转比正转慢很多)。用电量采样原理如下当用户用电时，采样转盘11转动，在当转盘11上的黑漆或黑色不干胶带尚未转到红外光电开关12的作用范围时，红外光电开关12中的红外发射管发射的红外线经采样转盘11反射到红外光电开关12中的红外光敏三极管，使红外光敏三极管处于导通状态，当转盘11上的黑漆或黑色不干胶带转动到红外光电开关12的作用范围时，红外光电开关12发出的红外光被转盘11上的黑漆或黑色不干胶带吸收，红外光电开关12中的红外光敏三极管接收不到红外光而变成截止状态，这一状态变化所产生的脉冲信号经用电量采样处理电路4整形后，输入到单片计算机电路3(以下简称CPU)的一个I/O端口，由CPU采样接收。红外光电开关13的作用原理与红外光电开关12相同。由于转盘11上的黑漆或黑色不干胶带的长度大于红外光电开关12与红外光电开关13之间的距离，因此只有当光电开关12中的光敏三极管先出现截止，并且在保持截止的状态下，光电开关13中的光敏三极管也变为截止，而且当转盘11上的黑漆或黑色不干胶带转离光电开关12与13时，光电开关12中的光敏三极管先变为导通，光电开关13中的光敏三极管随后才导通，这样才说明转盘11为正转，CPU才将这两个输入信号的这种变化当作一次正常的转盘转动数而接收。当因交流电源线反接而窃电引起转盘11倒转时，则情况正相反，光电开关13的光敏三极管先变为截止，然后光电开关12的光敏三极管才变为截止，而转盘11上的黑漆或黑色不干胶带转离光电开关13与12时，光电开关13的光敏三极管先由截止变为导通后，光电开关12的光敏三极管也才由截止变为导通，CPU将接收到的这种信号变化视为倒转窃电。从以上分析可以看出，红外光电开关12与13输出的脉冲应有正确的时序关系时，才认为采样转盘11转动正常，否则认为采样转盘11倒转窃电。当连续出现数次倒转时(例如3次)，CPU便可确信是倒转窃电，即可控制供电控制电路8切断对用户的供电，并在数码显示电路9上显示出来。当采样转盘11转动时，CPU接收到的仅仅是光电开关12或13中的一路产生的状态变化，并且连续出现数次(例如3次)，CPU即判断为一只光电开关及相应电路损坏。CPU除接收此信号作为采样转盘的转动数外，同时还在数码显示电路9上作出报警显示，提醒用户通知供电部门来维修，否则在用户继续使用一定量的电能后(例如10度电)，也将控制供电控制电路8切断供电，直至供电部门维修好后才继续供电。由于两只红外光电开关12与13同时损坏的可能性较小。因此采用两只红外开关按一定的时序关系来采集用电量，既可提高采样电路的可靠性，又可以防止用户“倒转”窃电。
在图1设计方案中，本实用新型的实时钟电路7A做成一实时钟模块，模块内有锂电池作为备用电源，实时钟的初值由生产厂用专用设备一次性写入后，实时钟即可开始独立计时，并能自动调整年、月、日、时，分和闰年计时，当实时钟模块7A通过接插件插入本实用新型的主电路板时，CPU即可通过对实时钟的读写操作获取准确的时间，并按照复费率计费制的规则对用户在用电的峰、平、谷时段的用电量进行数据处理，并由数码显示电路9显示出来。复费率的峰、平、谷时段由专用IC卡来设定。实时钟采用模块结构并由生产厂用专用设备一次性输入实时钟的初值的方式，比起目前复费率电能表通常采用的每块表都设置输入按键等时钟初始数据输入电路来设置实时钟初值的方法来，更为经济、简便、可靠，并且不能由用户进行更改。
由于目前我国绝大部分地区的供电尚未实行复费率制，为使本实用新型在未实行复费率制时也具有实用性，本实用新型在图1所示的设计方案中还加装有串行E2PROM存贮器电路7B，该电路通过安装在主印刷电路板上的集成电路插座与CPU相应引脚相连。当不实行复费率制时，不接插实时钟模块7A而插入串行E2PROM存贮器电路7B,7A和7B两者只能择一，而是不能同时使用的，7B的主要作用是在停电时用来保存必要的数据。在7A和7B的特定存贮单元存放着标志是否实行复费率制的数据，CPU通过对这个特定存贮单元存放的标志数据的读写，即可判断出本实用新型接插的是7A或7B，从而得知是采用复费率制或普通费率制进行计费数据处理。
具有上述电路结构的本实用新型在使用时，用户必须先向供电部门购买已写入密码和购电款数据的有效IC卡10，将有效IC卡10插入IC卡读写电路6中的IC卡座CZ1,CPU接收到插卡信号后，首先校对IC卡上的密码是否正确，如正确则读取卡上的购电数据后，将IC卡清“0”，并在数码显示电路9上显示读写卡结束信号，用户即可拔出IC卡，此后数码显示电路9将显示现有的购电数据，并同时控制供电控制电路8开始为用户供电。使用过的IC卡，用户应妥为保存，以备供电部门回收再用。如果密码不正确，CPU不接收数据，不给用户供电并在数码显示电路9上作相应显示。当用户用电时，用电量采样处理电路4将采样转盘11转动的信号输入CPU,CPU根据当时实时钟电路7A的时段，按复费率规则进行数据处理(如接插7B时只按普通费率进行数据处理)，逐渐将所购电费减去已用电量的相应电费，并在数码显示电路9上显示剩余电费。当剩余电费减到零时，CPU控制供电控制电路8切断供电，直至用户重新插入有效IC卡。如剩余电费减少到零之前，用户就插入有效IC卡，则CPU自动将新购电费加上剩余电费并在数码显示电路9上显示出来。
当停电时，停电检测电路5将停电信号输入CPU,CPU及时将必须保护的数据传送到实时钟电路7A中的RAM或传送到串行E2PROM存贮器电路7B暂存。待恢复供电后，CPU将暂存在7A或7B中的数据取回，重新开始正常操作。
本实用新型运用微电脑技术，将普通感应式电能表与IC卡智能控制表结合在一起，既可按复费率也可按普通费率(单费率)对用户的用电和电能进行计量并实现了智能控制和管理，这就省去了目前靠人工抄表收费的繁杂手续，并且可通过发行IC卡，对供电紧张的地区实行限量供电的计划管理。采用复费率计费制可以平抑“高蜂”用电，鼓励“低谷”用电，有利于做到均衡用电，以提高发电设备的效率。实行先收费后用电的管理方式，使电能真正成为商品，保证了供电部门的经济效益。由于采用单片计算机和集成化元件，以及使实时钟电路模块化并用自制专用设备一次性写入时钟初值，因而省去了输入实时钟初值的键盘等时间数据输入电路，而且使用户不能随意更改时间段，因此可求得产品的高精度、高可靠性、抗干扰能力强、结构紧凑及成本低廉的好效果。
以下结合附图和实施例对本实用新型加以进一步详细说明。
图1为本实用新型的电原理方框图；图2为本实用新型的采样转盘与红外光电开关的装接示意图；图3为图1中控制表2至13的一种具体电路的实施例。
参见图2，因普通感应式电能表1为现有技术，故其结构略去，在图中仅画出与控制表2至13相衔接的采样转盘11这部分。在普通感应式电能表1的转盘的边沿，均匀涂上一小段黑漆或贴上一小段黑色不干胶带14而形成采样转盘11，在普通感应式电能表1的机架16上固连支撑件15，再在支撑件15上安装两只与采样转盘11的边沿相靠近的反射式红外光电开关12与13，并使黑漆或黑色不干胶带14的长度稍大于两只光电开关12与13之间的间隔距离。
参见图3及图1，系统电源2包括由电感L1与L2、电容C1至C3及熔断管F1组成的EMI滤波器，由变压器B1、整流桥Q1及电容C4与C5组成的整流滤波电路，由三端集成稳压电路U4及电容C6与C7组成的直流稳压电源电路，系统电源2正端从UCC输出。U4可采用LM7805。
参见图3及图1，单片计算机电路3由单片计算机U1、电阻R2及电容C8组成，U1采用型号为PIC16C57的单片计算机，这种单片机运算速度快、功能强、功耗低、I/O接口的驱动能力大，外围电路十分简单，仅需由R2和C8组成RC时钟振荡电路作为U1的时钟即可。
参见图3及图1，用电量采样处理电路4由一片单电源双运放集成电路U5及电阻R8至R17组成，R8与R13分别为反射式红外光电开关GK1与GK2(即图1和图2中的12与13)中的红外发射管所连接的集电极负载电阻，R9与R14分别为GK1与GK2中的红外接收管所连接的集电极负载电阻。U5两个运算放大器U5:A与U5:B各组成一个正反馈迟滞比较器，正反馈电阻分别为R11与R17，比较器的参考电压分别由电阻R10与R12及R15与R16组成的电阻分压器提供。U5组成的正反馈迟滞比较器将两个反射式红外光电开关的采样脉冲信号整形，然后输入到U1的两个I/O端口，供U1进行用电量信号处理操作。U5的型号可采用LM358。
参见图3及图1，停电检测电路5由经济型复位集成电路U3构成，U3的输出端接至U1的一个I/O端口，U3的输入端接系统电源2的输出端。当交流电源正常时，直流稳压电源的电压高于U3的动作阀值，U3输出高电平；若停电时，稳压电源的输出电压降至低于U3的动作阀值时，U3输出低电平，U1接收到此低电平信号后，立即执行停电处理程序，保存必要的数据。U3可采用AN051。
参见图3及图1,IC卡读写电路6主要由IC卡座CZ1构成。CZ1是可市购的现有产品，只要将IC卡座CZ1各有关触点连接到U1的相应I/O端口及电源，即可组成IC卡读写电路。当不插卡时，IC卡座CZ1的常闭(或常开)触点9和10闭合(或断开)，U1相应I/O端口输入为低电平(或为高电平)；当插卡时，IC卡将使卡座CZ1的常闭(或常开)触点9与10断开(或闭合)，U1相应I/O端口输入变为高电平(或低电平)，U1接收到此信号，就可知道有IC卡插入，即执行读写卡子程序，完成对IC卡的读写操作。
参见图3及图1，实时钟电路7A由串行实时钟集成电路U2、晶振OC1、备用锂电池BAT及二极管D2与D3组成一个模块，经接插件P1至P5与U1相应I/O端口及系统电源相连接。OC1为U2提供基准时钟振荡源，D2和D3为隔离二极管，将备用锂电池BAT与直流稳压电源隔离。当正常供电时，稳压电源Ucc大于BAT电压，D3正向偏置，D2反向偏置，只由Ucc向U2供电；当停电时，BAT电压大于Ucc电压，D2正向偏置，D3反向偏置，由BAT向U2供电。U2的型号可采用DS1302，它由自制专用设备写入时间的初始值后即可正确计时，并自动调整秒、分、时、日、月、年(包括闰年的自动调整)，它的时间值可由U1读写。U2内还有32字节的RAM供停电时寄存数据。这种模块结构使实时钟电路可以独自工作，也可以任意插入主印刷电路板为U1提供实时时间数据。因此不必如同目前使用的复费率电能表那样，每个电表都加按键等时间数据输入电路，以便给实时钟电路设置初始值。因此，本实用新型的结构更为简单、实用、可靠，并降低了成本。
参见图3及图1，串行E2PROM存贮器电路7B由数据存贮器U6及相应集成电路插座组成，U6的时钟输入端CLK(第6脚)及串行数据I/O端SDA(第5脚)与实时钟电路7A的实时钟集成块U2的相应引脚连接在一起并接至单片计算机电路3中U1的两个I/O端口，因此U6与实时钟模块7A是不能同时插入的。当不实行复费制时，拔下实时钟模块7A，插入U6，在U6和U2的特定存贮单元内各存放一个字节的分别标志普通费率制和复费率制的数据，当上电时，U1对这两个特定存贮单元进行读操作，根据接收到的数据进行分析，即可得知是实行普通费率计费或复费率计费，从而进行相应的计费数据处理。如果插接的是7B，当停电时，U1把必须保护的数据存入U6，恢复供电时，U1再将U6内保存的数据取回。除了计费数据处理方式不同外，其余工作方式与插入实时钟模块7A时是基本相同的。U6的型号可采用24C01。
参见图3及图1，供电控制电路8由三极管T1、电阻R1、二极管D1、继电器J1及压敏电阻MY1组成，R1的一端与U1的一个I/O端口(如RAO)相接，J1的常闭触点串接在交流电源进线端与普通感应式电能表1的电流线圈之间，MY1并接在J1的常闭触点上。R1为T1的基极偏流电阻，T1接成共射极工作方式起放大作用，用来驱动继电器J1。当U1的RAO端口输出低电平时，T1导通，J1得电吸合，常闭触点NC断开，停止为用户供电；当U1的RAO端口输出高电平时，T1截止，J1失电释放，常闭触点NC闭合，开始为用户供电。D1是J1线圈的续流二极管，起保护T1的作用。MY1则在J1的常闭触点NC断开时起灭弧和保护触点的作用。
参见图3及图1，数码显示电路9由四位共阳极数码管W1至W4、三级管T2至T5及电阻R3至R7组成，R3至R7分别与U1的12个I/O端口相接而对数码显示电路9进行控制，采用动态扫描方式显示各种数据和符号。其中T2至T5为数码管W1至W4的位驱动三极管，由U1的四个I/O端口控制，低电平时位驱动有效。R4至R7分别为T2至T5的基极偏流电阻。R3为数码显示管W1至W4的段驱动限流电阻，段码由U1的8个I/O端口直接输出。其中小数点的输出I/O端口与IC卡读写电路6的卡座CZ1的PGM信号端口复用。
本实用新型的各部分电路在CPU(即图3中U1)的控制下工作，当用户将IC卡插入IC卡读写电路6的卡座CZ1时，CZ1的常闭触点9、10断开，CPU的相应I/O端接收到一个高电平信号后，CPU即执行读写卡子程序，先验证密码正确后，才将有效IC卡上的购电数据读进CPU内部RAM贮存起来，并把IC卡上的购电数据清零，在显示电路9上显示读写卡完成的符号，此时用户即可拔出IC卡。IC卡拔出后，显示电路9即刻显示接收到的购电数据。如果用户在CPU完成对IC卡清零之前拔出IC卡，则原先读入的数据无效，这样就确保每张有效IC卡上的购电数据只能被CPU接收一次。如果密码不正确，CPU将不接收IC卡上的数据，并在数码显示电路9上显示错卡符号。
CPU在接收了购电数据后，使它的相应I/O端口(如RAO)输出高电平，使三极管T1截止，继电器J1失电，则J1的常闭触点NC接通，即可向用户供电。
当用户用电时普通感应式电能表1的采样转盘11转动，每转一圈，用电最采样处理电路4输入端所连接的反射式光电开关GK1与GK2的集电极将各自输出一个脉冲信号，经U5整形后，分别输入到CPU的两个I/O端口，如前所述，CPU根据两个脉冲信号出现的时序关系，判断采样转盘11是正转或反转，如正转，则接收此信号并读实时钟电路7A的当时时段，按复费率制进行用电量的数据处理(如接插的是7B，则仅按普通费率制进行数据处理)；如反转，则记录反转次数，当反转次数达到一定数量时(如连续三次)，则认为用户在进行“反接窃电”，即控制供电控制电路8切断对用户的供电。如接收到的仅只有一路脉冲信号，并且连续出现一定次数(如连续三次)，则在记录转盘数的同时，在数码显示电路9上显示报警符号，提醒用户通知供电部门及时维修，否则当用户再继续用了一定数量的电能后(如10度电)，CPU将控制供电控制电路8切断对用户的供电，直至维修好后为止。
当停电时，系统电源2的直流稳压电路的输出电压将由5V逐渐下降到低于停电检测电路5中U3工作阀值时，U3的输出端变为低电平，此低电平输入到CPU的一个I/O端口，CPU在接收到这个低电平信号后，立即执行停电处理子程序，将必须保护的数据由CPU的内部RAM传送到7A或7B的存贮单元寄存。此后由备用锂电池BAT给U2供电，使U2可以照常计时而不受停电的影响，并且U2内的RAM中的数据也不会丢失。如果插接的是7B，则寄存在7B中的数据是可以永久保存的。当恢复供电时，U3的输出端又恢复为高电平，CPU又将寄存在U2或U6的数据取回CPU的内部RAM，开始正常工作。当用户将所购电量用完时，CPU使相应的I/O端口(如RAO)输出低电平，使三极管T1导通，继电器J1得电吸合，J1的常闭触点断开，停止给用户供电，直至用户重新插入新购的有效IC卡，则CPU自动将剩余电量加上新购电量，并在数码显示电路9上显示。
权利要求1.一种复费率与单费率两用预付费电能表，包括现有产品普通感应式电能表(1)，其特征在于，它还包括有新设计的控制表(2至13)，并且A)在普通感应式电能表(1)的转盘的边沿均匀涂上一小段黑漆或贴上一小段黑色不干胶带而形成采样转盘(11)，在普通感应式电能表(1)的机架上安装两只与采样转盘(11)的边沿相靠近的反射式红外光电开关(12)与(13)，并使黑漆或黑色不干胶带的长度稍大于两只光电开关12与13之间的间隔距离，红外光电开关(12)与(13)跟采样转盘(11)结合在一起，将普通感应式电能表(1)测量到的电力模拟信号转变成脉冲数字信号，红外光电开关(12)与(13)的信号输出端分别跟用电量采样处理电路(4)的输入端相连，将脉冲数字信号送用电量采样处理电路(4)处理，处理后的信号再输送给与用电量采样处理电路(4)输出端相连的单片计算机电路(3)进行处理；B)载有购电量及密码数据的有效IC卡(10)插接在IC卡读写电路(6)的IC卡座中，IC卡读写电路(6)与所连接的单片计算机电路(3)结合在一起，完成对IC卡的读写操作，单片计算机(3)外部配接以实时钟电路(7A)和串行E2PROM存贮器电路(7B)(7A和7B不能同时插接使用，即工作时只能两者择一)，单片计算机电路(3)外部还连有停电检测电路(5)；C)单片计算机电路(3)对输入的信号进行处理后，在外连的数码显示电路(9)显示有关内容，并且还输出信号给相连的供电控制电路(8)。由供电控制电路(8)控制与之相连的普通感应式电能表(1)的供电，系统电源(2)从输出端E给整个控制表电路(3)至(9)的电源端提供工作电源。
2.如权利要求1所述的复费率与单费率两用预付费电能表，其特征在于，单片计算机电路(3)由单片计算机U1、电阻R2及电容C8组成，用电量采样处理电路(4)由一片单电源双运放集电电路U5及电阻R8至R17组成，停电检测电路(5)由经济型复位集成电路U3构成，IC卡读写电路(6)由IC卡座CZ1构成，供电控制电路(8)由三极管T1、电阻R1、二极管D1、继电器J1及压敏电阻MY1组成，数码显示电路(9)由四位共阳极数码管W1至W4、三极管T2至T5及电阻R3至R7组成。
3.如权利要求1、2所述的复费率与单费率两用预付费电能表，其特征在于，实时钟电路(7A)由串行实时钟集成电路U2、晶振OC1、备用锂电池BAT及二极管D2与D3组成一个模块，经接插件P1至P5与U1相应I/O端口及系统电源相连接；串行E2PRO存贮器电路(7B)由数据存贮器U6及相应集成电路插座组成，U6的时钟输入端CLK及串行数据I/O端SDA与实时钟电路(7A)的实时钟集成块U2的相应引脚连接在一起并接至单片计算机电路(3)中U1的两个I/O端口。
专利摘要复费率与单费率两用预付费电能表由现有普通感应式电能表1和新设计的控制表2至13组成,控制表以单片机为基础,配以适合的硬件和软件,利用IC卡作为传递供电数据的媒介,用户用电前,先向供电部门购买IC卡,将卡插入控制表即可供电。该表按复费率或单费率(即普通费率)对用电量进行自动计量、数据处理和控制,省去了靠人工抄表收费的繁杂手续,还可对供电紧张的地区实行限量计划管理。其精度高,工作可靠,制造成本低廉。
文档编号G01R11/57GK2331975SQ9823117
公开日1999年8月4日 申请日期1998年8月10日 优先权日1998年8月10日
发明者肖建如, 宋其新, 万步炎, 丁一鸣 申请人:长沙矿山研究院