CN101794480B - 一种预购电控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预购电控制器，其特征是设置MCU微处理器，其外围器件包括有信号调理模块、数据储存模块、时钟芯片、非接触IC卡读写模块、液晶显示模块、送断电执行模块、手机通讯模块、红外通讯模块和多路开关、RS485通讯接口、脉冲采集接口、按键模块。本发明能够实现自动抄表并计算电费、根据电费余额报警或者送断电、利用手机短信进行通讯和发送报警信息、电网监测、通过红外修改参数、可以接受非接触IC卡充值操作的功能。

Description

一种预购电控制器

技术领域

本发明涉及一种预购电控制器，可以无缝融入现有电力系统，实现电网监测和预付费功能，属于电力控制设备领域。

背景技术

传统的电能消费模式是“先消费再付费”，供电企业要先向发电部门垫付电费再向用户收费，为了减轻供电企业的负担，加快供电企业的发展，我国引入了“先付费再消费”的预购电系统。

目前，预购电系统仅以预付费电能表的形式在民用电领域推广，且多数预购电系统采用“电卡”购电，“电卡”从普通的接触式IC卡发展到加密的接触式IC卡再到非接触IC卡，虽然电卡的安全性在增加、容量在扩大，但电卡式电能表终端缺乏实时监控，一旦电能表终端出现异常情况，用户不能及时得到报警信息。比如余额不足时电能表终端发出的报警动作通常是电铃和报警灯的声光报警，由于人员不可能时刻留守终端，往往直到跳闸停电后用户才知道需要购电，给客户造成损失，因此客户容易产生抵触情绪，影响预购电系统的推广。

在工业用电领域，由于电费计量形式比较复杂，一直没有合适的预购电装置能够使用。

目前来看，如果引入预购电系统，无论是民用电还是工业用电领域，都需要将原有的普通电能表更换为预付费电能表，这样一来使得电力公司的成本加大，不利于预购电系统的推广。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种能有效利用原有电能表的预购电控制器，以实现自动抄表、自行计算电费、根据电费余额采取相应操作、通过手机短信通讯和主动报警、电网检测、通过红外修改参数、可以接受非接触IC卡充值操作的功能。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明预购电控制器的特点是设置MCU微处理器，MCU微处理器的外围器件包括有：

一信号调理模块，是以与电网耦合的电流互感器CT和电压互感器PT为信号采集器，由所述信号采集器采样的被监测信号依次经滤波电路、分压电路以差分方式输入所述MCU微处理器的内置AD转换器，用于分析电压、电流、相角、谐波含量信息；

一数据储存模块、一时钟芯片和一非接触IC卡读写模块；所述数据储存模块采用EEPROM存储器U5，所述数据储存模块、所述时钟芯片和所述非接触IC卡读写模块通过各自的I2C接口与所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOB相连接，以所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOB模拟I2C总线；

一液晶显示模块，选用点阵LCD显示器，所述点阵LCD显示器与所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOA相连，以所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOA的输出信号控制液晶显示模块；

一送断电执行模块，由线性光耦U38、继电器K2和断路器组成；所述送断电执行模块与MCU微处理器的通用输入输出口GPIOF相连，所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOF的输出信号依次通过线性光耦U38和继电器K2到达断路器作为响应控制信号；

一手机通讯模块、一红外通讯模块和一多路开关；所述手机通讯模块采用具有手机短信功能和串行通讯口的工业级手机模块；所述红外通讯模块采用具有红外收发功能的集成模块；所述多路开关通过串行线与所述MCU微处理器的异步串行通讯口UART2连接，用作切换手机通讯模块和红外通讯模块与所述MCU微处理器的通讯连接；

一RS485通讯接口，通过信号转换芯片U35和线性光耦U32、U33与所述MCU微处理器的异步串行通讯口UART1连接；所述信号转换芯片U35将RS485和异步串行通讯口UART1的信号相互转换，所述异步串行通讯口UART1发送的信号经过光耦U33隔离后再经过信号转换芯片U35到达RS485通讯接口，RS485通讯接口接收到的信号经过信号转换芯片U35后再通过光耦U32的隔离到达UART1；

一脉冲采集接口，通过线性光耦后与所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOE相连接；由所述脉冲采集接口采集到的脉冲信号经过光耦隔离后到达MCU微处理器的通用输入输出口GPIOE，所述脉冲信号与来自馈线Ua、Ub和Uc的被测电能量信息一一对应；

一按键模块，与所述MCU微处理器的数据线相连接；所述按键模块的动作引起电平变化通过数据线到达MCU微处理器，所述MCU微处理器分析电平的变化得到上、下、左、右、确定或取消的操作信息。

本发明预购电控制器的结构特点也在于：设置一由工作电源和作为后备电源的蓄电池组成的电源模块，所述预购电控制器的工作电源直接从馈线Ua、Ub和Uc上获取并为蓄电池充电，所述蓄电池连接在所述预购电控制器的后备电源接口上。

本发明预购电控制器的结构特点还在于：预购电控制与电能表之间具有如下两通讯方式：

RS485通讯方式：用于同时管理多台电能表，所述多台电能表通过RS485通讯接口与所述预购电控制器相连接；所述多台电能表通过RS485总线向所述预购电控制器的RS485通讯接口传输各自的电能量信息，由预购控制器统一采集；预购电控制器根据电能表的身份和各自的电能量信息选择电费计算方案，并且根据实时电费余额通过送断电执行模块对用户进行送断电操作；

脉冲采集方式：用于管理一台电能表，所述一台电能表通过脉冲采集接口与预购电控制器相连接，向预购电控制器的脉冲采集接口传递电能量信息；控制器进行电费计算，并且根据实时电费余额通过送断电执行模块对用户进行送断电操作。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明能够实现自动抄表并计算电费、根据电费余额报警或者送断电、利用手机短信进行通讯和发送报警信息、电网监测、通过红外修改参数、可以接受非接触IC卡充值操作的功能。

2、本发明可分别采用RS485总线和脉冲采集的通讯方式，其中RS485总线通讯方式可以采集多个电能表信息，管理控制多个电表用户；脉冲采集用于管理控制单个电表用户。两种通讯方式扩大了本发明的应用范围，实际使用中不需要更换原有电能表，只需在原有系统基础上加装本预购电控制器，即可实现对电能表电能量信息的采集、计算电费，并实现预付费功能。

3、本发明通过内置电费算法可以针对不同的用户正确计算实时电费。

4、本发明能够利用手机短信进行金额充值、查询参数、用电控制远程操作，提高了效率；并且在余额不足时，本发明可主动及时地使用手机短信通知客户，杜绝了因电费不足造成突然断电的现象，服务更加人性化，更易于产品的市场推广。

5、本发明具备电网监测记录功能，可以测量电压、电流、相角、谐波含量信息，更好的监控电网运行情况。

6、本发明具有红外通讯接口，可以使用红外手持机对电表进行参数修改，方便快捷。

7、本发明可以接受非接触IC卡充值操作，使用非接触IC卡进行金额充值，扩大了本发明的应用范围。

8、本发明由于采用了内部资源丰富的MCU微处理器，集成度高，性能稳定，成本低，尤其是通用输入输出口资源丰富、内置A/D采样功能，易于实现控制器的功能，缩短了终端的开发周期。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明数据储存模块电路图。

图3为本发明送断电执行模块电路图。

图4为本发明RS485通讯接口电路图

图5为本发明短信运作方式示意图

图6为本发明短信操作流程图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的系统构成为：设置MCU微处理器，MCU微处理器的外围器件包括信号调理模块、数据储存模块、时钟芯片、非接触IC卡读写模块、液晶显示模块、送断电执行模块、多路开关、手机通讯模块、红外通讯模块、RS485通讯接口、脉冲采集接口、按键模块和供电模块。

MCU微处理器具有多个通用输入输出口、两个异步串行通讯口、片内A/D采样功能。其片内资源、片外接口丰富，可以满足控制器复杂的控制需求。

信号调理模块是以与电网耦合的各电流互感器CT和电压互感器PT为信号采集器；由信号采集器采样的电网信号依次经滤波电路、分压电路以差分方式输入MCU微处理器的片内AD采样接口进行采样。

参见图2，数据储存模块采用一个EEPROM芯片U5，EEPROM芯片U5通过I2C总线与MCU微处理器连接。由于选用的MCU微处理器没有硬件I2C总线，而I2C总线时序相对简单，本发明使用MCU微处理器的通用输入输出口GPIOB0和GPIOB1两个端口利用软件模拟I2C总线时序，实现了器件之间的I2C总线通讯。MCU微处理器的通用输入输出口GPIOB2用来控制EEPROM芯片U5的读/写使能。数据储存模块存放控制器的参数信息、用户类型信息、用电记录信息以及电网监测记录信息。

时钟芯片采用具有I2C总线接口的高精度器件，时钟芯片通过I2C总线与MCU微处理器通用输入输出口GPIOB0和GPIOB1模拟的I2C总线相连。时钟芯片用来给控制器提供时间基准，控制器可以根据时钟芯片提供的时间信息进行分时计费。

非接触IC卡读写模块采用具有I2C总线接口的低功耗器件，非接触IC卡读写模块通过I2C总线与MCU微处理器通用输入输出口GPIOB0和GPIOB1模拟的I2C总线相连。控制器可以通过非接触IC卡读写模块接受非接触IC卡金额充值操作。

液晶显示模块采用128X64分辨率的点阵LCD显示器。LCD显示器与MCU微处理器的通用输入输出口GPIOA进行连接，MCU微处理器使用通用输入输出口GPIOA控制LCD显示器。LCD显示器每分钟刷新一次，显示当前用电量，当前余额，并且可以配合键盘的操作来查询记录。

参见图3，送断电执行模块有多路控制能力，每一路控制电路原理相同，这里仅表述其中一路。送断电执行模块是由线性光耦U38、继电器K2和断路器组成的动作机构，送断电执行模块与MCU微处理器的通用输入输出口GPIOF相连，MCU微处理器通过通用输入输出口GPIOF0和GPIOF1输出的控制信号通过线性光耦U38隔离后输出，输出信号驱动三极管开关电路Q11导通，使信号加在继电器K2两端，继电器K2动作后控制外部的断路器。继电器K2内有两组动作机构，通过连接到不同输出端子可以实现常开触点、常闭触点。MCU微处理器无控制动作时，线性光耦U38不工作，三极管开关电路Q11处于截止状态，使继电器K2保持原有状态防止误动。为了避免外部出现的高能量瞬时过压脉冲损坏内部器件，在继电器K2两端也并接了瞬态电压抑制二极管D16。

手机通讯模块、红外通讯模块都连接在MCU微处理器的异步串行通讯口UART2上，二者之间通过一个多路开关进行切换。具体实现形式为：平时多路开关控制手机通讯模块与MCU微处理器连接，用户和管理人员随时可以通过手机通讯模块对预购电控制器进行远程操作；金额不足时，MCU微处理器控制手机通讯模块用短信通知用户及时缴费。更改参数时，调试人员利用红外手持机向预购电控制器发送更改参数命令，当红外通讯模块接收到唤醒字符时，控制多路开关断开手机通讯模块与MCU微处理器的连接，取而代之的是红外通讯模块与MCU微处理器的连接。调试完成后，红外通讯模块在长时间没有接受到信号的条件下，控制多路开关断开红外通讯模块与MCU微处理器的连接，恢复手机通讯模块与MCU微处理器的连接。

本发明具有两种抄表通讯接口：RS485通讯接口、脉冲采集接口。

参见图4，RS485通讯接口接收的信息通过A、B连接线通过信号转换芯片U35转换后，再经过线性光耦U32隔离，到达MCU微处理器的异步串行通讯口UART1的接收端UART1RX；异步串行通讯口UART1发送的信号UART1TX经过线性光耦U33后，再经过信号转换芯片U35到达RS485通讯接口的A、B连接线送出。当MCU微处理器无数据发送时，三极管Q8工作在饱和导通状态，信号转换芯片U35的RE和DE引脚被拉低，U35工作在接收状态，保持输出为高阻态，并侦听RS485总线网络上的数据传输。当RS485总线上的其它节点向本发明发送数据时，信号转换芯片U35根据输入端A、B的差分信号大小，转换为高或低电平信号并由U35的RO引脚输出，经过线性光耦U32隔离后，输出到MCU微处理器的异步串行通讯口UART1的接收端UART1RX。

当MCU微处理器通过异步串行通讯口UART1的发送端UART1TX引脚发送数据时，通过线性光耦U33隔离并驱动三极管Q8转为截止状态，RE引脚和DE引脚被拉高。信号转换芯片U35工作在发送状态，根据DI引脚的输入信号，通过RS485通讯接口的A、B端向RS485总线上输出差分信号。

脉冲采集接口通过线性光耦后与MCU微处理器的GPIOE相连接。由脉冲采集接口采集到得脉冲信号经过光耦隔离后到达GPIOE，然后由MCU微处理器计算GPIOE的脉冲数，进而得到电能量信息。

按键模块与MCU微处理器的数据线相连接。按键模块的动作引起电平变化通过数据线到达MCU微处理器，MCU微处理器分析电平变化得到不同的操作信息。

供电模块由工作电源和后备电源组成，工作电源直接从馈线上获取并为蓄电池充电，蓄电池接到控制器的后备电源接口上，以保证控制器的供电可靠性。

对电费的计算：

控制器按照采集计划采集信息后，根据采集的电能表表号得到不同的用户标识，然后按照控制器内储存的用户信息，得到对应于该用户的电费计算方案；根据采集到的电能量信息，结合电费计算方案，计算出基本电费、变压器损耗、电量电费、功率因数调整电费、其他附加费用，得出实时电费金额。

对电网的监测功能：

为了对电网运行进行监测，更详细了解用户情况，控制器需要对电网谐波、电压、电流、相角进行监测。谐波是重要的电能质量指标之一，当电网中谐波含量超出一定量时，将对电力设备带来严重危害，影响电力系统的运行。本控制器的信号调理模块使用电压/电流互感器与电网耦合，所得到的信号经滤波电路、分压电路输入MCU微处理器的片内AD采样接口进行采样，得到电压、电流、相角信息，同时MCU微处理器对采样数据进行快速傅里叶变换(FFT)，实现谐波分析。

图5所示，对于手机短信的运作方式为：

控制器的短信运作分为收短信和发短信两个部分，具体为：

1、购电过程：

只有管理员具有售电权限，管理员是一台装有短信发送软件的计算机，用户购电后，计算机将发送一条加密充值短信给控制器，当控制器接收到此短信后，对短信进行解密处理，得到操作类型(此时为充值操作)、信息内容(充值金额)、发信人手机号。控制器在对手机号进行操作权限分析后，如果有充值权限，则进行充值。无论充值成功与否，控制器都会发送短信回执给管理员报告充值的状态。

2、查询过程：

用户、管理员都具有查询权限，通过短信可以查询控制器的实时余额、当前电能量信息。查询时发送查询短信给控制器，控制器对信息经过内容分析、权限分析后，组织相应短信内容回复给发信人。

3、管理员操作：

管理员可以查询控制器信息，了解控制器的实时运行情况。当遇到特殊情况时，管理员可以通过发送短信给控制器，用来控制用户的停送电状态。

4、报警信息：

这是控制器唯一主动发送的信息，当金额不足或者控制器运行异常时发送给用户和管理员。目的是让用户和管理员及时了解设备的运行状态。例如，控制器会定时计算被控用户的剩余金额。控制器可以设置多个余额报警门限，每当余额到达报警门限时，控制器会主动发送短信，催促用户及时缴费，这样可以达到多次报警的目的；当金额用完，用户还没有缴费，控制器将对用户给与断电操作，并发送断电报警短信给用户和管理员。

参见图6，对于手机短信的处理流程为：

控制器内储存了若干个手机号码，这些号码分为具有管理权限的手机号码(管理号码)和用户使用的手机号码(用户号码)。

首先进行号码分析。当控制器接收到短信后，将发信人的号码与控制器储存的号码进行一一比较，判断该号码是管理号码还是用户号码，如果该号码不在储存的号码列表内，删除本条短信，不予操作。

其次进行操作权限分析。通过解析报文，得到相应的操作信息，供电部门使用的管理号码具有充值、查询电能量信息、查询实时余额、断电、送电、查询历史记录的权限，客户使用的客户号码具有查询电能量信息和实时余额的权限。只有号码具有这个操作的权限时才能进行操作，如果号码越限操作，控制器将回复权限出错短信。

最后执行操作，所有操作均有短信回执，告知操作人的操作成功与否。

另外，当表内的预存金额递减到预先设定的余额报警门限时，电表自动发送余额提醒短信至客户号码和负责该预购电管理工作的管理号码。如果客户在金额用完之前没有进行缴费，当金额用尽时，控制器对用电户给予断电操作。直到客户缴费后，控制器自动恢复客户供电。

本发明采用了高集成度芯片，大大提高了系统的稳定性，同时也节约了成本；在软件方面采取了模块化操作，简洁、高效、便于后期维护；具有两种抄表接口，并且两种接口可以同时抄表，抄表数据可以根据设置分别计费或归一计费，应用更加广泛；可以利用手机通讯进行远程操作，更重要的是可以及时的通知客户，让客户及时了解自己的用电信息，杜绝了突然停电的现象，更加有利于产品的推广；具有谐波监测功能，对电网运行进行检测；具有红外通讯功能，方便修改参数。

Claims (3)

1.一种预购电控制器，其特征是设置MCU微处理器，所述MCU微处理器的外围器件包括有：

一信号调理模块，是以与电网耦合的电流互感器CT和电压互感器PT为信号采集器，由所述信号采集器采样的被监测信号依次经滤波电路、分压电路以差分方式输入所述MCU微处理器的内置AD转换器，得到电压、电流、相角信息，同时MCU微处理器对采样数据进行快速傅里叶变换(FFT)，实现谐波分析；

一数据储存模块、一时钟芯片和一非接触IC卡读写模块；所述数据储存模块采用EEPROM存储器U5，所述数据储存模块、所述时钟芯片和所述非接触IC卡读写模块通过各自的I2C接口与所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOB相连接，以所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOB模拟I2C总线；

一液晶显示模块，选用点阵LCD显示器，所述点阵LCD显示器与所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOA相连，以所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOA的输出信号控制液晶显示模块；

一送断电执行模块，由线性光耦U38、继电器K2和断路器组成；所述送断电执行模块与MCU微处理器的通用输入输出口GPIOF相连，所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOF的输出信号依次通过线性光耦U38和继电器K2到达断路器作为响应控制信号；

一手机通讯模块、一红外通讯模块和一多路开关；所述手机通讯模块采用具有手机短信功能和串行通讯口的工业级手机模块；所述红外通讯模块采用具有红外收发功能的集成模块；所述多路开关通过串行线与所述MCU微处理器的异步串行通讯口UART2连接，用作切换手机通讯模块和红外通讯模块与所述MCU微处理器的通讯连接；

更改参数时，调试人员利用红外手持机向预购电控制器发送更改参数指令，当红外通讯模块接收到唤醒字符时，控制多路开关断开手机通讯模块与MCU微处理器的连接，取而代之的是红外通讯模块与MCU模块的连接；调试完成后，红外通讯模块在长时间没有接受到信号的条件下，控制多路开关断开红外模块与MCU微处理器的连接，恢复手机通讯模块与MCU微处理器的连接；

对于手机短信的处理流程为：

控制器内存储了若干个手机号码，这些号码分为具有管理权限的手机号码即为管理号码和用户使用的手机号码即为用户号码；首先进行号码分析，当控制器接收到短信后，将发信人的号码与控制器储存的号码进行一一比较，判断该号码是管理号码还是用户号码，如果该号码不在储存的号码列表内，删除本条信息，不予操作； 

其次进行权限分析：用户、管理员都具有查询权限，通过短信可以查询控制器的实时余额、当前电能量信息；查询时发送查询短信给控制器，控制器对信息经过内容分析、权限分析后，组织相应短信内容回复发信人；通过解析报文，得到相应的的操作信息，供电部门使用的管理号码具有充值、查询电能量信息、查询实时余额、断电、送电、查询历史记录的权限，客户使用的客户号码具有查询电能量信息和实时余额的权限；只有号码具有这个操作的权限时才能进行操作，如果号码越限操作，控制器将回复权限出错短信；

一RS485通讯接口，通过信号转换芯片U35和线性光耦U32、U33与所述MCU微处理器的异步串行通讯口UART1连接；所述信号转换芯片U35将RS485通讯接口和异步串行通讯口UART1的信号相互转换，所述异步串行通讯口UART1发送的信号经过光耦U33隔离后再经过信号转换芯片U35到达RS485通讯接口，RS485通讯接口接收到的信号经过信号转换芯片U35后再通过光耦U32的隔离到达UART1；

一脉冲采集接口，通过另一线性光耦后与所述MCU微处理器的通用输入输出口GPIOE相连接；由所述脉冲采集接口采集到的脉冲信号经过另一线性光耦隔离后到达MCU微处理器的通用输入输出口GPIOE，所述脉冲信号与来自馈线Ua、Ub和Uc的被测电能量信息一一对应；

一按键模块，与所述MCU微处理器的数据线相连接；所述按键模块的动作引起电平变化通过数据线到达MCU微处理器，所述MCU微处理器分析电平的变化得到上、下、左、右、确定或取消的操作信息。

2.根据权利要求1所述的预购电控制器，其特征是设置一由工作电源和作为后备电源的蓄电池组成的电源模块，所述预购电控制器的工作电源直接从馈线Ua、Ub和Uc上获取并为蓄电池充电，所述蓄电池连接在所述预购电控制器的后备电源接口上。

3.根据权利要求1所述的预购电控制器，其特征是预购电控制与电能表之间具有如下两通讯方式：

RS485通讯方式：用于同时管理多台电能表，所述多台电能表通过RS485通讯接口与所述预购电控制器相连接；所述多台电能表通过RS485总线向所述预购电控制器的RS485通讯接口传输各自的电能量信息，由预购控制器统一采集；预购电控制器根据电能表的身份和各自的电能量信息选择电费计算方案，并且根据实时电费余额通过送断电执行模块对用户进行送断电操作；

脉冲采集方式：用于管理一台电能表，所述一台电能表通过脉冲采集接口与预购电控制 器相连接，向预购电控制器的脉冲采集接口传递电能量信息；控制器进行电费计算，并且根据实时电费余额通过送断电执行模块对用户进行送断电操作。 

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