CN2528023Y

CN2528023Y - 数码式预付费电能表

Info

Publication number: CN2528023Y
Application number: CN 02223241
Authority: CN
Inventors: 李正平; 李楚平; 程翥; 陈洪光; 肖昊明; 彭开林
Original assignee: Pingan Science & Technology Co Ltd Hunan
Current assignee: Pingan Science & Technology Co Ltd Hunan
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2002-12-25
Anticipated expiration: 2012-01-11

Abstract

一种数码式预付费电能表，以CPU处理器为核心，用户购买的电量用多位随机加密的数字码代表，通过键盘及电路输入至CPU处理器确认，同时采样电路采用具有脉冲输出的电能计量专用芯片，脉冲输出送CPU自动计数，CPU输出命令由继电器控制电路控制用户供电通道的开关，CPU的数据和信号还分别送EEPROM存储器存储和送液晶显示模块显示。本实用新型构思新颖、设计合理、功能齐全、技术先进、性能优良。

Description

数码式预付费电能表

技术领域

本实用新型涉及一种计量装置，具体涉及一种数码式预付费电能表。

背景技术

现有的单位和居民家庭使用的计量电表，大都为机械式计数表，人工抄表收费，所需人员多，劳动强度大，工资成本高，误差作弊现象时有发生，而且一些单位拖欠电费的现象十分严重，给供电单位造成重大经济损失；现在一些单位和住户正在推行IC卡预付费电表，采用IC卡作为信息载体，有效解决了拖欠费现象，但由于壳体上外露IC卡座接口，使控制器易受破坏性攻击，同时易受污染损坏，使用寿命不长。另外由于IC卡本身逻辑加密性不强，容易被破译复制，可靠性差，存在着管理上的漏洞和经济上的损失。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：彻底改变传统机械式计数、人工抄表收费的原始落后状况，避免误差作弊漏洞及拖欠费现象，对现有IC卡预收费表的壳体上外露IC卡座易受破坏攻击污染以及IC卡易被破译复制的弊端进行改进，而提供一种计量准确、工作可靠、抗攻击、抗干扰能力强、数据安全、技术先进、性能优良的数码式预付费电能表。

本实用新型采用的技术方案是：这种数码式预付费电能表具有CPU处理器、采样电路、继电器控制电路、键盘电路、EEPROM存储器、液晶显示模块、电源部分，上述电路以CPU处理器为核心，用户购买的电量用多位随机加密的阿拉伯数字码代表，并由用户将这多个数字通过键盘及电路输入至CPU处理器，CPU处理器识别、确认，完成数码加密和解密，根据所购电量定额发出开、关命令至继电器控制电路，继电器控制电路自动接通或自动切断用户的供电通道，采样电路采用具有脉冲输出的电能计量专用芯片，输出的脉冲信号送至CPU处理器进行自动计数，CPU处理器通过键盘电路完成人机对话，CPU处理器还输出信号给液晶显示模块，液晶显示模块显示输入的参数和控制器当前状态，CPU处理器还将数据信息输出连接至EEPROM存储器中，将数据转贮，并使存贮的数据不丢失，电源部分为3.6V/3AH锂电池，为各部分电路提供工作电源。

本实用新型采用先进的数码技术应用于电表中，是将用户购买的电量用八位随机加密的阿拉伯数字码代表，这些是包括控制器表号、购买次数、购买量、随机数、上次返回数码等诸多信息，经特殊运算生成的多种控制码，并由用户自己将八位数字通过键盘输入到本控制器的CPU处理器中，CPU处理器识别确认正确后，并恢复到原始购买量数据，同时生成一返回数码，作为下一次购电的返回码，存储在EEPROM存储器内，CPU处理器接收具有脉冲输出的高精度电能计量专用芯片AD7755送来的脉冲信号，当数据被核减为某一值时(该数据值可以设定)，系统将自动发出警告信号(蜂鸣器发出声音)来提醒用户：“所购电量不多，需要按时购买电量”，当数据被核减为“0”时，系统自动切断用户的供电通道，从而实现预付费控制，当用户再次输入数据，并且恢复的数据大于零时，系统自动接通用户的供电通道。本实用新型用数据输入取代IC卡作为信息载体，可有效避免IC卡座接口外露壳体上，也就防止了人为的破坏复制和污染损坏，还防止了IC卡的人为复制作弊漏洞，避免了供电部门重大的经济损失，本实用新型构思新颖、设计合理、计量准确、工作可靠、抗攻击、抗干扰能力强，数据安全、显示直观，技术先进，性能优良。

具体特点如下：

本实用新型采用用户购买八位数码交换预付费数据的方式，而数码交换预付费数据是为解决IC卡预付费产品存在的易受功击，易受污染问题而提出的。

数码含有编码和密码的双重含义，即由计算机根据加密规则进行编码。

数码交换数据：所传输的数据码由一组变形的数据码代表。

数码交换预付费数据的定义：传输的数据是用来交换预付的电购买量数据。

数码交换预付费数据控制技术及其产品主要特点

1.硬件安全

不存在暴露卡口问题，没有数据传输体存在，因此就不存在非法复制和黑市交易，可避免任何形式的攻击。

2.数亿组以上的数码，几乎没有解密的可能。

由于预收费设备与数码发行系统形成严格的一一对应关系，因此可以根据使用次数、购买数量、操作时间等因素产生加密算法，并依赖上述数据调用不同的密码库，产生只有设备和系统双方能够理解的数码；

采用8位数码方式，并且以明码方式存在，有利于数据的传输和交换。返回码可以验证系统的安全；

由于采用了8位十进制数码表示方式，就为键盘输入提供了必要条件。采用了键盘方式就可实现设备的完全密闭

数码交换数据方式，采用了约定数据量的限制方法，因此在数亿组以上的数码中，可以使用的数码数量动态地保持为990组，几乎不存在试探输入的可能，因此具有极高的安全系数。

3.不存在被外界攻击的技术隐患。

4.不怕污染，适应环境能力强。

5.产品寿命超过10年，静态电流为5-6uA

6.设备几乎不耗电，非常节能

7.交费无需到指定地点，可采用电话语音支付系统，非常方便用户，可以减少营业网点数量，最大限度降低管理系统投资

采用数码交换技术后，用户可以亲自到有关的营业网点交费购买数码；也可以采用电话语音支付系统交费得到数码；也可以通过电话向授权的金融机构交费获得数码。交费时，只提供八位设备号和八位用户返回码即可，因此，管理系统的投资少，维护最方便，安全系数最高，极大地方便用户参与预收费技术的推广应用。

8.用户管理系统投资小，布点少，维护简单，设备安全，例如，一个城市用二台小型机便可完成方便用户的售电工作，比1000个网点成本低上百倍。

9.新技术的切断装置确保实现有效的控制。

10.新型计量传感器确保系统数据递减与基表数据递增保持一致。

11.控制系统采用统一标准，确保产品性能稳定到低成本，(比IC卡表节省IC卡)；

12.全国独有产品，售后服务体系完善。

13.无载体接触交换数据，可网上交易，通过WAP或短信息、声讯台等方式，可实现远程操作；

数码式预付费控制器产品符合预付费产品在我国真正推广应用的十个因素，我们可以预言：现有的接触式IC卡预付费控制技术只是过渡产品，最终将会被数码式预付费控制技术所取代。

附图说明

图1为本实用新型原理框图

图2、图3两图合起来为本实用新型实施例电原理图。

图4为本实用新型外形示意图

具体实施方式：

参见图1及图2、图3，本实用新型具有CPU处理器，采样电路、继电器控制电路、键盘电路、EEPROM存储器、液晶显示模块、电源部分。A：CPU处理器PIC16C63

PIC16C63芯片做为微处理器芯片：主要完成数据信息——数码的加密和解密；对用户用电时根据所购电量定额来接通或断开供电通道，完成电量预收费功能；对用户在用电时的电量自动计量；完成人机对话功能：显示输入的参数和控制器当前的状态；为使数据能转贮并使其存贮的数据不丢失，将用户用电信息定时地保存在EEPROM中；同时具有防伪、防窃电、应急用电报警等功能。B：采样电路

采用高精度的电子计量专用集成芯片AD7755。C：键盘电路

键盘部分采用3×5(8根I/O线)矩阵式结构。RC5(16)、RC6(17)、RC7(18)三根I/O作为行线，通过上拉电阻(R13、R16、R18、R19)接到+3.6V上；RCO(11)、RC1(12)、RC2(13)、RC3(14)、RC4(15)四根I/O线作为列线。其中10个数字键(0-9)、5个功能键。D：显示模块

显示模块采用LCD显示：

液晶显示电路由HT1621绑定模块组成，CPU处理器通过三根I/O线与HT1621芯片相连，可以显示购电量(度)、剩余电量、应急、故障、违章、密码错、输入密码、开阀等状态。E：继电器开关电路(继电器为自保持继电器)

根据控制器剩余电量的有无，CPU处理器控制继电器开关动作：

当剩余电量为零时，CPU发出相应命令，切断供电通道。

当输入购电数码(所购电量不为零)，控制器确认数码正确后，CPU发出相应命令，接通供电通道。F：EEPROM存储器

CPU处理器通过2根I/O口线与AT24LC02相连，系统在设计中采用了AT24LC02作为EEPROM。为使数据能转贮并使其存贮的数据掉电时不丢失，CPU处理器将用户用电信息定时地保存在EEPROM中。H：电源部分(见框图)

3.6V/3AH锂电池为控制器各部分(采样电路、EEPROM存储器、显示电路、CPU处理器、键盘电路)提供3.6V工作电源。

参见2、图3的电原理图，因一张图篇幅的限制，将个完整实施电原理图分为图2、图3两张图，所以图2、图3合起来才为本实施例电原理图。

该控制器以美国的MICROCHIP公司的PIC16C63为核心，结合矩阵式键盘，I²C总路线的串行EEPROM，24LC01/02；HT1621为驱动芯片的液晶显示模块，完成电子式电表的各项控制功能；核心采用密码交换形式，按其电路结构主要分为两大部分：采样、驱动和电源电路以及控制部分电路。

1：数码的意义：

将用户购买的电量用八位随机加密的阿拉伯数字码代表(包括控制器表号、购买次数、购买量、随机数、上次返回数码等诸多信息，经特殊运算生成多种控制码)，并由用户自己将八个数字通过键盘输入到预付费电能表控制器中，控制器识别后，确认正确并恢复到原始购买量数据的过程。

2：数码式预付费控制器工作原理

用户将购买的表示电量的数码通过预付费控制器键盘输入到控制器后，经控制器识别确认正确后，恢复成可视的购买数据，同时生成一返回数码(作为下一次购电的返回码)，存储在存储器内。控制器接收采样电路的高精度专用电能计量集成芯片AD7755送来的脉冲信号，并根据脉冲信号核减所恢复的数据；当数据被核减为某一值时(该数据值可以设定)，系统将自动F发出警告信号(峰鸣器发出声音)来提醒用户：所购电量不多，需要按时购买电量；当数据被核减为“0”时，系统自动切断用户的供电通道，从而实现预付费控制。当用户再次输入数据，并且恢复的数据大于零时，系统自动接通用户的供电通道。

电路分析如下：

图2具有CPU处理器：IC1：P1C16C63，EEPROM存储器IC2：AT24C01，液晶显示模块IC3：HT1621，键盘电路；

图3具有采样电路：电能计量专用芯片IC4：AD7755，继电器控制电路：IC5：TLP521-2、IC6：BA6208、J1，电源部分：变压器绕组T1、T2、整流桥B1、整流二极管D1、D2、三端稳压器IC7、IC8。

图2、图3共用上述图3中的电源部分工作电源，同时，图2与图3的电路连接通过插头插座CZ1、CZ2的对接实现。

下面具体分析如下：

(一)：采样、驱动和电源电路如图所示：

(1)电源部分由两组电源构成，其中一组+5V提供给数字电路部分，另一组+5V提供给模拟电路部分。

工作流程如下：220V交流电经变压器的一个绕组T1变压后经桥堆B1整流后得到9V左右的直流电压，经C18，C26滤波得到较为平滑的直流电压，再经三端稳压器IC7(78L05)变压后得到+5V的电压后经C23，C24滤波得到一平滑的直流电压给数字部分供电。

其中C18为330uF/15V，C26为104，C23为103，C24为100uF/16 V。

同时220V经变压器的另一个绕组T2变压后经全波整流电路D1和D2后得到一个约9V的直流电压，经C2，C3滤波后得到一平滑的直流电压，经IC8(78L05)后得到一稳定直流电压经C4，C5滤波后得到一稳定的+5V工作中电源给模拟电路部分供电。

(2)电子采样部分

该部分采用高精度的电子计量专用芯片IC4(AD7755)，该芯片能在极端的环境条件和所有时间内提供优良的稳定性和精确度，其特点如下：

1.高精度：支持50/60Hz国际电工委员会(IEC)521/1036

标准，在动态范围500至1内误差小于0.1％。

2.AD7755在频率输出端F1和F2提供”平均实功率”。

3.高频输出端CF用于校准，它提供”即时实功率”。

4.内部结构具有的专用的ADC和DSP在各种不同的环

境条件和所有时间内提供高精度单5V电源，低功耗

(典型为15mw)。ADC为模数转换控制，DSP为数字信

号处理。

5.AD7755共24引脚：Pin1.2.3接+5V电源，Pin4、Pin19

悬空。Pin5、Pin6为通1的模拟输入，这两个引脚为全差分电压输入，最大信号电平为420mv。Pin5脚连接的电阻R1，R2，R3，R4为4.7K，电感L1为20mh，R7为1K，C6为104。为AD7755提供标准的采样电压输入信号，Pin6脚接的R6为1K，C9为103，为第一通道(电流通道)提供基准信号。

IC4的pin1，2，3脚外接电源滤波电路C15为104，C19为10uF/16V电解电容，Pin7、Pin8为通道的”负”和”正”输入端，这二个输入端提供一个全差分输入对，在额定的工作条件下最大的差分输入电压是±500mv，相当于AGND的最大信号电平是±1V，Pin7外接R8为1KΩ，C1为103，功能同Pin6；Pin8的外接R26，R22，R11，R23，W1，R9，R8。其中R26为1MΩ，R22为100K，R23为100K，R13为150KΩ，w1可调，R9为1kΩ，C8为103。

Pin9为IC1(AD7755)芯片复位脚，R16，C12构成芯片复

位电路。R16为820Ω，C12为103。

Pin10外接V13，C7构成外部基准电路，为芯片提供一个

片内基准电压，值为2.5±8％，这两个元件接到AGND

起去耦作用。Pin11为模拟接地脚，该引脚为AD7755中的模拟电路提供基准地电流，同时这个点也是数字地平面的连接点。

采样电路IC4：专用电能计量芯片AD7755的5脚输入电流信号，与6脚的基准电流比较，AD7755的8脚输入电压信号，与7脚的基准电压比较。两个比较信号进入AD7755，由内部计数基准比较处理，将电流信号与电压信号转换为模拟量进行校准比较后产生一个脉冲信号，经23脚输出至Q1，使Q1导通，从而使IC9光电耦合器工作，由IC9的3、4脚输出一个开关脉冲信号至CZ2的1.5脚，再至图2的CZ1的1.5脚，进入CPU的25脚与地，完成采样。

Pin12为校准频率选择脚，外接C17，R12接电源5V，其中R12为10K，C1为103。

Pin13、Pin14这两个逻辑输入端用来选择用于数频转换的四个频率中的一个，其中Pin13通过R11接电源±5V，并接有C22起滤波作用，R11为10K，C22为103，Pin14脚接地，从而使AD7755的频率工作于直流最大输入时的最大输出频率为1.36Hz，交流最大输出频率为0.68Hz。

Pin15、Pin16这两个引脚用来选择模拟输入端V1A和V1B四个增益中的一个

Pin12通过外接10KΩ的电阻到+5；Pin16通过外接10

Ω的R5到+5V，从而电路工作于增益1方式。

Pin17、Pin18为AD7755的外部时钟输入脚，该时钟频率为3.579545MHz。即外接的晶体为3.58MHz，晶体负载电容C10，C11为33PF。

Pin20为REVP脚，即当检测到负功率时，输出为高电平，当一个脉冲从CF输出时，该输出端同时等高或等低。

Pin21为AD7755数字电路提供地基准点

Pin22校准频率输出端，通过820Ω电阻R15接光耦IC3的脚。

Pin23、Pin24为F1、F2低频率逻辑输出端，我们采用将Pin23输出的信号接Q1(8050)的基极做为驱动光耦IC6的控制信号。

(3)继电器控制部分由一块驱动芯片BA6208F来完成。

CPU处理器IC1的23、24脚用来控制继电器的开和关。由插座CZ1、CZ2的6、7脚输送到光耦IC5(TLP521-2)的P1和P3，其中IC5的P2和P4接数字地，即IC5的P5和P7接模拟地，而P5和P8接IC6(BA6208F)的P8和P5；IC6的P2和P4用来驱动继电器断开和导通。

(二)控制部分电路如图2所示的CPU处理器、EEPROM存储器、液晶显示模块、键盘电路：

(1)R7与C1构成单片机复位电路，使单片机在上电时能可靠的复位；Pin1脚为PIC16C63的复位脚，外接R7，C1，E1到电源+5V，其中R7为10K，C1为104，E1为100uF/16v，Pin8、Pin19外接数字地，Pin6、Pin26、Pin27、Pin20接电源+5V。

(2)晶体XTAL(2.0MHz)和C2(22P)、C3(22P)构成单片机振荡电路，产生2MHz振荡频率。Pin9，Pin10接2.0MHz晶体，其中晶振负载电容为C2，C3为22P。

(3)为使存贮的数据掉电时不丢失，单片机通过2根I/O线(RB0、RB1)与EEPROM(AT24LC02)相连，将用户用电信息保存在EEPROM(AT24LC02)中。P21，P22分别连接IC2(AT24LC02)的P5(SDA)P6(SCL)，其中IC2的P2经一上拉电阻R11(510K)到电源；IC2的P1，P2，P3，P4，P7接地，P8接电源。

(4)当控制器内剩余电量等于M度时，单片机发出警告信号(峰鸣器发出声音)，提示用户所购电量不多了，需尽快购买电量；M度电量用完时，单片机发出相应的命令，关断供电通道。

(5)CPU处理器PIC16C63共28只引脚，其中Pin11---Pin18共8个引脚构成3*5矩阵式键盘，且Pin16，Pin17，Pin18各外接一个1MΩ的上拉电阻到+5V。Pin28通过一个1MΩ的外接电阻到电源，用来检测键盘启动键是否被被按下。对控制器进行任何操作，必须首先按下“启动键”，此时液晶片上显示剩余电量。按下“查询键”，液晶屏上依次显示累计购电次数、累计用电量、返回码、表号。当输入数码时，误输入一个数字，按下“清除键”可以清除误输入的数字。

(6)IC1的RA5(Pin7)通过外接一个10K电阻R14到三极管Q8：9012的基极，用来控制液晶片的电源。插座CZ1-2和CZ1-3脚外接一个发光二极管D1，用来显示电表的运行情况。液晶显示电路由IC3：HT1621绑定模块组成CPU处理器通过三根I/O线(RA3、RA2、RA1)与HT1621芯片相连。

Claims

1、一种数码式预付费电能表，其特征在于具有CPU处理器、采样电路、继电器控制电路、键盘电路、EEPROM存储器、液晶显示模块、电源部分，上述电路以CPU处理器为核心，用户购买的电量用多位随机加密的阿拉伯数字码代表，并由用户将这多个数字通过键盘及电路输入至CPU处理器，CPU处理器识别、确认，完成数码加密和解密，根据所购电量定额发出开、关命令至继电器控制电路，继电器控制电路自动接通或自动切断用户的供电通道，采样电路采用具有脉冲输出的电能计量专用芯片，输出的脉冲信号送至CPU处理器进行自动计数，CPU处理器通过键盘电路完成人机对话，CPU处理器还输出信号给液晶显示模块，液晶显示模块显示输入的参数和控制器当前状态，CPU处理器还将数据信息输出连接至EEPROM存储器中，将数据转贮，并使存贮的数据不丢失，电源部分为3.6V/3AH锂电池，为各部分电路提供工作电源。