專利名稱：公寓安全用電控制型多用戶電能表的制作方法
技術領域：
本申請屬于電量計量及安全用電保護裝置。
背景技術：
當今學校學生公寓的用電狀況發生了很大的變化，電腦、閉路電視、電熱水器等電器逐步進入宿舍，長期以來學校比較頭痛的電爐、電熱毯、床頭燈等容易引發火災的用電器也同時存在，學校迫切需要一種能夠集中智能管理學生用電、能識別電爐、電熱毯、床頭燈等惡性負載，具有限流(限功率)并自動停電以防止發生事故的控制裝置。
發明內容
本實用新型的目的是根據當今學校公寓的用電狀況，提供一種公寓安全用電智能管理計量裝置。
本實用新型由機殼和電源電路和由中央控制器CPU所連接的計量脈沖采集電路、功能鍵盤電路、地址選擇電路、儲存器、顯示電路、控制電路以及由控制電路中譯碼驅動器所控制的繼電器組成。其中1)計量脈沖采集電路用于采集用戶電量、電壓、電流、功率等信息。它由采集元件和信息處理元件連接而成。信息處理元件的脈沖輸出口連接中央處理器CPU輸入引腳，將電量信息傳送給中央處理器CPU；信息處理元件的串行輸入/輸出口連接中央處理器CPU的串行輸入/輸出口，將電壓、電流信息傳送給中央處理器CPU；2)功能鍵盤電路由功能鍵盤連接一個移位寄存器，再通過地址選擇電路的移位寄存器連接在中央控制器CPU的輸入引腳，通過按鍵來控制顯示用戶當前電壓、電流和功率值。
3)地址選擇電路由拔碼器連接移位寄存器，再連接在中央控制器CPU的輸入引腳，通過拔碼器確定電能表的地址；4)儲存器以I2C總線方式連接中央控制器CPU的輸入/輸出引腳，用于用戶用電量、用戶信息及電能表信息的存儲；5)顯示電路由數碼管連接一個移位寄存器，再連接在中央控制器CPU的輸出引腳，由移位寄存器進行顯示數據的傳送，并驅動數碼管顯示用戶用電量、用戶信息及電能表信息；6)控制電路由鎖存器連接譯碼器和譯碼驅動器，鎖存器的輸入口與中央控制器CPU的輸出引腳相連，鎖存器的部分輸出口與譯碼器的輸入口相連，鎖存器的另外輸出口同譯碼器的輸出口一同與驅動器相連，從而將中央控制器CPU的傳送信號鎖存輸出到譯碼器和譯碼驅動器，共同完成譯碼、驅動功能；7)譯碼驅動器輸出線連接到控制繼電器上，由譯碼驅動器實現控制繼電器的閉合與斷開，從而自動控制連接在繼電器上的負載的供電與停電；本申請還可通過RS485通訊電路實現遠程管理，其方案是中央控制器CPU的串行輸入/輸出口經光電隔離芯片連接到通訊芯片，通過通訊芯片的端口與上位系統管理PC機實現通訊。
本申請還可通過紅外通訊電路實現電費的預付費管理，其方案是中央控制器CPU的串行輸入/輸出口經光電隔離芯片連接到電能表面板上的紅外發射、接收器上。用戶通過紅外售電機預置電量，當予置電量用完后，實現自動斷電控制。
本申請所述的計量脈沖采集方式可采用分流器方式或互感器方式，具體電路元件組成將在實施例中詳細說明。
本實用新型的積極效果是，它不僅能對用戶用電量進行計量和預付費管理，同時具有對惡性負載(電爐、電熱毯、床頭燈等阻性負載)進行識別、保護、控制的功能，并且還可對用戶負載進行限電流(限功率)的保護控制。當用戶使用了惡性負載或負載電流(電功率)超限時，能斷電保護，防止事故的發生，同時，當惡性負載消除且電流(電功率)在設定值以內時，能及時供電保證正常使用。另外，可根據用戶實際情況對斷送電次數進行設定，在斷送電設定次數以內，斷電保護后可恢復送電并再次識別，直至達到斷送電設定次數后，如用戶仍使用惡性負載或負載電流(電功率)仍超限，則停止供電。本實用新型既可通過上位系統管理PC機進行用電管理、控制(預付費、抄表、設置參數及斷送電控制等)功能，也可通過紅外售電器進行預付費、斷送電控制功能，或在參數設定后獨立進行用電計量及安全控制功能。
以下根據附圖1、附圖2說明兩個用于24個用戶的實例。
圖1是采用分流器方式采集電能信號的電能表電路原理圖；圖2是采用互感器采集方式采集電能信號的電能表電路原理圖；圖3時電能表顯示窗的外觀示意圖；圖4時電能表通風系統示意圖圖中[1]為計量脈沖采集電路部分。其中圖1中[1-1]為計量芯片；[1-2]為驅動器；[1-3]為鎖存器；[1-4]為功率檢測CPU；[1-5]為光電隔離芯片；[1-6]為片選電路。圖2中[1-2a]為電壓互感器，[1-1a]為電流互感器，[1-3a]為電壓信號模擬開關，[1-4a]為電流信號模擬開關，[1-5a]為譯碼器，[1-6a]為計量芯片。
為中央控制器CPU。
為功能鍵盤電路部分；[3-1]為功能鍵盤；[3-2]為移位寄存器。
為地址選擇電路部分；[4-1]為撥碼器；[4-2]為移位寄存器。
為儲存器。
為顯示電路部分；[6-1]為移位寄存器；[6-2]為數碼管。
為控制電路部分；[7-1]為鎖存器；[7-2]為譯碼器；[7-3]為譯碼驅動器。
為控制繼電器。
為RS485通訊電路[9-1]為通訊芯片，[9-2]為光電隔離芯片。
為紅外通訊電路[10-1]為CPU，[10-2]為紅外接收器，[10-3]為紅外發射器。
具體實施方式
參照圖1對實例1進行描述，由二十四個計量芯片[1-1]和四個驅動器74HC04[1-2]以及三個鎖存器74HC244[1-3]，CPU[1-4]、光電隔離芯片6N137[1-5]以及片選電路[1-6](由譯碼驅動器74HC145芯片及6N137光電隔離芯片組成)共同構成計量脈沖采集電路[1]，每個計量芯片板采集的用戶用電脈沖信號由CS5460A的21腳輸出，經驅動器至鎖存器，供中央控制器的CPU[2]的P0.0~P0.7輸入口讀取，而用戶的電流、電壓、功率等信號由CS5460A的23腳、6腳及時鐘控制5腳，經[1-5]的6N137芯片光電隔離后，連接到功率檢測的CPU[1-4]的P1.3~P1.5腳，由CPU[1-3-1]讀取后進行處理；并且檢測CPU[1-4]的P3.3~P3.5腳與中央控制器的CPU[2]的P1.3~P3.3連接，以串口通訊方式進行數據通訊。上述的24個計量芯片是采用美國CIRRUS LOGIC公司的最新一代單相全電子智能電能表芯片CS5460A。其主要特點是精確度可高于0.5級以上；穩定性好，溫度系數(典型值為25PPm/最大不超過60PPm/)；抗干擾性強；功耗小，每個芯片功耗12.0mW；啟動電流小，為0.001Ib；工作溫度寬，工作溫度范圍為-35~+75℃；功能強，可檢測用戶電壓、電流、功率等信息。
存儲器[5]主要由24LC16B芯片構成，其24LC16B的5、6腳與CPU[2]的P1.3、P1.4腳相連，以I2C總線方式進行數據通訊，用于用戶用電量、用戶信息及電表信息的存儲；顯示電路[6]主要由10個移位寄存器芯片74HC164[6-1]及10個數碼管[6-2]組成，74HC164的A、B腳接至CPU[2]的P1.1腳，74HC164的Qh腳，接至相鄰的另一個74HC164的A、B腳及其所驅動的數碼管的DP腳，用于進行顯示數據的傳送；顯示電路[6]的10個74HC164的QA~QG分別接到10個數碼管的A~G，用于驅動數碼管顯示用戶用電量、用戶信息及電表信息；地址選擇電路[4]由8位撥碼盤[4-2]及移位寄存器74HC165組成，8位撥碼盤用于確定電表地址，由移位寄存器74HC165[4-1]的Q7輸出腳接至中央處理器CPU[2]的P3.6，將撥碼地址傳送給CPU[2]
功能鍵盤電路[3]由按鍵[3-2]及移位寄存器74HC165[3-1]組成，操作按鍵狀態通過按鍵由移位寄存器74HC165[3-1]的Q7腳，接至另一個移位寄存器74HC165[4-1]的SER腳，再由移位寄存器74HC165[4-1]的Q7輸出腳接至中央處理器CPU[2]的P3.6，將按鍵信息傳送給CPU[2]，控制顯示電路顯示用戶當前的電壓、電流和功率等信息；控制電路[7]由鎖存器74HC373[7-1]、譯碼器74HC138[7-2]及譯碼驅動器74HC145[7-3]構成，74HC373[7-1]的D3~D5腳與CPU[2]的P04~P06腳相連，其D0、D6、D7腳與CPU[2]的P00~P02相連，將CPU傳送的信號鎖存輸出到譯碼器74HC138的輸入口及74HC145的輸入口，而74HC138譯碼后，其輸出腳也接至74HC145的輸入口上，共同完成譯碼驅動功能，控制驅動24個繼電器[8]的閉合與斷開。
通訊電路包括中央處理器CPU[2]與上位系統管理PC機通訊的RS485通訊電路[9]和中央處理器CPU[2]與抄表器間的紅外通訊電路[9]，完成電能表與上位系統管理PC機的通訊及電能表與紅外售電器間的通訊功能。RS485通訊電路[9]主要由光電隔離芯片[9-1]6N137及通訊芯片[9-2]75LBC184構成，CPU[2]的RXD經光電隔離芯片[9-2]6N137的3腳輸入，光電隔離后由6N137的6腳輸出，接至通訊芯片[9-1]75LBC184的4腳；75LBC184的1腳經另一個光電隔離芯片6N137的3腳輸入，光電隔離后由6N137的6腳輸出接至中央控制器CPU[2]的TXD腳。紅外通訊電路由CPU[10-1]AT89C2051、紅外接收器[10-2]及紅外發射器[10-3]組成，CPU AT89C251[10-1]的RST、RXD、TXD腳分別與CPU[2]的RST、TXD、RXD腳相連，CPU AT89C2521[10-1]的P3.3腳與紅外接收器[01-2]的1腳相連，CPU AT89C251[10-1]的P3.5腳與紅外發射器[10-3]的2腳相連接。
參照附圖2對實施例2進行描述計量脈沖采集電路[1]由一個電壓互器[1-2a]和24個電流互感器[1-a]以及和電壓互感器[1-2a]相配合的電壓信號模擬開關MC14051B[1-3a]、和電流互感器[1-a]]相配合的6個電流信號模擬開關MC14051B[1-4a]與電能計量芯片CS5460A[1-6a]共同構成；由電壓互感器[1-2a]產生的互感電壓經MC14051B[1-3a]選通、由24個電流互感器[1-a]產生的電流信號經模擬電路開關MC14051B[1-4a]選通，將選通的電壓信號傳至計量芯片CS5460A[1-6a]的9腳，將選通的電流信號傳至計量芯片CS5460A[1-6a]的15腳，CS5460A[1-6a]將電壓、電流信號處理后以電量計量脈沖信號方式由CS5460A[1-6a]的21腳傳到CPU[2]的P2.4腳，并將電流、電壓、功率信號經CS5460A[1-6a]的SCLK、SDO、SDI腳以串口通訊方式送入CPU[2]的P2.0、P2.1、P2.2腳。CPU[2]的P1.0~P1.2與譯碼器74HC138[1-5a]的A、B、C腳相連，74HC138[1-5a]的Y0~Y5腳與6個電流信號模擬開關MC14051B[1-4-1]~[1-4-6]的INH相連，CPU[2]的P1.3~P1.5與模擬開關MC14051B[1-4a]的A、B、C腳相連，共同構成譯碼模擬開關選通電路，CPU[2]選擇讀取各用戶電流、電壓、及電量信息。
其它電路(包括功能鍵盤電路[3]、地址選擇電路[4]、儲存電路[5]、顯示電路[6]、控制電路[7]、控制繼電器[8])等與實施例1完全相同在此不再詳述。
圖3所示，本實用新型的面板上有10個LED數碼管和一個用于計量脈沖指示的紅色發光二極管以及一個紅外收發二極管(上述器件全部安裝在主板上，主板固定在面板內側)；所述的紅色發光二極管閃爍表示有脈沖輸出，即代表當前顯示的用戶的電表計量正常；所述的數碼管發生閃爍時，提醒當前顯示的用戶購電。
本實用新型應用時，亦可配置上位系統管理PC機及紅外售電器；上位系統管理機與本實用新型連接時，需配置通訊裝置；上位系統管理PC機可實現參數設置、售電管理、抄表、斷送電控制等功能；紅外售電器可實現售電及斷送電控制等功能。電能表在參數設定后，可獨立進行計量及安全控制。
需要配置的上位系統管理PC機要求如下CPU要求奔騰166MHz或以上，操作系統要求MS-windows98/2000/NT/XP，內存不低于32MB，硬盤可用空間不低于30MB，顯示器分辨率不低于800×600。
本實用新型應用時的通訊系統如圖4所示首先將每一片區如圖1、圖2所示的所有多用戶電能表通過485總線匯總，然后根據某一片區與系統管理機房的距離遠近，接通到系統管理微機上。當系統管理PC機與電能表屬于近距離通訊時，電能表可通過RS-232/485適配器直接與系統管理PC機聯接，必要時可加信號中繼器；屬于遠距離通訊時，可通過通訊控制器和調制解調器利用電話網進行撥號通訊，實現與系統管理PC機的聯系。
權利要求1.一種公寓安全用電控制型多用戶電能表，它包括外殼、電源、電路、中央控制器CPU(2)，其特征還包括，中央控制器CPU(2)還與計量脈沖采集電路(1)、功能鍵盤電路(3)、地址選擇電路(4)、儲存器(5)、顯示電路(6)、控制電路(7)互相通訊連接，其中1)計量脈沖采集電路(1)由采集元件和信息處理元件連接而成，信息處理元件的脈沖輸出口連接中央控制器CPU(2)脈沖輸入引腳，將用戶用電量信息傳送給中央控制器CPU(2)；信息處理元件的串行輸入/輸出口連接中央控制器CPU(2)的串行輸入/輸出口，將用戶電壓、電流信息傳送給中央處理器CPU(2)；2)功能鍵盤電路(3)，由功能鍵盤(3-1)通過移位寄存器(3-2)，再通過地址選擇電路(4)的移位寄存器(4-2)，連接在中央控制器CPU(2)的輸入引腳，通過按鍵來控制顯示用戶當前電壓、電路和功率值；3)地址選擇電路(4)由撥碼器(4-1)連接移位寄存器(4-2)，連接在中央控制器CPU(2)的輸入引腳，通過撥碼器(4-1)確定電能表的地址；4)儲存器(5)以I2C總線方式連接中央控制器CPU(2)的輸入/輸出引腳，用于用戶用電量、用戶信息及電能表信息的存儲；5)顯示電路(6)由數碼管(6-2)連接移位寄存器(6-1)，再連接在中央控制器CPU(2)的輸出引腳，由移位寄存器(6-1)進行顯示數據的傳送，并驅動數碼管(6-2)顯示用戶用電量、用戶信息及電能表信息；6)控制電路(7)由鎖存器(7-1)連接譯碼器(7-2)和譯碼驅動器(7-3)，鎖存器(7-1)的輸入口與中央控制器CPU(2)的輸出引腳相連，鎖存器(7-1)的部分輸出口與譯碼器(7-2)的輸入口相連，鎖存器(7-1)的另外輸出口同譯碼器(7-2)的輸出口一同與驅動器(7-3)相連，從而將中央控制器CPU(2)的傳送信號鎖存輸出到譯碼器(7-2)和譯碼驅動器(7-3)，共同完成譯碼、驅動功能；7)譯碼驅動器(7-3)輸出線連接在控制繼電器(8)上，由譯碼驅動器(7-3)實現控制繼電器(8)的閉合與斷開，從而自動控制連接在繼電器上的負載的供電與停電。
2.如權利要求1所述的電能表，其特征是計量脈沖采集電路(1)采用分流器方式，其電路中采集元件計量芯片(1-1)脈沖輸出口經驅動器(1-2)連接鎖存器(1-3)至中央控制器CPU(2)的脈沖輸入口；計量芯片(1-1)串行輸入/輸出口經光電隔離器(1-5)和片選電路(1-6)連接功率檢測CPU(1-4)至中央控制器CPU(2)的串行輸入/輸出口。
3.如權利要求1所述的電能表，其特征是計量脈沖采集電路(1)采用互感器方式，其電路中采集元件電壓互感器(1-2a)連接電壓信號模擬開關(1-3a)，再經計量芯片(1-6a)連接在中央控制器CPU(2)的脈沖輸入口；電流互感器(1-1a)連接電流信號模擬開關(1-4a)，再經計量芯片(1-6a)連接至中央處理器CPU(2)的串行輸出口。
4.如權利要求2或3所述的電能表，其特征是它還包括RS485通訊電路(9)，中央控制器CPU(2)的串行輸入/輸出口經光電隔離芯片(9-2)連接到一個通訊芯片(9-1)，作為與上位系統管理PC機的連接端口。
5.如權利要求4所述的電能表，其特征是它還包括紅外通訊電路(10)，中央控制器CPU(2)的串行輸入/輸出口經CPU芯片(10-1)連接到機殼面板上的紅外發射器(10-3)和紅外接收器(10-2)，實現預置用電量功能。
專利摘要一種公寓安全用電控制型多用戶電能表，包括外殼、電源電路和由中央控制器CPU所連接的計量脈沖采集電路、功能鍵盤電路、地址選擇電路、儲存器、顯示電路、控制電路以及由控制電路中譯碼驅動器所控制的繼電器組成。還可通過通訊電路與上位系統管理PC機連接實現遠程管理，通過紅外通訊電路實現電費預付費管理。當用戶超額用電或發生惡性負載時，自動切斷電源，防止事故發生。
文檔編號G01R11/25GK2704848SQ20042003903
公開日2005年6月15日 申請日期2004年3月7日 優先權日2004年3月7日
發明者湯元信, 公茂法, 湯建泉, 王學永, 黃鶴松, 張至海, 李永飛, 常國昕 申請人:湯元信