專利名稱：三相智能卡式農灌用電能表的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電能計量裝置中的計量儀表技術和農田灌溉用電管理系統 領域，尤其涉及一表多卡、 一卡多表的用電智能模式。
背景技術：
隨著農村電網改造及農村用電管理體制改革的進行，農村用電管理的現代化 已是不可阻擋的趨勢，農業灌溉作為農業生產用電中的一部分，實現其自動化 管理將有著良好的市場前景。目前農田灌溉大部分還是通過抄表收費或計時收 費，不可避免的存在著竊電、欠費、電霸等不良行為，也存在著人情電、關系 電。
實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種實現農民持卡用電、方便用電 計費管理的三相智能卡式農灌用電能表。
為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是三相智能卡式農灌用電 能表，包括為系統各電子器件供電的電源，微控制器，所述微控制器的信號輸 入端分別電連接計量電路模塊、斷相報警模塊，與所述微控制器進行交互通訊
的智能CPU卡、作為存儲單元的SAM模塊，所述微控制器的信號輸出端電連接
的顯示模塊和控制繼電器模塊，其中
所述計量電路模塊包括A相計量模塊、B相計量模塊、C相計量模塊；A相
計量模塊包括相電流傳感器，與所述相電流傳感器電連接的信號放大器，與所
述信號放大器電連接的A/D轉換器，與所述A/D轉換器電連接的數字濾波器， 與所述數字濾波器電連接的功率計算器；所述A相計量模塊還包括相電壓傳感 器，與所述相電壓傳感器電連接的信號放大器，與所述信號放大器電連接的A/D 轉換器，與所述A/D轉換器電連接的數字濾波器，與所述數字濾波器電連接的 功率計算器；所述B相計量模塊和C相計量模塊與A相計量模塊的電路相同，且所述A相計量模塊、B相計量模塊和C相計量模塊各自的功率計算器電連接 至共同的累加器，所述累加器電連接功率脈沖轉換模塊，該脈沖信號經過分頻
器， 一路用于脈沖指示和校驗， 一路用于驅動數器和單片機計算電能；
所述電源模塊包括參數相同的A相變壓器、B相變壓器和C相變壓器，所 述A相變壓器、B相變壓器和C相變壓器的副邊的其中兩抽頭之間分別通過全 波整流后匯集，再通過阻容降壓穩壓，最后通過穩壓器、穩壓濾波電路來得到 微控制器電源+5V，同時在穩壓器前還抽出了一個12V的檢測電源，用以檢測供 電電源，該檢測電源輸入到看門狗電路，看門狗發出復位信號給微控制器；三 相變壓器原邊抽頭和模擬地共同通過三相全波整流、電容穩壓電路和穩壓器來
得到計量電源VCC和負電源VSS;
所述斷相報警模塊包括分別取樣于A相變壓器、B相變壓器和C相變壓器 的原邊中間抽頭，所述三個原邊中間抽頭分別通過電阻分壓得到電源缺相指示
信號，即A相、B相和C相的斷相信號；且在斷相時對應指示燈熄滅；
所述CPU卡和SAM模塊，都是帶有微處理器的E2PR0M，其內部掩膜有操作 系統TIMEC0S2.0，并采用DES加密方法，通過密鑰卡來修改安全認證模塊SAM 中的密鑰。
作為一種改進，所述智能CPU卡通過卡座和微控制器電連接，卡座上有一 對常開觸點，當CPU卡插入時，該常開觸點閉合。
由于采用了上述技術方案，可以進行三相三線、三相四線大電流、小電流 等各種情況下的正反向電能計量；另一方面，通過一表多卡、 一卡多表技術實 現多個用戶可用同一只表進行灌溉計費、也可以一個用戶在多只表上使用。試 驗證明，本實用新型可提髙農業灌溉的用電效率。
圖1是本實用新型的電能計量及指示部分原理框圖2是本實用新型的電源及電源管理部分原理框圖3是本實用新型的微控制器智能控制部分原理框圖4是本實用新型的智能存儲單元SAM模塊功能原理框圖；圖5是本實用新型的卡與微控制器接口電路原理框圖； 圖6是本實用新型的數碼管顯示電路原理框圖。
具體實施方式
本實施例的整體組成分主體部件和附加部件，主體部件為電能表本身，有 封閉式外殼包裝，底殼上有固定孔；附加部件為漏電保護器，漏電保護器是外 接在表后的用以斷開電機。主體部件按照功能又分為電源模塊、計量模塊、單 片機智能控制模塊、顯示模塊、卡與SAM模塊等。其中電源模塊是為整機提供 不同的電源，電源之間互不影響；計量模塊是通過電壓電流取樣網絡利用專用 電能計量芯片實現電能量的計量；單片機智能模塊是實現數據處理、信息傳遞、 預付費等功能；顯示模塊是顯示剩余電量、插卡信息等；卡與SAM模塊是實現 卡內信息與表內信息的互送，互送之前必須經過密鑰認證。以下結合各功能原 理圖為本電能表工作過程敘述。
圖1是本實用新型電能表的電能計量部分原理圖，其中電阻分壓網絡是通 過系列電阻將電壓信號調整到計量芯片需要的輸入信號范圍，然后在芯片內進 行增益放大、模數轉換，然后送到計算器；同時電壓采樣電路還設置短接部分 電阻來實現對計量誤差的調整。電流互感器電流取樣是將從相線進入的電流通 過外接負載電阻把電流信號轉換成電壓信號，然后將該信號經過增益放大、模 數轉換后送到計算器。計算器把代表負載電流和負載電壓的兩個電壓信號值相 乘，得到代表有功功率的值；三相有功功率值累加得到總有功功率，再經功率 脈沖轉換，把有功功率值轉換成與之成正比的脈沖群， 一路是正負脈沖， 一路 是正脈沖，根據需要可采集正負脈沖，也可采集正脈沖。本實用新型采集了正 脈沖，即不論功率方向都輸出正脈沖，該脈沖信號經過分頻器， 一路用于脈沖 指示和校驗， 一路用于驅動計數器和單片機計算電能。本實用新型即有計數器 指示用電量，又有數碼管顯示電量；計數器指示的是該村所有用戶的總消耗電 量，而六位數碼管顯示的是當前用戶的剩余電量，帶一位小數。該計量電路的 優點是高精度、高可靠性、寬負荷、低功耗、誤差曲線平直、節能節材等。
圖2是本實用新型的電源及電源管理部分原理圖，其中三相變壓器原邊抽頭2和模擬地3共同通過三相全波整流、電容穩壓電路和穩壓器來得到計量電 源Vcc和負電源Vss，同時還利用抽頭2通過電阻分壓得到電源缺相指示信號， 即A相、B相和C相的斷相信號，并通過發光二極管來進行指示；副邊抽頭4 和5之間先通過全波整流，再通過電容穩壓，最后通過穩壓器來得到微控制器 電源+5V，即數字電源，同時在穩壓器前還抽出了一個12V的檢測電源，用以檢 測掉電和控制繼電器。電源管理采用專門看門狗電路，通過檢測12V電源，輸 出VG喂狗信號或DD掉電、RESET復位信號。電源之間互相隔離、互不干擾，
有效的避免了信號通道中的干擾、增強了整機的抗擾度。
圖3是微控制器智能控制部分原理圖，這是整機中的核心智能部分。它實
現的功能主要是-
(1) 將采集到的計量脈沖通過設定的脈沖常數計算成電能，并且每走五度電 電表都要將內存中的數據往SAM模塊中存儲一次，因為SAM是一種帶CPU的智 能E2PR0M,數據不容易丟失，且保密性好。
(2) 預付費功能，即通過CPU卡、SAM模塊(即安全認證模塊，是一種智能 型E2PR0M，結構原理圖見圖5)和與之配套使用的售電系統進行電量預購或電 費預收；在數據傳遞過程中通過微控制器進行電表認證和電量認證，如果密鑰 不對，則拒絕讀取或寫入數據，所有數據都經過DES加密，安全性和保密性非 常好，這也是我們產品獨有的專利技術(專利號01261220.0)。
(3) —表多卡和一卡多表功能，它與普通的一卡一表式預付費電能表的最大 區別是在一定的區域內，同一張用戶卡可在不同的表上使用，同一只表也可 以認該村不同用戶的卡；并且用戶購一次電后，只要剩余電量不為零，可以使 用多次。即用戶卡在插入表內后可以用電，用完電后必須再插一次，才能使表 斷電，同時將當前用戶的剩余電量返寫到卡上，以便下一次繼續使用。本實用 新型具有數據回讀功能，即當電卡插入表內電表正確讀取數據后，能夠將表內 剩余電量回讀到電卡中，便于供電部門與用戶進行信息傳遞，保護供、用電雙 方的利益。同時電卡作為輔幣，由供電部門對不同的區域設置不同的密碼，保 證了用戶電卡只能在規定的范圍內使用。(4) 斷相檢測功能，通過專門檢測電路，進行斷相檢測并報警，防止斷相燒 壞電機，三相四線表銘牌上對應的A、 B、 C三相失壓指示燈，當電壓缺相時對 應指示燈熄滅；三相三線表銘牌上對應的AB、 BC相失壓指示燈，當電壓缺相時 對應指示燈熄滅。
(5) 繼電器控制功能，繼電器控制電路很簡單，主要是由一個三極管、電阻 和控制電源組成，若微控制器檢測到報警信號、超負荷、用戶用完電或電量為 零時都會發出一個跳閘信號來控制繼電器斷開，從而切斷外部連接的漏電保護 器，中止用戶用電。
(6) 掉電保存數據，在圖2電源及電源管理部分原理圖中，有一個掉電信號 DD，當微控制器檢測到該掉電信號時就開掉電中斷，將數據保存到SAM模塊中， 防止斷電后內存數據丟失。
(7) 數碼管顯示，電路原理圖見圖6，顯示信息有剩余電量、插卡反應信息 等，剩余電量帶一位小數顯示，這是在目前智能卡式電能表中唯一能顯示小數 電量的一款表。
圖4是智能存儲單元SAM模塊功能原理圖，CPU卡的內部結構同SAM模塊， 都是帶有微處理器CPU的特殊E2PR0M,其內部掩膜有操作系統TIMEC0S2.0，并 采用DES加密方法，通過密鑰卡來修改安全認證模塊SAM中的密鑰。在通過功 能CPU卡對表進行設置時，如清零、寫脈沖常數、走字，微控制器首先讀出卡 中的密鑰與SAM中的密鑰認證，若密鑰不同，則不響應卡的操作；只有卡中的 密鑰同SAM中的密鑰相同才可以進行操作。每個供電管理部門都可以設置自己 的密鑰，其用戶購電卡中的密鑰與SAM中的密鑰相同時用戶卡中的電量才能輸 入到表中，否則電表不予接收，極大的避免了因蓄意亂改數據造成的電量損失。
圖5是卡與微控制器接口電路原理圖，CPU卡是通過卡座來實現和微控制 器的接口，卡座上有一對常開觸點，當CPU卡插入時，該常開觸點閉合，產生 一個插卡中斷信號，微控制器開始響應中斷。中斷處理過程是先給卡上電、提 供卡時鐘，然后對卡復位，再讀取卡內數據，并將卡內的數據與SAM中的數據 比較，如果出現密鑰認證不符，則關閉中斷，不再響應該卡的操作。電卡使用壽命可達1000次以上，表內的電卡插座與表內通過的市電完全絕緣，可保證用
戶使用電卡時的安全性。
圖6是數碼管顯示電路原理圖，其中數碼管采用6位共陽極8段碼式LED， 通過地址編碼器選擇顯示哪一位，顯示的信息有剩余電量、插卡反應信息如 good、 E100、 E200等；剩余電量的顯示帶一位小數，可更精確的給予用戶電量 信息。
總之，本實用新型所述的三相智能卡式農灌用電能表即實現了電子式電能 計量、又實現了預付費功能、同時還滿足一卡多表和(或) 一表多卡要求。外 殼釆用全封閉設計，電表整體美觀，其技術性能和多用戶功能都遠遠超過了傳 統電能表。
本實用新型不局限于上述具體實例，凡是本技術領域的普通技術人員不經 創造性的勞動，從上述實施例直接推導出的技術方案，都將落入本實行新型的 保護范圍內，如更改電流互感器規格、刪減缺相報警等。
權利要求1.三相智能卡式農灌用電能表，包括為系統各電子器件供電的電源，微控制器，所述微控制器的信號輸入端分別電連接計量電路模塊、斷相報警模塊，與所述微控制器進行交互通訊的智能CPU卡、作為存儲單元的SAM模塊，所述微控制器的信號輸出端電連接的顯示模塊和控制繼電器模塊，其特征在于所述計量電路模塊包括A相計量模塊、B相計量模塊、C相計量模塊；A相計量模塊包括相電流傳感器，與所述相電流傳感器電連接的信號放大器，與所述信號放大器電連接的A/D轉換器，與所述A/D轉換器電連接的數字濾波器，與所述數字濾波器電連接的功率計算器；所述A相計量模塊還包括相電壓傳感器，與所述相電壓傳感器電連接的信號放大器，與所述信號放大器電連接的A/D轉換器，與所述A/D轉換器電連接的數字濾波器，與所述數字濾波器電連接的功率計算器；所述B相計量模塊和C相計量模塊與A相計量模塊的電路相同，且所述A相計量模塊、B相計量模塊和C相計量模塊各自的功率計算器電連接至共同的累加器，所述累加器電連接功率脈沖轉換模塊，該脈沖信號經過分頻器，一路用于脈沖指示和校驗，一路用于驅動計數器和單片機計算電能；所述電源模塊包括參數相同的A相變壓器、B相變壓器和C相變壓器，所述A相變壓器、B相變壓器和C相變壓器的副邊的其中兩抽頭之間分別通過全波整流后匯集，再通過阻容降壓穩壓，最后通過穩壓器、穩壓濾波電路來得到微控制器電源+5V，同時在穩壓器前還抽出了一個12V的檢測電源，用以檢測供電電源，該檢測電源輸入到看門狗電路，看門狗發出復位信號給微控制器；三相變壓器原邊抽頭和模擬地共同通過三相全波整流、電容穩壓電路和穩壓器來得到計量電源Vcc和負電源Vss；所述斷相報警模塊包括分別取樣于A相變壓器、B相變壓器和C相變壓器的原邊中間抽頭，所述三個原邊中間抽頭分別通過電阻分壓得到電源缺相指示信號，即A相、B相和C相的斷相信號；且在斷相時對應指示燈熄滅；所述CPU卡和SAM模塊，都是帶有微處理器的E2PROM，其內部掩膜有操作系統TIMECOS2.0，并采用DES加密方法，通過密鑰卡來修改安全認證模塊SAM中的密鑰。
2.如權利要求1所述的三相智能卡式農灌用電能表，其特征在于所述智 能CPU卡通過卡座和微控制器電連接，卡座上有一對常開觸點，當CPU卡插入 時，該常幵觸點閉合。
專利摘要本實用新型公開了一種三相智能卡式農灌用電能表，包括為系統各電子器件供電的電源，微控制器，所述微控制器的信號輸入端分別電連接計量電路模塊、斷相報警模塊，與所述微控制器進行交互通訊的智能CPU卡、作為存儲單元的SAM模塊；可以進行三相三線、三相四線大電流、小電流等各種情況下的正反向電能計量；另一方面，通過一表多卡、一卡多表技術實現多個用戶可用同一只表進行灌溉計費、也可以一個用戶在多只表上使用。試驗證明，本實用新型可提高農業灌溉的用電效率。
文檔編號G07F15/06GK201060514SQ20072002139
公開日2008年5月14日 申請日期2007年5月12日 優先權日2007年5月12日
發明者杰 吳, 吳金星, 莊道強, 煒 王, 范成軍, 馬華麗 申請人:五洲明珠股份有限公司濰坊浩特電氣分公司