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摘要：介紹了由三相電能表、IC卡讀寫裝置、單片機及三相交流接觸器等組成的集IC卡預付費、電能計量和用電量控制功能的電控計量箱。該裝置使用接觸式CPU智能卡作為用電量控制的信息載體，實現了預先支付電費、持卡消費的用電管理模式，解決了多用戶分時用電的計量和收費問題。

關鍵詞：接觸式智能卡單片機電能計量智能電控計量

1概述

在農田水利灌溉中，往往采用固定機井或固定水泵對不同用戶分時供水的方式，在供水過程中不可避免的會出現用電計量和收費問題。通常所采用的方法是計錄電能表的讀數，過后再根據水泵使用的時間分攤電費，這種方法計量誤差大，不能真實的反應實際的用電量情況，給用水管理帶來很多不必要的麻煩和糾紛。這里介紹一種在傳統電控計量箱的基礎上，增加用電量的數據采集裝置，采用IC卡技術，實現一戶一卡、預付電費、持卡消費的用電管理方法。每個用戶都有一個IC卡，用水前先到用電管理部門或用電委托管理部門在卡上預付電費，然后，在電控計量箱上插卡用電，電能表計量用電情況，并將消耗的電量從IC卡上扣除，當卡上的預付電費扣除完，控制單元控制接觸器動作切斷電源停止供電。當用戶用電完畢時，可將IC卡從電控計量箱卡槽內取出，控制單元也控制接觸器動作切斷電源停止供電。采用這種方法解決了用電過程中的各種不合理現象，避免了糾紛的發生，同時也提高了用電的信息化管理水平。下面介紹裝置的具體結構和工作原理。

2系統的總體結構和設計思路

傳統的電控計量箱由電能表、刀閘開關、保險絲和接線端子等組成，根據計量箱內的機械式電能表的讀數來收取電費。針對上面提到的傳統電控計量箱的所存在的問題，增加了以下單元組成IC卡智能電控計量箱：

電能表轉盤的脈沖采樣和脈沖遠傳裝置；

單片機組成中央控制單元，負責用電量的采樣、IC卡的管理和輸出控制；

IC卡的讀寫裝置；

控制用電量的執行機構。

IC卡智能電控計量箱采用具有脈沖遠傳功能的機械式三相電能表作為用電計量的控制依據，采用AT89C2052單片機組成的電控計量箱的中央控制單元，IC卡采用CPU智能卡作為信息載體，通過中央處理單元采樣電能表的走字情況，并從IC卡上扣除消耗的電量，根據讀取IC卡上存儲的預付費電量情況，控制中間繼電器和交流接觸器等實現用電量的IC卡預付費控制。圖1是系統的總體框圖。

380V交流電的A、B、C三相分別接入電能表輸入端，三相電能表輸出端通過接觸器C的三對常開觸點輸出三相交流電能。交流接觸器C的吸合線圈受中央控制單元中的5V直流繼電器和中間繼電器控制，當不插卡時，交流接觸器釋放斷開輸出回路。當插卡時，中央控制單元首先讀入IC卡上預付電費情況，控制交流接觸器吸合接通三相交流回路。電能表計量電能消耗，并將計量的用電量以脈沖的形式輸入中央控制單元，中央控制單元將脈沖信號轉換成電能讀數，以0.01kWh為一個計量單位，對IC卡的預購電量進行扣除，直到預購電量用完，接觸器C釋放切斷輸出電源。在使用過程中取出IC卡，接觸器C也會釋放觸點切斷輸出。

3中央控制單元的原理框圖及硬件結構

中央控制單元由AT89C2051單片機、脈沖采樣單元、IC卡讀寫單元、LED數碼顯示單元、EEPROM存儲器單元、交流接觸器控制單元等部分組成，圖2是中央控制單元的系統框圖。

3.1用電量的數據采樣及脈沖遠傳方式

電能計量使用傳統的轉盤式三相電能表，電能的計量來自于轉盤的旋轉圈數，在電能表轉盤的相應位置開一小孔，采用光電耦合式傳感器檢測轉盤轉動過程中透光和遮光次數，轉盤每旋轉一圈，完成一次遮光和透光，光電接收端就會輸出一個脈沖，并輸入到中央控制器進行處理。記錄脈沖的個數就會間接檢測出鋁盤轉過的圈數，從而根據圈數與用電量的關系計算出用電量。圖3是脈沖檢測的電路原理圖。

3.2中央控制單元的硬件設計

中央控制單元由89C2052單片機、CPU卡讀寫裝置、電能表脈沖計量單元、接觸器控制部分、AT24C02EEPROM、數碼顯示單元及電源等部分組成。具體電路圖見圖4。

智能卡電控計量箱采用插卡供電，取卡停電的工作方式，插卡后系統顯示CPU卡上預購的電量，在用電過程中，不斷從CPU卡上扣除消耗的電量，顯示卡上剩余電量。在電控計量箱工作過程中，單片機與CPU卡通過串行接口隨時交換信息。

AT24C02EEPROM用于存放用戶的密碼信息、用戶的用電信息以及脈沖當量與用電量的換算關系等。四位LED數碼顯示用于時實顯示CPU卡上剩余電量數、錯卡信息、故障信息等，使用戶能夠掌握電控計量箱的工作狀況和卡上的剩余電量情況。

供電控制采用三級繼電器控制，即單片機P1.7通過三極管T3控制直流繼電器J的吸合與釋放，直流繼電器J的常開觸點控制中間繼電器Z的吸合線圈，中間繼電器Z的常開觸點控制交流接觸器C的吸合線圈，接觸器C的常開觸點控制計量箱三相交流電源的輸出。

4系統的軟件設計

圖5為系統軟件總體框圖，而系統應用軟件包括：

初始化程序：RAM單元的清零和參數預置、單片機的異步串行通信工作方式設置、中斷設置、定時器設置、CPU卡的上電復位和下電復位、系統的自檢等；

顯示及監控程序：初始化完成后，單片機檢測卡座是否有卡，等待插卡操作，同時顯示系統的工作狀態；

CPU卡讀寫操作程序；

用電量采集程序：檢測電能表輸出的反映實際用電量的脈沖，并將脈沖換算成電量，當電量達到0.01kWh時，從卡中扣除所使用的電量；

輸出控制程序：卡座內無卡或卡上無剩余電量時，控制接觸器切斷供電輸出。

5結論

基于CPU卡的農灌電控計量箱采用IC卡作為信息載體、預存電費、插卡用電，解決了多用戶用電計量的收費問題，這種用電控制方式也適用于集市等公共用電場合的多用戶用電計量。目前，可供選用的IC卡的種類很多，有接觸式、非接觸式和TM卡等存儲器卡、邏輯加密卡、CPU卡。各種IC卡都有其優缺點。這里選用CPU卡是考慮了卡的擴展性、保密性和價格等因素。