TM智能单相预付费电能表

摘 要：针对目前用电收费管理中的一些问题，研制出一种基于PIC单片机的智能预付费电能表。详细介绍了系统组成和功能特点。该电能表采用更安全、耐用和方便的TM电卡作为信息载体来代替传统的IC卡。

关键词：预付费电能表；PIC单片机；1线传输协议；TM电卡

0 引言

近年来大规模进行的城乡电网建设与改造工程给电工仪器仪表行业带来了不可多得的机遇。在传统的用电管理中，采用的是每月抄表、收费、用电统计，当电表普及到千家万户后，用电管理方式发生很大的变化，电表总量大幅度增加，欠费现象普遍发生，抄表收费用电统计难度加大，为此，电业部门积极寻求新的管理方式来解决这一问题。采用预付费方式是解决上述问题的良好方案。TM智能单相预付费电能表是在感应式电能表的基础上加装控制系统，成功实现电量预售、自动计量、用电控制和防窃电等功能。能够及时收回资金，免除人工抄表收费等手续。

1 主要功能及特点：

用电控制，当表内剩余电量为零自动切断用户供电，并显示0000，输入电量后自动恢复供电；电量累加，新购电量与表内剩余电量能够累加；欠压保护，当电源电压低于交流170V时，自动切断用户供电，并显示LLLL；防窃电保护，在有窃电行为5分钟以上时自动切断用户供电，并显示AAAA，这时需要用电管理部门通过专用功能扣解决，否则，将不能用电；过流控制，当负荷电流超过1.1I_max+1A 5分钟以上时自动切断用户供电，并显示CCCC，由软件实现；数据保持与恢复，供电线路停电时，表内所存数据及信息能够长期保存，来电后，自动恢复正常工作状态；防伪功能，按“一表一扣”设计，既第一次碰表的纽扣为本电表的信息扣，非本电表信息扣碰表时，电表不接受指令；电量不足报警，在剩余电量不足30度时，显示器闪烁，提醒用户需要考虑购电。

2 硬件系统组成：

2.1处理器采用Microchip公司PIC16C57单片机。PIC单片机采用哈佛总线和精简指令集，指令少，开发周期短，指令执行速度比一般的单片机快4~5倍，具有低功耗，低价实用特点。PIC16C57有33条指令，2K的内部程序存储器（ROM），72个内部寄存器（RAM），内带一个看门狗（WDT）和一个8位定时器/计数器（RTCC），20个双向可编程I/O口。预分频器分给WDT使用，分频比为1︰128。PIC16C57没有中断响应，需要将RTCC接到采样电路作为计数器用，来记录电表转数；由于对外部频率要求不很严格，故采用低价的RC振荡方式，振荡频率930KHz；RB₀—RB₇输出要显示的数码段值，RA₀—RA₃通过反向器74LS04来选通数码管，用循环方式显示数码管；RC₇用来与TM通讯；RC₆ 、RC₅ 、RC₁用来与BR24C02通讯，RC₁ 接测试引脚，RC₆ 接SDA引脚，RC₅ 接SCL引脚；RC₄ 、RC₂ 用来控制继电器的开、关；RC₃用来检测低电；RC₀用来检测窃电。

2.2 采用美国Dallas公司的iButton DS1991信息纽扣作为用户信息扣，用来记载用户编号、站点号、购电量、密码等信息。用电管理部门通过运行在计算机上的售电管理软件将用户所购电量加密后连同其它信息写入扣中。

iButton纽扣又叫TM电卡，采用不锈钢外壳封装，外形象一只纽扣电池，可以加一个塑料把柄或嵌在钥匙环上，携带方便。与IC卡相比具有抗撞击、防水渍、耐腐蚀、抗磁扰、防折叠等显著特点，即使恶劣的环境也能应用。具有激光刻蚀的64位全球唯一标识码，易于识别。有3个独立的、大小为384Bit的子密匙区和一个数据暂存区，每个子密匙区都有64Bit密码和识别码，可以保证内部数据不可破译，数据可保持10年以上。其特有的1-Wire通信协议使得其存取数据极为方便，轻轻一碰，即可完成。

1线通讯协议对时序有严格要求，在单线上可以有4种状态：复位脉冲和应答脉冲；写0；写1；读数据。具体过程如下：PIC16C57首先发1个大于480µs的低电平复位脉冲，然后释放总线进入接收状态，总线通过1个上拉电阻拉为高电平。DS1991在检测到上升沿后等待15~60µs发出60~240µs的低电平应答脉冲。PIC16C57检测到后就发出读或写信号，先将总线驱动为低电平，过一定时间再释放，使其为高电平，总线的下降沿将同步DS1991，并触发其内部的1个延时电路，在写期间，延时电路决定DS1991何时对数据线进行采样。在读时，如果传输的是0， 延时电路决定DS1991保持数据线为低的时间高于PIC16C57写1 时间，如果数据位是1 ，则DS1991保持数据线不变。用到的命令有读ROM（33H）、读子密匙区（66H）、写子密匙区（99H）。在读写子密匙区时，PIC16C57先发送读或写命令，然后读DS1991传回的识别码，接着写回密码，如果密码不正确，写过程就会停止，读过程DS1991会传回随机数据。

2.3 由于PIC16C57内部没有EEPROM，所以外接BR24C02，它具有256Byte存储空间，可擦写10万次以上，数据保持10年。以00—0E为地址单元中存放用户编号、密码等信息。用3个字节存放剩余电量，1个字节存放窃电过流等标记位，4个字节存放用户用电总量。首次使用时存放在以10—17为地址单元中，10值存放在0F单元中，以后每次新购电量后0F单元内的值加8，直至满FF后由程序改为10。这不仅延长存储器使用寿命，也记录用户用电的历史情况。

BR24C02采用I²C总线与PIC16C57交换数据。I²C总线是一种二线制串行传输总线，具有占I/O口少，控制方式简单，信号传输速度快等特点。总线分为数据线（SDA）和时钟线（SCL）。通讯过程为：PIC16C57发出开始信号；接着传送出1Byte的地址信息，其中最低位为读写控制码，1为读，0为写，高7位为地址码；BR24C02发出认可信号；发送者开始发送信息，每发完1Byte后接收者发出认可信号给发送者；PIC16C57发出停止信号。

2.4 显示器采用LD2453CX共阴极LED数码管，用来显示购电总量、余量等，显示范围为：0.0—999.9KW.h，显示精度为0.1KW.h；左上方DP为窃电标记灯，右下方DP为采样标记灯。正常用电时数码管不亮，碰扣后或电量不足时亮。

用电采样电路采用反射式红外线光敏对管CNY—70作为传感器来采样电能表的转数，电能表的铝盘每转一圈采样一次，发一个低电平脉冲给PIC16C57的RTCC计数器，同时采样标记灯闪烁一次。

窃电检测电路在检测到电表的火线引入端与内部电压线包接线端之间的铜片连接断开以及火线与零线电流不平衡时，会输出高电平，送入处理器并通过反向器点亮窃电标记灯。

整流电路输出+5V直流电压。低电检测电路用来实现电源欠压保护，在正常时输出高电平，在电源电压偏低时会输出低电平给控制器，程序在检测到后会自动切断用户供电。

继电器控制电路用来放大来自控制器的开、关继电器的信号。该电路能够保证在控制器受到人为攻击或其它原因而损坏时自行关断继电器。系统原理如图1所示。

3 软件设计：

系统在上电后进行初始化，从BR24C02中读入剩余电量和户号等信息放入片内RAM中。 无扣时如果电量不为0，则循环用电计量程序，为0时自动切断电源。在用电过程中电量是按0.01度递减的，对不同规格电表每转几圈减一次有所不同，对5（20）A电表，每度电转720圈，是按前四次每7圈减0.01度，第五次8圈减0.01度进行的，一共36圈减0.05度，由程序控制。

由于RTCC分给采样电路作为计数用，程序没有定时器可用，因此是根据程序循环的次数来计算时间的，借以判断有窃电行为或负荷过流时是否超过5分钟。为避免频繁显示而又能在电量小于30度时显示以提醒用户电量不足，还不影响程序执行一次的时间，程序在电量大于30度时，送给数码管显示的是空数码段，实际上不显示，以此保证程序在不同情况执行时间相同。

当检测到TM座上有信息扣时，进入读扣处理程序分支，判断是否是本表的信息扣。如果不是，就返回到循环程序的入口处，是就将扣中信息读入片内RAM中，并对电量解密。如果电量为0，则只显示剩余电量和用电总量，然后返回。如果有电量，则判断电量值是否在1000度内，是就清空扣中电量，并将用户购买电量加上剩余电量后写入BR24C02中，显示现有电量和用电总量后返回。由于程序在电量大于30度时不显示，所以用户可以插入自家信息扣来查看还有多少电量以及用电总量，以决定是否需要购电。程序主流程见图2。

4 结束语：

TM智能单相预付费电能表经过长期的实验和测试，证明性能稳定，运行可靠。配合界面友好、功能完善的售电管理软件，是解决目前用电管理难的新途径。该电表符合JB/T8382—1996、GB/T15283—1994国家标准，现已批量生产。