基于智能卡的农灌电控计量装置

　

摘要：介绍了由三相电能表、IC卡读写装置、单片机及三相交流接触器等组成的集IC卡预付费、电能计量和用电量控制功能的电控计量箱。该装置使用接触式CPU智能卡作为用电量控制的信息载体，实现了预先支付电费、持卡消费的用电管理模式，解决了多用户分时用电的计量和收费问题。

关键词：接触式智能卡 单片机 电能计量 智能电控计量
　　1 概述
　　在农田水利灌溉中，往往采用固定机井或固定水泵对不同用户分时供水的方式，在供水过程中不可避免的会出现用电计量和收费问题。通常所采用的方法是计录电能表的读数，过后再根据水泵使用的时间分摊电费，这种方法计量误差大，不能真实的反应实际的用电量情况，给用水管理带来很多不必要的麻烦和纠纷。这里介绍一种在传统电控计量箱的基础上，增加用电量的数据采集装置，采用IC卡技术，实现一户一卡、预付电费、持卡消费的用电管理方法。每个用户都有一个IC卡，用水前先到用电管理部门或用电委托管理部门在卡上预付电费，然后，在电控计量箱上插卡用电，电能表计量用电情况，并将消耗的电量从IC卡上扣除，当卡上的预付电费扣除完，控制单元控制接触器动作切断电源停止供电。当用户用电完毕时，可将IC卡从电控计量箱卡槽内取出，控制单元也控制接触器动作切断电源停止供电。采用这种方法解决了用电过程中的各种不合理现象，避免了纠纷的发生，同时也提高了用电的信息化管理水平。下面介绍装置的具体结构和工作原理。
　　2 系统的总体结构和设计思路
　　传统的电控计量箱由电能表、刀闸开关、保险丝和接线端子等组成，根据计量箱内的机械式电能表的读数来收取电费。针对上面提到的传统电控计量箱的所存在的问题，增加了以下单元组成IC卡智能电控计量箱：
　　电能表转盘的脉冲采样和脉冲远传装置；
　　单片机组成中央控制单元，负责用电量的采样、IC卡的管理和输出控制；
　　IC卡的读写装置；
　　控制用电量的执行机构。
　　IC卡智能电控计量箱采用具有脉冲远传功能的机械式三相电能表作为用电计量的控制依据，采用AT89C2052单片机组成的电控计量箱的中央控制单元，IC卡采用CPU智能卡作为信息载体，通过中央处理单元采样电能表的走字情况，并从IC卡上扣除消耗的电量，根据读取IC卡上存储的预付费电量情况，控制中间继电器和交流接触器等实现用电量的IC卡预付费控制。图1是系统的总体框图。

　　380V交流电的A、B、C三相分别接入电能表输入端，三相电能表输出端通过接触器C的三对常开触点输出三相交流电能。交流接触器C的吸合线圈受中央控制单元中的5V直流继电器和中间继电器控制，当不插卡时，交流接触器释放断开输出回路。当插卡时，中央控制单元首先读入IC卡上预付电费情况，控制交流接触器吸合接通三相交流回路。电能表计量电能消耗，并将计量的用电量以脉冲的形式输入中央控制单元，中央控制单元将脉冲信号转换成电能读数，以0.01 kWh为一个计量单位，对IC卡的预购电量进行扣除，直到预购电量用完，接触器C释放切断输出电源。在使用过程中取出IC卡，接触器C也会释放触点切断输出。
　　3 中央控制单元的原理框图及硬件结构
　　中央控制单元由AT89C2051单片机、脉冲采样单元、IC卡读写单元、LED数码显示单元、EEPROM存储器单元、交流接触器控制单元等部分组成，图2是中央控制单元的系统框图。

　　3.1 用电量的数据采样及脉冲远传方式
　　电能计量使用传统的转盘式三相电能表，电能的计量来自于转盘的旋转圈数，在电能表转盘的相应位置开一小孔，采用光电耦合式传感器检测转盘转动过程中透光和遮光次数，转盘每旋转一圈，完成一次遮光和透光，光电接收端就会输出一个脉冲，并输入到中央控制器进行处理。记录脉冲的个数就会间接检测出铝盘转过的圈数，从而根据圈数与用电量的关系计算出用电量。图3是脉冲检测的电路原理图。

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　　3.2 中央控制单元的硬件设计
　　中央控制单元由89C2052单片机、CPU卡读写装置、电能表脉冲计量单元、接触器控制部分、AT24C02 EEPROM、数码显示单元及电源等部分组成。具体电路图见图4。

　　智能卡电控计量箱采用插卡供电，取卡停电的工作方式，插卡后系统显示CPU卡上预购的电量，在用电过程中，不断从CPU卡上扣除消耗的电量，显示卡上剩余电量。在电控计量箱工作过程中，单片机与CPU卡通过串行接口随时交换信息。
　　AT24C02 EEPROM用于存放用户的密码信息、用户的用电信息以及脉冲当量与用电量的换算关系等。四位LED数码显示用于时实显示CPU卡上剩余电量数、错卡信息、故障信息等，使用户能够掌握电控计量箱的工作状况和卡上的剩余电量情况。
　　供电控制采用三级继电器控制，即单片机P1.7通过三极管T3控制直流继电器J的吸合与释放，直流继电器J的常开触点控制中间继电器Z的吸合线圈，中间继电器Z的常开触点控制交流接触器C的吸合线圈，接触器C的常开触点控制计量箱三相交流电源的输出。


4 系统的软件设计
　　图5为系统软件总体框图，而系统应用软件包括：
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