电子式预付费电能表是以电能计量专用芯片和微处理器为核心的基础上设计的，本设计的电能表具有如下功能:
用电量采集和累计功能:采用电能计量专用芯片AD7755进行电压、电流信号的采样、相乘、电压/频率转换，微处理器累计AD7755输出的脉冲个数，并对累计用电量和剩余电量进行处理。自动控制功能:系统在一定条件下自动断电(当剩余电量小于断电限度值)或供电(当剩余电量大于断电限值)。
报警功能;当剩余电量低于报警限度值时，系统将发出报警信号提醒用户即时购电。 显示功能 :当用户需要了解电能表的状态时，只需按下显示按钮，即可显示累计购买电量、剩余电量、累计用电量等信息。
信息辨识功能:系统能够辨识用户使用的卡是否为伪卡，并判断是参数卡还是用户卡，还要区分是否为该表所对应的卡。当读出表中的信息后，通过解密，判断卡中的信息是否合法。
数据回读功能;系统在读卡的同时，还要把用户的总用电量、剩余电量等信息写入卡中，在用户下次购电时，把这些信息返回上位机。
2.3 电子式预付费电能表的操作流程
电子式预付费电能表的操作流程一般是这样的: (1) 管理部门为用户安装电子式预付费电能表;
(2) IC卡电能表管理系统软件登记用户信息，完成用户开户;
(3) 管理部门通过读写器为用户制作用户卡，写入必要的运行参数信息;
(4) 用户将用户卡插入IC卡电能表，将运行参数信息写入表内，同时将表内数据返写
到用户卡;
(5) 当满足一定条件时，IC卡电能表闭合控制开关，允许用户用电，条件不满足时，IC
卡电能表断开控制开关，不允许用户用电;
(6) 用户持用户卡到管理部门缴费充值，IC卡电能表管理系统通过IC卡读写器将表返
回信息读入系统进行结算分析，同时将新的运行参数传递到用户卡中。 (7) 用户再次将用户卡插入IC卡电能表，获得电能的使用权。
2.4 电子式预付费电能表系统结构
系统的整体结构主要由以下几部分组成:电量采集电路、微控制器电路、微控制器监控电路、电源电路、存储器电路、IC卡接口电路、继电器接口电路、显示电路等。系统的整体结构框图如图2.2所示。
电量采集电路:电量采集电路由电能计量芯片ADE7751、分压器和分流器组成，完成电能的采样、计量，以电脉冲信号的形式输出。
微控制器电路:是整个系统的核心部分。微控制器的选择要考虑稳定性、运行速度、
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价格、功耗等因素。
存储器电路:存储表号、用户类型、用电量等参数。 微处理器监控电路:监测系统电源和程序的运行状态。 IC卡接口电路:是IC卡与微控制器的接口。
显示电路 :显示本次购买电量、剩余电量、累计用电量等信息。 继电器接口电路:控制供电主回路的通断。
微微微微微微微微微微微微微微 微微 微ADE7751微 微微 微IC微微微微微微微微微微微微微微微微微微微微微微微微220V微微微微微微
图2.2 系统整体结构框图
第3章 电子式预付费电能表的硬件设计
本章主要介绍电子式预付费电能表的硬件电路设计及防窃电改进。将把电子式预付费电能表分为电量采集电路、微处理器电路、存储电路、微处理器监控电路、IC卡及其接口电路、显示电路、继电器接口电路、电源电路，现分别进行说明。
3.1 电量采集电路
3.1.1 电能计量芯片的选择
普通家用单相电子式电能表的工作原理框图如图3.1，其所用的电能表集成电路的
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输入电路仅有一个电流输入通道和一个电压输入通道。电流采样电路利用串联在相线中的电流互感器CT采样到电流信号I,它和电压采样电路采样到的电压信号U被送到集成电路中的电流输入通道和电压输入通道。在集成电路内部完成电能计量，并输出脉冲序列，驱动步进电机计数器计数。如果采用LED或LCD显示器显示电量数据，还需要在脉冲输出端加一个单片机(CPU)，完成计数、数据存储及驱动显示等功能。
电压采样CT电流采样普通单相电子式电度表用集成电路步进电机计数器单片机（CPU）AC INLCD或LED
图3.1 普通单相电子式电能表的原理框图
对这种电能表，常见的窃电方式有如下几种(参考图3.1)。
(1)电流反向窃电:如果将电能表的进线和出线接反，流经CT的电流方向就发生了变化，原功率为:
P = UIcos? （3.1） 这时由于电流反向而使功率变为:
P = Ulcos（180°-?）= - UIcos? （3.2）
由于集成电路对于负向功率不产生脉冲输出或输出反转脉冲，从而实现窃电。 (2)短接CT窃电:在CT初级两端跨接一根短路线，使流经CT的电流被分流而减小.即采样电流减小，从而达到窃电的目的。
(3)一线一地方式窃电:将进线中的相线和零线交换位置，此时CT相当于接在零线上，再将负载电流接入大地而不经过零线返回，使CT中采样不到电流信号，实现窃电。
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图3.2 ADE7751内部结构图如图
正是因为有了以上各种窃电方法，电表的防窃电需求也就体现了出来，因此本设计在电子式预付费电能表的芯片选择上采用具有防窃电功能的专用集成电路，如Analog Devices公司的单相电子式电能表用集成电路ADE7751构成的电能表来防窃电，现分析如下。
图3.2中的ADE7751与图3.1中普通电子式电能表用集成电路(不含防窃电功能)的主要区别是:ADE7751电流输入回路有两个模拟输入通道V1A和V1B，分别采样电网相线电流和零线电流。ADE7751还具有比较和选择电路，通过对相线电流和零线电流进行不间断的监测，比较两个采样电流，当两路电流差大于12.5%时显示故障并选择两个采样电流中较大的一个来完成电量计量，从而实现防窃电设计的目的。
3.1.2 外围电路的设计
ADE7751配合图3.3所示的外部输人电路即具有一定的防窃电功能。
从图3.3可见，相线和零线上均接有CT,采集到的电流分别从V1A,V1B输入到集成电路中.电压回路通过电阻分压的方式采集到的电压信号送入电压输入通道V2P。
3.1.3 电量采集电路的防窃电分析
根据ADE7751的内部结构和外围电路设计可知其具有以下防窃电功能。
(1)防电流反向窃电:由于ADE7751不但能把正向有功功率转换成脉冲输出，同时也能把负向有功功率转换成与正向有功功率方向一致的脉冲输出，因此不管采样到的电压、电流的方向如何，均可实现累加计量电量。
(2)防短接CT及一线一地方式窃电:在短接CT窃电时(图3.4)。
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R7C4CTR6CTR5R4C3R3R2C2R1C1
图3.3 由 ADE7751组成的电能表的外围电路
电流C被分流，所以流经CT1的电流Ip1 15