摘要：在學(xué)生宿舍傳統(tǒng)的電子式電表上，結(jié)合單片機和非接觸式IC卡的功能，設(shè)計一種基于單片機的非接觸式IC卡預(yù)付費電表的加裝模塊，從而在不更換電度表的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一種先繳費，后用電的預(yù)付費用電方式，使學(xué)生宿舍的電費實現(xiàn)更高效的管理。

0 引言

我校的學(xué)生宿舍條件較為落后，受辦學(xué)經(jīng)費緊張的制約，宿舍投入較少，學(xué)生用電的模式還是以前的先用電后付費，電費需要人工操表計算，學(xué)生交電費也常常排長隊，甚至還有不少欠學(xué)校電費的學(xué)生，電費管理相當(dāng)?shù)钠D難。本設(shè)計是在宿舍原電子式電表的基礎(chǔ)上，通過加裝預(yù)付費模塊，從而實現(xiàn)先付費后用電的模式。這樣既不浪費原來的電表，投入小，又能徹底地解決以上幾方面的問題。

1 預(yù)付費系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程

1.1 預(yù)付費模塊加裝在電表與用戶兩者之間，實現(xiàn)對用戶的用電控制。

1.2 預(yù)付費用電過程主要包括預(yù)付費和用戶用電兩個過程。

①預(yù)付費過程：學(xué)生可持IC卡到學(xué)校后勤部門買電，購買到的電量儲存在IC卡上。

②用戶用電過程：學(xué)生將存有電量的IC卡靠近加裝模塊的數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域，系統(tǒng)會自動地將卡上的電量傳到模塊的儲存器上，同時IC卡上的電量被清零。模塊上的顯示器會顯示電表的用電情況和剩余電量，當(dāng)預(yù)存電量將要用完時，模塊將會亮起紅色的報警信號，通知學(xué)生及時再次持卡購電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該模塊的功能由單片機控制，實現(xiàn)存電、計電、顯示、斷/送電等功能，并加上一個射頻識別系統(tǒng)的工作，完成非接觸式IC卡讀寫。控制斷送電源工作是由繼電器電路完成；電量計算由電能計量電路（ADE7755） 完成；為單片機供給直流電源由穩(wěn)壓電源電路完成；EEPROM電路完成存儲用戶用電量和剩余電量的數(shù)據(jù)的功能；顯示功能由四位LED顯示電路完成；IC卡的工作由射頻識別系統(tǒng)電路完成。

2.1 HT48R50A-1 單片機的使用。可以用于本設(shè)計的單片機非常的多，常用的就有ATMEL 的AT89C51，而本設(shè)計采用臺灣HOLTEK（合泰）的HT48R50A-1。該單片機是一款八位高性能精簡指令集單片機，專為多輸入輸出控制的產(chǎn)品設(shè)計，擁有低功耗、I/O口穩(wěn)定性高、定時器功能、振蕩選擇、省電和喚醒功能、看門狗定時器、蜂鳴器驅(qū)動、以及低價位等優(yōu)勢，可以廣泛地適用于各種應(yīng)用，例如工業(yè)控制、消費類產(chǎn)品、子系統(tǒng)控制器等[1]。

2.2 射頻卡讀/寫器介紹。射頻卡讀/寫器的關(guān)鍵芯片是射頻卡基站芯片，它主要用于完成數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)射和射頻的接受以及數(shù)據(jù)的調(diào)解任務(wù)。本設(shè)計采用由ATMEL 公司生產(chǎn)的U2270B 芯片，它是一種低成本、性能完善的低頻（100～150kHz）射頻卡基站芯片。

2.3 電表電能計量電路。本設(shè)計中的電子式電能表使用的是ADI 公司的AD7755。從電流傳感器和電壓傳感器傳來的電流和電壓信號分別由兩個16位的A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。電流通道中的高通濾波器用于濾除電流信號中的直流分量，以便消除直流分量對有功功率計算的影響。電壓信號則與電流信號在乘法器相乘后，輸出信號經(jīng)低通濾波器濾除其中的交流分量.剩下的直流分量即為瞬時有功功率。此信號經(jīng)過數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成比例的低頻脈沖信號并從F1 和F2 端輸出。這樣CF 端輸出的脈沖頻率就與瞬時有功功率成比例[3]。
頻率輸出CF 端連接單片機計數(shù)器，單片機在內(nèi)部定時器設(shè)定的積分時間內(nèi)對CF 輸出的脈沖計數(shù)，平均功率正比于平均頻率，由下式確定：

平均功率=平均頻率=脈沖個數(shù)/積分時間

在一個積分周期內(nèi)消耗的電能為：

電能=平均功率×積分時間=（脈沖個數(shù)/積分時間）×積分時間=脈沖個數(shù)

2.4 穩(wěn)壓電源電路。本設(shè)計的穩(wěn)壓電源電路是采用的是小功率單相橋式整流濾波電路，主要為單片機HT48R50A-1 和AT24C02芯片（EEPROM）提供5V電壓。

2.5 顯示電路。本設(shè)計的顯示電路是一個由動態(tài)掃描方式來控制實現(xiàn)顯示的四位共陰極七段顯示器，主要是用來顯示用戶的用電量和剩余電量。其中，用電量和剩余電量都是分二段顯示，每一段都顯示四位。而所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮各位顯示器。

2.6 繼電器電路。本設(shè)計的繼電器電路是采用磁保持繼電器（MB302）來實現(xiàn)對接觸式IC卡預(yù)收費電度表的用戶供電的控制，即控制用戶用電的斷開與接通。而磁保持繼電器的觸點開、合狀態(tài)由永久磁鋼產(chǎn)生的磁力保持，當(dāng)繼電器的觸點需要開（或合）狀態(tài)時，僅需要用正（或反）向直流脈沖電壓激勵線圈，繼電器即可完成開（或合）的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。此時，線圈不需繼續(xù)通電，僅依靠永久磁鋼的磁力來保持繼電器的狀態(tài)。對于磁保持繼電器的控制，需要一定能量的雙向脈沖信號驅(qū)動才能完成接通和切斷的動作。

2.7 EEPROM 電路。本設(shè)計的EEPROM 電路是采用常用串行EEPROM 存儲芯片AT24C02，它具有I2C 總線接口功能，功耗小，電源電壓寬（2.5~6.0V），工作電流約為3mA，靜態(tài)電流隨電源電壓不同為30~110uA。在本設(shè)計中，AT24C02 主要用來保存用戶的用電量和剩余電量的數(shù)據(jù)。單片機一方面在用戶用電的過程中隨時對AT24C02 進行讀寫從而獲得用戶用電的數(shù)據(jù)，另一方面通過計數(shù)器對ADE7755 輸出的脈沖進行計數(shù)，從而動態(tài)地完成用戶的電能計量的功能。

3 結(jié)束語

總之，把非接觸式IC卡與計量準(zhǔn)確度比較高的電子式電度表相結(jié)合，以單片機作為主控單元來控制和實現(xiàn)預(yù)付費和顯示電量的功能。在改動小，成本低，投入少的情況下，通過加裝模塊實現(xiàn)了預(yù)付費的管理功能，方便了學(xué)生和后勤管理人員。

參考文獻：

[1]HOLTEK Semiconductors. HT48R50A-1/HT48C50-1，F(xiàn)eb 19[Z].2004.

[2]賈振國，許琳.射頻卡基站芯片U2270B 的原理及應(yīng)用[J].國外電子元器件，2004.

[3]深圳市凱晟科技有限公司：http://www.chinaiccard.com/.

[4]黃偉.電能計量技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5]陳明熒.8051 單片機課程設(shè)計實訓(xùn)教材[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.