摘要：在學(xué)生宿舍傳統(tǒng)的電子式電表上，結(jié)合單片機(jī)和非接觸式IC卡的功能，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的非接觸式IC卡預(yù)付費(fèi)電表的加裝模塊，從而在不更換電度表的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一種先繳費(fèi)，后用電的預(yù)付費(fèi)用電方式，使學(xué)生宿舍的電費(fèi)實(shí)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(fèi)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(fèi)，電費(fèi)需要人工操表計(jì)算，學(xué)生交電費(fèi)也常常排長隊(duì)，甚至還有不少欠學(xué)校電費(fèi)的學(xué)生，電費(fèi)管理相當(dāng)?shù)钠D難。本設(shè)計(jì)是在宿舍原電子式電表的基礎(chǔ)上，通過加裝預(yù)付費(fèi)模塊，從而實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)后用電的模式。這樣既不浪費(fèi)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(fèi)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過程

1.1 預(yù)付費(fèi)模塊加裝在電表與用戶兩者之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的用電控制。

1.2 預(yù)付費(fèi)用電過程主要包括預(yù)付費(fèi)和用戶用電兩個(gè)過程。

①預(yù)付費(fèi)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(chǔ)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(huì)自動(dòng)地將卡上的電量傳到模塊的儲(chǔ)存器上，同時(shí)IC卡上的電量被清零。模塊上的顯示器會(huì)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(shí)，模塊將會(huì)亮起紅色的報(bào)警信號(hào)，通知學(xué)生及時(shí)再次持卡購電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該模塊的功能由單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)存電、計(jì)電、顯示、斷/送電等功能，并加上一個(gè)射頻識(shí)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(jì)算由電能計(jì)量電路（ADE7755） 完成；為單片機(jī)供給直流電源由穩(wěn)壓電源電路完成；EEPROM電路完成存儲(chǔ)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(shí)別系統(tǒng)電路完成。

2.1 HT48R50A-1 單片機(jī)的使用。可以用于本設(shè)計(jì)的單片機(jī)非常的多，常用的就有ATMEL 的AT89C51，而本設(shè)計(jì)采用臺(tái)灣HOLTEK（合泰）的HT48R50A-1。該單片機(jī)是一款八位高性能精簡指令集單片機(jī)，專為多輸入輸出控制的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，擁有低功耗、I/O口穩(wěn)定性高、定時(shí)器功能、振蕩選擇、省電和喚醒功能、看門狗定時(shí)器、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)、以及低價(jià)位等優(yōu)勢(shì)，可以廣泛地適用于各種應(yīng)用，例如工業(yè)控制、消費(fèi)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(jì)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(jì)量電路。本設(shè)計(jì)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(hào)分別由兩個(gè)16位的A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。電流通道中的高通濾波器用于濾除電流信號(hào)中的直流分量，以便消除直流分量對(duì)有功功率計(jì)算的影響。電壓信號(hào)則與電流信號(hào)在乘法器相乘后，輸出信號(hào)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(shí)有功功率。此信號(hào)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(hào)并從F1 和F2 端輸出。這樣CF 端輸出的脈沖頻率就與瞬時(shí)有功功率成比例[3]。
頻率輸出CF 端連接單片機(jī)計(jì)數(shù)器，單片機(jī)在內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)對(duì)CF 輸出的脈沖計(jì)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(gè)數(shù)/積分時(shí)間

在一個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能為：

電能=平均功率×積分時(shí)間=（脈沖個(gè)數(shù)/積分時(shí)間）×積分時(shí)間=脈沖個(gè)數(shù)

2.4 穩(wěn)壓電源電路。本設(shè)計(jì)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(jī)HT48R50A-1 和AT24C02芯片（EEPROM）提供5V電壓。

2.5 顯示電路。本設(shè)計(jì)的顯示電路是一個(gè)由動(dòng)態(tài)掃描方式來控制實(shí)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(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器。

2.6 繼電器電路。本設(shè)計(jì)的繼電器電路是采用磁保持繼電器（MB302）來實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸式IC卡預(yù)收費(fèi)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(diǎn)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(diǎn)需要開（或合）狀態(tài)時(shí)，僅需要用正（或反）向直流脈沖電壓激勵(lì)線圈，繼電器即可完成開（或合）的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。此時(shí)，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(duì)于磁保持繼電器的控制，需要一定能量的雙向脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)才能完成接通和切斷的動(dòng)作。

2.7 EEPROM 電路。本設(shè)計(jì)的EEPROM 電路是采用常用串行EEPROM 存儲(chǔ)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(jì)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(jī)一方面在用戶用電的過程中隨時(shí)對(duì)AT24C02 進(jìn)行讀寫從而獲得用戶用電的數(shù)據(jù)，另一方面通過計(jì)數(shù)器對(duì)ADE7755 輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而動(dòng)態(tài)地完成用戶的電能計(jì)量的功能。

3 結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)：

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

[4]黃偉.電能計(jì)量技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5]陳明熒.8051 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.