学生宿舍电表加装非接触式IC卡预付费模块的设计

摘要：在学生宿舍传统的电子式电表上，结合单片机和非接触式IC卡的功能，设计一种基于单片机的非接触式IC卡预付费电表的加装模块，从而在不更换电度表的基础上实现了一种先缴费，后用电的预付费用电方式，使学生宿舍的电费实现更高效的管理。

0 引言

我校的学生宿舍条件较为落后，受办学经费紧张的制约，宿舍投入较少，学生用电的模式还是以前的先用电后付费，电费需要人工操表计算，学生交电费也常常排长队，甚至还有不少欠学校电费的学生，电费管理相当的艰难。本设计是在宿舍原电子式电表的基础上，通过加装预付费模块，从而实现先付费后用电的模式。这样既不浪费原来的电表，投入小，又能彻底地解决以上几方面的问题。

1 预付费系统功能实现过程

1.1 预付费模块加装在电表与用户两者之间，实现对用户的用电控制。

1.2 预付费用电过程主要包括预付费和用户用电两个过程。

①预付费过程：学生可持IC卡到学校后勤部门买电，购买到的电量储存在IC卡上。

②用户用电过程：学生将存有电量的IC卡靠近加装模块的数据传输区域，系统会自动地将卡上的电量传到模块的储存器上，同时IC卡上的电量被清零。模块上的显示器会显示电表的用电情况和剩余电量，当预存电量将要用完时，模块将会亮起红色的报警信号，通知学生及时再次持卡购电。

2 系统硬件设计

该模块的功能由单片机控制，实现存电、计电、显示、断/送电等功能，并加上一个射频识别系统的工作，完成非接触式IC卡读写。控制断送电源工作是由继电器电路完成；电量计算由电能计量电路（ADE7755） 完成；为单片机供给直流电源由稳压电源电路完成；EEPROM电路完成存储用户用电量和剩余电量的数据的功能；显示功能由四位LED显示电路完成；IC卡的工作由射频识别系统电路完成。

2.1 HT48R50A-1 单片机的使用。可以用于本设计的单片机非常的多，常用的就有ATMEL 的AT89C51，而本设计采用台湾HOLTEK（合泰）的HT48R50A-1。该单片机是一款八位高性能精简指令集单片机，专为多输入输出控制的产品设计，拥有低功耗、I/O口稳定性高、定时器功能、振荡选择、省电和唤醒功能、看门狗定时器、蜂鸣器驱动、以及低价位等优势，可以广泛地适用于各种应用，例如工业控制、消费类产品、子系统控制器等[1]。

2.2 射频卡读/写器介绍。射频卡读/写器的关键芯片是射频卡基站芯片，它主要用于完成数据的调制、发射和射频的接受以及数据的调解任务。本设计采用由ATMEL 公司生产的U2270B 芯片，它是一种低成本、性能完善的低频（100～150kHz）射频卡基站芯片。

2.3 电表电能计量电路。本设计中的电子式电能表使用的是ADI 公司的AD7755。从电流传感器和电压传感器传来的电流和电压信号分别由两个16位的A/D 转换器转换成数字信号。电流通道中的高通滤波器用于滤除电流信号中的直流分量，以便消除直流分量对有功功率计算的影响。电压信号则与电流信号在乘法器相乘后，输出信号经低通滤波器滤除其中的交流分量.剩下的直流分量即为瞬时有功功率。此信号经过数字/频率转换器转换成与平均有功功率成比例的低频脉冲信号并从F1 和F2 端输出。这样CF 端输出的脉冲频率就与瞬时有功功率成比例[3]。
频率输出CF 端连接单片机计数器，单片机在内部定时器设定的积分时间内对CF 输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率，由下式确定：

平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间

在一个积分周期内消耗的电能为：

电能=平均功率×积分时间=（脉冲个数/积分时间）×积分时间=脉冲个数

2.4 稳压电源电路。本设计的稳压电源电路是采用的是小功率单相桥式整流滤波电路，主要为单片机HT48R50A-1 和AT24C02芯片（EEPROM）提供5V电压。

2.5 显示电路。本设计的显示电路是一个由动态扫描方式来控制实现显示的四位共阴极七段显示器，主要是用来显示用户的用电量和剩余电量。其中，用电量和剩余电量都是分二段显示，每一段都显示四位。而所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。

2.6 继电器电路。本设计的继电器电路是采用磁保持继电器（MB302）来实现对接触式IC卡预收费电度表的用户供电的控制，即控制用户用电的断开与接通。而磁保持继电器的触点开、合状态由永久磁钢产生的磁力保持，当继电器的触点需要开（或合）状态时，仅需要用正（或反）向直流脉冲电压激励线圈，继电器即可完成开（或合）的状态转换。此时，线圈不需继续通电，仅依靠永久磁钢的磁力来保持继电器的状态。对于磁保持继电器的控制，需要一定能量的双向脉冲信号驱动才能完成接通和切断的动作。

2.7 EEPROM 电路。本设计的EEPROM 电路是采用常用串行EEPROM 存储芯片AT24C02，它具有I2C 总线接口功能，功耗小，电源电压宽（2.5~6.0V），工作电流约为3mA，静态电流随电源电压不同为30~110uA。在本设计中，AT24C02 主要用来保存用户的用电量和剩余电量的数据。单片机一方面在用户用电的过程中随时对AT24C02 进行读写从而获得用户用电的数据，另一方面通过计数器对ADE7755 输出的脉冲进行计数，从而动态地完成用户的电能计量的功能。

3 结束语

总之，把非接触式IC卡与计量准确度比较高的电子式电度表相结合，以单片机作为主控单元来控制和实现预付费和显示电量的功能。在改动小，成本低，投入少的情况下，通过加装模块实现了预付费的管理功能，方便了学生和后勤管理人员。

参考文献：

[1]HOLTEK Semiconductors. HT48R50A-1/HT48C50-1，Feb 19[Z].2004.

[2]贾振国，许琳.射频卡基站芯片U2270B 的原理及应用[J].国外电子元器件，2004.

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

[4]黄伟.电能计量技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5]陈明荧.8051 单片机课程设计实训教材[M].北京：清华大学出版社，2004.