摘要：在學生宿舍傳統的電子式電表上，結合單片機和非接觸式IC卡的功能，設計一種基于單片機的非接觸式IC卡預付費電表的加裝模塊，從而在不更換電度表的基礎上實現了一種先繳費，后用電的預付費用電方式，使學生宿舍的電費實現更高效的管理。

    0 引言

    我校的學生宿舍條件較為落后，受辦學經費緊張的制約，宿舍投入較少，學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，學生交電費也常常排長隊，甚至還有不少欠學校電費的學生，電費管理相當的艱難。本設計是在宿舍原電子式電表的基礎上，通過加裝預付費模塊，從而實現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 預付費系統功能實現過程

    1.1 預付費模塊加裝在電表與用戶兩者之間，實現對用戶的用電控制。

    1.2 預付費用電過程主要包括預付費和用戶用電兩個過程。

    ①預付費過程：學生可持IC卡到學校后勤部門買電，購買到的電量儲存在IC卡上。②用戶用電過程：學生將存有電量的IC卡靠近加裝模塊的數據傳輸區域，系統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，當預存電量將要用完時，模塊將會亮起紅色的報警信號，通知學生及時再次持卡購電。

    2 系統硬件設計

    該模塊的功能由單片機控制，實現存電、計電、顯示、斷/送電等功能，并加上一個射頻識別系統的工作，完成非接觸式IC卡讀寫?？刂茢嗨碗娫垂ぷ魇怯衫^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據的功能；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電路完成。

    2.1 HT48R50A-1 單片機的使用?？梢杂糜诒驹O計的單片機非常的多，常用的就有ATMEL 的AT89C51，而本設計采用臺灣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品設計，擁有低功耗、I/O口穩定性高、定時器功能、振蕩選擇、省電和喚醒功能、看門狗定時器、蜂鳴器驅動、以及低價位等優勢，可以廣泛地適用于各種應用，例如工業控制、消費類產品、子系統控制器等[1]。

    2.2 射頻卡讀/寫器介紹。射頻卡讀/寫器的關鍵芯片是射頻卡基站芯片，它主要用于完成數據的調制、發射和射頻的接受以及數據的調解任務。本設計采用由ATMEL 公司生產的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 轉換器轉換成數字信號。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。此信號經過數字/頻率轉換器轉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 端連接單片機計數器，單片機在內部定時器設定的積分時間內對CF 輸出的脈沖計數，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/積分時間

    在一個積分周期內消耗的電能為：

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

    2.4 穩壓電源電路。本設計的穩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。本設計的顯示電路是一個由動態掃描方式來控制實現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。本設計的繼電器電路是采用磁保持繼電器（MB302）來實現對接觸式IC卡預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、合狀態由永久磁鋼產生的磁力保持，當繼電器的觸點需要開（或合）狀態時，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）的狀態轉換。此時，線圈不需繼續通電，僅依靠永久磁鋼的磁力來保持繼電器的狀態。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動才能完成接通和切斷的動作。

    2.7 EEPROM 電路。本設計的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，靜態電流隨電源電壓不同為30~110uA。在本設計中，AT24C02 主要用來保存用戶的用電量和剩余電量的數據。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據，另一方面通過計數器對ADE7755 輸出的脈沖進行計數，從而動態地完成用戶的電能計量的功能。

    3 結束語

    總之，把非接觸式IC卡與計量準確度比較高的電子式電度表相結合，以單片機作為主控單元來控制和實現預付費和顯示電量的功能。在改動小，成本低，投入少的情況下，通過加裝模塊實現了預付費的管理功能，方便了學生和后勤管理人員。（文/茂名職業技術學院  卓劍斯）

    參考文獻：
    [1]HOLTEK Semiconductors. HT48R50A-1/HT48C50-1，Feb 19[Z].2004.
    [2]賈振國，許琳.射頻卡基站芯片U2270B 的原理及應用[J].國外電子元器件，2004.
    [3]黃偉.電能計量技術[M].北京：中國電力出版社，2004.
    [4]陳明熒.8051 單片機課程設計實訓教材[M].北京：清華大學出版社，2004.