非接触式IC卡预付费模块的设计

在传统的学生宿舍电子表上，结合单片机和非接触式IC卡的功能，设计了基于单片机的非接触式IC卡预付费表的安装模块，在不更换电表的基础上实现了预付费，使学生宿舍的电费管理更加高效。

实现预付费系统功能的过程

1.1电表与用户之间安装预付费模块，实现用户用电控制。

1.2预付费用电过程主要包括预付费和用户用电。

①预付款流程：学生可持IC卡到学校后勤部门购买电源，购买的电源存储在IC卡上。②用户用电过程：学生将电源IC卡靠近安装模块的数据传输区域，系统将自动将卡上的电源传输到模块的存储器，并清除IC卡上的电源。模块上的显示器将显示电表的用电量和剩余电量。当预存电量即将用完时，模块将点亮红色报警信号，并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/输电等功能，并增加射频识别系统，完成非接触式IC卡读写。断电电源的控制由继电器电路完成；电源计算由电能计量电路(ADE7755)完成；单片机直流电源由稳压电源电路完成；EEPROM电路完成用户用电量和剩余电量数据的存储；显示功能由四位LED显示电路完成；IC卡由射频识别系统电路完成。

使用2.1HT48R50A-1单片机。可用于本设计的单片机很多，ATMELAT89C51常用，台湾HOLTEKHT48R50A-1采用本设计。该单片机是专为多输入输出控制的产品设计的八位高性能精简指令集单片机，功耗低I/O口稳定性高、定时器功能、振荡选择、省电唤醒功能、看门狗定时器、蜂鸣器驱动、价格低廉等优点，可广泛应用于工业控制、消费品、子系统控制器等各种应用[1]。

2.2射频卡读/写作介绍。射频卡读/写作器的关键芯片是射频卡基站芯片，主要用于完成数据调制、发射、射频接受和数据调解任务。本设计采用ATMEL生产的U2270B芯片，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。ADI公司的AD7755用于本设计中的电子电能表。从电流传感器和电压传感器传输的电流和电压信号分别由两个16位的A/D转换器转换为数字信号。电流通道中的高通滤波器用于过滤电流信号中的直流分量，以消除直流分量对有功功率计算的影响。乘法器乘坐电压信号后，输出信号通过低通滤波器过滤掉交流分量。剩余的直流分量为瞬时有功功率。该信号通过数字/频率转换器转换为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端输出的脉冲频率与瞬时有功功率成比例[3]。

频率输出CF端与单片机计数器连接，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，平均功率与平均频率成正比，由以下公式确定：

平均功率=平均频率=脉冲数/积分时间

积分周期内消耗的电能为：

电能=平均功率×积分时间=(脉冲数/积分时间)×积分时间=脉冲数

2.4稳压电源电路。本设计的稳压电源电路采用小功率单相桥式整流滤波电路，主要是单片机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四个阴极七段显示器，由动态扫描控制，主要用于显示用户的用电量和剩余用电量。其中，用电量和剩余用电量分为两个部分，每个部分显示四个部分。所谓动态显示，就是轮流一个个点亮显示器。

2.6继电器电路。本设计的继电器电路采用磁保持继电器(MB302)控制接触式IC卡预收费电表的用户供电，即控制用户用电的断开和连接。磁保持继电器的触点由永久磁钢产生的磁保持。当继电器的触点需要打开（或关闭）状态时，只需使用正（或反）到直流脉冲电压激励线圈，继电器就可以完成打开（或关闭）状态的转换。此时，线圈不需要继续通电，只依靠永久磁钢的磁力来保持继电器的状态。对于磁维持继电器的控制，需要一定能量的双向脉冲信号驱动来完成连接和切断。

2.7EPROM电路。EEPROM电路采用常用的串行EEPROM存储芯片AT24C02，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，静态电流不同于30~110ua。AT24C02主要用于保存用户用电量和剩余用电量的数据。一方面，单片机在用户用电过程中随时读写AT24C02，获取用户用电数据，另一方面通过计数器计数ADE7755输出的脉冲，动态完成用户用电功能。