非接触式IC卡预收费电度表的设计

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摘要：介绍了非接触式IC卡预收费电度表的工作原理和硬件电路，讨论了其工作过程，并给出了程序流程图。

    关键词：非接触式IC卡 预收费电度表 单片机

用户使用电量的计量手段的准确程度取决于电互感器及电度表的精度。现已出现了接触式IC卡预收费电度表，它使收费从过去繁琐的人工抄表、手工计价转变为用户持卡购电，实现了电费收缴管理自动化。但它不能解决无源（卡中无电源）和免接触等问题[2～8]。

非接触式IC卡（又称射频卡）是国外近几年发展起来的新技术[1]，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源和免接触难题。射频卡无需专门的供电电源；它与读写器间无机械接触，避免了接触故障；它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击空及弯曲损坏等问题；射频卡使用时没有正反面。总之，非接触式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点。本文采用非接触式IC卡研制成功了智能预收费电度表。
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1 工作原理

1.1 非接触式IC卡的工作原理

非接触式IC卡系统由读写器和非接触式IC卡两部分组成。应用系统通过读写器对卡进行操作；读卡器通过射频信号同步进行近距离通讯，并为卡上芯片提供能量；非接触式IC卡响应读写器的指令，并报告处理的结果。非接触式IC卡通过连接IC芯片的线圈在特定交变磁场中耦合获得高压能量，非接触式IC卡的读写器通过发射线圈发射交变强磁场，强予IC卡能量，通过磁场的断、续编码写入数据，并通过线圈感应IC卡发生的磁场阅读IC卡发来的数据；IC卡通过交变磁场获得能量，通过检验磁场的数、续获得读写头写来的数据，并按设定的模式编码、调制，向读写头发出数据。

本系统采用上海华虹集成电路公司开发的SHC1701 RF读写模块。它主要由射频和SHC1501大规模集成电路构成，共同安装在PCB板上，同时安装屏蔽罩，可完成读写器与IC卡之间的各种交互功能，包括调制/解调、加密/解密、认证、读写、加/减等，并具有同微处理器的接口。其基本结构如图1所示。

非接触式IC卡与读写器的通信内容包括复位应答、防冲突、选择卡片、相互认证、对数据块的操作和中止。

1.2 预收费电度表的工作原理

预收费电度表可分为电子式和机电式两种，它们的区别在于电能变换元件不同。前者将电压、电流进行A/D转换，再将采样值相乘并累计，得到用户消耗的电度数；后者借用原感应式电度表的机芯，通过光电传感器读取转盘数据数得到用户消耗的电度数。为节省成本，选用机电式电度表。
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    本系统采用AT89C52为主机，在原普通单相电度表上加装一对红外发射接收管，对转盘转数进行计数，主机完成对用户用电量的记录、累加、显示和控制功能。配上一块非接触式IC卡，完成从供电管理部门到用户间的币度转换和电度数量的信息传递。

本系统的工作原理为：

（1）用户持IC卡到供电部门交款购电时，供电部门把用户的IC卡放在与PC机相连的读写器上，由写卡程序在IC卡上写入与用户交款数相符的一定电度数。

（2）用户把IC卡带回家，将卡掠过家中预收费电度表的读定，卡中电度数被主机读出，与预收费电度表中来剩余的电度数相加。由于机内采用备用电池，不怕掉电失去数据。

（3）电表表盘转动时，由红外发射接收管把表盘数变成电脉冲送入单片机。单片机记录表盘的转数，当转数等于电表常数时，通过单片机控制使内存中的剩余电度数减去一度。

（4）单片机随时监测内存中剩余电度数是否小于15度。如是，则点亮预告用电量将尽的发光二极管指示器，提示用户持卡到供电部门重新购电。

（5）当单片机发现用户电表中剩余电量完全用完时，控制继电器切断用户供电电源。
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    （6）电卡按一表一卡配置，内存有相应的的卡号和用户编号，以及IC卡的传输密钥。用户反CI卡放在供电部门的读写器上时，PC机在为用户写入所购电度数的同时，记录该卡的卡号、日期和相应的款数，并写入数据库，使得供电部门可随时在PC机上查询用户购电情况，实现了供电管理部门的管理现代化。

（7）系统采用VB的通讯控件通过RS232与单片机进行通讯。微机通过事先约定好的字符来实现对单片机的控制，如小区的管理中心定期通过RS232串行通讯口读取用户电度表的使用电量和剩余电度数，并制成数据库加以保存。供电部门可通过Internet对小区采集的数据进行访问和管理，从而实现了供电管理部门网络化的管理手段。

（8）本装置属于二次仪表，精度主要取决于一次仪表。只要表盘转动正常，二次仪表不会引入误差。

2 硬件电路

非接触式IC卡预收费电度表的硬件电路结构图如图2所示。图中主控单元采用AT89C52单片机，其内有8K字节的快速擦写存储器（FLASH），无需外接程序存储器（EPROM）。外接电路主要包括：四位LED显示电路、电表表盘检测电路、控制供电的继电器电路、振铃控制电路、RS232串行通讯电路、看门狗复位电路、电源控制电路以及控制非接触式IC卡的SHC1701读写模块。

SHC1701 RF模块是IC卡读写器的核心单元，它由SHC1501专用电路和RF电路等组成，覆盖了所有对非接触式IC卡SHC1101的访问操作。IC卡读写模块及显示电路与单片机的接口如图3所示。图中采用4位共阳极的动态数码显示管，显示字符由单片机P0口送至锁存器74LS374锁存，再经显示驱动芯片ULN2003驱动数据管显示，P1.0～P1.3分别控制每一位的动态显示。显示电路用显示可供使用的电度数。当读卡发生错误时，将显示错误信息。在供电部门存款时，将显示存入电卡中的电度数。

电表转盘读数头（红外发射接收管）产生的脉冲信号经一个非门输出到单片机的P1.4口，单片机实时对P1.4口进行监测。

RS232串行通讯电路采用MAX232芯片，实现单片机与微机的数据交换。微机主要采用VB的通讯控件通过RS232与单片机进行通讯，通过事先约定好的字符对单片机实现控制。
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