摘要：介紹了非接觸式IC卡預(yù)收費(fèi)電度表的工作原理和硬件電路，討論了其工作過(guò)程，并給出了程序流程圖。 關(guān)鍵詞：非接觸式IC卡 預(yù)收費(fèi)電度表 單片機(jī) 用戶使用電量的計(jì)量手段的準(zhǔn)確程度取決于電互感器及電度表的精度。現(xiàn)已出現(xiàn)了接觸式IC卡預(yù)收費(fèi)電度表，它使收費(fèi)從過(guò)去繁瑣的人工抄表、手工計(jì)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩舫挚ㄙ?gòu)電，實(shí)現(xiàn)了電費(fèi)收繳管理自動(dòng)化。但它不能解決無(wú)源（卡中無(wú)電源）和免接觸等問(wèn)題[2～8]。 非接觸式IC卡（又稱(chēng)射頻卡）是國(guó)外近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)[1]，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源和免接觸難題。射頻卡無(wú)需專(zhuān)門(mén)的供電電源；它與讀寫(xiě)器間無(wú)機(jī)械接觸，避免了接觸故障；它的表面無(wú)裸露芯片，可防水，且不易產(chǎn)生靜電擊空及彎曲損壞等問(wèn)題；射頻卡使用時(shí)沒(méi)有正反面?？傊?，非接觸式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特點(diǎn)。本文采用非接觸式IC卡研制成功了智能預(yù)收費(fèi)電度表。 1 工作原理 1.1 非接觸式IC卡的工作原理 非接觸式IC卡系統(tǒng)由讀寫(xiě)器和非接觸式IC卡兩部分組成。應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)讀寫(xiě)器對(duì)卡進(jìn)行操作；讀卡器通過(guò)射頻信號(hào)同步進(jìn)行近距離通訊，并為卡上芯片提供能量；非接觸式IC卡響應(yīng)讀寫(xiě)器的指令，并報(bào)告處理的結(jié)果。非接觸式IC卡通過(guò)連接IC芯片的線圈在特定交變磁場(chǎng)中耦合獲得高壓能量，非接觸式IC卡的讀寫(xiě)器通過(guò)發(fā)射線圈發(fā)射交變強(qiáng)磁場(chǎng)，強(qiáng)予IC卡能量，通過(guò)磁場(chǎng)的斷、續(xù)編碼寫(xiě)入數(shù)據(jù)，并通過(guò)線圈感應(yīng)IC卡發(fā)生的磁場(chǎng)閱讀IC卡發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；IC卡通過(guò)交變磁場(chǎng)獲得能量，通過(guò)檢驗(yàn)磁場(chǎng)的數(shù)、續(xù)獲得讀寫(xiě)頭寫(xiě)來(lái)的數(shù)據(jù)，并按設(shè)定的模式編碼、調(diào)制，向讀寫(xiě)頭發(fā)出數(shù)據(jù)。 非接觸式IC卡與讀寫(xiě)器的通信內(nèi)容包括復(fù)位應(yīng)答、防沖突、選擇卡片、相互認(rèn)證、對(duì)數(shù)據(jù)塊的操作和中止。 1.2 預(yù)收費(fèi)電度表的工作原理 預(yù)收費(fèi)電度表可分為電子式和機(jī)電式兩種，它們的區(qū)別在于電能變換元件不同。前者將電壓、電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再將采樣值相乘并累計(jì)，得到用戶消耗的電度數(shù)；后者借用原感應(yīng)式電度表的機(jī)芯，通過(guò)光電傳感器讀取轉(zhuǎn)盤(pán)數(shù)據(jù)數(shù)得到用戶消耗的電度數(shù)。為節(jié)省成本，選用機(jī)電式電度表。 本系統(tǒng)采用AT89C52為主機(jī)，在原普通單相電度表上加裝一對(duì)紅外發(fā)射接收管，對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，主機(jī)完成對(duì)用戶用電量的記錄、累加、顯示和控制功能。配上一塊非接觸式IC卡，完成從供電管理部門(mén)到用戶間的幣度轉(zhuǎn)換和電度數(shù)量的信息傳遞。 本系統(tǒng)的工作原理為： （1）用戶持IC卡到供電部門(mén)交款購(gòu)電時(shí)，供電部門(mén)把用戶的IC卡放在與PC機(jī)相連的讀寫(xiě)器上，由寫(xiě)卡程序在IC卡上寫(xiě)入與用戶交款數(shù)相符的一定電度數(shù)。 （2）用戶把IC卡帶回家，將卡掠過(guò)家中預(yù)收費(fèi)電度表的讀定，卡中電度數(shù)被主機(jī)讀出，與預(yù)收費(fèi)電度表中來(lái)剩余的電度數(shù)相加。由于機(jī)內(nèi)采用備用電池，不怕掉電失去數(shù)據(jù)。 （3）電表表盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由紅外發(fā)射接收管把表盤(pán)數(shù)變成電脈沖送入單片機(jī)。單片機(jī)記錄表盤(pán)的轉(zhuǎn)數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)等于電表常數(shù)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制使內(nèi)存中的剩余電度數(shù)減去一度。 （4）單片機(jī)隨時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)存中剩余電度數(shù)是否小于15度。如是，則點(diǎn)亮預(yù)告用電量將盡的發(fā)光二極管指示器，提示用戶持卡到供電部門(mén)重新購(gòu)電。 （5）當(dāng)單片機(jī)發(fā)現(xiàn)用戶電表中剩余電量完全用完時(shí)，控制繼電器切斷用戶供電電源。 （6）本裝置屬于二次儀表，精度主要取決于一次儀表。只要表盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)正常，二次儀表不會(huì)引入誤差。 2 硬件電路 非接觸式IC卡預(yù)收費(fèi)電度表的硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖中主控單元采用AT89C52單片機(jī)，其內(nèi)有8K字節(jié)的快速擦寫(xiě)存儲(chǔ)器（FLASH），無(wú)需外接程序存儲(chǔ)器（EPROM）。外接電路主要包括：四位LED顯示電路、電表表盤(pán)檢測(cè)電路、控制供電的繼電器電路、振鈴控制電路、RS232串行通訊電路、看門(mén)狗復(fù)位電路、電源控制電路以及控制非接觸式IC卡的SHC1701讀寫(xiě)模塊。 SHC1701 RF模塊是IC卡讀寫(xiě)器的核心單元，它由SHC1501專(zhuān)用電路和RF電路等組成，覆蓋了所有對(duì)非接觸式IC卡SHC1101的訪問(wèn)操作。IC卡讀寫(xiě)模塊及顯示電路與單片機(jī)的接口如圖3所示。圖中采用4位共陽(yáng)極的動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示管，顯示字符由單片機(jī)P0口送至鎖存器74LS374鎖存，再經(jīng)顯示驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)管顯示，P1.0～P1.3分別控制每一位的動(dòng)態(tài)顯示。顯示電路用顯示可供使用的電度數(shù)。當(dāng)讀卡發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，將顯示錯(cuò)誤信息。在供電部門(mén)存款時(shí)，將顯示存入電卡中的電度數(shù)。 電表轉(zhuǎn)盤(pán)讀數(shù)頭（紅外發(fā)射接收管）產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)一個(gè)非門(mén)輸出到單片機(jī)的P1.4口，單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)P1.4口進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 RS232串行通訊電路采用MAX232芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與微機(jī)的數(shù)據(jù)交換。微機(jī)主要采用VB的通訊控件通過(guò)RS232與單片機(jī)進(jìn)行通訊，通過(guò)事先約定好的字符對(duì)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。 當(dāng)機(jī)內(nèi)的電度數(shù)用完時(shí)，單片機(jī)就置P1.5口為低電平，繼電器控制電路就切斷用戶供電電源。 看門(mén)狗電路由4538單穩(wěn)電路組成。初上電時(shí)，CLR端為低電平，使輸出Q為低電平，從而使系統(tǒng)復(fù)位。正常工作時(shí)，單片機(jī)在每個(gè)主程序循環(huán)時(shí)發(fā)出一個(gè)低電平脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)；當(dāng)程序受干擾跑飛時(shí)，單穩(wěn)因得不到觸發(fā)脈沖而復(fù)位，此時(shí)，輸出端Q=0，使系統(tǒng)復(fù)位。 3 軟件設(shè)計(jì) 3.1 用戶端電度表計(jì)費(fèi)程序 3.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)程序的主要功能 （1）讀取有效的非接觸式IC卡功能。對(duì)卡進(jìn)行防沖突、密碼認(rèn)證、卡號(hào)認(rèn)證等操作，并讀出卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，然后將卡清零、?？?。 （2）完成電度表的預(yù)收費(fèi)功能。將從IC卡中讀出的電度數(shù)與單片機(jī)內(nèi)存剩余的電度數(shù)相加，并存回內(nèi)存。 （3）顯示功能。系統(tǒng)周期性地掃描，動(dòng)態(tài)顯示機(jī)內(nèi)剩余的電度數(shù)。此外，當(dāng)讀寫(xiě)IC卡發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，顯示出錯(cuò)信號(hào)。 （4）串行通訊中斷功能。當(dāng)微機(jī)向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)采集命令時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行串行通訊中斷服務(wù)子程序，通過(guò)用戶編號(hào)認(rèn)證后，向微機(jī)發(fā)回用戶的用電量及剩余電度數(shù)，然后中斷返回。 （5）電度計(jì)數(shù)功能。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電表轉(zhuǎn)盤(pán)讀數(shù)頭（紅外發(fā)射接收管）發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)，當(dāng)脈沖信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，計(jì)數(shù)器COUNT加1；而當(dāng)COUNT值等于電表常數(shù)（轉(zhuǎn)/度）時(shí)，剩余電度數(shù)減1，用電量加1，同時(shí)COUNT清零。 （6）報(bào)警斷電功能。當(dāng)機(jī)內(nèi)剩余電度數(shù)小于15度時(shí)，點(diǎn)亮預(yù)告用電量將盡的發(fā)光二極管指示器，提示用戶持卡到供電部門(mén)重新購(gòu)電。而當(dāng)用戶電表中剩余電量完全用完時(shí)，控制繼電器切斷用戶供電電源。用戶只有再次存入電度數(shù)后，才能繼續(xù)供電。 單片機(jī)系統(tǒng)程序由主監(jiān)控程序、IC卡處理子程序、電度計(jì)數(shù)子程序、串行中斷服務(wù)子程序等組成，其框圖分別見(jiàn)圖4（a）、（b）、（c）、（d）。 3.1.2 VB用戶接口程序的主要功能 （1）顯示。根據(jù)輸入的用戶編號(hào)，顯示相應(yīng)的用戶信息。 （2）采集。將用戶編號(hào)通過(guò)通訊控件發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)認(rèn)證用戶編號(hào)后，返回該用戶的用電量和剩余電度數(shù)。 （3）寫(xiě)入。將采集來(lái)的數(shù)據(jù)。加上用戶編號(hào)和日期，一并寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，以供查詢。 （4）查看。查看當(dāng)用各用戶的用電量情況及剩余電度數(shù)；查看所有的用電情況。 3.2 供電部門(mén)存款及管理程序 3.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)程序的主要功能 （1）系統(tǒng)初始化設(shè)置。設(shè)置寄存器地址、中斷源入口、加載IC卡認(rèn)證密碼以及設(shè)置串行口、定時(shí)器0和定時(shí)器1的工作模式等。 　　 （2）接收微機(jī)發(fā)來(lái)的控制字符。執(zhí)行串行中斷服務(wù)子程序，如控制字符為R則執(zhí)行對(duì)IC卡的詢卡、防沖突、選卡、認(rèn)證等操作，并返回給微機(jī)卡號(hào)；如控制字符為W則將用戶購(gòu)買(mǎi)的電度數(shù)寫(xiě)入IC卡，再讀出寫(xiě)入的電度數(shù)，然后?？ā? （3）顯示功能。顯示IC卡中存入的電度數(shù)，當(dāng)對(duì)IC卡操作過(guò)程中有任何錯(cuò)誤時(shí)，將顯示錯(cuò)誤信息，提示用戶。 程序由主程序程序和串行中斷服務(wù)子程序等組成，它們的框圖見(jiàn)圖5（a）、（b）。 3.2.2 VB用戶接口程序的主要功能 （1）IC卡存款功能。用戶持卡到供電部門(mén)存款，工作人員將放在讀寫(xiě)器上，按“讀卡”按鈕，微機(jī)發(fā)送字符“R”給單片機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理后返回卡號(hào)。系統(tǒng)根據(jù)返回的卡號(hào)顯示對(duì)應(yīng)的用戶信息，確認(rèn)無(wú)誤后，輸入用戶交納的金額，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)化成電度數(shù)。按下“存款”按扭，將電度數(shù)存入IC卡，同時(shí)將存款的相關(guān)信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，以供查詢。 （2）查詢功能。查詢用戶信息、IC卡信息以及用戶的用電情況，可以根據(jù)輸入的用戶編號(hào)或電卡號(hào)進(jìn)行有選擇地查詢。 （3）維護(hù)功能。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)包括添加新的記錄、刪除不需要的記錄以及對(duì)現(xiàn)有記錄的更新。本系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)庫(kù)由MSAccess建立，通過(guò)VB的數(shù)據(jù)對(duì)象控件與用戶界面關(guān)聯(lián)，對(duì)數(shù)據(jù)的所有操作都實(shí)時(shí)地更新所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)。 本文將非接觸式IC卡技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，研制出多功能電量計(jì)量收費(fèi)裝置。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用電收費(fèi)的電子化，改變了先用電后收費(fèi)的不合理狀況，促進(jìn)了用電計(jì)量、收費(fèi)的科學(xué)化管理。該裝置利用了老式機(jī)械表的功能和結(jié)構(gòu)，降低了改造的成本，適于推廣使用。