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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。
关键词：非接触式IC卡；预付费模块；单片机中图分类号：G48 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）09-0191-010 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。
单相IC卡预付费电度表的设计摘要本文介绍了接触式IC卡电度表的硬、软件设计,该设计采用电子电度表专用集成电路SM9903实现电量计量,用加密型IC卡SLE4442作为预付费售电的传输媒质,用单片机AT89C51构成主控系统,采用LED显示器节约电能。
关键词接触式IC卡;电能计量;SM9903;SLE44420 引言IC卡预付费电度表是当今国际最先进的预付费电度表,它集防磁、防干扰、防静电、防窃电、过载保护、用电自动度量、可接自动抄表系统、通讯、液晶显示、状态声光报警等功能于一体,以无法破译的保密系统保证了安全性和可靠性。
1 总体方案单相预付费电度表主要包括电能计量系统和预付费系统。
电能计量系统主要完成电能测量、电能值显示、超负荷断电等功能;预付费系统主要是利用IC卡实现先付费,再用电。
系统框图如图1。
图1硬件电路结构图2 单相IC卡预付费电度表工作过程上电时,数码管显示代码。
将存放在E2PROM中的剩余电量调至RAM中。
当单片机工作正常时,能显示剩余电量和已用电量。
当有本机IC卡插入卡槽时,根据有电卡和无电卡(空卡)作出不同的处理。
若卡中的电量被写入表中,且将卡清零。
若为空卡或非本机卡或IC卡密码输入有误,则显示相应错误代码。
当有用电时,剩余电量递减,已用电量递增。
当电用完时,切断电源,并显示及时购电代码3 硬件电路3.1 有功电能测量本设计采用有功电能测量集成电路SM9903。
SM9903内部电路模型如图2。
图2SM9903内部电路模型图3.2 预付费电度表工作原理预付费电度表的硬件电路可分为电能计量电路、控制电路、显示电路、IC 卡接口、电量存储器、掉电检测和CPU监控几大模块。
下面分别介绍各部分电路的工作原理。
电能计量电路采用静止式电子电度表专用集成电路SM9903,电表常数为1 600P/kW·h。
控制部分是整个电度表的心脏,实现电能脉冲、掉电信号、IC卡信号、串行E2PROM数据的采集和读写,完成显示驱动模块的控制和继电器的驱动功能。
非接触式IC卡预收费电度表的设计非接触式IC卡预收费电度表的设计摘要：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。
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SHC1701RF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。
摘要随着社会生产力的发展和科学技术的进步，电表的使用已经趋向智能化的需求，IC 预付费智能电表从技术上满足了电力工业对电能的计算、控制和管理的要求。
所谓预付费是指用户“先付费，后用电”。
IC卡预付费智能电表具有多种防窃电功能，起动电流小、无潜动、宽负荷、低功耗，误差曲线平直、长期运行时稳定性好，外形美观、体积小、重量轻、安装方便。
论文对其硬件和软件进行设计，硬件电路主要包括电能计量电路、控制电路、显示电路、IC卡接口、电能存储器、掉电检测和电源等模块；软件设计主要有系统初始化程序、主程序MAIN、IC卡检测及读写程序、外中断0服务程序、定时器0中断服务程序等。
设计主要通过IC卡单元，专用集成电路SM9903，以及LED显示器等各个单元来完成计费，数据显示。
实现智能化电表。
关键词IC卡预付费智能电表。
AbstractWith the development of social productivity and progress of science and technology, the use of intelligent electric meter has been the trend of demand, IC prepaid intelligent meter and meet the requirement of calculation, power control and management of the electric power industry from technology. The so-called prepaid refers to the user "first payment, after electricity". Intelligent IC card prepaid meter has multiple anti-theft function, small starting current, no creeping, wide load, low power consumption, error curve straight, long-term operation stability, beautiful appearance, small size, light weight, convenient installation.The hardware and software design, the hardware circuit mainly includes the electric energy metering circuit, control circuit, display circuit, IC card interface, energy storage, power failure detection and power supply module; software design includes system initialization program, main program MAIN, IC card detection and reading and writing program, external interrupt service program, 0 timer 0 interrupt service program. The design mainly through the IC card unit, special integrated circuit SM9903, and LED display unit to complete billing, data display. The realization of intelligent electric meter.Keywords IC card prepaid smart meter.目录1. 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题意义 (1)1.3 国内智能电表的发展 (2)1.4 国外智能电表的发展 (2)1.5 智能电表的发展趋势 (2)2. IC卡预付费智能电表工作原理 (4)2.1 IC卡预付费智能电表概述 (4)2.1.1 IC卡介绍 (4)2.1.2 lC 卡电能表管理信息系统的简介 (4)2.1.3 IC卡预付费智能电表概述 (5)2.2 预付费电度表工作过程及基本原理 (5)2.2.1 预付费电度表工作过程 (5)2.2.2 有功电能测量的基本原理 (6)3. 预付费智能电表硬件设计 (9)3.1 硬件设计 (9)3.1.1 电能计量系统方案设计 (9)3.2 预付费电度表电路 (11)3.2.1 电能计量电路 (11)3.2.2 控制部分 (12)3.2.3 显示电路 (12)3.2.4 IC卡接口电路 (14)3.2.5 电能存储器 (14)3.2.6 掉电检测电路 (14)3.2.7 磁保持继电器驱电路 (15)4. 系统的软件设计 (17)4.1 主程序设计流程图以及相应代码 (17)4.2 IC卡检测及读写程序设计 (18)4.3 外中断0服务程序的流程图以及代码 (22)4.4 定时器0中断服务程序以及代码 (24)结论 (34)致谢 (35)参考文献 (36)1. 绪论1.1 课题背景电能表是我国电工仪表行业中产量最大，应用最广的产品。
基于单片机的低功耗智能IC卡电表设计1低功耗智能IC卡电表2012.3目录第一章序言 .................................................................................. 错误！未定义书签。
第二章课题的目的 ...................................................................... 错误！未定义书签。
第三章电表的发展及IC卡的介绍 ............................................ 错误！未定义书签。
3.1电表概述.............................................................................. 错误！未定义书签。
3.2电能表在我国的发展情况.................................................. 错误！未定义书签。
3.3我国电能表收费和管理现状.............................................. 错误！未定义书签。
3.4IC卡技术 ............................................................................ 错误！未定义书签。
第四章智能IC卡电表的硬件组成 ............................................ 错误！未定义书签。
4.1IC卡电能表的工作原理 .................................................... 错误！未定义书签。
4.2IC卡电能表的总体设计 .................................................... 错误！未定义书签。
• 1•基于单片机智能型预付费电度表的设计江南大学物联网工程学院 孙文隆 陈宣含 沙 莉 徐颖秦 王 杰 罗 飞【摘要】基于C52单片机、电能计量技术、IC卡技术和GSM通信技术，设计了一种智能型预付费电度表。
该装置以STC89C52型单片机为控制核心，由C52控制电路、ADE7755电能计量电路、IC卡接口电路、GSM通信电路、电源等模块组成。
其中，ADE7755对用户用电量进行实时计量；C52实现对电量数据处理及各模块的稳定控制；IC卡接口电路实现先付费，后用电；GSM实现电量不足时的智能提醒以及电量查询。
本设计同时还具备液晶显示、掉电保护、限量供电等功能。
经过实验验证，装置性能稳定，计量准确。
【关键词】电能计量；预付费；智能提醒；掉电保护Research of Intelligent prepayment electricity meter based on MCUSUN Wen-long ，CHEN Xuan-han ，SHA Li ，XU Ying-qin ，WANG Jie ，LUO Fei（School of IoT Engineering ，Jiangnan University ，Wuxi 214122，China ）Abstract ：C52 microcontroller ，electric energy metering technology ，IC card technology and GSM communication technology based on the design of an intelligent prepayment meter.The device takes the STC89C52 microcomputer as the control core ，which is composed of a single chip microcomputer control circuit ，an electric energy metering circuit ，an IC card interface circuit ，a GSM communication circuit and a power supply module.By ADE7755 electrical measurement circuit of user power consumption of real-time measurement ；using C52 single-chip to realize the stable control of the electric energy data processing and the module ；through IC card interface circuit to achieve the prepayment before using electricity ；using GSM module to realize the power of intelligent remind and electric quantity queries.The design also includes a liquid crystal display ，power down protection ，limited power supply function.Experiments show that the device has stable performance and accurate measurement.Key words ：electric energy measurement ；prepayment ；intelligent reminder ；power off protection0 引言电能的计量和付费，在居民日常生活、社会运行等方面都占有重要地位，传统机械式电度表存在笨重、需要人工抄表、精度低等缺点。
基于PIC16F917单片机的预付费电能表设计张彦航;张军;鲜宁【摘要】Prepayment energy meter is a kind of measurement device which is used for electric paying.The device employs the microcontroller as the core with the main modules such as electric energy collection module,data processing module,card read-write control module,digital display module and so on.The proposed intelligent device has good performance such as stronger stability,higher real-time level and easy to use.Moreover,the new electrical meter overcomes disadvantage of low intelligence because of manual operation.The designed prepayment energy meter can be used in different environ-ments and has great prospect for development and application.%预付费电能表是实行“先购电，后用电”的一种计量装置。
系统以单片机为主控核心，集电能采集、数据处理、写卡、显示及控制等多种功能为一体。
设计实现的智能预付费电能表具有稳定性强、实时性好及使用方便等特点，不仅克服了手工抄表缺乏智能化的缺点，而且能适应多种应用状况，具有良好的发展前景和应用价值。
毕业设计说明书IC卡预付费电子电能表设计摘要飞速发展的电力工业对电能的计量与管理提出了更高的要求:先付费、后用电，实施分时电价，实现自动抄表和收费等。
IC卡预付费电子电能表应运而生，能够满足上述要求。
本论文在大量文献查阅和市场调研的基础上，论述了IC卡预付费电子电能表的工作原理及采用的标准，IC卡的主要技术，论述了电能表的方案设计、电能测量电路芯片的选型及电表控制程序设计中应该考虑的具体技术问题。
售电管理系统软件不仅能实现对IC卡和电费的管理，还能实现对生活小区住户及其它各种费用的综合管理，论文详细地说明了售电管理系统的功能分析、模块划分、程序的总体结构、输入输出以及接口设计、数据结构的设计等，并说明了几个主要模块关键技术的实现。
因此，IC卡预付费电子电能表系统具有广泛的应用前景。
关键字：电子电能表，IC卡，预付费，单片机，交流采样Design of the full electronic watt-hour meter of prepaymentAuthor：Ba LuoTutor：Niu YuelanABSTRACTThe electric industry has been developed at very fast speed, it brings forward higher requires to the electricity management. It hopes that the user can prepay electricity before using it，time-sharing electrovalence, copying the data’s from watt-hour meters and charging can be carried out automatically. In these cases the full electronic watt-hour meter of prepayment of IC card emerges, it can be met the demands of the management above.Based on consulting a lot of literature and investigating，the paper discussed the principle of the full electronic watt-hour meter of prepayment of IC card, the standard and the technology of IC card. It also discussed the design of the watt-hour meter, the type of the energy measurement chips and the technique problems of the control program.The software of selling electricity management system can carry out not only the management to the IC card, but also the comprehensive management of various fees. The paper explained the analysis of function, module partition, program structure, input and output, interface and structure design of the software in detail. It stressed the critical technology of each module.Therefore the system of the full electronic watt-hour meter of prepayment has widely application prospect.Key words：The full electronic watt-hour meter，IC card，Prepayment，Single chip computer，Ac sampling目录1 绪论 (1)1.1 IC卡概况 (1)1.2 IC卡的分类 (2)1.3 IC卡预付费电能表 (3)1.4 近几年IC卡预付费电能表发展状态 (4)2 IC卡电能表原理分析 (6)2.1 预付费电表原理和常识 (6)2.2 市场上常见预付费电表及其比较 (6)2.3 IC卡电能表的组成框图 (7)3 硬件电路设计 (8)3.1 主控芯片的选用 (8)3.1.1 AT89C52的封装引脚 (8)3.1.2 AT89C52的部特性 (8)3.1.3 AT89C52方框图 (9)3.1.4 各引脚功能说明 (9)3.1.5 振荡器特性 (12)3.1.6 空闲模式 (12)3.1.7 掉电模式 (12)3.2 接口电路的设计 (13)3.2.1 信号检测与传感电路的设计[8] (13)3.2.2 A/D转换通道的设计 (13)3.2.3 外部存储器的扩展设计 (17)3.2.4 掉电检测及看门狗电路的电路设计 (18)3.2.5 键盘及显示电路的设计 (19)3.2.6 串行通信接口的设计[10] (19)3.2.7 稳压电源的设计[11] (22)3.2.8 报警电路的设计 (23)3.3 硬件地址的确定 (23)3.3.1 外部存储器的分配 (23)3.3.2 A/D转换器的地址分配 (23)3.3.3 LED显示器地址分配 (23)4 系统软件的设计 (24)4.1 主控程序的设计 (24)4.1.1 中断源及中断优先级的安排 (24)4.1.2 存储器的分配 (24)4.2 模块部分的设计 (24)4.2.1 掉电中断子程序的设计 (24)4.2.2 数据采集中断子程序的设计 (25)4.2.3 键盘中断子程序的设计 (26)4.2.4 串行口中断子程序的设计 (26)4.2.5 显示子程序的设计 (26)4.2.6 声光报警子程序的设计 (26)4.2.7 数字滤波的设计 (29)4.2.8 系统主流程图 (31)4.3 软件程序清单 (31)结论 (32)1 设计历程 (32)2 设计特点 (32)3 展望和体会 (32)致 (34)参考文献 (35)附录A IC卡家用电能表硬件框图 (36)附录B 软件程序清单 (37)1 绪论1.1 IC卡概况IC卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的英文简称，在有些国家也称之为灵巧卡（Smart Cart）、智慧卡（Intelligent Card）、微芯片卡（Microchip Card）等。
数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计题目：IC卡式单片机预付费电度表的设计专业：计算机科学与技术班级：姓名：学号：指导老师：成绩：( 2010.1 )目录第1节引言 (1)1.1I C卡式单片机预付费电度表概述 (1)1.2本设计任务和主要内容 (2)第2节系统主要硬件电路设计 (4)2.1方案设计与比较论证 (4)2.1.1电能计量系统方案设计 (4)2.2预付费电度表工作过程及基本原理 (5)2.2.1预付费电度表工作过程 (5)2.2.2有功电能测量的基本原理 (6)2.3预付费电度表电路 (7)2.3.1电能计量电路 (7)2.3.2控制部分 (8)2.3.3显示电路 (9)2.3.4I C卡接口电路 (10)2.3.5电能存储电路 (11)2.3.6掉电检测电路 (12)2.3.7磁保持继电器驱动电路………………………………………………1 2 第3节系统软件设计 (14)3.1主程序设计流程图以及相应代码………………………………………………1 43.2I C卡检测及读写程序设计 (15)3.3外中断0服务程序流程图以及相应代码 (18)3.4定显示器0中断服务程序流程图以及相应代码 (20)第4节结束语 (30)参考文献 (32)IC卡式单片机预付费电度表的设计第1节引言在工业和日常生活中，电已经成为不可或缺的生活品之一，其重要地位不言而喻。
同时，电度表作为电能计量产品被国家列为影晌国计民生的重点仪器仪表产品，无论是计划经济时代还是市场经济时代电度表都是国家重点支持的产品。
在我国发展过程中，电度表技术经历了“仿制探索阶段、联合攻关阶段、引进消化阶段、自举创新阶段”四个阶段的发展。
使用的电度表种类有机械式、电子式等，但是，诸如此类的电度表均存在数据的重复性和一致性较差、笨重、耗电、需要手工抄表、防窃电差、抗恶劣环境能力差等缺点。
随着微电子技术的迅猛发展，微控制器（单片机）和大规模集成电路在电能计量领域的广泛应用，使电度表的技术水平和性能得到长足发展。
本系统利用单片机的可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗等优点展开设计，并采用IC卡设置预付费系统，得到电能计量准确、精度高、保密性好、抗干扰强的优质预付费电度表。
1.1 IC卡式单片机预付费电度表概述IC卡式单片机预付费电度表是一种新型的IC卡式预付费仪表，具主要包括电能计量系统和预付费系统。
电能计量系统采用成熟的电子式电能表技术，整体结构合理、工艺先进，实现电能测量、电能值显示、超负荷断电等功能，并具有电子式电能表的各种优点；预付费系统主要利用IC卡实现先付费、再用电。
该表在设计过程中，充分考虑到在线仪表的特点，在可靠性和抗干扰能力方面采取了一系列措施，完全符合电磁兼容性标准。
该产品各项性能指标符合JBT8328-1996《预付费电度表》标准中对单相电子式预付费电能表的全部技术要求。
结合用户的群众性及经济利益等诸多特殊要求与条件，本电度表引入微控制器，其具有更多的技术特点和优越功能，具体如下：(1) 采用新型IC卡，一户一卡，互不通用，具有良好的可靠性和安全性。
(2) 具有负荷设定功能，超负荷跳闸功能并记录超负荷次数（可选功能）(3) 可在20A电流下长期工作，温升小于30度(4) 具有数据回写功能，回写累积电量，剩余电量，超负荷次数，非正常用电时间，电能脉冲常数至售电系统，便于电力部门管理。
(5) 剩余电量为0时跳闸断电，此时若用户使用短路方式窃电，该表可记录窃电时间，并回写至售电系统。
(6) 剩余电量不足报警。
(7) IC插座自保护功能，当金属片等异体物质插入IC插座时，读卡部分自动保护但不影响正常计费和其他功能，确保电表不会损坏。
1.2本设计任务和主要内容本论文主要研究IC卡式单片机预付费电度表，分别对电能计量、预付费系统、控制电路、显示、IC卡接口等方面进行了深入研究，并增加采用IC卡付费和掉电保护功能。
预付费电度表的设计任务是实现相关的功能及要求，符合现实生产生活的需要。
其必须满足具备以下一些要求和功能：(1) 电能计量准确、精度高、要求至少达到二级表（误差为2%）的精度；(2) 用户将存有电能的IC卡插入卡槽,卡中电能被读入表中,同时把IC卡清”0”；(3) 专卡专用.当有非本机卡或异物插入卡槽时,能及时发现,切断卡座的供电,并在液晶显示屏上给出相应的汉字提示信息，且保密性高；(4) 电度表正常工作时，液晶显示剩余电能值、已用电能值，并随时改写剩余电能和已用的工作是否正常及用电负荷的大小；(5) 当表内剩余电能不足20KW.H时，在液晶显示器上显示“请及时购电”以提醒用户余电不多，及时购电；(6) 当表内剩余电能为0时，自动断电，这时用户不能用电。
在用户将重新购电的IC卡插入槽中时，表完成上述第一项的功能，恢复供电；(7) 有负荷限制功能：当用户电流大于25A时自动断电，1min后恢复供电；(8) 具有掉电保护功能：掉电时，自动把剩余电能从RAM转储在EEPROM中。
预付费电度表的设计主要内容包括电能计量系统设计和预付费系统设计两方面的内容。
此处，预付费系统并非本论文讨论的重点。
但是为了描述的方便，我们从整体上进行考虑，具体分硬件设计和软件设计等两个方面进行讨论。
[1]硬件设计预付费电度表根据设计任务的需要，其硬件电路主要包括电能计量电路、控制电路、显示电路、IC卡接口、电能存储器、掉电检测和电源等模块。
电能计量电路：采用电子电度表专用集成电路SM9903。
芯片内部包含了模拟乘法器、电压N频率转换器、VFC、计数器（分频器）及控制逻辑。
控制部分为整个电能表的心脏，实现电能脉冲、掉电信号、IC卡信号、串行EFPROM 数据的采集和读写，完成显示驱动模块的控制和继电器的驱动等功能。
显示电路：采用液晶显示，其特点是显示内容丰富（可显示汉字），功耗小，可靠性高，电路简单。
IC卡接口电路：采用Atmel公司的存储IC卡AT23C01,用于存储由售电管理系统写入密码、卡号、电度数等。
[2]软件设计硬件是系统的基础，则软件是系统的灵魂。
本系统的软件设计主要依托于硬件设计，采用模块化编程，可分为系统初始化程序、主程序MAIN、IC卡检测及读写程序、定时器0中断服务程序、外中断0服务程序（掉电保护）等。
第2节系统主要硬件电路设计2.1 方案设计与比较论证预付费电度表主要包括电能计量系统和预付费系统。
电能计量系统完成了电能测量、电能值显示、超负荷断电等功能；预付费系统主要是利用IC卡实现先付费，再用电的模式。
前者追求可靠性，后者追求高安全性。
因为预付费系统在此设计中并非重点，所以接下去仅对电能计量系统方案进行设计和论证比较。
2.1.1电能计量系统方案设计根据电能计量系统的功能要求，有以下一些设计方案，对各类方案进行描述并比较论证，得出结论。
方案一：机械电子式前置通道采用原感应式电度表电路，通过对转盘转动圈数的计数来测量电能。
具体方案是在转盘上涂上大约1cm的“黑条”，在转盘上方或者下方设置一红外线发射接收对管。
当红外线照射在“黑条”处，红外线被吸收，无反射，即接收管接收不到红外线；当红外线照在其他部分时，被反射，接收管能接收到红外线。
这样转盘每转一圈，产生一个脉冲，再通过对脉冲的整形、计数、显示完成电能的计量。
这种方案显示直观，读数容易。
但它仍然具有机械式感应电度表的缺点，即耗电多，笨重。
方案二：模数转换式对电流和电压分别采样，再通过A/D转换器转换成数字信号，然后送入单片机进行相乘运算。
并在CPU中设置一个定时器定时对功率进行累加，其系统如图2-1所示。
图2-1 方案二的系统图这种方案对信号的采样速度快，但A/D转换器的精度要求高，而且由于电网的电力谐波引入前置通道，导致A/D转换后产生错误数据。
为抑制这种干扰，必须在软件上加数字滤波器或在硬件上采用隔离放大器和高精度的运算放大器。
这将增加CPU 的负担和硬件电路成本，其方案可行而不可取。
方案三：电压频率转换式采用电压/频率（V/F）转换器加单片机实现对电流和电压的A/D转换。
这样，模拟通道中本身的干扰信号被抑制。
无须专门的A/D转换器，大大减小了硬件成本。
CPU 只需对V/F转换后的脉冲进行定时计数，便可测出电压和电流的数字量。
同时，电压和电流分别经过零检测电路。
将过零脉冲送CPU处理，得出电流和电压的相位差，经过查表得功率因数（cosΦ），按公式P=UIcosΦ计算，便得有功功率，再定时累加就是电能值。
系统框图如图2-2所示。
图2-2 方案三的系统图这种方案CPU要实现读写卡控制、求功率因数（cosΦ）、电能计算等功能，负担较重，一般的MCS-51、MCS-96和PIC系列单片机难以胜任。
2．2预付费电度表工作过程及基本原理2.2.1预付费电度表工作过程结合系统设计的要求，我们可知，预付费电度表的工作过程如下：（1）上电时，在液晶屏上显示“电子电能表”。
随后将存放在EEPROM中的剩余电能调出到RAM中；（2）当单片机工作正常时，能显示剩余电能和已用电能；（3）当有本机IC卡插入卡槽时，根据有电卡和无电卡（空卡）做出不同的处理。
若为有电卡，则显示“正在读卡，主稍候”。
稍候显示：“请抽卡”。
这时卡中的电能被写入表中，且将卡清零；若为空卡，则显示“空卡”；（4）当用电时，剩余电能递减，已用电能递增；（5）当插入无效卡时，系统提示“IC卡型号不对，请换卡”；（6）当电用完时，切断电源，并显示：“电用完，请及时购电”；（7）液晶显示器显示的内容与处理，如表2-1所示。
2.2.2有功电能测量的基本原理本设计采用有功电能测量集成电路SM9903，芯片内部包含了四象限模拟乘法器、积分器、电压/频率转换器VFC 、计数器（分频器）及控制逻辑，它能将正弦电压和电流相乘后，转换为频率输出。
只需对输出脉冲累计计数，就可计量出电能。
SM9903内部电路模型如图2-3所示。
图2-3SM9903内部电路模型示意图在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为：cos u t ω= (2-1) cos()i t ωφ=- (2-2) 式中，u 为交流电压瞬时值，i 为交流电流瞬时值，U 为交流电压有效值，I 为交流电流有效值，ω为交流电的角频率，φ=ψu-ψi 为电压电流的相位差。
cos cos()[cos cos(2)]p ui t t UI t ωωφφωφ==-=+- （2-3） 可见，瞬时功率有恒定分量UI cos φ和正弦分量两面三量两面三刀部分，正弦分量的频率是电压（或电流）频率的两倍。
图2-4所示为正弦电流、电压和瞬时功率的波形图。
图2-4 正弦电流、电压和瞬时功率的波形图在图2-4中，u是瞬时电压，i是瞬时电流，p是瞬时功率。
瞬时功率p经积分器后，得有功功率P，即P=11[cos cos(2-)]cos00T Tpdt UI wt dt UI UIlT T=Φ+Φ=Φ=⎰⎰（2-4）以上分析表明，有功功率P为恒定分量，将正比于P的电压经V/F变换后，输出的是频率随P变化的脉冲，只需将脉冲累计计数，则计数值N即为电能。
