高精度预付费IC卡智能电度表
一 引言
现在使用的电能表大部分还是以感应式原理工作，其精度不高，且需要通过人工上门抄表，用户再去交费的方法进行收费。这就可能造成两种不良的后果：1.用电读数不准，可能给用户增加经济负担；2.拖欠电费的现象发生，给国家带来经济损失。因此研制、开发一种能精确计量且符合当前收费标准（即先购电，后用电）的智能电度表十分必要。本文介绍一种基于AT89C2051的智能电度表的实现方案。
二 设计思想
电力部门在初装电表时,将相应的收费标准写入单片机，并设置密码。用户用电前需到电力部门开户并购买相应的IC卡。要用电时，用户只需将含有一定币值的卡插入电表相应的IC卡插槽中，按一下读卡键，就可将卡中的币值读入电表；表中的单片机会自动将币值转换为存电量存储起来；再按一下电表上的用电键，单片机检测到表中存电量大于零后，发出信号使继电器自动闭合，用户就可以用电了。单片机同时发出计量信号，而时钟芯片产生月信号，再由单片机根据收费标准对计量信号和月信号进行处理，使存电量递减。用户用了多少电，单片机就从存电量中扣除多少。当电表中的存电量低于一定值后,电表自动报警提醒用户购卡充值;当存电量用完时，电表会自动切断电源，直到用户充值后,才恢复供电。
三 原理框图
四 硬件设计
1 单片机
本设计采用带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(FLASH ROM)的低电压、高性能CMOS 8位微控制器AT89C2051，该器件采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51TH指令集和输出管脚相兼容，此外，AT89C2051设计稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的省电模式，在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM，定时器/计数器，串口和中断系统仍在工作，在掉电模式下，保存RAM中的内容并且冻结振荡器，禁止所有其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C2051作为一种高效微控制器，为本设计的控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
2 数据处理电路
传感器对进行电压、电流采样。被测电流经可编程增益放大器（PGA）放大后，接电流通道的ADC，并由此ADC转换为对应的数字信号。再经相位校正和高通滤波，进入乘法器。乘法器的另一路输入是电压通道ADC转换而来的，与被测电压相乘后产生瞬时功率信号。此信号经低通滤波器滤除其中的交流分量，提取出负载消耗的瞬时有功功率。AD7755对这个瞬时有功功率进行一段时间的累计和平均，求得平均有功功率，再交给AT89C2051处理后送LCD显示。由于了采用低成本集成电路AD7755，整个电路只在ADC和基准源中使用模拟电路，接下来的信号处理都在数字域实现。所以电表能在恶劣环境条件下仍能保持极高的准确性和长期的稳定性。
3 IC卡读写电路和蜂鸣器
由AT89C2051的I/O口与IC卡座直接相连，采用串行方式进行读/写。利用AT89C2051的另一I/O口控制并驱动蜂鸣器工作。
4 LED显示
AT89C2051串行口的移位寄存器实现串/并转换后控制并驱动数码管及LED显示。
5 时钟电路
时钟芯片可选用RTC4553，它内藏32.768KHZ石英晶体，具有体积小，温度范围宽，抗干扰性强，价格低廉，准确度高等特点。其内部具有E2PROM用以数据保存。RTC4553和AT89C2051的I/O口直接相连，采用串行通信方式进行读写数据。
6 电源部分
电度表工作电压范围很宽，所以对稳压电源有特殊要求。一般电网电压在130～250V或250～500V之间，考虑到一定的余量，其电压适应能力至少在3倍以上，此外还要有一定的安全区，在安全区中，功率因数表虽然不能精确工作，但应不会损坏。电源部分可采用专门设计的可控硅式或磁饱和式宽动态范围稳压电源。可控硅式电源工作电压动态范围宽，损耗小，性能好，技术要求较高；磁饱和式电源技术要求较低，但总损耗较大，工作电压动态范围也较窄，若利用变压器与电容组成串联谐振电路，并加入单向磁饱和负反馈控制电路，电压动态范围和稳压性能有较大提高。
五 软件设计
首先是主程序流程图和计量程序子程序图。
电表的各项功能均由软件来控制实现，它主要实现电表的初始化设置、数据采集及处理、I/C卡读写、显示处理、用电控制等等。
电表的键盘有读卡键、显示键、用电键、检查键四个功能键。用户和技术人员可以根据需要使用。按下显示键，电表可提供存电量收、费标准等信息的查询服务；按下检查键，电力部门的技术人员可进行电表维修或设置工作；按下读卡键，就可将槽中IC卡的币值读入电表，表中的单片机会自动将币值转换为存电量存储起来，再按一下电表上的用电键后，单片机检测出存电量大于零，即合上电闸开始供电。此时时钟芯片产生月信号，单片机同时发出计量信号并调用计量处理子程序。当由于电压电流过大，保护电路起作用，电闸自动跳开时，用户可等电压电流稳定后，再按下用电键就可继续用电。
一个月结束时，单片机判断有无超过每月基本用电量，如果没有超过，则按照基本收费标准在存电量中减去相应的值；如果超过，则按超过的收费标准在存电量中减去相应的值。电力部门也可根据需要设置不同的收费标准，实行新的复费率收费。当电表中的存电量低于一定值后,电表自动报警5秒，提醒用户购卡充值;当存电量用完时，电表会自动报警10秒，并切断电源。直到用户充值后,才恢复供电。
六 结束语
本文对高精度预付费IC卡智能电度表的硬件设计和软件设计进行了讨论。在实际运用中，根据需要我们会增加一些新的功能.。由上述设计过程，我们可以看出高精度预付费IC卡智能电度表确实能够实现精度高、读数准，且先购电后用电的设想。此外，该电路结构简单，所用元件价格便宜，稳定性高，具有较高的推广实用价值。