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        新型智能IC卡燃氣表的設(shè)計與開發(fā)*

        2013-05-14 03:18:44闞小妹張光強
        計量技術(shù) 2013年8期
        關(guān)鍵詞:燃氣表IC卡中斷

        闞小妹 張光強

        (1.無錫市計量測試中心,無錫 214101;2.無錫市宏湖微電子有限公司,無錫 214163)

        0 引言

        長期以來,民用燃氣普遍采用容積式燃氣表,需入戶抄表,然后進行計費和收費。這種收費方式不僅增加了人力成本,收費不便管理,而且對欠費者難以限制。目前研制的IC卡燃氣表存在以下問題:成本偏高、電路功耗大;電池使用壽命偏短,影響IC卡燃氣表的推廣;關(guān)斷閥設(shè)置在燃氣表的外部,從而導致有些技術(shù)性能很難達到國家標準的要求。

        本文以低功耗單片機為測控核心,設(shè)計了一種機電一體化的新型智能IC卡燃氣表,該燃氣表可實時采集燃氣流量,控制用戶用氣情況,具有檢測準確、低功耗、安全性高、防盜氣等特點,市場前景廣闊。

        1 總體設(shè)計方案

        以AT89C2051為主控芯片,設(shè)計智能IC卡燃氣表系統(tǒng),系統(tǒng)組成如圖1所示,包括燃氣流量采集電路、電磁閥控制電路、IC卡接口電路、LCD顯示與聲光報警、電源保護及欠壓檢測電路、非易失性存儲及看門狗電路。

        圖1 系統(tǒng)組成框圖

        1.1 系統(tǒng)工作原理

        IC卡燃氣表首先通過流量計中的磁敏元件將氣體流量轉(zhuǎn)化為電脈沖信號,脈沖信號經(jīng)整形、光電隔離后輸入到單片機進行計量。用戶到燃氣公司各收費管理站交費購氣,回來后把存儲燃氣量的IC卡插入用戶IC卡燃氣表中,同時將IC卡清零。隨著用戶用氣,非易失存儲器中的氣量減少,在氣量被用完之前,系統(tǒng)將提示用戶續(xù)卡。

        1.2 IC卡燃氣表的主要功能包括[1]

        1)加密功能:所設(shè)計系統(tǒng)采用邏輯加密IC卡,保證一表一卡,非本表IC卡和其它無效卡插入無效。

        2)控制功能:依據(jù)交費和用氣情況,自動控制氣路的開關(guān)。在正常情況下控制閥處于開啟狀態(tài);當表內(nèi)氣量用完、電池欠壓、電池盒打開事件發(fā)生時,控制閥才從開啟態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉態(tài)。

        3)顯示/提示功能:采用LCD實時顯示剩余可用氣量,聲光報警提示電池欠壓、IC卡無效等功能。

        4)欠壓與防竊氣功能:當系統(tǒng)電源電壓不足時提示用戶需更換電池,當用戶私開表蓋時系統(tǒng)將關(guān)閉電磁閥,防止用戶非法竊氣。

        2 硬件設(shè)計

        本設(shè)計的硬件主要包括單片機最小系統(tǒng)、外部中斷擴展電路、燃氣流量檢測電路、IC卡接口電路、非易失性存儲及看門狗電路、電磁閥控制電路、欠壓檢測及電源保護電路、液晶顯示電路和報警電路。其中,單片機選用Atmel公司的AT89C2051單片機,液晶顯示電路采用商品化的IC卡燃氣表專用液晶顯示模塊ZY886C,報警電路采用壓電式蜂鳴器,通過74ALS06進行低電平驅(qū)動。

        2.1 外部中斷擴展電路

        為實現(xiàn)低功耗和提高系統(tǒng)的實時性,本設(shè)計將插卡、電池欠壓、非法開蓋、燃氣流量信號計數(shù)都作為外部中斷,而AT89C2051只有兩個外部中斷,因此必須進行外部中斷的擴展[2]。其中,燃氣流量信號計數(shù)使用外部中斷/INT0,插卡、電池欠壓、非法開蓋事件檢測使用外部中斷/INT1。采用邏輯門實現(xiàn)外部中斷擴展,電路原理圖如圖2所示,外部中斷EI1(電池欠壓)、EI2(私開表蓋)、EI3(插卡)信號均為低電平有效,經(jīng)邏輯與后與單片機/INT1引腳相連,同時各外部中斷信號分別連接P1.0、P1.1、P1.2引腳,當EI1、EI2、EI3其中一個事件發(fā)生時,觸發(fā)/INT1中斷,在/INT1中斷服務函數(shù)中通過查詢P1.0、P1.1、P1.2引腳可以獲取所發(fā)生的中斷時間。

        圖2 外部中斷擴展電路

        2.2 燃氣流量檢測電路

        為保持原有機械式燃氣表的計量精度,本設(shè)計的燃氣流量檢測是通過檢測其字輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)實現(xiàn)的,將流量變換成脈沖數(shù),送入單片機的/INT0引腳進行計量?;贠KI公司的ORD9216干簧管設(shè)計了脈沖式流量計,將一矩形永磁體安裝在旋轉(zhuǎn)翼片做成的氣輪上,干簧管固定在燃氣表中。當燃氣流動時氣輪轉(zhuǎn)動,帶動磁體運動。氣輪旋轉(zhuǎn)一周,干簧管接合、釋放一次,產(chǎn)生一個脈沖。單片機記錄干簧管接合的次數(shù)就可計量出燃氣的流量。

        2.3 IC卡接口電路

        本設(shè)計采用的IC卡為邏輯加密卡AT88SC102,對其應用區(qū)的訪問受到密碼、熔絲、該區(qū)讀寫屬性控制位和該區(qū)擦除密鑰的保護,因此具有較高的安全性[3]。選用較廉價的插拔式卡座,其與單片機的接口原理圖如圖3所示。當IC卡插入后,卡座的常開微動開關(guān)K1閉合,經(jīng)邏輯電路處理后在單片機的/INT1引腳產(chǎn)生中斷,中斷服務程序中查詢到P1.2腳為低時則進入IC卡密碼校驗及讀寫程序。

        圖3 IC卡座與單片機的接口原理圖

        2.4 非易失性存儲及看門狗電路

        非易失性存儲器主要用來存儲一些系統(tǒng)運行參數(shù),當用戶IC卡插入時,卡內(nèi)密碼、卡號、購買氣量等信息以及燃氣表進入掉電狀態(tài)時的結(jié)余氣量等信息都將保存在該存儲器中。本設(shè)計采用Xicro公司的X25045芯片,它將看門狗定時器、上電復位、串行E2PROM集成在一塊8引腳的芯片內(nèi),具有可編程塊鎖功能,使用SPI接口與單片機進行通信,其接口電路如圖4所示。

        圖4 X25045與單片機的接口原理圖

        2.5 電磁閥控制電路

        由于燃氣表采用電池供電,整個裝置必須在低功耗下運行,因此,表中的氣路控制閥無論在開啟或關(guān)閉狀態(tài)下,都必須低功耗或無功耗[4]。本設(shè)計選用ZCM-20電磁閥進行氣路控制,它是一種雙穩(wěn)態(tài)高效節(jié)能型電磁閥,具有“點開”和“點關(guān)”的脈沖工作方式,一旦開啟或閉合,能處于自保持狀態(tài),無需電源供電,工作電壓在DC(3.0~6.0)V。其與單片機的接口電路如圖5所示。當P3.7腳輸出低電平時,三極管T1截止,電磁閥關(guān)閉;當P3.7腳輸出高電平時,T1導通,電磁閥開啟。

        圖5 電磁閥控制電路

        圖6 電壓欠壓檢測電路

        2.6 欠壓檢測及電源保護電路

        為及時提示用戶更換電池,需要設(shè)計電源欠壓檢測電路。本系統(tǒng)中電源欠壓檢測電路如圖6所示。當系統(tǒng)正常工作時,若電源(Vcc)正常,則Q2將導通,從而使Q3基極為低電平,Q3截止,則發(fā)光二極管D5截止,不亮表示電源正常。若電源降低至一定限值(本設(shè)計為3V)后,Q2的基極電平降低使Q2截止,從而Q3導通,使D5導通發(fā)光,提示用戶系統(tǒng)欠壓,同時Q3的集電極接至/INT1引起中斷。通過中斷處理程序,關(guān)閉電磁閥,聲光報警提示用戶更換電池,延時一段時間后,關(guān)閉所有中斷,使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài),直到更換電池。

        為有效保護電源和防止用戶私開表蓋,本設(shè)計對電池盒位置進行高靈敏度監(jiān)測。用戶私開表蓋時,保護電路輸出低電平,單片機檢測到該電平后執(zhí)行相應聲光報警,同時私開表蓋記錄被記錄到表內(nèi)的X25045中,返回主程序后立即關(guān)閉閥門。此后要開氣必須先將私開記錄清除,而只有燃氣公司才能清除該記錄,從而有效防止用戶竊氣行為發(fā)生。

        3 軟件設(shè)計

        應用程序采用模塊化的編程方法,軟件由主程序、中斷服務程序、子程序等組成。核心的程序模塊包括IC卡的密碼校驗與讀寫、串行E2PROM的讀寫、LCD顯示以及燃氣流量計數(shù)中斷程序等。

        3.1 主程序設(shè)計[5]

        當系統(tǒng)上電后,主程序開始執(zhí)行。首先完成系統(tǒng)的初始化工作,如開中斷、使外部中斷/INT0和/INT1均為低電平觸發(fā)方式、設(shè)置T0和T1為定時器并賦初值等;初始化后再從X25045中讀入本機可用燃氣數(shù),并進行判斷處理;然后開電磁閥,在液晶顯示器上顯示剩余可用氣量;最后進入空閑模式(Idle Mode),等待計數(shù)、插卡等中斷到來。主程序流程圖如圖7所示。

        圖7 主程序流程圖

        3.2 中斷服務程序設(shè)計

        中斷服務程序包括外部中斷/INT0、/INT1和定時器T1中斷。外部/INT0中斷服務程序用于對干簧管產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù),當計數(shù)脈沖達到一個當量值時,從可用燃氣數(shù)中減去0.1m3,并對液晶顯示器進行刷新。外部/INT1中斷服務程序?qū)﹄姵厍穳骸⒎欠ㄩ_蓋、有卡插入等事件進行實時響應。利用T1及其中斷計時程序構(gòu)成一個10min定時器,耗氣量計數(shù)中斷程序中,清軟件計時值的操作,使T1的中斷服務程序始終計不滿10min而正常返回中斷。當不再出現(xiàn)耗氣量計數(shù)中斷時,T1的中斷服務程序才能順利計滿10min,當檢測到10min不用氣時,系統(tǒng)進入掉電狀態(tài)。

        4 測試與結(jié)果

        對所設(shè)計的系統(tǒng)進行了整機測試,能夠完成所要求的各項功能且工作穩(wěn)定。通過采取硬件和軟件方面的低功耗措施,燃氣表運行時MCU大部分時間處于空閑和掉電狀態(tài),整機電流很低,未插卡時,實測電流為50μA,插卡時為4.0mA,開關(guān)電磁閥時電流為280mA,由于插卡、開關(guān)電磁閥的次數(shù)很少,時間很短,整機功耗很小,設(shè)計采用一節(jié)6Ah鋰電池,工作時間理論上在3年以上。

        5 結(jié)論

        本文在原有機械式燃氣表的基礎(chǔ)上,采用機電一體化的設(shè)計思想設(shè)計了一種新型智能IC卡燃氣表。該燃氣表以邏輯加密卡為數(shù)據(jù)載體,選擇了集成度高、功耗低的主控MCU和外圍器件,并從軟件方面進行優(yōu)化。較現(xiàn)有的IC卡燃氣表,所設(shè)計的智能燃氣表具有功耗小、成本低以及可靠性高等特點,容易被推廣使用。本設(shè)計可為其它智能儀表的研制,實現(xiàn)城市水、電、燃氣等公用事業(yè)“一卡通”提供技術(shù)參考。

        [1] 李剛健,劉鵬,程憲平.微功耗智能IC卡燃氣表的研制.微型機與應用,2002(4):16-18

        [2] 張振榮,晉明武.MCS-51單片機原理及實用技術(shù).北京:人民郵電出版社,2000

        [3] 陸永寧.IC卡應用系統(tǒng).南京:東南大學出版社,2000

        [4] 陶曄,姜建華.新型流量控制閥的研究與設(shè)計.儀表技術(shù),2000,(4):44-45

        [5] 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計.北京:北京航空航天大學出版社,1995

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