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智能IC卡煤气表的设计

来源:一卡通世界      作者:荣思远 景新幸 王晓英      2010/10/4 14:00:21

    摘要:本文介绍了一种智能 IC卡煤气表的设计方案,阐明了系统结构和各模块的功能。智能 IC卡煤气表的硬件是由一个电源模块,可擦除只读存储器模块, IC卡模块,数字液晶模块和煤气传感器等模块组成,所有这些都是由一个单片机控制的。同时本文给出了软件的设计流程。
    关键词:煤气表, IC卡,单片机

    1 引言

    现在城市管道煤气已经基本普及,煤气用户的数量也随之有了很大的增长。作为煤气计费依据的煤气表数量与日俱增,有的城市达几十万甚至上百万用户。面对如此庞大的煤气表用户,抄表、收费工作将是一项十分繁琐的工作,同时由于用户各种客观情况的存在,例如生活水平、居住环境、生活习惯等不一样,给收费工作带来了很大的困难。针对这种现状,设计的智能 IC卡煤气表,可以很好的解决传统仪表的抄表和收费等问题 [1]。

    2 硬件结构与功能

    智能 IC卡煤气表的硬件组成框图如图 1所示,它是由单片机 (AT89C51)、非易失性内存(EEPROM)、煤气传感器、声音报警电路、电磁阀、液晶显示(LCD)、耗气量计数部分、 IC卡部分和电源部分共同组成的[2]。

煤气表硬件组成框图

图 1:煤气表硬件组成框图

    2.1 单片机

    此系统是一个以 AT89C51为核心的单片机最小系统。 ATMEL89系列单片机是 ATMEL公司的 8位 Flash单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有 Flash存储器, 因此,有着十分广泛的用途,特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。这里采用 AT89C51是为了方便研制阶段进行反复调试和修改。由于 AT89C51带有 4KB闪存可擦除( 1000次)只读存储器,兼容于 MCS-51指令系统,提供在线编程,为嵌入式控制应用提供了一种高性价比的解决方案[3]。

    2.2 EEPROM存储器

    EEPROM是系统的存储器,煤气表中诸如累积已耗用气量、结余气量、初始化识别号, IC卡识别号等重要数据都存放在 EEPROM中。由于 EEPROM是非易失性存储器,在断电之后仍能把所存储的信息保存下来,这样可克服由充电电池长期维持 RAM中信息所潜在的不可靠性。这里采用的是读写时钟频率较高,静态功耗很低的 XICOR公司的 X5045。

    2.3 液晶显示屏

    液晶( LCD)显示屏,是用户获取煤气表信息的直接来源。用户可随时使用中断方式来查询现有剩余气量、使用总量以及煤气表的一些提示信息。这些信息将会显示在煤气表的液晶显示屏上,同时还可以显示:请速购气、插卡有误、阀门已关等提示信息。这里采用的是煤气表专用的数字式液晶模块( ZY886C),该模块是专为煤气表开发及生产的,其与单片机的接口简单方便且功耗低。

    2.4煤气传感器及报警电路

    煤气传感器的使用大大增加了系统的安全性。由于煤气是一种无色无味的有毒气体,一旦泄露会对用户的人身和财产产生很大的威胁。加入煤气传感器后,系统就可时时检测空气中的危险气体含量是否超标,如果超标它会通知单片机,单片机会通知阀门关闭,同时通知报警电路发出声音警报信号。报警电路同时还具有提示用户购气、作弊警示、提醒更换电池等功能。这里采用的是河南汉威电子有限公司的 MQ-5,它对液化气、天然气城市煤气有较好的灵敏度;对乙醇、烟雾几乎不响应;而具有灵敏度高、响应快、长寿命等特点。并且驱动电路简单,特别适用于家庭或工业上对液化气,天然气,煤气的监测装置。

    2.5 耗气量计数电路

    耗气量计数电路是煤气表的传感器部分,是实现正确计量的基础。考虑到现有模拟式煤气表中,旋翼式结构简单,测量范围宽,灵敏度高,外形尺寸小,精确度已被广大用户所接受,因此本煤气表的流量计还是基于模拟煤气表的旋翼式结构,而将叶轮机构上提取的电信号用频率脉冲计数,实现煤气流量的计量,其耗电≤ 1mA,并保持了原有的结构简单,精确度高的优点。这里采用一对红外管来实现。具体做法是在机械式煤气表的转盘上开一个小孔,将红外对管放在转盘两侧,则转盘每转动一圈,气量检测就输出一个连续的脉冲串。这样既可以防止干扰造成误差计数,又可有效地降低功耗[4]。

    2.6 电磁阀

    阀门控制着煤气表的开关状态。目前可控制的阀门主要是电磁阀,但常规的电磁阀是靠电的通断来控制阀门开关的,即要让阀门一直开着,就必须一直通电,因此耗电较大,不符合本煤气表的需要。因此,必须在现有电平开关式电磁阀的基础上对此进行改进,将阀门开关控制由电脉冲来实现,使得对阀门开关只是瞬时供电,从而减少耗电量。电磁阀在紧急情况下还可立即切断煤气通道,保障用户的安全。同时还可起到确保用户合法用气的作用,当用户允许使用的煤气量少于一度时,系统会自动关闭煤气通道。

    2.7 IC芯片

    IC卡部分是智能煤气表的关键部分用户在使用煤气表之前,先到煤气公司指定的地方购买一张 IC卡,卡上包含用户信息和允许使用煤气量,将卡插入表内的 IC卡接口,煤气表先验证用户身份信息后,自动将气量数据读入 EEPROM,并将卡上数据清零,这样可以作到一卡一用。煤气使用量检测实时检测用户对煤气的使用情况,当剩余煤气量少于一定量时,则告警提醒用户及时购气,这就很好的解决了智能 IC卡煤气表要解决的最基本问题 --抄表、计费[5]。

    这里采用的是接触式(带触点的)IC卡,由于接触式 IC卡的结构简单、生产成本低、使用方便,因此在各领域都得到了广泛的应用。接触式 IC卡片上封装的芯片最多有 8根线连接到芯片表面的触点上,其中包括电源线、地线和信号线等。带有触点的模块封装在卡片正面的左上方。这种 IC卡通过触点和读写机具进行通信,卡内芯片电路工作所需的电源由 IC卡读写机具提供到相应的触点上。

    目前用于 IC卡的通用存贮器芯片多为 EEPROM,其常用的协议主要有两线串行连接协议(I2C)和三线串行链接协议,其中比较常用的是 ATMEL公司生产的 AT24系列芯片。以该系列中的 AT24C01为例,它具有 1k的存贮容量,适用于 2V~5V的低电压/标准电压的操作,具有低功耗和高可靠性等优点。由于串行通信只用两根口线,故做成 IC卡时外接连线少,更是比采用并行 EEPROM减少许多连线,作为非易失性内存(EEPROM),PCB布线更简洁,体积更小。 IC卡煤气表中所需存取的重要数据少,且数据存取速度要求不高,故这种小容量的串行 EEPROM非常适用。

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