智能化煤气表设计

摘 要目前使用的机械式煤气表存在较大的弊端，给管理部门和用户带来了很大的不方便，为了能从根本上解决此问题， 设计一种新型的智能煤气表收费系统就显得十分必要。针对这种情况，本文设计了智能 IC 卡煤气表系统，以 实现煤气收费管理的电子化和信息化。本设计是基于 AT89S52 单片机控制的煤气计费模 块，控制简单，设计中采用非接触式智能卡模块实现预付费功能，具有严谨的保护和防作弊功能；系统具备液晶显示功能，利用 RT1602 液晶显示模块显示余 额、用气量等数据；为了保证系统的稳定性和可靠性，该设计中还加入了掉电保护模块，保护用户数据不丢失，使计费系统实现自动化和最优化。 关键词：煤气表,非接触式卡,预付费,单片机The Design Of Intelligent Gas MeterAbstractThe mechanical gas meter at present has a big disadvantages to the management and the users a great deal of inconvenience. In order to fundamentally solve this problem, it is very necessary to design a new type system of intelligent gas meter. In view of this situation, this paper designed an intelligent IC card gas meter systems in order to achieve the gas tariffs and the management of electronic information.The design is a gas billing module which based on the MCU AT89S52, the control is simple, the design take the non-contact less smart card module to achieve pre-paid functions, with have strict protection and anti-cheat functions. System use the RT1602-liquid crystal display function to show the Balance data etc. In order to ensure system stability and reliability, the design also joined the power-down protection module to protect the user data is not lost, make the system enables automated billing system and optimization.Key Words: Gas meter, Non-contact card, Prepaid, Single-chip目 录1 绪论 .11.1 国家宏观政策 .11.2 国际上煤气表的发展及收费方式 .21.2.1 国外煤气表的现状 .21.2.2 收费方式 .21.3 国内 IC 卡煤气表的发展 .31.4 设计目的 .31.5 设计中需要重点解决的问题 .32 整体设计方案 .42.1 系统组成 .42.2 整体方案论述 .43 单元电路 .53.1 主控电路 MCU.53.1.1 主控芯片介绍 .53.1.2 主控电路 .63.2 流量测量模块 .73.3 显示电路 .83.3.1 RT1602 介绍 .83.3.1.1 RT1602 引脚说明 .83.3.1.2 RT1602 指令说明 .93.3.1.3 RT1602 的读写时序 .103.3.2 LCD 接口电路 .123.4 掉电存储模块 .123.4.1 总线的基本原理 .12CI23.4.2 AT24C02 介绍 .143.4.3 AT24C02 硬件电路连接 .153.5 智能 IC 卡接口模块 .153.5.1 Mifare S50 卡介绍 .153.5.2 Mifare S50 卡的访问 操作与命令 .163.5.3 读卡器模块 .173.5.4 硬件电路 .173.6 电源监控系统 .183.7 电磁阀控制电路 .193.8 煤气泄漏报警电路 .203.9 声光报警电路 .204 程序设计 .214.1 主程序流程图 .214.2 非接触式卡读写模块 .214.3 掉电存储模块 .234.4 液晶显示模块 .245 结论 .24致谢 .25参考文献 .26附录 1 总体电路图 .27附录 2 液晶显示程序流程图 .28附录 3 主程序 .29附录 4 非接触式卡程序 .32附录 5 掉电存储程序 .43附录 6 液晶显示程序 .4611 绪论1.1 国家宏观政策随着社会的进步，人民生活水平的不断提高，城市管道煤气已逐渐进入千家万户。煤气作为一种清洁和高效的能源已 经有越来越多的用户在使用，据不完全统计，截止 2005 年，我国城市煤气用 户已达 3200 多万。特别是西部大开发“西气东输”计划的启动，管道煤气将向更多的大，中，小城市 扩展，用户更会大幅增长，管道煤气已经和水，电一样 成为城市的基本设施， 给 人们的日常生活带来极大的方便。最近中国市场监测中心 发布2009 年中国煤气表制造行业研究咨询报告，介绍了煤气表制造行业的运行概况，其中大多 计费装置是以电子卡式和集中式为主，分 别分析了 2008-2009 年全球和国内煤气表制造行业市场规模及供需发展态势,并详细分析了近几年国内煤气表制造行业市场的产销状况，并对未来三年煤气表制造行业的市场供需状况、 竞争格局进行了预测分析。报告同时指出研究和设计新型智能的煤气表对该市场行业的大力推动作用 【1】。为了改善煤气部门的经营状况，为了适应社会主义市场经济，同时方便人民群众的生活，国家政策十分明确的提出了要改变目前的查表收费方式。在中国住宅产品发展纲要中明确提出， 实现方便查表，不干扰住户，使大量人工 查表工作逐步过度到数据化传递，开 发智能化（智能卡式，磁卡式）煤气计量装置及接口箱柜。智能化计量装置的开 发要达到准确计量（二级精度），抗干扰能力强， 稳定性与耐久性可靠，使用安全，防盗等基本技术性能要求。作为“三金工程 ”之一的金卡工程在我国 经过多年的 发展，已经取得了明显的成效，但于国外相比仍有很大的差距。 IC 卡智能终端是由 IC 卡多功能结算器系统，感应 式 IC 卡收费机系 统，IC 卡门禁系统，智能 IC 卡煤气表，水表计费系统，金融商用 IC 卡，POS 机等组成， 产品广泛应用于交通，金融，商 业，公用事业，社会保障等各个领域，是推进 信息产业发展，推 进金卡工程的基 础产品。近年来，人们对智能 IC 卡电表，水表，煤气表等 进行了很多的研究，使得这些技术越来越成熟，并进入了试用阶段，目前国内 许多大中城市以开始逐 渐采用。 这些政策和指导方针对于智能家居系统的发展具有很大的推动作用，而智能煤气计量系统也将会给人们的生活带来更大的便利。智能 IC 卡煤气表是一种根据用户 IC 卡购气量实现自动计量收费，自动控制用气的民用高技术产品，它具有 传统人工抄表收费式煤气表无可比拟的优越性，实现 了煤气收费管理系 统的电子化，信息化和网络化， IC 卡煤气表及其收费管理系统已经呈现出广阔的应用前景。1.2 国际上煤气表的发展及收费方式21.2.1 国外煤气表的现状自从 18 世纪 英国化学家威廉梅尔道克发现煤气以来,人们就开始使用人工煤气了，给人们的日常生活 带来方便，但是正因 为煤气如此的重要，对煤气使用的管理工作也就显得十分必要。煤气计量表也被列入国家强检目录的强制检定计量器具，因此煤气计量系 统也是不断在发展，从原来的机械式到电子式的，再在现今的智能化系统，给人 们的生活提供了便利。在当时，煤气的 计费通常按照具有一定规格的火孔数量和使用时间来进行推算,但在具体实施过程中却产生了各种各样的困难和矛盾。煤气 计量仪器也不断地发展，收费方式也不尽相同，国内外一百多年来一直是采用取查表收费的模式，这种方式极为原始，由抄表人员入户查表计费，然后再由收 费员入户收费或将帐单送到用户家，银行结算。目前的管道煤气表，普遍采用容积式煤气表，只能指示累计的用气量，煤气管理部门需要派抄表人员按月来到每家用户抄表，抄表后再进行计费、收费。 这种管理人员定期上门抄表及收费这样一种管理方式,导致燃气公司的的工作量很大,管理效率很低，也存在很大的弊端。例如需要大量的抄表人员与收费人员；人为方式弊端多；工作效率低，严重影响居民的生活，给管理部门造成了人力,物力,时间上的极大浪费和不方便，收费也不容易管理，特别是对煤气费用拖欠的用户难以限制，研究开发一种新型的煤气表收费系统十分必要。1.2.2 收费方式由于技术条件的限制，一直到 20 世纪中期仍然没有找到有效的技术手段来解决这个问题。至今许多国家解决这个问题的唯一手段是将煤气表移到户外。虽然英国等国家早就发明了投币煤气表，但由于在户外，储币盒丢失， 损坏是一个难以解决的问题，同时由于室外的温度太高，达 30 度到 40 度，因而 对计量仪器的可靠性提出了很高的要求，同时又要求温度变化对计量进行补偿，因而推广应用上有一定的困难。随着微型计算机技术和微电子技术的出现和发展，收费方式才有所改变，人们发明了磁卡煤气表，电子式煤气表，才出现了真正 实用的电子装置，解决了 查表收费的问题。目前，许多发达国家采用遥读方式读 取用户的用气量后，在 银行通过用户帐户进行结算，彻 底解决查表收费问题。在美国等国家多半是采用无线遥读的方式，而在欧洲许多国家是采用有线集中读取，即在用户小区内设置煤气计量集中器，通过固有煤气 监测网络来测量煤气量，再有计算机统计计算费用。煤气公司计费后，用户在银 行结算的方式。今年日本等国家又发展了通过电话线采集用户消费量，利用公共 电话网络传输信号，煤气公司统一管理，最后 总到银行，银行 进行结算的方式，与欧美等国家相比技 术上有了一定的优势，具有遥 读3和遥控的双向功能，且方便，准确 【2】。1.3 国内 IC 卡煤气表的发展对于智能 IC 卡煤气表而言，它的研究要稍微落后于 IC 卡电表和水表的研究，这主要是因 为它的应用面狭窄一些，而且，气体的计量技术也比水和电的计量技术难度大， 测量技术发 展的限制了智能煤气表的发展。目前已经开发出了一些产品并投入使用，但使用的 这些 IC 卡煤气表都或多或少的存在着一些问题：(1)成本偏高，大多数表的售价在 800 元左右；电路的功耗比较大，电池的使用寿命比较短。(2)目前国内生产的卡式表大都是从煤气表生产厂家购入煤气表后在煤气表的入口前安装一个关断阀门，在 计数器部位增装预收费系统，按照这种技术路线生产出来的煤气表有些技术特性很难达到国家标准的要求，如压力损失。真正意义上的卡式煤气表的关断阀应该是设置在煤气表的内部，是机电一体化的装置，而不是在煤气表之外又加上一个阀门。1.4 设计目的为了克服机械式煤气表存在的问题和缺陷，以及现收费方式的弊端，研究新型的智能煤气计费系统就很必要了，该设计的目的就是为了克服老式煤气表和收费方式的弊端而设计的，使煤气计量更精确，减少人为弊端，同 时解决市场上煤气表种类繁多价格昂贵的现状，为以后煤气表的发展方向做一个展望，逐渐向智能化、管理集中化发展。设计中考虑成本问题，使用材料性价比高的模块，尽量降低成本。本设计利用智能 IC 卡和单片机控制相结合的技术使计费系统实现智能化和最优化。1.5 设计中需要重点解决的问题现行的智能化的煤气表是利用先进的 IC 卡技术和单片机为核心的终端控制设备实现计费和计量，煤气公司将用户所购气量的钱数存在卡内，然后将卡和计量器连接由系统程序完成计费。根据实际要求要着重解决下列几个问题：(1)设计中使用元件及模 块的性价比；(2)设计中关于使用寿命和稳定性的解决；(3)设计中关于 电源和功耗的相关问题；(4)预付费的问题 。对于设计中的细节问题需要注意的是：(1)流量精度的控制。目前家用煤气计量大多采用体积流量计,为提高使用精度,应该引进非线性修正技术和尽量使仪表示值向标准容积换算值靠拢,这才是是4提高仪表计量价值的有效途径。(2)智能 IC 卡与 单片机的接口，利用 IC 卡实现预付费，单片机与非接触式智能卡 Mifare S50 的接口是通过 MAX232 芯片串行通信实现，同时系统还可能使用远程计算机控制终端，也是通 过 MAX232 芯片实现 。关于远程计算机终端控制，这里只做展望，不 详细介绍 。 2 整体设计方案2.1 系统组成该系统是基于单片机实现的，为保证能够完成任务书要求的功能，设计采用模块化，各部分欲实现的功能相对独立，系 统主要有 单片控制核心（MCU ）、流量采集模块、 LCD 液晶显示模 块、射 频卡模块、掉电存 储模块、电源监控模块、电磁阀驱动、声光报警电路、漏气检测电路、键盘以及电 源组成。各部分电路各司其职，共同完成整体功能。该系统组成方框图如图 1 所示。图 1 系统框图2.2 整体方案论述本设计是基于单片机实现的，在原有的煤气表的基础上改进完成的。首先，系统采用智能 IC 卡来实现预付费功能，本设计采用 Mifare S50 卡，具有严谨的保护功能，可以防止伪卡的攻 击。用 户先去煤气公司 购买预定钱数的煤气量，煤气公司将该信息存入卡内，然后用户回家后将此卡和系统射频卡模块连接，一般都是非接触式的，系统在程序的控制下将卡内数据信息传送到单片机内，并保存MCU流量采集 LCD 液晶显示掉电存储电磁阀驱动射频卡模块电源监控键盘声光报警漏气检测电 路电源5在存储器中，并将此卡内数据清零，以确保一卡对一机，防止多次使用此卡。其次，对于煤气量的测量采用先进的霍尔传感器进行信号测量，具有稳定性好，抗干扰能力强的能力，该传感器根据流体流量的大小，定期 输出交替变化的电压脉冲，即数字信号，基本原理将在后面的流量测 量模块里详细介绍。该传感器通过检测每单位煤气量对应输出一个脉冲送给单片机，系统程序累计积累的脉冲数，按一定的算法计算出总的煤气量。系统根据程序的要求，将总的用气量换算成对应的钱数，并将存储器中的数据相应扣除，实现计费。最后，系统采用 LCD 液晶显示,用户可以通过键盘输入查询用气量和卡上余额等信息，当卡内余额不足 时，系 统会发出报警，提醒用户及时购买，当卡内余额用完时，将会驱动电磁阀 关闭煤气管道中的阀门。同时，系 统还配备了电源监控保护模块和掉电存储电路，当系统由于供电设备或其他问题而断电时，会将程序正在运行中产生的重要数据保存到外置存储器中，例如用户当前用气量，计算产生的数据等，保护用户和煤气公司的利益。展望未来，煤气表的发展会更智能化和最优化，因此，本 设计中还提出了一个在线监控的功能，即利用智能 IC 卡与单片机的接口电路 MAX232 模块，将系统通过线路通信链接到远程计算机上，煤气公司可以设置上位机，在线实时监测用户数据的动态变化，也可以 实现远程抄表计费。 该设计对此只做简单的介绍 【3】。3 单元电路3.1 主控电路 MCU3.1.1 主控芯片介绍主控芯片 MCU 采用 AT89S52, 该单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 COMS 8 位 单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 256k bytes 的随机数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司高密度、非易失性存储技术生产 。控制方便，供电简单，程序也易于编写，同时市场价格比较便宜，很容易买到，市场上与其配套的电路、元件也丰富，也利于本系统的推广。控制器采用 11.0592MHz 的晶体振荡器使 时钟更加精确，该芯片可以采用程序使电路进入省电状态，即当用户将煤气阀门关闭后，不使用煤气表时，程序使得电路进入省电模式， 节省电量。该芯片还有 4 个 8 位并行 I/O 端口 P0-P3，每个端口既可以用作输入，也可以用于输出；内部有两个 16 位的定时器/计数器，每个定时器/ 计数器都可以设置成计数方式，用以对外部 进行计数，也可以 设置成定 时方式，并可以根据 计数6或定时的结果实现计算机控制；具有 5 个中断源、两个中断优先级的中断控制系统；一个全双工 UART（通用异步接受发送器）的串行 I/O 口，用于 实现单片机之间或单片机与 PC 机之间 的串行通信；片内振荡器和 时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为 24MHz。AT89S52 处理的信号全部都是数字信号，具有很高的抗干扰性能。 AT89S52 支持 ISP 在线编程，方便系统的开发与调试 【4】。3.1.2 主控电路单片机控制电路的整体运行，包括流量累积， 费用计算， 显示，以及阀门开闭和声光报警电路。其外围电 路简单，包括外部晶体振荡电路和复位电路， 各部分电路与单片机的接口如图 2 所示，复位电路采用上电自动复位和手动复位，原理是：如图所示，当电源接通 时，由于 电容 C3 两端 电压不能突变，通 过电阻 R2进行充电，在电阻 R2 两端 产生一个压降，瞬间将 RESET 端的电位抬高，使 单片机复位，该复位信号需在振 荡稳定后维持至少两个机器周期，不同的晶振选择的电容也应该有所区别，主要是 满足复位条件。 电容的 选择要注意在几十微法就可以，电容 值太大则充电时间过长影响正常工作，太小则达不到复位效果。正常工作时，若程序运行时出现问题 需要从头开始执行， 这时 需要手动复位，按下按 键S4，将 电阻 R1 和 R2 串联起来，根据电阻分压的原理可知，在电阻 R2 上产生一个电压降，高于 R1 两端的 电压，接近 5V，RESET 端收到此复位信号，程序就从头开始执行了。各端口分配如表 1 所示：表 1 各端口功用P0.0-P0.7 LCD 液晶显示数据线 P2.0 AT2404 数据线P1.0 LCD 液晶 显示 RS 端 P2.1 AT2404 时钟线P1.1 LCD 液晶显示 R/W 端 P2.4 阀门继电器控制端P1.2 LCD 液晶显示 E 端 P2.6 煤气泄漏检测端P1.3 LCD 电源控制端 P2.7 报警控制端P3.0 MAX232 射频接口 1 P3.4 MAX706 电源控制P3.1 MAX232 射频接口 2 P3.5 MAX706 电压比较P3.2 流量脉冲输入 P3.6 按键输入7图 2 MCU 主控电路图中按键 S1 是系统设计的功能 键，用 户通过此键来查看煤气使用量、余额以及其他信息，当系统报警 时，用 户也可以通过按此 键来消除报警。3.2 流量测量模块为了保证测量精度，流量检测模块采用霍尔元件 A44E，它是一种磁传感器，具有稳定性好，抗干扰能力 强的能力等优点，用它 们 可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。它们的结构牢固，体积小，重量 轻，寿命长，安装方便，功耗小，耐震动，不怕灰 尘、油 污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、 输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高 【5】。取用了各种 补偿和保 护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，A44E 是霍尔开关元件， 输出信号是数字量，其内部电路及外观引脚如图 3 所示，其工作温度范 围是-55到 150，利用检测脉冲的方法来测量流量。图 3 A44E 内部电路及外观引脚8霍尔元件的原理图和电路连接图如图 4 所示。其具体工作原理是：测量时将A44E、磁铁固定在机械仪表的涡轮上，机械 仪表一般采用膜式煤气表，其为直接体积计量式，A44E 内部的磁检测部分会随着涡轮转到不同的位置磁场强度信号不同，在恰当的位置时 A44E 就会输出交替变化的数字信号（磁场强的时候为低电平，磁 场弱的时候为高电 平）。 设计时首先应该知道将要改造的机械式仪表的规格，在 仪表的机械式涡轮 上安装的磁铁应该具有较强的磁力，而且重量要适当，以此获得涡轮旋转一周煤气的流量大小的数据，便于在程序中累计脉冲个数并计算流量的大小；设计中将霍尔元件的信号输出端接到单片机的外部中断接口上，通过中断处理程序累计脉冲个数，再通过定时器设计累计时间的长短，设计中在定时器内设计 30 秒计算一次，通过程序实现设计采集时间的长短可以通过修改程序的参数进行重新设置。霍 尔元件 A44E 的 3 脚是信号端，输出数字流量信号，需要外接 5.1K 的上拉电阻， 2 脚接地，1 脚为电源。图 4 A44E 连接电路3.3 显示电路显示电路采用市面上常用的 RT1602C 液晶显示模块，其安装方便，与单片机的接口简单，严格来说应该 可以显示汉字，但是由于市面上显示汉字的液晶显示模块较贵，所以开发时使用 RT1602C，如果需要显示汉字则需要选用 12232F显示模块（12232F 模块的接口与 RT1602C 相同），但其价格较贵。3.3.1 RT1602 介绍LCD 1602 是常见的 16 2 行， 6 8 字符点阵液晶模块，广泛应用于智能仪表、通信、 办公自动化设备中，其字符 发生器 ROM 中自带数字和英文字母及一些特殊符号的字符库，我 们利用 1602 可以建立 8 个 6 8 点阵自定义字库，能够满 足用户要求，而且 1602 液晶显示模块的体 积大小合适，便于安装， 设计中为了省电，1602 的电 源应由单片机控制，需要显示时供电，否 则就不供电。3.3.1.1 RT1602 引脚说明RT1602C 为工业字符型液晶，能够同时显示 32 个字符。RT1602 采用标准的 16 脚接口，其中端口由左至右以此为 1 脚到 16 脚；各端口说明如表 2 所示,9第 1 脚：VSS 为电源地；第 2 脚：VDD 为电源正极，接 5V 直流电源；第 3 脚：V0为液晶显示器对比度调整端，即背光调整，接正 电源时对比度最弱，接地 电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度；第 4 脚：RS 为寄存器 选择，用于 单片机和芯片的数据和命令传输，判别数据和命令，高电平时选择数据寄存器，低 电平时选择指令寄存器；第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平 时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据；第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高 电平跳变 成低电平时，液晶模块执行命令。第 714 脚：D0D7为 8 位双向数据线，用于传输显示的内容数据；第 1516 脚：空脚或背灯电源。15 脚背光正极，16 脚背光负极。 RT1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“ A”的代码是 01000001B（41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。 表 2 RT1602 引脚说明编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明1 VSS 电源地 9 D2 Data 1/02 VDD 电源正极 10 D3 Data 1/03 VL 背光调整 11 D4 Data 1/04 RS 数据/命令选择端 12 D5 Data 1/05 R/W 读/写选择端 13 D6 Data 1/06 E 使能信号 14 D7 Data 1/07 D0 Data 1/0 15 BLA 背光电源正极8 D1 Data 1/0 16 BLK 背光电源负极3.3.1.2 RT1602 指令说明RT1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 ,它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 （说明：1 为高电平、0 为低电平）。各条指令的说明如下所示：指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置；指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H；指令 3：置输入模式，光标和显示模式设置， I/D：光 标移动方向，高 电平右移，低电平左移，S: 屏幕上所有文字是否左移或者右移。10指令 4：显示开关控制。D：控制整体 显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示，C：控制光 标的开与关，高 电平表示有光 标，低 电平表示无光标 ，B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 ；指令 5：光标或显示移位，S/C ：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标；指令 6：功能设置命令，DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线， N：低电平时为单行显示，高电 平时双行显示， F: 低电 平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符；指令 7：字符发生器 RAM 地址设置；指令 8：DDRAM 地址设置指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令 10：写数据指令 11：读数据指令表如表 3.3 所示：表 3 LCD 指令表序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S4 显示开关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B5 光标字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *7 置字符存储器地址 0 0 0 1 字符发生存储器地址（AGG）8 置数据存储器地址 0 0 1 显示数据存储器地址（ADD）9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址（ AC）10 写指令 1 0 要写进的数据11 读指令 1 1 读出的数据3.3.1.3 RT1602 的读写时序11RT1602 液晶显示的操作时序如图 5、图 6 所示， 读、写操作时序参数对数据的读写操作至关重要，只有正确的把握操作时序，才能对器件进行操作， 该器件的时序参数包括脉冲周期、脉冲宽度、数据的建立和保持时间、地址的建立和保持时间等， 详细数据见表 4 所示。其中使能端 E 脉冲上升沿和下降沿的时间都为 25ns。图 5 读操作时序图 6 写操作时序表 4 RT1602 的时序参数极限值（单位：ns）时序参数 符号最小值 典型值 最大值E 信号周期 tC 400 - -E 脉冲宽度 tpw 150 - -地址建立时间 tSP1 30 - -地址保持时间 tHD1 10 - -读操作数据建立时间 tD - - 100读操作数据保持时间 tHD2 20 - -12写操作数据建立时间 tSP2 40 - -写操作数据保持时间 tHD2 10 - -3.3.2 LCD 接口电路RT1602 液晶显示器与单片机的接口电路如图 7 所示，通过单片机 P0 口接10K 的上拉排阻与 LCD 的八路数据线对应连接，传输 需要显示的数据。同时该电路设计了液晶显示的电源控制端口，可以通过程序设置 P1.3 口的电平高低，控制三极管 Q1 的通断来决定是否开启液晶显示，用以节省电源。液晶显示器的RS、R/W、E 三端分别由 P1.0、P1.1、P1.2 口控制，控制 LCD 的读写操作以及其他命令的执行。背光通过一个 10K 的电阻器调节。图 7 LCD 接口电路3.4 掉电存储模块3.4.1 总线的基本原理CI2(InterIntegrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。 总线产 生于在 80 年代，最初 为音CI2频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组 件进行查询，以管理系 统 的配置或掌握组件的功能状态，如电 源和系统风扇。可随时监控内存、硬 盘、网 络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。13总线特点： 总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接CI2I2在组件之上，因此 总线 占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达 25 英尺，并且能够以 10Kbps 的最大传输速率支持 40 个组件。 总线的另一个优点是，它支持多主控CI2(multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的 设备都可以成为主总线。一个主控芯片能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控芯片。总线协议如下：CI2（1）只有在总线空闲时才允许启动数据总线；（2）在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变。时钟线高电平 时，数据 线的任何电平变 化都将被看作是总线的起始或停止信号。AT24C02 芯片支持 总线数据传送协议，总线协议规定，任何将数据传送CI2到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器，数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据发送或接收的模式，通过器件地址输入端 A0、A1 和 A2 可以 实现多个 AT24C02 的连 接。总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保CI2持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。如图 8 所示。图 8 数据线与时钟线的关系图起始和终止信号 ：SCL 线为高电平期间，SDA 线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL 线为高 电平期间， SDA 线由低电平向高电平的变化表示终止信号。如图 9 所示。14图 9 起始信号与终止信号数据传送格式：一字节传送与应答，每一个字节必须保证是 8 位长度。数据传送时，先 传送最高位（MSB），每一个被 传送的字 节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有 9 位）。如果一段 时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。如图 10 所示。图 10 数据传送中的应答与非应答3.4.2 AT24C02 介绍该系统掉电存储模块采用 ATMEL 公司生产的 AT24C04 芯片，它的容量是512 字节 8 位，既 4k 位， 对于本系统来说已经足够了。AT24C04 芯片的优点有：与 400KHz 的 总线兼容； 1.8 到 6.0 伏工作电压 范围；低功耗 CMOS 技术；写CI2保护功能；有一个 16 字节的页写缓冲器；1,000,000 次编程/擦除周期；可保存数据 100 年。AT24C02 的封装如图 11 所示，共有 8 个管脚，第八脚和四脚分别是电源和地端。1 、2、3 脚分别为 A0、A1、A2，用于器件地址选择。第五、六脚是数据线和时钟线。第七脚为写保护。管脚功能配置如表 5 所示。 图 11 AT24C02 的封装表 5 管脚功能配置管脚名称 功能A0、A1、A2 器件地址选择SDA 串行数据/地址线SCL 时钟线WP 写保护15VSS 地VDD 电源正极SCL 是串行时钟线 ，时钟输 入信号，用于 产生器件所有数据 发送和接收的时钟，是一个输入管脚。SDA 是串行数据/地址，用于器件所有数据的发送和接收，可以双向传送，SDA 是一个开漏输出管脚。WP 是写保护控制位，如果 WP 管脚连接到 Vcc，所有的内容都被写保护（只能读）。当 WP 管脚连接到 Vss 或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。 A0，A1，A2 为 器件地址输入端，正好与芯片的 1，2，3 引脚对应， 为当前电路中的地址选择线，三根线 可选择 8 个芯片同时连接在电路中，当要与哪个芯片通信时传送相应的地址即可与该芯片建立连接，电路中的三根地址线都为 0。AT24C02 的芯片地址如表 6 所示，1010 为固定，最后一位 R/W 功用是告诉从机下一字节数据是要读还是写，0 为写入， 1 为读 出。表 6 AT24C02 的芯片地址（0xa0 为写，0xa1 为读）MSB LSB1 0 1 0 A2 A1 A0 R/W 3.4.3 AT24C02 硬件电路连接AT24C02 与单片机的连接简单，只占用两个端口，本电路中是用了 P2.0 和P2.1，数据 线 是 P2.0 口，时钟线 是 P2.1 口。硬件 电 路如图 12 所示。图 12 掉电存储电路工作原理：当系统由于电源或其他原因突然断电后，电源监控模块检测到后，系统根据程序控制，对 AT24C02 进行写操作，将程序正在运行的数据或其他重要数据保存到外部存储器中，系统恢复供电并复位后，将根据程序设