IC卡智能煤气表的设计毕业设计论文分析

1、第 1 章 概论选题背景随着人们生活水平的提高， 日常做饭用的燃料已经从木柴、 煤等资源浪费严重，污染严重的常规能源转变为使用天然气和煤气，甚至是电等清洁能源了。在这里煤气表就要发挥其作用了。机械计数器显示的煤气表已经使用了很长时间。煤气抄表是煤气行业管理和收费的一个重要环节，长期以来，国内一直采用人工抄表，其工作效率不是很高。近年来民用管道煤气（天然气）事业的迅猛发展，煤气用户的数量迅速增加，煤气的供应量也越来越大。人口稠密和高层居民住宅不断增加，使得传统的人工抄表工作量越来越大。因此，煤气表的收费问题一直困扰着煤气行业的管理者。就目前煤气公司运行的管理方式来看，仍然是煤气用户先用气，后收费

2、。在本月底或下月初由各服务站的收费人员去收取煤气费。这种收费方式的优点就是可以定期检查用户室内的煤气设施，杜绝跑、漏气的事故隐患，确保安全供气。但同时也存在着以下一些问题：入户难： 由于居民生活水平的提高、 家庭财产价值越来越高、 越来越重视隐私权等原因，用户不希望被人打扰；同时入户抄表只能在早、晚居民休息时间，抄表人员实际可利用抄表时间较短，因而使抄表率、收费率达到专业公司要求很难，燃气费漏抄、欠收、漏收严重，实际收费远低于统计值，费用流失严重。2）管理费用开资过高：如10万户燃气用户，抄表和管理人员有40- 60人，年费用需要近100万元。特别是随着城市的发展， 抄表收费问题更为突出， 严

3、重制约了供气公司的发展。3）抄表劳动强度加大：抄表收费人员工作条件差、效率低、劳动强度大；由于楼层越来越高、各住户逐步装修，所以入户难，且只能在早、晚入户抄表收费；各地收费人员遭抢或犯罪分子冒充收费人员入室作案时有发生，影响社会安定；现行抄表收费大多是人工抄表、人工收费、手工结算，效率低、误差大，已不适应企业管理现代化的要求。4）问题多：用户、收费人员窃气、作弊、拒交费用时有发生，造成各类费用不能及时准确的收缴。签于人工收费存在的这些问题，近年来国内许多研发单位所都在研制自动抄表系统和电脑收费管理系统， 从而为我国的煤气行业抄表从人工到自动不断做出努力。一些厂家的科技人员开发出一种新型的预收费

4、IC卡智能煤气表，解决了现行收费方 式中的入户难、先用气后收费等问题。IC卡智能煤气表就是近十几年发展起来的新型燃煤气表，一般由计量传感器电路、微功耗单片机、微功耗阀门、电压测试电路、防窃气电路、流量监测等部分组成。与传统的皮膜式燃煤气表相比，它更具备了精确计数功能、功能卡传输媒介功能、阀门自动处理功能、非法操作处理功能、欠压处理功能、掉电处理功能、数据下载功能、数据显示与声音提示功能等1。经过广大IC卡生产厂家多年的技术改进 和革新，IC卡技术日益成熟，应用也越来越普及。IC卡智能煤气表是今后的发展必 然方向。我国煤气计量技术的发展从几十年前到现在，我国很多落后地区仍然在使用最原始的抄表方式

5、“ 挨家挨户亲自登门拜访” 。 传统的煤气表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后，再到各家索取相应的费用，在这当中存在很多问题和弊端。比如： 误差大、 统计量大， 人为的错误给物业管理和用户带来极大不便。 随着城市燃气的发展以及人民生活水平的提高，燃气用户数量逐年增加。抄表难、收费难越来越困扰着众多的煤气公司。抄表人员的不断增加直接影响燃气公司的经营成本，也给管理带来许多麻烦。在上个世纪八十年代，随着微电子技术的发展，新型电子载体相继面世，家用煤气表的计量方式出现了许多新的方法，例如采用电话网抄表，通过电视电缆、甚至电力线载波抄表， 利用无线电数传抄表， 发展磁卡煤气表等。 但九十年

6、代初， 因磁卡的信息容量小，容易被复制等原因而逐渐被IC卡所取代，于是IC卡燃气表应运而生。这些方法旨在避免原进户抄表的一系列弊端；实现预收费；便于查找用户挡案等方面，获得较好的经济效益和社会效益2 。2003以后，随着IC卡智能煤气表国家行业标准的颁布和关键部件的成熟，一体化IC卡智能煤气表迅速推到市场。一体化IC卡智能表采用系统设计，阀门装在膜 式表里面，从外面看没有任何引线，外观浑然一体，检测和安装都十分方便。但对部件和整机的可靠性提出了更高的要求。由于IC卡智能煤气表实现了先交费后用气， 解决了燃气公司收费难的一大顽疾，同时根除了抄表预约、抄表难的困扰，降低了经营成本，提高了燃气公司的

7、管理水平和办事效率，加速了资金的流通周转，同时也保证了用户用气的安全性和合理性，增强了透明度4 。随着西气东输工程的顺利完工，在全国将会出现新一轮的管道用气发展高潮。由于预付费IC卡在技术上的更新，质量上的进步，售后服务上的不断完善，IC卡表将形成一个巨大的市场。现阶段我国拟采用IC卡智能煤气表比较合适，其发展势头 迅猛，锐不可当。国外煤气计量技术的发展人们想摆脱传统煤气表的主要动力产生于本世纪 80年代。当时的住宅建设者们开始越来越喜欢全电子家庭。他们说这是因为煤气表太笨太难看了。作为对来自市场这些征兆的反应，英国煤气公司组成了一个工作组来评价某些技术方案。鉴于需要改进工作和精度、降低成本并

8、与未来的自动读表相衔接，工作小组得出的结论是新型的煤气表应该是电子的。 1987年，英国煤气公司举办了有35本国及海外煤气仪表制造商参加的研讨会，并提出需要生产一种技术性能特别精确的新型煤气表。新型煤气表应设计得象标准建房用砖那样大小的尺寸，另外对于表的精度要求还应考虑到煤气温度的影响、 与新型表读出技术兼容和采用标准设计以便能与辅助设备 （调 节器、控制器）相匹配。在英国煤气公司进行大量实验室试验和现场试验的基础上，英国各煤气用户现已选用新型的超声煤气表来取代现行的膜式煤气表。与此同时，国外的其他国家也在进行电子煤气表的研究。法国的施伦堡研究中心在试验利用超声、射流和硅传感器的电子煤气表。日

9、本的主要煤气供应公司所进行的研究侧重于射流煤气表，而美国的研究则集中在新式容积膜式煤气表和射流振荡器上。从19世纪以来，传统的计量技术没有多少改变，而采用先进的仪表读出技术的新型超声煤气表的问世，却改变了全球煤气行业的这一现状。英国煤气公司的新型电子煤气表和电子预付费煤气表改变了传统的煤气计量技术，是一个重大突破。第二章 IC 卡智能煤气表的设计方案随着现代微电子技术的迅速发展以及单片机技术的日趋成熟，在新型煤气表的开发设计中使用微电子技术，以单片机为处理核心实现流量数据的采集与累加已经成为一种趋势。普遍的设计思想为：将机械信号转化电子信号，通过数据采集接口传递到单片机控制系统。现有的IC卡煤

10、气表从可靠、实用、成本控制等方面综合考虑，一般都采用普通的干电池作为供电的电源，但是普通的干电池电量有限，因此，如何解决系统的功耗问题，降低系统的整体功耗，是系统得以真正实用的关键问题。由于IC卡煤气表系统直接安装在用户家中，因此存在各种电磁干扰5 。同时，系统本身也有执行机构电磁阀，本身就是很大的电磁干扰源，所以，如何提高系统的抗干扰能力，包括软件和硬件抗干扰措施，使系统可靠、安全，是整个IC卡煤气表系统设计中所要重点考虑的问题之一。IC 卡智能煤气表的工作原理IC卡智能煤气表是在普通煤气表的基础上再加上电子控制器、一个阀门以及在机械计数器的某一位字轮处加一个取样用脉冲发生器（ 如光 - 电

11、干簧管、霍尔元件等）。计数器字轮每转一周发出一个脉冲信号，将脉冲信号送入CPU,由CPU根据编制的程序进行计数与运算，再将计算结果与设定值比较，当比较结果达到一定范围时发出报警及开关进气阀等指令。其基本原理如图 2- 1所示。阀门图2-1 IC卡智能煤气表的基本原理图IC卡智能煤气表的性能1）计量精度：2% （B级表）。2）压损：同普通煤气表。3）电源：36V. DC干电池，电池寿命大于 1年。4）数据的储存与保持。从IC卡读取购气数量并保存，多次输入气量的累计，失 电时数据保持不丢失，具有时钟功能，把各种状况发生的时间记录下来。5）显示。显示方式有机械与液晶显示二种。本系统采用的是液晶显示方

12、式。显示内容有工作正常显示；累积用气量显示，剩余气量显示，剩余气量不足显示；电 压不足显示；阀门状态显示；卡不在显示，卡编号错显示；窃气标志；各种报警状 态显示。6）报警功能。（1）剩气余量不足报警。（2）电源异常报警：失电报警或电压不足报警同时关闭进气阀。（3）卡报警：插卡有效，实卡、伪卡报警。（4）泄漏报警（与可燃气体报警器联用）。（5）阀门开闭及误动作报警（阀门位置检测）。7）信息交换。通过IC卡进行 用户一煤气公司”信息交换户购气写卡后，其允许 使用的气量由IC卡送入IC卡智能煤气表，煤气表在每次读IC卡的同时，将用户用气 状态以及非正常操作等情况写入IC卡中，待用户下次购气写卡时，将

13、这些信息送入 煤气公司的计算机中。8）安全功能。防爆：等级为ib n CT4。卡的安全功能：卡自定保密规约 （ 逻辑、数据加密 ） 和破译或非法更改则 IC 卡自毁。9）抗电磁功能符合IEC 103/4（JQB 0032- 95）标准。10） IC卡、读卡机均符合国际标准ISO-7816。IC 卡智能煤气表的主要功能1）显示计量数值：插入电池首先显示使用累计气量，3秒后显示剩余气量。2）电量不足提示：当电压低于5.1V时，显示 电量不足”，低于4.45V时，自动 关阀。3）气量不足提示：当表内剩余气量小于10m3时，显示 余量不足”每用1 m3报警 一次；剩余气量不足2 m3时，每用0.1 m

14、3报警一次；气量为0时自动关阀。4）显示“卡编号错” ：本产品为一域一码，一表一卡，一卡一码，一次一码，如卡与表不符，或卡插反，显示 “卡编号错”计费器不认卡。5）显示“电池干扰” ：表示非法操作，同时自动关阀。6）休眠功能：停止用气30秒后，显示器关闭。7）掉电关阀：当更换电池时，燃气表自动关阀，装入电池后，插一次卡，自动开阀。8） 过流量关阀： 当气流量超过规定的量大流量时， 阀门自动关闭， 可以防止因燃气管串压、破裂出现不安全的故障。9）入户校表：不卸下表，在用户正常用气的情况下，很方便的用IC卡对表进行 误差校正。2.4 IC 卡智能煤气表的方案概述本论文将通过对IC卡读写电路、耗气量

15、计数电路及显示电路，可燃气报警电路 和防作弊电路，电源及相关电路的硬件电路设计及软件的控制流程来实现煤气表智能控制系统，使该表具有低功耗性，高安全性，抗干扰性，且制造成本低的稳定系统。IC 卡预付费控制系统与基表有三处相连接：进出气口及采样口。进出气口为煤气通道，采样接口从气表的读数部分取得信号，经过处理后作为控制系统的计数脉冲6。当用户购买一定数量煤气后，供气公司即把所购买的气量存储在IC卡上。把IC卡插入气表的卡座，液晶屏幕立即显示购气的数量。如果原来的气表中尚有上次剩余的煤气，则新购的气将叠加在原来的数据上并且在屏幕显示。每消耗 0.1 m3,屏 幕小数点后数值将减少。为减少功耗，一般情

16、况下液晶屏幕不一直显示读数，在用户需要知道用气情况时，只要插入IC卡或打开电池盒再推入电池盒即可知道。第三章 系统的硬件设计3.1 单片机的选择一个系统的核心器件就是单片机，它是整个系统正常工作的基础，性能的好坏直接影响到整个系统的精度。因此，单片机的选择就显得非常重要。常见的单片机有AT系列、MCS系歹比较常用的是 8051, 8031, AT89C51, AT89C52, AT89C55 等。在本次论文中采用AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM- Falsh Programmable and Erasable Read Only M

17、emory） 的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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- 51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案7。1）主要特性：（ 1）与 MCS-51 兼容2） 4K字节可编程闪烁存储器3）寿命：1000写/ 擦循环4）数据保留时间：10年5）全静态工作：0Hz- 24Hz6）三级程序存储器锁定128X8位内部RAM8） 32可编程I/O线9）三个16位定时器/ 计数

18、器10） 5个中断源11）可编程串行通道12）低功耗的闲置和掉电模式13）片内振荡器和时钟电路）管脚说明：1） VCC ：供电电压。GND:接地。P0 口 ： P0 口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当 P1 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据/ 地址的低八位。在FLASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P的卜部必须被拉高。P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1 口缓冲器能接收 输出4TTL门电流。P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用

19、作输入P1 口被外部下 拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作低八位地址接收。P2口： P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输 出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出 地址的高八位。 在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时

20、 接收高八位地址信号和控制信号。P3口 ： P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由 于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作 为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （用行输出口）P3.21NT0 （外部中断0）P3.3，NT1 （外部中断1）P3.4 T0 （计时器0外部输入）P3.5 T1 （计时器1外部输入）P3.6麻（外部数据存储器写选通）P3.7而（外部数据存储器读选通）P3 口同时为

21、闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高 电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部 输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳 过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在地址上置00此时，ALE只有在执行 MOVX , MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在 外部执行状态ALE

22、禁止，置位无效。（9）户SEN .外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间， 每个机器周期两次SEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的产七信 号将不出现。（10）身尸J当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H- FFFFH）, 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，E/将内部锁定为RESET;当口端 保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（ VPP）。11） XTAL1 ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。12） XTAL2 ：来自反向振荡器的输出。3）振荡器特性XTAL1和XTAL2分别

23、为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应 不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4）芯片擦除整个 EPROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写1”且在任何非空存储字节被重复编程以前， 该操作必须被执行。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，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掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工彳但

24、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 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。AT89C51 有多种封装形式， 本课题选用的是双列直插40引脚形式，如图 3- 1所示。由于AT89C51兼容于MCS-51指令系统，提供在线编程，因此为嵌入式控制应用提 供了一种高性价比的解决方案。PL 0- 140VCCPI. 1239P0.0PL2 3 P0JPL 3T 437P0.2PL4 - 36一 P0.3P1. 5, 635P0.414. 6T 734一 P0.5P1. 7T s33一 P0.6RST -932P0.7P3.0 -T13

25、1EA/VPPP3. 11130一 ale7progP3.2-T 1229一 PSENP3. 3T1328P2,7P3.4-427一 P2.6P3.5-1526一 P2.5P3. 6T %25P2.4P3. 7T 1724P2.3XTAL2 - 1 823一 P2.2XTAL1 .一|977 _P2. 1GND -2021P2.0图3-1 AT89C51的引脚图3.2 EEPRO游储器的选择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

26、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。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电 路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源 电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU可通过串行通信方式

27、接口，共有4096个位，可以按512X8个字节来 放置数据。X5045的管脚排列如图3-2所示，它共有8个引脚，各引脚的功能如下：CS :电路选择端，低电平有效；SO :用行数据输出端；SI ：串行数据输入端；SCK :串行时钟输入端；WP :写保护输入端，低电平有效；RESET :复位输出端；VCC :电源端；VSS :接地端。图3-2 X5045的引脚图X5045的状态寄存器描述器件的当前状态，各位意义如表3-1所列示。表3-1 X5045的状态寄存器各位意义Tab.3-1 X5045 condition register each significance7654321000WD1WD0

28、BL1BL0WELWIP其中，WD1、WD0是看门狗定时时间设置位；BL1、BL0是存储单元写保护区 设置位；WEL是只读标志，1表明写使能开关打开；WIP也是只读标志，1代表芯片 内部正处于写周期。电复位时，各位都被清零。X5045的工作原理:1）上电复位向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路， 从而使RESET引脚有效。该信 号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC超过器件的Vtrip门限值时，电路将在200ms （典型）延时后释放RESET以允许系统开始工 作。2）低电压监视工作时，X5045对VCC电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip以下

29、时，系统即确认RESET,从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当 RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，直到电压跌到低于 1V。而当 VCC返回并超过Vtrip达200ms时，系统重新开始工作。3）看门狗定时器看门狗定时器的作用是通过监视 WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处 理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以 CS/ WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。芯片内部状态寄存器的 WD1、WD0是看门狗定时设置位，通过状态寄存器写指 令WRSR修改这2个标志位，就能在3种定时间隔中进行选择或关闭定时

30、器。表 3-2 是WD1、WD0组合的含义。表3-2 WD1、WD0组合的含义Tab.3-2 WD1, WD0 combination meaningWD1WD0001.4s01600ms10200ms11禁止看门狗工作4）串行 EEPROM芯片内含512字节存储单元，10万次可擦写，数据保持时间100年。XICOR设计 了3种保护方式防止误写。包括： WP写保护引脚，当引脚被拉低时，内部存储单元 状态寄存器都禁止写入；存储区域写保护模式，通过对状态寄存器的BL1、BL0位的设置，可以选择对不同的存储区域进行写保护；在进行任何写操作前都必须打开写使能开关，而且在上电初始化写操作完成时，写使能开

31、关自动关闭。显然，在几 方面的保护之下，产生误写的可能性极小，表 3-3是811、BL0组合的含义。表3-3 BL1 、 BL0组合的含义Tab.3-3 BL1, BL0 combination meaningBL1BL0写保护的单元地址00没有保护01180H1FFH10100H1FFH11000H1FFH又tX5045的操作是通过4根口线CS、SCK、SI和SO进行同步串行通信来完成的。SCK是外部输入的同步时钟信号。在对芯片定改指令或数据时，时钟前沿将 SI引脚 信号输入；在读数据时，时钟后沿将数据位输出到 SO引脚上。数据的输入/输出都 是高位在先。芯片内部共有6条指令，如表3-4所示

32、。表3-4 X5045的指令格式及功能命令格式WREN0000 0110带开写使能开关WRDI0000 0100关闭写使能开关RDSR0000 0101读状态寄存器WRSR0000 0001写状态寄存器READ0000 A8011读存储单兀WRITE0000 A8010写存储单兀WREN和WRDI是写使能开关的开/关指令。它们都是单字节指令。RDSR和WRSR是状态寄存器的读/写指令。在从SI输入指令后，RDSR的执 行结果，即状态寄存器内容须从SO读出；而WRSR需要紧接着输入修改数据。READ和WRITE是存储单元的读/写指令。输入指令后(指令码第三代表存 储单元地址的最高位)，接着输入低

33、八位地址，最后就可以连续读出或写入数据。其中，读指针和写指针的工作方式完全不同，读指针的全部 8位用来计数，0FFH溢 出后变成00H;写指针只用最低两位计数，XXXXX11B溢出后变成XXXX XX00B , 所以连续写的实际结果是在4个单元中反复写入。另外，由于 EEPROM的写入时间 长，所以在连续两条写指令之间应读取 WIP状态，只有内部写周期结束时才可输入 下一条写指令。外部存储器X5045与单片机AT89C51连接的电路图如图3-3所示。程序在执行数 据擦写操作时要加入约10ms的延时。煤气表中诸如累积以耗用气量、结余气量、购 气次数等重要数据都存放在X5045中，这样可克服由充电

34、电池长期维持 RAM中信息 所潜在的不可靠性。卬电DmDmmw 由期mDB及期由双图3- 3 X5045与单片机的管脚连接图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0lmA,并保持了原有的结构简单，精确度高的优点。这里用干簧管来实现网。干簧管为磁灵敏开关型传感器，具结构如图3-4所示。干簧管由一对磁性材料制 造的弹性舌簧组成，密封于玻璃管

35、中。当恒磁铁或线圈产生的磁场施加于舌簧上时， 使2个舌簧磁化，产生的磁场吸引力克服了舌簧弹性产生的阻力，舌簧被接触导通。 一旦磁场消失，舌簧又重新分开。控制器采用 2个干簧管实现计数和保护功能。1个 干簧管安装在单位计数拨码盘附近，在计数拨码盘上均匀嵌有2个微型磁钢。当0.01m3的燃气从燃气表流过时，干簧管开关2次。另一个干簧管安装于靠近外壳处， 拨码盘上磁钢的磁场对其没有影响。 当外界有强磁场时，2个干簧管都会导通，这时 单片机软件可将此判断为干扰或恶意破坏而放弃该次计数，并关闭进气阀门。当检 测到10s（可设置）内无强磁干扰时，阀门打开，有效地实现了防外界磁场干扰功能。图3-4干簧管的结

36、构在普通转盘计数的燃气表中加装干簧管和磁铁，干簧管固定安装在计数转盘附 近，磁铁安装在计数盘位上，当转盘每转1圈，磁铁就经过干簧管1次，在信号端产 生1个计量脉冲。其优点是：成本较低，工艺简单，不需耗电，通用性较强。其缺点 是：临界点颤动误发信号，信号容易受到外部磁场干扰；传感器的核心部件水磁铁 随着时间的延长会出现退磁现象，使得下簧管在计数转盘转过时不能输出脉冲，从 而导致脉冲少计。在实际使用过程中故障往往不是短时间可以暴露的，有的问题几 个月以后才普遍出现，一旦出现就造成大而积的、不可挽回的损失。为了使传感电路具有防外磁、防短路、防断路等功能，系统外加了 1只防磁干簧管，传感电路如图3-5

37、所示。图3-5中，R1、R2为金属膜电阻，分别为22kQ、2kQ。K1为计量干簧管（常开），K2为防外磁干簧管（常开），正常工作状态下只有 K1闭合，K2断开，A、B为连线连接点图3-5外加防磁干簧管的传感电路液晶显示电路液晶（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。这里采用南京国显电子公司自行研制的串行液晶显 示模块（LCM） PDC-401 （4位七段码带小数点），它能显示电池欠压、气量不足、 阀门关闭、插卡有误和气量等信息。它只有4根线与系统相连，可大大简化线路

38、，其 外形如图3-6所示。因为它内部带驱动电路，所以成本相对较高。 VSS 2.CLK 3.DI 4.VDD图3-6 PDC-LCM外形图其中：VDD:电源正极。CLK:用行移位脉冲。DI：串行数据输入。VSS:电源地。PDC-401 LCM串行液晶显示模块的数据输入格式为：数据位为0时显示开，数据位为1时显示关。设用户需显示的数据存放在DIS1-DIS4共四个RAM中，用行送数时，先送DIS1的最低位，最后送DIS4的最高位 2）地址表：如表3-5所示。表3-5显示数据存放地址表Tab.3-5 shows address data stored in tableD7D6D5D4D3D2D1D

39、0DIGIT1A1B1C1D1E1F1G1H1DIS1DIGIT2A2B2C2D2E2F2G2H2DIS2DIGIT3A3B3C3D3E3F3G3H3DIS3DIGIT4A4B4C4D4E4F4G4H4DIS43）时序图：如图3-7所示LOADclk在DI=H, CLK下降沿的时候，数据被锁存图3-7串行显PDC-401用行液晶显示模块与单片机连接电路如图 3-8所示。由图可看出，CPUP1 口的两根线直接与显示模块相连接，串行输入数据即可完成显示功能，使硬件电 路大为简化。图3-8 PDC-401串行液晶显示模块与单片机连接电路可燃气报警电路与防作弊电路煤气传感器的使用大大增加了系统的安全性

40、。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。这里采用的是可燃气传感器MQ-K1,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 有灵敏度局、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。可燃气传感器 MQ-K1感应到可燃气浓度过量时，有一正跳变经施密特触发器倒相整形后送到P2

41、.1,当查询到P2.1低时则程序转去执行声光报警。光报警时中止 正常显示，利用显示器中的一位特定字符来指示，声报警由P2.2S制。低功耗工作时，P2.0X出一高电平停止MQ-K1的工作。用户私开表盖将导致K3闭合，触发标 中断，该中断服务程序查询到P2.7为低 则转去执行声光警告，同时私开表盖被记录到表内 EEPROM中，返回主程序后立即 关气。此后要开气必须先将私开表盖记录清除，而只有煤气公司才能清除这种不良 记录。本课题选用的声音报警的接口电路比较简单，其发音元件采用压电蜂鸣器，这 种蜂鸣器只需在其两引线上加375V的直流电压，就能产生3kHz左右的蜂鸣振荡音 响。它比电动式蜂鸣器结构简单

42、、耗电少，适用于在单片机系统中使用。电磁阀控制电路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。 电磁阀作为IC卡智能煤气表的执行机构，是实现其预收费功能的关键装置。当用户 表中余量为零时，应能及时切断气源，电磁阀应采用微功耗双稳态设计。电磁阀的 结构示意图如图3-9所示。图3-

43、9电磁阀结构电磁阀的工作原理是：当打开阀门时，给阀门线圈接通一个正向直流电流，使 线圈产生一个与永磁铁同向的电磁场，当这个电磁场足够大时，与阀芯相连的铁杆 （衔铁）在永磁场与电磁场共同吸引下，与永磁铁吸合，同时克服弹簧弹力，压缩 弹簧。由于永磁铁和铁杆的吸合力大于弹簧的恢复力，当线圈断电时，阀盖保持开 启状态，关闭阀门时，给线圈通入一反向直流电，则线圈产生一个与永磁铁相反的 电磁场。永磁场与电磁场反向叠加，削弱了永磁场与铁杆的吸合力，导致吸合力小 于弹簧弹力。在弹力作用下，阀门关闭，当切断线圈电流时，因永磁铁与铁杆间的 距离较大，不足克服弹簧弹力将铁杆吸回，因此阀盖可以在关阀位置保持。由于在

44、开和关的位置，线圈均不需电流，因此称为双稳态电磁阀。本系统选用ZCM-20型电磁阀，控制电路如图3-10所示。它是一种双稳态高效 节能型电磁阀，工作电压DC3.06.0V,具有点开和点关的脉冲工作方式。一旦开启 或关闭，可处于自保持状态，无须电源供电。当 P3. 7脚输出低电平时，三极管Ti 截止，电磁阀关闭；当P3. 7脚为高电平时，三极管Ti导通，电磁阀ZCM开启。通 过电磁阀控制电路，单片机控制系统可以很方便地控制用户能否用气。电磁阀膜片 及内件采用特殊材料，能耐半中性介质或弱腐蚀性介质，特别适用于煤气管道中。气阀开状态导致 K1闭合，气阀关状态导致 K2闭合，CPU通过查询P3.0W

45、P3.1可 确认气阀的状态。R23-10 电磁阀控制电路IC 卡的选择IC卡的概念及分类智能卡的名称来源于英文名词smart card,又称集成电路卡，即IC卡（integratedcircuit card）。它将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，其外 形与覆盖磁条的磁卡相似9 。IC卡的概念是20世纪70年代初提出来的，法国布尔公司于197阿首先创造出IC 卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度10 。IC卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，IC卡存储器中的内容根据需要可以有条件地

46、供外部读取，或供内部信息处理和判定之用。根据卡中所镶嵌的集成电路的不同可以分成以下三类：1）存储器卡 卡中的集成电路为EEPROM （可用电擦除的可编程只读存储器）。2）逻辑加密卡卡中的集成电路具有加密逻辑和 EEPROM 。3） CPU卡 卡中的集成电路包括中央处理器 CPU、EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM 中的片内操作系统COS。另外还有一种ASIC （专用集成电路）卡，它是在逻辑加密卡基础上增加一些专用电路， 例如完成加密/ 解密运算的电路等， 但由于卡内设有CPU， 所以完成的功能是固定的，没有灵活性11 。按应用领域来分，IC卡有金融卡和非金融卡两种。金融卡

47、又有信用卡和现金卡等。信用卡主要由银行发行和管理，持卡人用它作为消费时的支付工具，可以使用预先设定的透支限额资金。现金卡又称储蓄卡，可用作电子存折和电子钱包，不允许透支。非金融卡往往出现在各种事务管理、安全管理场所，如身份证明、健康记录和职工考勤等。另外一些预付费卡，例如用于公交系统中的交通卡和电表上的 IC 卡等，各由相应的管理单位发行（当然也可委托银行收费）。按卡与外界数据传送的形式来分，有接触式IC卡和非接触式IC卡两种。当前使用广泛的是接触式IC卡，在这种卡片上，IC芯片有8个触点可与外界接触。非接触式 IC卡的集成电路不向外引出触点，因此它除了包含前述三种 IC卡的电路外，还带有 射

48、频收发电路及其相关电路。非接触式卡出现较晚，但由于它具有一些接触式IC卡所不能替代的优点，因此在某些应用领域发展很快。在IC卡推出之前，从世界范围来看，磁卡已得到广泛应用，为了从磁卡平稳过 渡到IC卡，一是为了兼容，在IC卡上仍保留磁卡原有的功能，也就是说在IC卡上仍 贴有磁条，因此IC卡也可同时作为磁卡使用，图3-11为IC卡的外观图，正面中左侧的小方块中有 8个触点， 其下面为凸型字符， 背面有磁条。 正面还可印刷各种图案， 甚至人 像。卡的尺寸、触点的位置与用途、磁条的位置及数据格式等均有相应的国际标准予以明确规定。图 3- 11 IC 卡的外观图IC卡的选择IC卡部分是智能煤气表的关键

49、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，则警告提醒用户及时购气，这就很好的解决了IC卡智能煤气表要解决的最基本问题 抄表、计费。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

50、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。在设定好煤气表的基本功能后，便应选定一种适合应用需要的IC卡，由于作为预付费使用的IC卡是一种储值卡，因而有必要选用那些防伪造、防复制的 IC卡。而 且，由于一次储值较小，因而应选用价格相对较低且能够重复使用的 IC卡。根据以 上需求，我们可以将IC卡的选用范围限定在小容量的带保密逻辑的IC卡上。逻辑加密卡主要是由EEPROM单元阵列和密码控制逻辑构成的，其功能介于存 储器卡和CPU卡之间。它具有一定的保密逻辑功能，不像存储器卡那样能够被自由 擦

51、写；但不如CPU卡能进行复杂的密码计算，因此适用于一些需要保密功能但是对 保密功能要求又不是很高的应用场合。目前，根据国外的统计资料分析，逻辑加密 卡在应用中所占的比例最高。本设计拟采用美国ATMEL公司的逻辑加密卡芯片中的AT88SC102。 AT88SC102是由美国ATMEL公司设计的具有密码比较逻辑的 1K位EEPROM芯片， 是一种典型的逻辑加密卡芯片。它支持ISO 7816-3同步协议，在制造中使用了低功 耗CMOS技术，提供给用户2个512位的可用存储分区；芯片内部的存储区域分配合 理，能满足大部分应用领域的要求。除此之外，它还具有内部的自升压电路，使芯 片只需要5V电压支持，而

52、不需要外部提供进行 EEPROM单元擦除所需的较高电压， 其EEPROM单元的允许擦除次数在10万次以上，数据保存年限为100年12。AT88SC102芯片内部结构图如图3-12所示。EEPROM应用区FU5I/O加密逻辑人丁88$02卡的触点如图3-13所示。卡的触点分布符合国际标准，与很多其它 公司同类型卡兼容13。图3-13 AT88SC102卡芯片的触点结构各触点的名称如表3-6所示表3-6 AT88SC102卡触点的功能说明Tab.3-6 AT88SC102 card collector functional descriptionISO触点触点号触点名说明C18VCC电源C27RS

53、T复位信号C36CLK时钟信号C45FUS熔丝信号C51GND地C62NC未使用C73I/O双向数据线C84PGM编程信号1） AT88SC102卡存储器EEPROM的分区工厂码区（FZ）:工厂码区（FZ）具有16位，在卡的芯片生产过程已被写入了 工厂代码。发行码区（IZ）:发行码区有64位长，是提供给发卡的单位写入发卡单位的代 码，简称发行码。密码（SC）:密码区占16位。在生产厂家已被写上初始密码，或称运输密码。只有在密码核对正确后才可能读出密码和修改密码本身。密码尝试计数器（SCAC）:密码尝试计数器有16位长度，但仅在前4位（高4 位）作为计数器，后12位是无用的。，但最新生产的 AT

54、88SC102卡的SCAC的计数 位增加到8位。代码保护区（CPZ）:代码保护区CPZ长度64位，无论什么时候状态它是可被 读出的。对CPZ的擦除和写必须要正确核对密码。在很多应用场合中，CPZ存放持卡人的个人身份代码。应用区1和应用区2 （AZ1和AZ2）:两个应用区AZ1和AZ2各有512位，是设计 用来存储用户的应用数据的。应用区擦除密钥EZ1和EZ2: EZ1为48位，EZ2为32位EZ1和EZ2是用户熔丝烧断 后应用区内擦除许可的口令。应用区2擦除计数器（EC2） : EC2仅在第二加密等级起作用。另一个使用条件 是EC2EN熔丝未被烧断。如果这两个条件都满足，则用户对AZ2的擦除被

55、限制为128 次，因为EC2有128位长。存储器测试区（ MTZ ）： MTZ 区有 16位长，这是一个十分开放的区，无需核对密码，甚至是已自毁的IC卡，这个区仍然可以读、写和擦除。设置这个区的目的是 为了用户应用开发用的。生产商代码区（MTZ） : MTZ有16位长，它已经含有生产商写入的一些与生产 有关的信息和代码，例如出厂日期等。它在任何情况下都是可读的。与FZ不同的是， 必须在密码核对正确时，才可擦除和写。EC2EN熔丝：EC2EN熔丝全称应是 应用区2擦除计数器允许熔丝”，它只有1位。 EC2EN未被烧断（原始状态），也即EC2EN=1时，应用区2的擦除次数被限制为128次（当然首先

56、密码SC要核对正确）。当EC2EN熔丝被烧断，即EC2EN=0时，AZ2 的擦除次数是无限制的。当用户熔丝烧断后，EC2EN熔丝的状态被锁位，即不能再烧断。用户熔丝：用户熔丝有16位，它用于使AT88SC102卡的加密状态从一级改变到 二级。发卡用户从供货商处获得的新卡的用户熔丝未曾烧断， IC卡处于第一加密等 级。16位熔丝中任一位烧断即表明用户熔丝已烧断。表3- 7列出了分区和名称等信息。表3-7 AT88SC102卡的存储器分区位地址分区名称代号位数字数015工厂码区FZ1611679发行码区IZ6448095密码SC16196111密码尝试计数器SCAC161112175代码保护区CP

57、Z644176687应用区1AZ151232688735应用区1擦除密钥E用区2AZ15123212481279应用区2擦除密钥EZ2322128011407应用区2擦除计数器EC2128814081423存储器测试区MTZ16114241439生产商代码区MFZ16114401455整片擦除区-16114561471生产商熔丝-1611529EC2EN熔丝-1-15521567用户熔丝-1612） AT88SC102卡的基本操作AT88SC102卡的基本操作都是通过在PGM, CLK和RST触点上加高低电位实现的。这些基本操作的实现方法列于表3-8中(1)位操作的结

58、果使存储器内部地址指向位 00首先使CLK触点处于低电位， 紧接着使RST触点由高电位拉到低电位，这个下降沿使IC卡复位。这个低电位维持 2us后，0位的值(FZ的第一位)呈现在I/O触点上。复位操作也使标志位 E1和E2变 成0。(2) ST和PGM触点先保持在低电位。CLK触点下降沿时地址加1 (步进)。如 果读操作条件满足，则新地址指向这一位的值呈现在 I/O触点上，供读取。如读操作 不允许，I/O触点只是被外部上拉电阻拉成1。CLK触点的下脉冲宽应大于0.2uso(3)步进/比较的操作过程与步进/读的过程很类似，但首先其位地址要指到密 码SC或密钥处，其次要把待比较(核对)的值由读写卡

59、机加到I/O触点上。这样才能将加上去的值和存储在里面的值进行比较。加上去的值 CLK上升沿以前必须已经 稳定地加在I/O触点上。(4)擦除，则在I/O触点上由读写卡机加1,如果写0则在I/O触点上加0。顺序 是，先将PGM触点拉到高电位，再将数值加到I/O触点上，再将CLK拉上去，再将 PGM拉下来，CLK在高电位上保持应大于5ms。表3-8 AT88SC102卡的操作模式操作PGM触点RST触点CLK触点细节复位RESET0或11 00(1)步进/读INC/READ001 0 1(2)步进/比较INC/CMP001 0 1(3)擦除/写 ERASE/WRITE1 000 1(4)待机状态01

60、1或0(5)初始状态000(6)xxxxx输出数据地址讨数器CLRSTI/O图3-14复位时序图（5） FUS触点为低电位。全部操作都将不能进行。待机状态功耗很小。（6）每个操作完成后都回复成初始状态，使得读写卡机的操作很清晰。表3-8中的复位（reset）时序对应于图3-14；读（read）时序对应于图3-15;比较（compare时序对应于图3-16;写（program）时序对应于图3-17。图3-15读时序图3-16比较时序图3-17写(编程)时序3.8 IC卡接口电路为了使用卡片，还需要有与IC卡配合工作的设备接口 IFD (inter face device), 或称为犊写设备、读写