智能IC卡煤氣表的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　現(xiàn)在城市管道煤氣已經(jīng)基本普及，煤氣用戶的數(shù)量也隨之有了很大的增長。作為煤氣計(jì)費(fèi)依據(jù)的煤氣表數(shù)量與日俱增，有的城市達(dá)幾十萬甚至上百萬用戶。面對如此龐大的煤氣表用戶，抄表、收費(fèi)工作將是一項(xiàng)十分繁瑣的工作，同時由于用戶各種客觀情況的存在，例如生活水平、居住環(huán)境、生活習(xí)慣等不一樣，給收費(fèi)工作帶來了很大的困難。針對這種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)的智能 IC卡煤氣表，可以很好的解決傳統(tǒng)儀表的抄表和收費(fèi)等問題。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)與功能 

　　智能 IC卡煤氣表的硬件組成框圖如圖 1所示，它是由單片機(jī) (AT89C51)、非易失性內(nèi)存（EEPROM）、煤氣傳感器、聲音報(bào)警電路、電磁閥、液晶顯示（LCD）、耗氣量計(jì)數(shù)部分、 IC卡部分和電源部分共同組成的。

圖 1：煤氣表硬件組成框圖

　　2.1 單片機(jī)

　　此系統(tǒng)是一個以 AT89C51為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)。 ATMEL89系列單片機(jī)是 ATMEL公司的 8位 Flash單片機(jī)系列。這個系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有 Flash存儲器， 因此，有著十分廣泛的用途，特別是在便攜式、省電和特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯得更為有用。這里采用 AT89C51是為了方便研制階段進(jìn)行反復(fù)調(diào)試和修改。由于 AT89C51帶有 4KB閃存可擦除（ 1000次）只讀存儲器，兼容于 MCS-51指令系統(tǒng)，提供在線編程，為嵌入式控制應(yīng)用提供了一種高性價(jià)比的解決方案[3]。

　　2.2 EEPROM存儲器 

　　EEPROM是系統(tǒng)的存儲器，煤氣表中諸如累積已耗用氣量、結(jié)余氣量、初始化識別號， IC卡識別號等重要數(shù)據(jù)都存放在 EEPROM中。由于 EEPROM是非易失性存儲器，在斷電之后仍能把所存儲的信息保存下來，這樣可克服由充電電池長期維持 RAM中信息所潛在的不可靠性。這里采用的是讀寫時鐘頻率較高，靜態(tài)功耗很低的 XICOR公司的 X5045。

　　2.3 液晶顯示屏 

　　液晶（ LCD）顯示屏，是用戶獲取煤氣表信息的直接來源。用戶可隨時使用中斷方式來查詢現(xiàn)有剩余氣量、使用總量以及煤氣表的一些提示信息。這些信息將會顯示在煤氣表的液晶顯示屏上，同時還可以顯示：請速購氣、插卡有誤、閥門已關(guān)等提示信息。這里采用的是煤氣表專用的數(shù)字式液晶模塊（ ZY886C），該模塊是專為煤氣表開發(fā)及生產(chǎn)的，其與單片機(jī)的接口簡單方便且功耗低。

　　2.4煤氣傳感器及報(bào)警電路 

　　煤氣傳感器的使用大大增加了系統(tǒng)的安全性。由于煤氣是一種無色無味的有毒氣體，一旦泄露會對用戶的人身和財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生很大的威脅。加入煤氣傳感器后，系統(tǒng)就可時時檢測空氣中的危險(xiǎn)氣體含量是否超標(biāo)，如果超標(biāo)它會通知單片機(jī)，單片機(jī)會通知閥門關(guān)閉，同時通知報(bào)警電路發(fā)出聲音警報(bào)信號。報(bào)警電路同時還具有提示用戶購氣、作弊警示、提醒更換電池等功能。這里采用的是河南漢威電子有限公司的 MQ-5，它對液化氣、天然氣城市煤氣有較好的靈敏度；對乙醇、煙霧幾乎不響應(yīng)；而具有靈敏度高、響應(yīng)快、長壽命等特點(diǎn)。并且驅(qū)動電路簡單，特別適用于家庭或工業(yè)上對液化氣，天然氣，煤氣的監(jiān)測裝置。

　　2.5 耗氣量計(jì)數(shù)電路 

　　耗氣量計(jì)數(shù)電路是煤氣表的傳感器部分，是實(shí)現(xiàn)正確計(jì)量的基礎(chǔ)?？紤]到現(xiàn)有模擬式煤氣表中，旋翼式結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬，靈敏度高，外形尺寸小，精確度已被廣大用戶所接受，因此本煤氣表的流量計(jì)還是基于模擬煤氣表的旋翼式結(jié)構(gòu)，而將葉輪機(jī)構(gòu)上提取的電信號用頻率脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤氣流量的計(jì)量，其耗電≤ 1mA，并保持了原有的結(jié)構(gòu)簡單，精確度高的優(yōu)點(diǎn)。這里采用一對紅外管來實(shí)現(xiàn)。具體做法是在機(jī)械式煤氣表的轉(zhuǎn)盤上開一個小孔，將紅外對管放在轉(zhuǎn)盤兩側(cè)，則轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動一圈，氣量檢測就輸出一個連續(xù)的脈沖串。這樣既可以防止干擾造成誤差計(jì)數(shù)，又可有效地降低功耗[4]。

　　2.6 電磁閥

　　閥門控制著煤氣表的開關(guān)狀態(tài)。目前可控制的閥門主要是電磁閥，但常規(guī)的電磁閥是靠電的通斷來控制閥門開關(guān)的，即要讓閥門一直開著，就必須一直通電，因此耗電較大，不符合本煤氣表的需要。因此，必須在現(xiàn)有電平開關(guān)式電磁閥的基礎(chǔ)上對此進(jìn)行改進(jìn)，將閥門開關(guān)控制由電脈沖來實(shí)現(xiàn)，使得對閥門開關(guān)只是瞬時供電，從而減少耗電量。電磁閥在緊急情況下還可立即切斷煤氣通道，保障用戶的安全。同時還可起到確保用戶合法用氣的作用，當(dāng)用戶允許使用的煤氣量少于一度時，系統(tǒng)會自動關(guān)閉煤氣通道。

　　2.7 IC芯片 

　　IC卡部分是智能煤氣表的關(guān)鍵部分用戶在使用煤氣表之前，先到煤氣公司指定的地方購買一張 IC卡，卡上包含用戶信息和允許使用煤氣量，將卡插入表內(nèi)的 IC卡接口，煤氣表先驗(yàn)證用戶身份信息后，自動將氣量數(shù)據(jù)讀入 EEPROM，并將卡上數(shù)據(jù)清零，這樣可以作到一卡一用。煤氣使用量檢測實(shí)時檢測用戶對煤氣的使用情況，當(dāng)剩余煤氣量少于一定量時，則告警提醒用戶及時購氣，這就很好的解決了智能 IC卡煤氣表要解決的最基本問題 --抄表、計(jì)費(fèi)[5]。

　　這里采用的是接觸式（帶觸點(diǎn)的）IC卡，由于接觸式 IC卡的結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、使用方便，因此在各領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。接觸式 IC卡片上封裝的芯片最多有 8根線連接到芯片表面的觸點(diǎn)上，其中包括電源線、地線和信號線等。帶有觸點(diǎn)的模塊封裝在卡片正面的左上方。這種 IC卡通過觸點(diǎn)和讀寫機(jī)具進(jìn)行通信，卡內(nèi)芯片電路工作所需的電源由 IC卡讀寫機(jī)具提供到相應(yīng)的觸點(diǎn)上。

　　目前用于 IC卡的通用存貯器芯片多為 EEPROM，其常用的協(xié)議主要有兩線串行連接協(xié)議（I2C）和三線串行鏈接協(xié)議，其中比較常用的是 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT24系列芯片。以該系列中的 AT24C01為例，它具有 1k的存貯容量，適用于 2V～5V的低電壓/標(biāo)準(zhǔn)電壓的操作，具有低功耗和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。由于串行通信只用兩根口線，故做成 IC卡時外接連線少，更是比采用并行 EEPROM減少許多連線，作為非易失性內(nèi)存(EEPROM)，PCB布線更簡潔，體積更小。 IC卡煤氣表中所需存取的重要數(shù)據(jù)少，且數(shù)據(jù)存取速度要求不高，故這種小容量的串行 EEPROM非常適用。

　　2.8 系統(tǒng)工作過程 

　　用戶首先將 IC卡插入智能表，表內(nèi)的微功耗識別器識別密碼正確后，并將智能 IC卡的預(yù)購煤氣量讀入表內(nèi)的存儲器（ EEPROM）中，控制器向控制閥電路發(fā)出指令，控制閥自動打開，用戶開始用氣。當(dāng)用戶使用氣時，計(jì)量傳感電路將用戶使用煤氣量送到控制器微電子處理器中減去用戶的使用量，當(dāng)用戶的預(yù)購煤氣量用完時，控制器又會發(fā)出指令，閥門關(guān)閉，用戶須重新持卡購氣方能繼續(xù)使用。智能 IC卡煤氣表的完整電路如圖 2所示。

圖 2：IC卡煤氣表電路圖

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　智能 IC卡煤氣表的硬件程序由匯編語言編寫，主要完成以下功能： 1、向煤氣表的存儲單元輸入新的煤氣量的功能、報(bào)警功能、提示功能、自動斷氣與恢復(fù)功能、自動累計(jì)用氣量及顯示功能、加密功能。 2、單片機(jī)初始化以后，先驗(yàn)證用戶信息，再檢查用戶允許使用的煤氣量；如果正常，則開始設(shè)置看門狗電路，一旦出現(xiàn)干擾時，保證程序的正常運(yùn)行。開中斷的目的是允許單片機(jī)響應(yīng)用戶中斷，當(dāng)用戶插入卡或正常使用煤氣時，能及時計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)用戶本次使用的煤氣量。電壓檢測是確保系統(tǒng)的工作電壓正常，在進(jìn)入睡眠方式之前，將看門狗電路清零，因?yàn)榭撮T狗定時時間到，也會產(chǎn)生中斷。正常使用時，絕大多數(shù)時間內(nèi)，單片機(jī)系統(tǒng)處于睡眠方式，以最大的程度降低功耗。主程序框圖如圖 3所示。

圖3：主程序

　　4 結(jié)束語 

　　本論文介紹的僅僅是智能 IC卡計(jì)費(fèi)煤氣表的硬件部分，一個完整的智能系統(tǒng)還應(yīng)包括設(shè)在煤氣公司的計(jì)算機(jī)管理程序，其可以完成，向煤氣卡中寫入購買的煤氣度數(shù)、用戶信息管理、對用氣情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等功能[6]。

　　作為我們國家“金卡工程”之一的 IC卡，是一種包含了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高科技產(chǎn)品，是當(dāng)今世界科技發(fā)展的必然趨勢。據(jù)國內(nèi)權(quán)威部門的不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前煤氣管道網(wǎng)已有上千萬用戶并且還在逐年增加。這樣的大好形勢，為智能 IC卡煤氣表提供了一個十分廣闊的發(fā)展市場。本論文介紹的 IC卡計(jì)費(fèi)煤氣表的設(shè)計(jì)方法，同樣對于 IC卡電表與水表的設(shè)計(jì)有參考作用。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
　　1、采用氣體傳感器，增加了安全性；
　　2、液晶顯示屏，可以為用戶提供直觀提示信息。
　　3、采用市電結(jié)合充電電池雙重供電，提高了煤氣表的安全性和可靠性。

    參考文獻(xiàn) 
    [1] Michael hill．The Development of Semiconductor Technology Expectations for Future Smart Card[J]．The Smart Card Guide．1995 
    [2]陳雪亭．微功耗 IC卡煤氣表的開發(fā) [J]．微計(jì)算機(jī)信息．2003.1． 
    [3]胡漢才．單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]．清華大學(xué)出版社．1996.7． 
    [4]薛杰．智能化煤氣表的研制與實(shí)現(xiàn)[J]．微機(jī)發(fā)展．2001.2． 
    [5] 蘇斌．非接觸式 IC卡預(yù)付費(fèi)煤氣表的設(shè)計(jì)方法[J]．電子工藝技術(shù)．2000.3． 
    [6] 于宏軍．智能 IC卡技術(shù)全書 [M]．電子工業(yè)出版社． 1996.10．

    作者簡介：
    榮思遠(yuǎn)（1980－），男（漢族），北京市順義區(qū)人，桂林電子科技大學(xué)通信與信息工程系碩士研究生，研究方向電路系統(tǒng)。
    景新幸（1960－），男（漢族），桂林電子科技大學(xué)教授。
    王曉英（1983－），女（漢族），桂林電子科技大學(xué)碩士研究生。