IC卡智能煤气表的设计毕业设计论文分析.docx
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IC卡智能煤气表的设计毕业设计论文分析
第1章概论
1.1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。
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：
1）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。
1.2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——“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]。
2000年以后，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。
1.3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。
2.1IC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。
图2-1IC卡智能煤气表的基本原理图
2.2IC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：
3～6V．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—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ibⅡCT4。
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IEC103/4（JQB0032-95）标准。
10）IC卡、读卡机均符合国际标准ISO-7816。
2.3IC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1m3报警一次；剩余气量不足2m3时，每用0.1m3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。
2.4IC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0.1m3，屏幕小数点后数值将减少。
为减少功耗，一般情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系列，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-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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-24Hz
（6）三级程序存储器锁定
（7）128×8位内部RAM
（8）32可编程I/O线
（9）三个16位定时器/计数器
（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
2）管脚说明：
（1）VCC：
供电电压。
（2）GND：
接地。
（3）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P0外部必须被拉高。
（4）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。
（5）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编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（6）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：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
（7）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。
（8）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0。
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禁止，置位无效。
（9）
：
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
有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
（10）
：
当
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，
将内部锁定为RESET；当
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停止工作。
但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。
图3-1AT89C51的引脚图
3.2EEPROM存储器的选择
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接口，共有4096个位，可以按512×8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：
串行数据输出端；
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3-2X5045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3-1X5045的状态寄存器各位意义
Tab.3-1X5045conditionregistereachsignificance
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
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器。
表3-2是WD1、WD0组合的含义。
表3-2WD1、WD0组合的含义
Tab.3-2WD1,WD0combinationmeaning
WD1
WD0
看门狗定时值
0
0
1.4s
0
1
600ms
1
0
200ms
1
1
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BL1、BL0组合的含义。
表3-3BL1、BL0组合的含义
Tab.3-3BL1,BL0combinationmeaning
BL1
BL0
写保护的单元地址
0
0
没有保护
0
1
180H～1FFH
1
0
100H～1FFH
1
1
000H～1FFH
对X5045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。
表3-4X5045的指令格式及功能
命令名称
命令格式
内容
WREN
00000110
带开写使能开关
WRDI
00000100
关闭写使能开关
RDSR
00000101
读状态寄存器
WRSR
00000001
写状态寄存器
READ
0000A8011
读存储单元
WRITE
0000A8010
写存储单元
（1）WREN和WRDI是写使能开关的开/关指令。
它们都是单字节指令。
（2）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。
（3）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XXXXXX00B，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
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