智能化煤气表的设计.docx
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智能化煤气表的设计
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
TheDesignOfIntelligentGasMeter
Abstract
Themechanicalgasmeteratpresenthasabigdisadvantagestothemanagementandtheusersagreatdealofinconvenience.Inordertofundamentallysolvethisproblem,itisverynecessarytodesignanewtypesystemofintelligentgasmeter.Inviewofthissituation,thispaperdesignedanintelligentICcardgasmetersystemsinordertoachievethegastariffsandthemanagementofelectronicinformation.
ThedesignisagasbillingmodulewhichbasedontheMCUAT89S52,thecontrolissimple,thedesigntakethenon-contactlesssmartcardmoduletoachievepre-paidfunctions,withhavestrictprotectionandanti-cheatfunctions.SystemusetheRT1602-liquidcrystaldisplayfunctiontoshowtheBalancedataetc.Inordertoensuresystemstabilityandreliability,thedesignalsojoinedthepower-downprotectionmoduletoprotecttheuserdataisnotlost,makethesystemenablesautomatedbillingsystemandoptimization.
KeyWords:
Gasmeter,Non-contactcard,Prepaid,Single-chip
1绪论
1．1课题研究背景
1.2.1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，具有遥读和遥控的双向功能，且方便，准确【2】。
1.3IC卡煤气表的发展现状
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。
1.2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。
1.3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MifareS50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MifareS50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MCU
3.1.1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COMS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256kbytes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
图2MCU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3A44E内部电路及外观引脚
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4A44E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。
3.3.1RT1602介绍
LCD1602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。
3.3.1.1RT1602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,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7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线，用于传输显示的内容数据；第15～16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2RT1602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
Data1/0
2
VDD
电源正极
10
D3
Data1/0
3
VL
背光调整
11
D4
Data1/0
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
Data1/0
5
R/W
读/写选择端
13
D6
Data1/0
6
E
使能信号
14
D7
Data1/0
7
D0
Data1/0
15
BLA
背光电源正极
8
D1
Data1/0
16
BLK
背光电源负极
3.3.1.2RT1602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。
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3LCD指令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
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
S
4
显示开关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
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
3.3.1.3RT1602的读写时序
RT1602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4RT1602的时序参数
时序参数
符号
极限值（单位：
ns）
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
-
-
写操作数据建立时间
tSP2
40
-
-
写操作数据保持时间
tHD2
10
-
-
3.3.2LCD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7LCD接口电路
3.4掉电存储模块
3.4.1
总线的基本原理
（Inter－IntegratedCircuit）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
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