新型智能IC卡燃气表的设计与开发*

阚小妹 张光强

(1.无锡市计量测试中心，无锡 214101；2.无锡市宏湖微电子有限公司，无锡 214163)

0 引言

长期以来，民用燃气普遍采用容积式燃气表，需入户抄表，然后进行计费和收费。这种收费方式不仅增加了人力成本，收费不便管理，而且对欠费者难以限制。目前研制的IC卡燃气表存在以下问题：成本偏高、电路功耗大；电池使用寿命偏短，影响IC卡燃气表的推广；关断阀设置在燃气表的外部，从而导致有些技术性能很难达到国家标准的要求。

本文以低功耗单片机为测控核心，设计了一种机电一体化的新型智能IC卡燃气表，该燃气表可实时采集燃气流量，控制用户用气情况，具有检测准确、低功耗、安全性高、防盗气等特点，市场前景广阔。

1 总体设计方案

以AT89C2051为主控芯片，设计智能IC卡燃气表系统，系统组成如图1所示，包括燃气流量采集电路、电磁阀控制电路、IC卡接口电路、LCD显示与声光报警、电源保护及欠压检测电路、非易失性存储及看门狗电路。

图1 系统组成框图

1.1 系统工作原理

IC卡燃气表首先通过流量计中的磁敏元件将气体流量转化为电脉冲信号，脉冲信号经整形、光电隔离后输入到单片机进行计量。用户到燃气公司各收费管理站交费购气，回来后把存储燃气量的IC卡插入用户IC卡燃气表中，同时将IC卡清零。随着用户用气，非易失存储器中的气量减少，在气量被用完之前，系统将提示用户续卡。

1.2 IC卡燃气表的主要功能包括[1]

1)加密功能：所设计系统采用逻辑加密IC卡，保证一表一卡，非本表IC卡和其它无效卡插入无效。

2)控制功能：依据交费和用气情况，自动控制气路的开关。在正常情况下控制阀处于开启状态；当表内气量用完、电池欠压、电池盒打开事件发生时，控制阀才从开启态变为关闭态。

3)显示/提示功能：采用LCD实时显示剩余可用气量，声光报警提示电池欠压、IC卡无效等功能。

4)欠压与防窃气功能：当系统电源电压不足时提示用户需更换电池，当用户私开表盖时系统将关闭电磁阀，防止用户非法窃气。

2 硬件设计

本设计的硬件主要包括单片机最小系统、外部中断扩展电路、燃气流量检测电路、IC卡接口电路、非易失性存储及看门狗电路、电磁阀控制电路、欠压检测及电源保护电路、液晶显示电路和报警电路。其中，单片机选用Atmel公司的AT89C2051单片机，液晶显示电路采用商品化的IC卡燃气表专用液晶显示模块ZY886C，报警电路采用压电式蜂鸣器，通过74ALS06进行低电平驱动。

2.1 外部中断扩展电路

为实现低功耗和提高系统的实时性，本设计将插卡、电池欠压、非法开盖、燃气流量信号计数都作为外部中断，而AT89C2051只有两个外部中断，因此必须进行外部中断的扩展[2]。其中，燃气流量信号计数使用外部中断/INT0，插卡、电池欠压、非法开盖事件检测使用外部中断/INT1。采用逻辑门实现外部中断扩展，电路原理图如图2所示，外部中断EI1(电池欠压)、EI2(私开表盖)、EI3(插卡)信号均为低电平有效，经逻辑与后与单片机/INT1引脚相连，同时各外部中断信号分别连接P1.0、P1.1、P1.2引脚，当EI1、EI2、EI3其中一个事件发生时，触发/INT1中断，在/INT1中断服务函数中通过查询P1.0、P1.1、P1.2引脚可以获取所发生的中断时间。

图2 外部中断扩展电路

2.2 燃气流量检测电路

为保持原有机械式燃气表的计量精度，本设计的燃气流量检测是通过检测其字轮旋转的圈数实现的，将流量变换成脉冲数，送入单片机的/INT0引脚进行计量。基于OKI公司的ORD9216干簧管设计了脉冲式流量计，将一矩形永磁体安装在旋转翼片做成的气轮上，干簧管固定在燃气表中。当燃气流动时气轮转动，带动磁体运动。气轮旋转一周，干簧管接合、释放一次，产生一个脉冲。单片机记录干簧管接合的次数就可计量出燃气的流量。

2.3 IC卡接口电路

本设计采用的IC卡为逻辑加密卡AT88SC102，对其应用区的访问受到密码、熔丝、该区读写属性控制位和该区擦除密钥的保护，因此具有较高的安全性[3]。选用较廉价的插拔式卡座，其与单片机的接口原理图如图3所示。当IC卡插入后，卡座的常开微动开关K1闭合，经逻辑电路处理后在单片机的/INT1引脚产生中断，中断服务程序中查询到P1.2脚为低时则进入IC卡密码校验及读写程序。

图3 IC卡座与单片机的接口原理图

2.4 非易失性存储及看门狗电路

非易失性存储器主要用来存储一些系统运行参数，当用户IC卡插入时，卡内密码、卡号、购买气量等信息以及燃气表进入掉电状态时的结余气量等信息都将保存在该存储器中。本设计采用Xicro公司的X25045芯片，它将看门狗定时器、上电复位、串行E2PROM集成在一块8引脚的芯片内，具有可编程块锁功能，使用SPI接口与单片机进行通信，其接口电路如图4所示。

图4 X25045与单片机的接口原理图

2.5 电磁阀控制电路

由于燃气表采用电池供电，整个装置必须在低功耗下运行，因此，表中的气路控制阀无论在开启或关闭状态下，都必须低功耗或无功耗[4]。本设计选用ZCM-20电磁阀进行气路控制，它是一种双稳态高效节能型电磁阀，具有“点开”和“点关”的脉冲工作方式，一旦开启或闭合，能处于自保持状态，无需电源供电，工作电压在DC(3.0～6.0)V。其与单片机的接口电路如图5所示。当P3.7脚输出低电平时，三极管T1截止，电磁阀关闭；当P3.7脚输出高电平时，T1导通，电磁阀开启。

图5 电磁阀控制电路

图6 电压欠压检测电路

2.6 欠压检测及电源保护电路

为及时提示用户更换电池，需要设计电源欠压检测电路。本系统中电源欠压检测电路如图6所示。当系统正常工作时，若电源(Vcc)正常，则Q2将导通，从而使Q3基极为低电平，Q3截止，则发光二极管D5截止，不亮表示电源正常。若电源降低至一定限值(本设计为3V)后，Q2的基极电平降低使Q2截止，从而Q3导通，使D5导通发光，提示用户系统欠压，同时Q3的集电极接至/INT1引起中断。通过中断处理程序，关闭电磁阀，声光报警提示用户更换电池，延时一段时间后，关闭所有中断，使系统进入休眠状态，直到更换电池。

为有效保护电源和防止用户私开表盖，本设计对电池盒位置进行高灵敏度监测。用户私开表盖时，保护电路输出低电平，单片机检测到该电平后执行相应声光报警，同时私开表盖记录被记录到表内的X25045中，返回主程序后立即关闭阀门。此后要开气必须先将私开记录清除，而只有燃气公司才能清除该记录，从而有效防止用户窃气行为发生。

3 软件设计

应用程序采用模块化的编程方法，软件由主程序、中断服务程序、子程序等组成。核心的程序模块包括IC卡的密码校验与读写、串行E2PROM的读写、LCD显示以及燃气流量计数中断程序等。

3.1 主程序设计[5]

当系统上电后，主程序开始执行。首先完成系统的初始化工作，如开中断、使外部中断/INT0和/INT1均为低电平触发方式、设置T0和T1为定时器并赋初值等；初始化后再从X25045中读入本机可用燃气数，并进行判断处理；然后开电磁阀，在液晶显示器上显示剩余可用气量；最后进入空闲模式(Idle Mode)，等待计数、插卡等中断到来。主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

3.2 中断服务程序设计

中断服务程序包括外部中断/INT0、/INT1和定时器T1中断。外部/INT0中断服务程序用于对干簧管产生的脉冲进行计数，当计数脉冲达到一个当量值时，从可用燃气数中减去0.1m3，并对液晶显示器进行刷新。外部/INT1中断服务程序对电池欠压、非法开盖、有卡插入等事件进行实时响应。利用T1及其中断计时程序构成一个10min定时器，耗气量计数中断程序中，清软件计时值的操作，使T1的中断服务程序始终计不满10min而正常返回中断。当不再出现耗气量计数中断时，T1的中断服务程序才能顺利计满10min，当检测到10min不用气时，系统进入掉电状态。

4 测试与结果

对所设计的系统进行了整机测试，能够完成所要求的各项功能且工作稳定。通过采取硬件和软件方面的低功耗措施，燃气表运行时MCU大部分时间处于空闲和掉电状态，整机电流很低，未插卡时，实测电流为50μA，插卡时为4.0mA，开关电磁阀时电流为280mA，由于插卡、开关电磁阀的次数很少，时间很短，整机功耗很小，设计采用一节6Ah锂电池，工作时间理论上在3年以上。

5 结论

本文在原有机械式燃气表的基础上，采用机电一体化的设计思想设计了一种新型智能IC卡燃气表。该燃气表以逻辑加密卡为数据载体，选择了集成度高、功耗低的主控MCU和外围器件，并从软件方面进行优化。较现有的IC卡燃气表，所设计的智能燃气表具有功耗小、成本低以及可靠性高等特点，容易被推广使用。本设计可为其它智能仪表的研制，实现城市水、电、燃气等公用事业“一卡通”提供技术参考。

[1] 李刚健，刘鹏，程宪平.微功耗智能IC卡燃气表的研制.微型机与应用，2002(4)：16-18

[2] 张振荣，晋明武.MCS-51单片机原理及实用技术.北京：人民邮电出版社,2000

[3] 陆永宁.IC卡应用系统.南京：东南大学出版社，2000

[4] 陶晔，姜建华.新型流量控制阀的研究与设计.仪表技术，2000,(4):44-45

[5] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，1995