智能化流量計量系統的研究

摘要：介紹了一種基于A(yíng)T89C2051單片機和AT45D0411IC智能卡開(kāi)發(fā)的智能化流量計量系統。該系統具有精確測量、流量控制、科學(xué)計費、數字顯示、IC卡智能管理、數據采集、A／D轉換和標度換等功能。著(zhù)重介紹了系統的原理以及硬件與軟件設計。

關(guān)鍵詞：單片機 IC智能卡 流量計量 隔離驅動(dòng) 程序監控

近年來(lái)，IC智能卡和單片機被廣泛地應用到工業(yè)控制和家庭智能小區系統中。智能化、可編程控制的儀器儀表是傳統的儀器儀表發(fā)展的必然方向。本文介紹的是種智能化流量計量系統，該系統主要采用了單片機程控、IC智能卡、數碼顯示、單簧管計數脈沖信號、數據采集與A／D轉換、標度變換、溫度傳感、儀表放大、用繼電器驅動(dòng)電磁閥門(mén)通／斷、優(yōu)化算法以及看門(mén)狗監控等技術(shù)。該系統與同類(lèi)系統相比具有功能多、成本低、體積小、功耗低、調試方便、控制精確、抗干擾能力強等特點(diǎn)。更為突出的是系統若進(jìn)一步擴展，可實(shí)現遠程收費和維護等功能。

1 系統的硬件構成與特點(diǎn)

系統的硬件主要由AT89C2051單片機、數據采集與數模轉換電路、儀表放大器、IC卡讀寫(xiě)器、數碼顯示器、驅動(dòng)電路和看門(mén)狗電路等組成，其硬件框圖如圖1所示。

儀表放大器將溫度傳感器感應的信號差動(dòng)放大到A／D轉換所需要的幅度值范圍，經(jīng)A／D轉換、標度變換后的數據與通過(guò)計算器測出的流量信號一起送到單片機，通過(guò)優(yōu)化算法計算出費用。單片機通過(guò)控制顯示驅動(dòng)器（MAX7221）動(dòng)態(tài)顯示溫差、流量或余額，再利用IC讀寫(xiě)電路向IC智能卡AT45D041讀、寫(xiě)數據。當卡里金額不足時(shí)，系統會(huì )提醒用戶(hù)往IC卡里加費，否則系統的驅動(dòng)電路就自動(dòng)切斷流體的通路（卡里余額可續存），從而達到智能化流量控制和科學(xué)計費的功能。系統還采用看門(mén)狗電路和隔離電路，提高運行穩定性和干擾能力。

1.1 單片機

單片機采用ATMEL公司的89C2051，內置128字節RAM、2K字節閃速內存儲器、2個(gè)16位計數器／定時(shí)器、15個(gè)I／O口和5個(gè)中斷源、一個(gè)全雙工串行口、一個(gè)精確的模擬比較器、片內振蕩器和時(shí)鐘電路。外部有20條引腳，比其了類(lèi)型單片機壓縮了許多接口線(xiàn)。本系統充分利用了AT89C2051不多的接口線(xiàn)。

1.2 IC卡讀寫(xiě)器

IC卡讀寫(xiě)器主要由串行可編程閃速存儲器AT89C2051以及少量外圍元器件構成。AT45D041有兩大類(lèi)讀／寫(xiě)操作模式：A類(lèi)和B類(lèi)，其中A類(lèi)能對閃速存儲器操作，而類(lèi)則不行。兩種模式的工作流程尖似，即由單片機向IC卡操作指令，接著(zhù)SCK端發(fā)送同步時(shí)鐘脈沖，就會(huì )把SO或SI端的數據串行地讀出或寫(xiě)入IC卡里指定單元。本系統讀卡采用A類(lèi)模式1，即主存儲讀寫(xiě)方式，讀卡命令為52H，XXH，XXH，XXH；寫(xiě)卡采用A類(lèi)模式2，即通過(guò)緩沖器2向主存頁(yè)寫(xiě)方式，寫(xiě)命令為85H，XXH，XXH，XXH。圖2為IC卡讀寫(xiě)裝置的電路源理圖，AT89C2051的PI.7、P1.6、P1.5分別與AT45D041的SI、SO、SCK相連，實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的三線(xiàn)中行通信。其中C9與C10是IC卡座的接通開(kāi)關(guān)，當IC卡插上時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，C1端連上＋5V，AT45D041被供電，讀寫(xiě)器正常工作；當IC卡拔出后，C1端通過(guò)硬74HC09向AT89C2051的IXNT0卡拔出中斷請求，P2.1判斷是計數器滿(mǎn)中還是掉卡中，從而轉到相應的中處理程序。

1.3 顯示器驅動(dòng)電路

顯示驅動(dòng)電路主要由MAX7221芯片外加亮度調節電位器W1構成，其原理框圖如圖3所示。MAX7221是一8位七段共陰極顯示驅動(dòng)芯片，它采用了3線(xiàn)串行輸入／輸出接口方式與單片機直接，無(wú)須外接任何外圍元器件，電路設計與調試非常方便。在本系統中，單片機每隔一段時(shí)間就發(fā)送要顯示呂的數據，通過(guò)編程預設好其動(dòng)態(tài)顯式方式后，MAX7221應不需要單片機干預的情況下，自行將鎖存器中的數據調出來(lái)，經(jīng)譯碼、放大后驅動(dòng)碼管動(dòng)態(tài)循環(huán)顯示，直到單片機下次再串行地送中一組數據時(shí)，MAX7221才修改鎖器的內容，從而改變數碼管的顯示的結果。

1.4 隔離驅動(dòng)電路

在本系統中，單片機通過(guò)控制電磁閥門(mén)的工作狀態(tài)來(lái)達控制流體回路通／斷的目的。電磁閥門(mén)屬于強電部分，因此不能與弱電部分即單片機控制系統直接相連。此外，強電控制回路會(huì )對單片機控制系統產(chǎn)生嚴重干擾，影響單片機系統的正常工作。這時(shí)采用的辦法是在單片機和強電控制回路之間加隔離驅動(dòng)電路，如圖4所示。該電路還采取了幾個(gè)措施消除繼電器和電磁閥門(mén)動(dòng)作對單片機的電磁干擾：（a）強、弱電控制回路單獨供電，而且它們的地線(xiàn)必須隔開(kāi)，經(jīng)消除脈動(dòng)干擾；（b）給繼電器和電磁閥等易產(chǎn)生磁輻射的元件加裝屏蔽罩；（c）給單片機電源回路加濾波電容；（d）在單片機的I／O口與噪聲源之間慶加隔離以及濾波或陷電路；進(jìn)一步消除沖激干擾，如圖5所示；（e）對單片機使用看門(mén)狗電路。

2 系統的軟件設計

本系統的程序采用模塊化結構，由主程序、中斷服務(wù)程序、數據采集處理子程序、顯示子程序和讀／寫(xiě)卡子程序組成。主要程序的流程圖見(jiàn)圖6。

主程序處于循環(huán)狀態(tài)，主要完成各部分電路和中系統的初始化，并不斷地查詢(xún)IC卡的情況和循環(huán)調用顯示子程序。每當掉卡或計數時(shí)間到時(shí),就發(fā)出中申請，CPU響應中后立即修改IC卡里的數據，最后修改顯示緩沖區的內容（供下一次顯示用）就返回。返回后繼續執行示子程序，動(dòng)態(tài)地顯示修改后的數據，等待下一次中斷的到來(lái)。

為了提高系統的抗干擾能力，除了在硬件上采取措施外，在軟件設計上采用了相應的對策。其辦法主要是發(fā)現失常狀態(tài)后能及時(shí)引導系統復到原始狀太。另外還有：（a）配合看門(mén)狗電路，在程序的不同地方添加一條STEBP3.7指令，隔一段時(shí)間對定時(shí)器進(jìn)行刷新，保證兩次置位指令的程序執行時(shí)間小于1.6s。而當程序失常時(shí)，定時(shí)器因得不到刷新產(chǎn)生的“溢出”信號使AT89C2051復位，從而就把程序拉回到正常的軌道上來(lái)；（b）對一點(diǎn)數據連續采樣多次，本程序采用數字濾波方法中的算術(shù)平均來(lái)減少系統的隨機干擾對采集結果的影響；（c）在非程序區設置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強行使程序進(jìn)入初始狀態(tài)，在非程序區反復用“LJMP＃0000H”指令來(lái)填滿(mǎn)。

本文介紹的智能化流量計量系統是筆者應天津西清物業(yè)公司的委托而開(kāi)發(fā)研制的，目前已用于該物業(yè)公司投資建設的兩個(gè)智能小區的暖氣計費系統中，解決長(cháng)期以來(lái)的一直困擾該公司的暖氣收費計量問(wèn)題。實(shí)際使用表明，這種智能化流量計量系統運行效果良好，實(shí)用方便。