智能化流量計量系統(tǒng)的研究

摘要：介紹了一種基于AT89C2051單片機(jī)和AT45D0411IC智能卡開發(fā)的智能化流量計量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有精確測量、流量控制、科學(xué)計費、數(shù)字顯示、IC卡智能管理、數(shù)據(jù)采集、A／D轉(zhuǎn)換和標(biāo)度換等功能。著重介紹了系統(tǒng)的原理以及硬件與軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) IC智能卡 流量計量 隔離驅(qū)動 程序監(jiān)控

近年來，IC智能卡和單片機(jī)被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制和家庭智能小區(qū)系統(tǒng)中。智能化、可編程控制的儀器儀表是傳統(tǒng)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(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用了單片機(jī)程控、IC智能卡、數(shù)碼顯示、單簧管計數(shù)脈沖信號、數(shù)據(jù)采集與A／D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換、溫度傳感、儀表放大、用繼電器驅(qū)動電磁閥門通／斷、優(yōu)化算法以及看門狗監(jiān)控等技術(shù)。該系統(tǒng)與同類系統(tǒng)相比具有功能多、成本低、體積小、功耗低、調(diào)試方便、控制精確、抗干擾能力強(qiáng)等特點。更為突出的是系統(tǒng)若進(jìn)一步擴(kuò)展，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程收費和維護(hù)等功能。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與特點

系統(tǒng)的硬件主要由AT89C2051單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、儀表放大器、IC卡讀寫器、數(shù)碼顯示器、驅(qū)動電路和看門狗電路等組成，其硬件框圖如圖1所示。

儀表放大器將溫度傳感器感應(yīng)的信號差動放大到A／D轉(zhuǎn)換所需要的幅度值范圍，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換后的數(shù)據(jù)與通過計算器測出的流量信號一起送到單片機(jī)，通過優(yōu)化算法計算出費用。單片機(jī)通過控制顯示驅(qū)動器（MAX7221）動態(tài)顯示溫差、流量或余額，再利用IC讀寫電路向IC智能卡AT45D041讀、寫數(shù)據(jù)。當(dāng)卡里金額不足時，系統(tǒng)會提醒用戶往IC卡里加費，否則系統(tǒng)的驅(qū)動電路就自動切斷流體的通路（卡里余額可續(xù)存），從而達(dá)到智能化流量控制和科學(xué)計費的功能。系統(tǒng)還采用看門狗電路和隔離電路，提高運行穩(wěn)定性和干擾能力。

1.1 單片機(jī)

單片機(jī)采用ATMEL公司的89C2051，內(nèi)置128字節(jié)RAM、2K字節(jié)閃速內(nèi)存儲器、2個16位計數(shù)器／定時器、15個I／O口和5個中斷源、一個全雙工串行口、一個精確的模擬比較器、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。外部有20條引腳，比其了類型單片機(jī)壓縮了許多接口線。本系統(tǒng)充分利用了AT89C2051不多的接口線。

1.2 IC卡讀寫器

IC卡讀寫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(gòu)成。AT45D041有兩大類讀／寫操作模式：A類和B類，其中A類能對閃速存儲器操作，而類則不行。兩種模式的工作流程尖似，即由單片機(jī)向IC卡操作指令，接著SCK端發(fā)送同步時鐘脈沖，就會把SO或SI端的數(shù)據(jù)串行地讀出或?qū)懭隝C卡里指定單元。本系統(tǒng)讀卡采用A類模式1，即主存儲讀寫方式，讀卡命令為52H，XXH，XXH，XXH；寫卡采用A類模式2，即通過緩沖器2向主存頁寫方式，寫命令為85H，XXH，XXH，XXH。圖2為IC卡讀寫裝置的電路源理圖，AT89C2051的PI.7、P1.6、P1.5分別與AT45D041的SI、SO、SCK相連，實現(xiàn)一個簡單的三線中行通信。其中C9與C10是IC卡座的接通開關(guān)，當(dāng)IC卡插上時，開關(guān)閉合，C1端連上＋5V，AT45D041被供電，讀寫器正常工作；當(dāng)IC卡拔出后，C1端通過硬74HC09向AT89C2051的IXNT0卡拔出中斷請求，P2.1判斷是計數(shù)器滿中還是掉卡中，從而轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中處理程序。

1.3 顯示器驅(qū)動電路

顯示驅(qū)動電路主要由MAX7221芯片外加亮度調(diào)節(jié)電位器W1構(gòu)成，其原理框圖如圖3所示。MAX7221是一8位七段共陰極顯示驅(qū)動芯片，它采用了3線串行輸入／輸出接口方式與單片機(jī)直接，無須外接任何外圍元器件，電路設(shè)計與調(diào)試非常方便。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)每隔一段時間就發(fā)送要顯示呂的數(shù)據(jù)，通過編程預(yù)設(shè)好其動態(tài)顯式方式后，MAX7221應(yīng)不需要單片機(jī)干預(yù)的情況下，自行將鎖存器中的數(shù)據(jù)調(diào)出來，經(jīng)譯碼、放大后驅(qū)動碼管動態(tài)循環(huán)顯示，直到單片機(jī)下次再串行地送中一組數(shù)據(jù)時，MAX7221才修改鎖器的內(nèi)容，從而改變數(shù)碼管的顯示的結(jié)果。

1.4 隔離驅(qū)動電路

在本系統(tǒng)中，單片機(jī)通過控制電磁閥門的工作狀態(tài)來達(dá)控制流體回路通／斷的目的。電磁閥門屬于強(qiáng)電部分，因此不能與弱電部分即單片機(jī)控制系統(tǒng)直接相連。此外，強(qiáng)電控制回路會對單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作。這時采用的辦法是在單片機(jī)和強(qiáng)電控制回路之間加隔離驅(qū)動電路，如圖4所示。該電路還采取了幾個措施消除繼電器和電磁閥門動作對單片機(jī)的電磁干擾：（a）強(qiáng)、弱電控制回路單獨供電，而且它們的地線必須隔開，經(jīng)消除脈動干擾；（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(jī)電源回路加濾波電容；（d）在單片機(jī)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(jī)使用看門狗電路。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、顯示子程序和讀／寫卡子程序組成。主要程序的流程圖見圖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(tǒng)的初始化，并不斷地查詢IC卡的情況和循環(huán)調(diào)用顯示子程序。每當(dāng)?shù)艨ɑ蛴嫈?shù)時間到時,就發(fā)出中申請，CPU響應(yīng)中后立即修改IC卡里的數(shù)據(jù)，最后修改顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容（供下一次顯示用）就返回。返回后繼續(xù)執(zhí)行示子程序，動態(tài)地顯示修改后的數(shù)據(jù)，等待下一次中斷的到來。

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，除了在硬件上采取措施外，在軟件設(shè)計上采用了相應(yīng)的對策。其辦法主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后能及時引導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)到原始狀太。另外還有：（a）配合看門狗電路，在程序的不同地方添加一條STEBP3.7指令，隔一段時間對定時器進(jìn)行刷新，保證兩次置位指令的程序執(zhí)行時間小于1.6s。而當(dāng)程序失常時，定時器因得不到刷新產(chǎn)生的“溢出”信號使AT89C2051復(fù)位，從而就把程序拉回到正常的軌道上來；（b）對一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，本程序采用數(shù)字濾波方法中的算術(shù)平均來減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對采集結(jié)果的影響；（c）在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)行使程序進(jìn)入初始狀態(tài)，在非程序區(qū)反復(fù)用“LJMP＃0000H”指令來填滿。

本文介紹的智能化流量計量系統(tǒng)是筆者應(yīng)天津西清物業(yè)公司的委托而開發(fā)研制的，目前已用于該物業(yè)公司投資建設(shè)的兩個智能小區(qū)的暖氣計費系統(tǒng)中，解決長期以來的一直困擾該公司的暖氣收費計量問題。實際使用表明，這種智能化流量計量系統(tǒng)運行效果良好，實用方便。