智能化流量计量系统的研究

    摘要：介绍了一种基于AT89C2051单片机和AT45D0411IC智能卡开发的智能化流量计量系统。该系统具有精确测量、流量控制、科学计费、数字显示、IC卡智能管理、数据采集、A／D转换和标度换等功能。着重介绍了系统的原理以及硬件与软件设计。

    关键词：单片机 IC智能卡 流量计量 隔离驱动 程序监控

近年来，IC智能卡和单片机被广泛地应用到工业控制和家庭智能小区系统中。智能化、可编程控制的仪器仪表是传统的仪器仪表发展的必然方向。本文介绍的是种智能化流量计量系统，该系统主要采用了单片机程控、IC智能卡、数码显示、单簧管计数脉冲信号、数据采集与A／D转换、标度变换、温度传感、仪表放大、用继电器驱动电磁阀门通／断、优化算法以及看门狗监控等技术。该系统与同类系统相比具有功能多、成本低、体积小、功耗低、调试方便、控制精确、抗干扰能力强等特点。更为突出的是系统若进一步扩展，可实现远程收费和维护等功能。

1 系统的硬件构成与特点

系统的硬件主要由AT89C2051单片机、数据采集与数模转换电路、仪表放大器、IC卡读写器、数码显示器、驱动电路和看门狗电路等组成，其硬件框图如图1所示。

仪表放大器将温度传感器感应的信号差动放大到A／D转换所需要的幅度值范围，经A／D转换、标度变换后的数据与通过计算器测出的流量信号一起送到单片机，通过优化算法计算出费用。单片机通过控制显示驱动器（MAX7221）动态显示温差、流量或余额，再利用IC读写电路向IC智能卡AT45D041读、写数据。当卡里金额不足时，系统会提醒用户往IC卡里加费，否则系统的驱动电路就自动切断流体的通路（卡里余额可续存），从而达到智能化流量控制和科学计费的功能。系统还采用看门狗电路和隔离电路，提高运行稳定性和干扰能力。

1.1 单片机

单片机采用ATMEL公司的89C2051，内置128字节RAM、2K字节闪速内存储器、2个16位计数器／定时器、15个I／O口和5个中断源、一个全双工串行口、一个精确的模拟比较器、片内振荡器和时钟电路。外部有20条引脚，比其了类型单片机压缩了许多接口线。本系统充分利用了AT89C2051不多的接口线。

1.2 IC卡读写器

IC卡读写器主要由串行可编程闪速存储器AT89C2051以及少量外围元器件构成。AT45D041有两大类读／写操作模式：A类和B类，其中A类能对闪速存储器操作，而类则不行。两种模式的工作流程尖似，即由单片机向IC卡操作指令，接着SCK端发送同步时钟脉冲，就会把SO或SI端的数据串行地读出或写入IC卡里指定单元。本系统读卡采用A类模式1，即主存储读写方式，读卡命令为52H，XXH，XXH，XXH；写卡采用A类模式2，即通过缓冲器2向主存页写方式，写命令为85H，XXH，XXH，XXH。图2为IC卡读写装置的电路源理图，AT89C2051的PI.7、P1.6、P1.5分别与AT45D041的SI、SO、SCK相连，实现一个简单的三线中行通信。其中C9与C10是IC卡座的接通开关，当IC卡插上时，开关闭合，C1端连上＋5V，AT45D041被供电，读写器正常工作；当IC卡拔出后，C1端通过硬74HC09向AT89C2051的IXNT0卡拔出中断请求，P2.1判断是计数器满中还是掉卡中，从而转到相应的中处理程序。

1.3 显示器驱动电路

显示驱动电路主要由MAX7221芯片外加亮度调节电位器W1构成，其原理框图如图3所示。MAX7221是一8位七段共阴极显示驱动芯片，它采用了3线串行输入／输出接口方式与单片机直接，无须外接任何外围元器件，电路设计与调试非常方便。在本系统中，单片机每隔一段时间就发送要显示吕的数据，通过编程预设好其动态显式方式后，MAX7221应不需要单片机干预的情况下，自行将锁存器中的数据调出来，经译码、放大后驱动码管动态循环显示，直到单片机下次再串行地送中一组数据时，MAX7221才修改锁器的内容，从而改变数码管的显示的结果。

1.4 隔离驱动电路

在本系统中，单片机通过控制电磁阀门的工作状态来达控制流体回路通／断的目的。电磁阀门属于强电部分，因此不能与弱电部分即单片机控制系统直接相连。此外，强电控制回路会对单片机控制系统产生严重干扰，影响单片机系统的正常工作。这时采用的办法是在单片机和强电控制回路之间加隔离驱动电路，如图4所示。该电路还采取了几个措施消除继电器和电磁阀门动作对单片机的电磁干扰：（a）强、弱电控制回路单独供电，而且它们的地线必须隔开，经消除脉动干扰；（b）给继电器和电磁阀等易产生磁辐射的元件加装屏蔽罩；（c）给单片机电源回路加滤波电容；（d）在单片机的I／O口与噪声源之间庆加隔离以及滤波或陷电路；进一步消除冲激干扰，如图5所示；（e）对单片机使用看门狗电路。

2 系统的软件设计

本系统的程序采用模块化结构，由主程序、中断服务程序、数据采集处理子程序、显示子程序和读／写卡子程序组成。主要程序的流程图见图6。

主程序处于循环状态，主要完成各部分电路和中系统的初始化，并不断地查询IC卡的情况和循环调用显示子程序。每当掉卡或计数时间到时,就发出中申请，CPU响应中后立即修改IC卡里的数据，最后修改显示缓冲区的内容（供下一次显示用）就返回。返回后继续执行示子程序，动态地显示修改后的数据，等待下一次中断的到来。

为了提高系统的抗干扰能力，除了在硬件上采取措施外，在软件设计上采用了相应的对策。其办法主要是发现失常状态后能及时引导系统复到原始状太。另外还有：（a）配合看门狗电路，在程序的不同地方添加一条STEBP3.7指令，隔一段时间对定时器进行刷新，保证两次置位指令的程序执行时间小于1.6s。而当程序失常时，定时器因得不到刷新产生的“溢出”信号使AT89C2051复位，从而就把程序拉回到正常的轨道上来；（b）对一点数据连续采样多次，本程序采用数字滤波方法中的算术平均来减少系统的随机干扰对采集结果的影响；（c）在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强行使程序进入初始状态，在非程序区反复用“LJMP＃0000H”指令来填满。

    本文介绍的智能化流量计量系统是笔者应天津西清物业公司的委托而开发研制的，目前已用于该物业公司投资建设的两个智能小区的暖气计费系统中，解决长期以来的一直困扰该公司的暖气收费计量问题。实际使用表明，这种智能化流量计量系统运行效果良好，实用方便。