摘? 要： 介紹了一種基于AT89C2051單片機和AT45D041IC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)度變換等功能。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? IC智能卡? 流量計量? 隔離驅(qū)動? 程序監(jiān)控
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近年來,，IC智能卡和單片機被廣泛地應(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,。本文介紹的是一種智能化流量計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用了單片機程控,、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,、抗干擾能力強等優(yōu)點,。更為突出的是系統(tǒng)若進一步擴展，可實現(xiàn)遠程收費和維護等功能,。
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,、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,。
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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)與通過計數(shù)器測出的流量信號一起送到單片機,，通過優(yōu)化算法計算出費用。單片機通過控制顯示驅(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)定性和抗干擾能力,。
1.1 單片機
單片機采用ATMEL公司的89C2051,，內(nèi)置128字節(jié)RAM、2K字節(jié)閃速存儲器,、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,，比其他類型單片機壓縮了許多接口線,。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AT45D041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B類則不行,。兩種模式的工作流程類似,，即由單片機向IC卡發(fā)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，即主存儲頁讀方式,，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卡讀寫裝置的電路原理圖,，AT89C2051的P1.7、P1.6,、P1.5分別與AT45D041的SI,、SO、SCK相連,，實現(xiàn)一個簡單的三線串行通信,。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74HC09向AT89C2051的INT0端發(fā)出中斷請求,，P1.2判斷是計數(shù)器滿中斷還是掉卡中斷,，從而轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序。
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1.3 顯示驅(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直接連接,，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,，單片機每隔一段時間就發(fā)送要顯示的數(shù)據(jù),，通過編程預(yù)設(shè)好其動態(tài)顯示方式后，MAX7221就在不需要單片機干預(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)動數(shù)碼管動態(tài)循環(huán)顯示,，直到單片機下次再串行地送另一組數(shù)據(jù)時,，MAX7221才修改鎖存器的內(nèi)容，從而改變數(shù)碼管的顯示結(jié)果,。
1.4 隔離驅(qū)動電路
在本系統(tǒng)中,，單片機通過控制電磁閥門的工作狀態(tài)來達到控制流體回路通/斷的目的,。電磁閥門屬于強電部分，因此不能與弱電部分即單片機控制系統(tǒng)直接相連,。此外,，強電控制回路會對單片機控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響單片機系統(tǒng)的正常工作,。這里采用的辦法是在單片機和強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動作對單片機的電磁干擾:(a)強,、弱電控制回路單獨供電，而且它們的地線必須隔開,，以消除脈動干擾,；(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)給單片機電源回路加濾波電容,；(d)在單片機的I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離以及濾波或陷波電路,，進一步消除沖激干擾，如圖5所示,；(e)對單片機使用看門狗電路,。
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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,。
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主程序處于循環(huán)狀態(tài)，主要完成各部分電路和中斷系統(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)出中斷申請,，CPU響應(yīng)中斷后立即調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序,，并且調(diào)用讀卡寫卡子程序修改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)行顯示子程序,，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)計上也采用了相應(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)恢復(fù)到原始狀態(tài),。另外還有:(a)配合看門狗電路,，在程序的不同地方添加一條SETB P3.7指令，隔一段時間對定時器進行刷新,，保證兩次置位指令間的程序執(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而產(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，本程序中采用數(shù)字濾波方法中的算術(shù)平均法來減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響,；(c)在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施,，使程序進入陷阱，然后強行使程序進入初始狀態(tài),，在非程序區(qū)反復(fù)用“LJMP #0000H”指令來填滿,。
本文所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,，解決了長期以來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,。
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參考文獻
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