智能IC卡煤气表的设计

    1 引言

    现在城市管道煤气已经基本普及，煤气用户的数量也随之有了很大的增长。作为煤气计费依据的煤气表数量与日俱增，有的城市达几十万甚至上百万用户。面对如此庞大的煤气表用户，抄表、收费工作将是一项十分繁琐的工作，同时由于用户各种客观情况的存在，例如生活水平、居住环境、生活习惯等不一样，给收费工作带来了很大的困难。针对这种现状，设计的智能 IC卡煤气表，可以很好的解决传统仪表的抄表和收费等问题 [1]。

    2 硬件结构与功能 

    智能 IC卡煤气表的硬件组成框图如图 1所示，它是由单片机 (AT89C51)、非易失性内存（EEPROM）、煤气传感器、声音报警电路、电磁阀、液晶显示（LCD）、耗气量计数部分、 IC卡部分和电源部分共同组成的[2]。 

图 1：煤气表硬件组成框图

    2.1 单片机

    此系统是一个以 AT89C51为核心的单片机最小系统。 ATMEL89系列单片机是 ATMEL公司的 8位 Flash单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有 Flash存储器， 因此，有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。这里采用 AT89C51是为了方便研制阶段进行反复调试和修改。由于 AT89C51带有 4KB闪存可擦除（ 1000次）只读存储器，兼容于 MCS-51指令系统，提供在线编程，为嵌入式控制应用提供了一种高性价比的解决方案[3]。

    2.2 EEPROM存储器 

    EEPROM是系统的存储器，煤气表中诸如累积已耗用气量、结余气量、初始化识别号， IC卡识别号等重要数据都存放在 EEPROM中。由于 EEPROM是非易失性存储器，在断电之后仍能把所存储的信息保存下来，这样可克服由充电电池长期维持 RAM中信息所潜在的不可靠性。这里采用的是读写时钟频率较高，静态功耗很低的 XICOR公司的 X5045。

    2.3 液晶显示屏 

    液晶（ LCD）显示屏，是用户获取煤气表信息的直接来源。用户可随时使用中断方式来查询现有剩余气量、使用总量以及煤气表的一些提示信息。这些信息将会显示在煤气表的液晶显示屏上，同时还可以显示：请速购气、插卡有误、阀门已关等提示信息。这里采用的是煤气表专用的数字式液晶模块（ ZY886C），该模块是专为煤气表开发及生产的，其与单片机的接口简单方便且功耗低。

    2.4煤气传感器及报警电路 

    煤气传感器的使用大大增加了系统的安全性。由于煤气是一种无色无味的有毒气体，一旦泄露会对用户的人身和财产产生很大的威胁。加入煤气传感器后，系统就可时时检测空气中的危险气体含量是否超标，如果超标它会通知单片机，单片机会通知阀门关闭，同时通知报警电路发出声音警报信号。报警电路同时还具有提示用户购气、作弊警示、提醒更换电池等功能。这里采用的是河南汉威电子有限公司的 MQ-5，它对液化气、天然气城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇、烟雾几乎不响应；而具有灵敏度高、响应快、长寿命等特点。并且驱动电路简单，特别适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。

    2.5 耗气量计数电路 

    耗气量计数电路是煤气表的传感器部分，是实现正确计量的基础。考虑到现有模拟式煤气表中，旋翼式结构简单，测量范围宽，灵敏度高，外形尺寸小，精确度已被广大用户所接受，因此本煤气表的流量计还是基于模拟煤气表的旋翼式结构，而将叶轮机构上提取的电信号用频率脉冲计数，实现煤气流量的计量，其耗电≤ 1mA，并保持了原有的结构简单，精确度高的优点。这里采用一对红外管来实现。具体做法是在机械式煤气表的转盘上开一个小孔，将红外对管放在转盘两侧，则转盘每转动一圈，气量检测就输出一个连续的脉冲串。这样既可以防止干扰造成误差计数，又可有效地降低功耗[4]。

    2.6 电磁阀

    阀门控制着煤气表的开关状态。目前可控制的阀门主要是电磁阀，但常规的电磁阀是靠电的通断来控制阀门开关的，即要让阀门一直开着，就必须一直通电，因此耗电较大，不符合本煤气表的需要。因此，必须在现有电平开关式电磁阀的基础上对此进行改进，将阀门开关控制由电脉冲来实现，使得对阀门开关只是瞬时供电，从而减少耗电量。电磁阀在紧急情况下还可立即切断煤气通道，保障用户的安全。同时还可起到确保用户合法用气的作用，当用户允许使用的煤气量少于一度时，系统会自动关闭煤气通道。

    2.7 IC芯片 

    IC卡部分是智能煤气表的关键部分用户在使用煤气表之前，先到煤气公司指定的地方购买一张 IC卡，卡上包含用户信息和允许使用煤气量，将卡插入表内的 IC卡接口，煤气表先验证用户身份信息后，自动将气量数据读入 EEPROM，并将卡上数据清零，这样可以作到一卡一用。煤气使用量检测实时检测用户对煤气的使用情况，当剩余煤气量少于一定量时，则告警提醒用户及时购气，这就很好的解决了智能 IC卡煤气表要解决的最基本问题 --抄表、计费[5]。

    这里采用的是接触式（带触点的）IC卡，由于接触式 IC卡的结构简单、生产成本低、使用方便，因此在各领域都得到了广泛的应用。接触式 IC卡片上封装的芯片最多有 8根线连接到芯片表面的触点上，其中包括电源线、地线和信号线等。带有触点的模块封装在卡片正面的左上方。这种 IC卡通过触点和读写机具进行通信，卡内芯片电路工作所需的电源由 IC卡读写机具提供到相应的触点上。

    目前用于 IC卡的通用存贮器芯片多为 EEPROM，其常用的协议主要有两线串行连接协议（I2C）和三线串行链接协议，其中比较常用的是 ATMEL公司生产的 AT24系列芯片。以该系列中的 AT24C01为例，它具有 1k的存贮容量，适用于 2V～5V的低电压/标准电压的操作，具有低功耗和高可靠性等优点。由于串行通信只用两根口线，故做成 IC卡时外接连线少，更是比采用并行 EEPROM减少许多连线，作为非易失性内存(EEPROM)，PCB布线更简洁，体积更小。 IC卡煤气表中所需存取的重要数据少，且数据存取速度要求不高，故这种小容量的串行 EEPROM非常适用。

    2.8 系统工作过程 

    用户首先将 IC卡插入智能表，表内的微功耗识别器识别密码正确后，并将智能 IC卡的预购煤气量读入表内的存储器（ EEPROM）中，控制器向控制阀电路发出指令，控制阀自动打开，用户开始用气。当用户使用气时，计量传感电路将用户使用煤气量送到控制器微电子处理器中减去用户的使用量，当用户的预购煤气量用完时，控制器又会发出指令，阀门关闭，用户须重新持卡购气方能继续使用。智能 IC卡煤气表的完整电路如图 2所示。 

图 2：IC卡煤气表电路图

    3 软件设计

    智能 IC卡煤气表的硬件程序由汇编语言编写，主要完成以下功能： 1、向煤气表的存储单元输入新的煤气量的功能、报警功能、提示功能、自动断气与恢复功能、自动累计用气量及显示功能、加密功能。 2、单片机初始化以后，先验证用户信息，再检查用户允许使用的煤气量；如果正常，则开始设置看门狗电路，一旦出现干扰时，保证程序的正常运行。开中断的目的是允许单片机响应用户中断，当用户插入卡或正常使用煤气时，能及时计数，统计用户本次使用的煤气量。电压检测是确保系统的工作电压正常，在进入睡眠方式之前，将看门狗电路清零，因为看门狗定时时间到，也会产生中断。正常使用时，绝大多数时间内，单片机系统处于睡眠方式，以最大的程度降低功耗。主程序框图如图 3所示。 

图3：主程序

    4 结束语 

    本论文介绍的仅仅是智能 IC卡计费煤气表的硬件部分，一个完整的智能系统还应包括设在煤气公司的计算机管理程序，其可以完成，向煤气卡中写入购买的煤气度数、用户信息管理、对用气情况进行统计等功能[6]。

    作为我们国家“金卡工程”之一的 IC卡，是一种包含了微电子技术和计算机技术的高科技产品，是当今世界科技发展的必然趋势。据国内权威部门的不完全统计，我国目前煤气管道网已有上千万用户并且还在逐年增加。这样的大好形势，为智能 IC卡煤气表提供了一个十分广阔的发展市场。本论文介绍的 IC卡计费煤气表的设计方法，同样对于 IC卡电表与水表的设计有参考作用。

    本文作者创新点：
    1、采用气体传感器，增加了安全性；
    2、液晶显示屏，可以为用户提供直观提示信息。
    3、采用市电结合充电电池双重供电，提高了煤气表的安全性和可靠性。

    参考文献 
    [1] Michael hill．The Development of Semiconductor Technology Expectations for Future Smart Card[J]．The Smart Card Guide．1995 
    [2]陈雪亭．微功耗 IC卡煤气表的开发 [J]．微计算机信息．2003.1． 
    [3]胡汉才．单片机原理及接口技术[M]．清华大学出版社．1996.7． 
    [4]薛杰．智能化煤气表的研制与实现[J]．微机发展．2001.2． 
    [5] 苏斌．非接触式 IC卡预付费煤气表的设计方法[J]．电子工艺技术．2000.3． 
    [6] 于宏军．智能 IC卡技术全书 [M]．电子工业出版社． 1996.10．

    作者简介：
    荣思远（1980－），男（汉族），北京市顺义区人，桂林电子科技大学通信与信息工程系硕士研究生，研究方向电路系统。
    景新幸（1960－），男（汉族），桂林电子科技大学教授。
    王晓英（1983－），女（汉族），桂林电子科技大学硕士研究生。