基于MSP430系列单片机的智能IC卡热量表电控系统设计

    引言

    智能IC卡热量表是根据用户IC卡购热量实施自动计费、自动控制的一种高科技民用产品．具有远程抄表及人工抄表无可比拟的优越性：并且随着超大规模集成电路的发展，“金卡工程”的深入，节能环保和热计量结算方式的改革，智能IC卡呈现出十分广阔的应用前景。本文介绍了该产品的技术核心--基于MSP430系列单片机的智能Ic卡热量表电控系统设计。

    1 智能IC卡热量表控制模式

    智能IC卡热量表是在热量表中集成了IC卡电路检测系统及加装了卡座而构成，该测控系统主要由IC卡，热量、流量计量电路，电控系统及管道上的电磁阀等构成 系统原理图，如图1所示： 

    当用户把含有热量的IC卡插入卡座时，触点K1接通路并向MSP430单片机发出中断请求信号，单片机响应中断请求后对IC卡进行识别，以防插入的是坏卡或金属片破坏仪表。经识别后把IC卡中的热量读出并写入MSP430单片机的信息存储器中存储起来，然后对Ic进行清零，同时电磁阀在电控系统下开通供水开关，开始供热。用户的热水流量计每产生一个脉冲就产生一次中断进行脉冲累计，累计到10个脉冲时，启动A／D转换器进行热量汁算，算出的热量与信息存储器中的热量相减，其值回存人信息存储器中，进行热量值的判断，当信息存储器中的热量小于10MJ时蜂鸣器发出蜂鸣声要求用户重新购热，如果用户不购热，在信息存储器中的热量等于0时，电磁阀将自动关闭停止热量的供应。只有重新购热之后才会开启电磁阀。在正常情况下电磁阀输入电平为低电平，只有在特殊情况下才会发生开起与关闭，3种情况下电磁阀的通断情况，如图2所示。 

    2 系统电路构成

    智能IC卡热能表电控系统电路由低功耗MSP430F133单片机，温度、流量测量电路、电源电压检测电路、电池保护电路、液晶显示及声音报警电路、Ic卡读写控制电路等构成，如图3所示。 

    2．1 MSP430系列单片机及电路组成

    MSP430系列单片机是TI公司推出的16位超低功耗单片机，它采用先进的精简指令，具有高的性价比、超低功耗、高性能等特点，内部集成有可擦除信息存储器，可擦除10万次以上这样就可省去外部EEPROM。本设计采用MSP430系列中的具有flash存储器的F133作为电控系统核心 该单片机在非工作状态时进入低功耗模式3(LMP3)休眠状态，当有外部中断时，唤醒休眠状态进入工作状态。本系统中，单片机与外围模块的连接，如图3所示。P1．0口获取流量脉冲信号，P1．1、P1．2口获取电压欠压和电压保护信号，P1．3～P1．7口与IC卡引脚相接，以串行方式与单片机进行数据交换，P2．2～P2．5口控制电磁阀的通断及通过P4．4～P5．7口控制显示器以输出显示内容。

    2．2 温度测量电路IC1

    采用Ptl000(即0℃时，铂电阻的电阻值为1000Ω)作为温度传感器，用BB公司的恒流源REF200提供两路各100 μA的电流：

    一路通过二四模拟开关MAX4582选通供回水管道上的传感器以提取传感器电压；另一路则通过标准电阻Rk提供仪用放大器的标准电压，经INA122放大之后接单片机的P6．0
口以供A／D转换之用。由于传感器用Ptl000且连接导线短，所以可以忽略导线电阻，采用二线制接法。模拟开关引脚A接P6．1口，引脚B接P6．2口。当A=1、B=0时，选通供水管道上的铂电阻传感器；A=0、B=1时，则选通回水管道上的铂电阻传感器。测温原理图，如图4所示： 

    2．3 流量测量电路

    流量采用叶轮式热水表改装而成，传感元件为于簧管，当流量计上的磁铁随叶轮旋转时，使其上的于簧管通断，从而发出电脉冲信号。经施密特触发器SN74AHC1G14整形电路(IC2，如图3所示)整形后送微控制器中断口。

    2．4 电源监控电路

    电压监测器采用安森美公司(Onsemi)的NCP302HSN27T1(IC3)，此芯片工作电压范围宽达0．8～10 V，静态电流典型值仅约0．5μA ；电压检测门限精度不大于2％ ；当系统电池电压在正常值2．7V时，输出脚1(output)为低电平；当电池电压低于保护值2．7 V时，该芯片的脚1变为高电平，并向微控制器发出中断请求，使蜂呜器发出呜叫声以提醒用户欠压更换电池，同时关断电磁阀，停止供暖。

    2．5 电源保护电路

    为有效保护系统电源，可对电池盒位置进行高灵敏检测。

    当电源盒被拉开时，保护电路(ic4)输出低电平，微控制器接收到这个中断信号后，P2．3、P2．5口置1，大功率开关管Q2、Q4接通输出高电平使其控制阀门关断。直到电池安装好并将电池盒推入表内正常位置时，微控制器才会再次控制阀门使其重新开阀供水.

    2．6 电磁阀电路

    电磁阀采用双稳态脉冲电磁阀，由3．6 V锂电池供电，双稳态、低压、低功耗，两位式通断，由4个高功率三极管控制其通断。平时正反端均为低电压不消耗能量，工作时，当正端(ON)接Vcc，反端(OFF)接地时，正电流接通电磁阀；当正端接地，反端接Vcc时，反向电流关断电磁阀，开关电流约270mA，时间小于2s。P2．2、P2．3、P2．4、P2．5口用来控制大功率开关管通断，组合控制电磁阀的通断见图5，在有以上3种事件发生时电磁阀关断： 

    2．7 IC卡及读写电路

    由于IC卡具有存储量大、抗干扰能力强、操作速度快等优点，系统采用符合IS07816国际标准的IC卡，用于可靠存储用户购热量等关键数据。单片机通过IC卡读写电路完成对IC卡的读写：IC卡芯片(IC5)采用93C46 EEPROM，它采用三总线串行与MSP430F133单片机进行数据传输。用户把IC卡插入卡座．卡座卡簧的常开触点K1闭合，P1．3具有电平变换引起中断功能，微控制器的P1．3口由高电平变为低电平，唤醒微控制器进入工作状态，卡识别之后进行串行数据的传输，先把Ic卡中的数据写入RAM，并与微处理器信息存储器中的热量相加，然后对IC卡进行清零处理并打开电磁阀，最后拔出IC卡．

    2．8 液晶显示器及蜂鸣器电路

    液晶显示器采用MS 12232显示模块，可显示电压欠压、流量、热量、供回水温度、累计工作时间等信息，采用一键多意的方式，根据按键l(2的次数不同而显示不同的内容。声音报警电路采用高响蜂鸣器，由单片机控制发出不同的声音，按键K2按下即可停止蜂鸣。

    3 系统软件设计

    系统软件采用模块化结构，用MSP430的嵌入式C语言编写，软件设计思想紧密结合Ic卡热量表的控制模式，对IC卡信息读写，卡类型的识别，计量信号判断和数据处理，电压的欠压检测与电源保护，降低功耗等方面进行了设计。为了降低功耗，程序大部分集中在中断处理程序中，程序流程图，如图6所示。 

    为了保证IC卡信息的安全性，在硬件的基础上对软件也进行了精心设计。当对插入的卡进行识别之后，发出读写命令字，Ic卡芯片接受后，向单片机发出一个应答指令，然后跟随8字节读密码，密码错误显示“o0”，重试计数器加以1，最多重试5次，否则IC卡清零；密码正确，显示“11”，进入写周期：通过串行数据线把IC卡中热量读入MSP430F133的RAM中，最后发停止位；IC卡的热量清零并显示“01”，这时方可安全地取卡。如果在这之前拔出IC卡，那么此次操作将视为无效。在完成读卡、清零之后，读出微处理器信息存储器中剩于的热量至RAM中，并与Ic卡中读出的热量相加，把最后结果回存人微处理器信息存储器中，检测电磁阀的起闭情况，如果处于关闭状态，则开启电磁阀。

    为了提高软件系统运行的抗干扰能力和可靠性，除了在硬件上采取相应的措施外，在软件的设计上也采取了相应的对策。  

    4 结论

    电控系统采用低压、低频、静态低功耗的CMOS器件，而在电路设计采用了关断技术，即当外部器件或设备在不工作时关断供电，减少无效功耗，并且对软件也进行了低功耗的设计，即单片机在等待时进入休眠模式，需要时由外部中断信号唤醒，所以此系统整体的功率消耗很低。运用此控制电路开发出的热量表，其运行稳定可靠，操作方便，抗干扰能力强：对于我国热计量收费制度的改革、金卡工程的深入展开以及节能环保起到很大的促进作用。