摘? 要： 介紹了一種基于AT89C2051單片機和AT45D041IC智能卡開發的智能化流量計量系統。該系統具有精確測量、流量控制、科學計費、數字顯示、IC卡智能管理、數據采集、A/D轉換和標度變換等功能。著重介紹了系統的原理以及硬件與軟件設計。

　　關鍵詞: 單片機? IC智能卡? 流量計量? 隔離驅動? 程序監控

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　　近年來，IC智能卡和單片機被廣泛地應用到工業控制和家庭智能小區系統中。智能化、可編程控制的儀器儀表是傳統的儀器儀表發展的必然方向。本文介紹的是一種智能化流量計量系統，該系統主要采用了單片機程控、IC智能卡、數碼顯示、單簧管計數脈沖信號、數據采集與A/D轉換、標度變換、溫度傳感、儀表放大、用繼電器驅動電磁閥門通/斷、優化算法以及看門狗監控等技術。該系統與同類系統相比具有功能多、成本低、體積小、功耗低、調試方便、控制精確、抗干擾能力強等優點。更為突出的是系統若進一步擴展，可實現遠程收費和維護等功能。

1 系統的硬件構成與特點

　　系統的硬件主要由AT89C2051單片機、數據采集與數模轉換電路、儀表放大器、IC卡讀寫器、數碼顯示器、驅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的信號差動放大到A/D轉換所需要的幅值范圍，經A/D轉換、標度變換后的數據與通過計數器測出的流量信號一起送到單片機，通過優化算法計算出費用。單片機通過控制顯示驅動器(MAX7221)動態顯示溫差、流量或余額，再利用IC讀寫電路向IC智能卡AT45D041讀、寫數據。當卡里金額不足時，系統會提醒用戶往IC卡里加費，否則系統的驅動電路就自動切斷流體的通路(卡里余額可續存)，從而達到智能化流量控制和科學計費的功能。系統還采用看門狗電路和隔離電路，提高運行穩定性和抗干擾能力。

1.1 單片機

　　單片機采用ATMEL公司的89C2051，內置128字節RAM、2K字節閃速存儲器、2個16位計數器/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卡發操作指令，接著SCK端發送同步時鐘脈沖，就會把SO或SI端的數據串行地讀出或寫入IC卡里指定單元。本系統讀卡采用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，當IC卡插上時，開關閉合，C1端連上+5V，AT45D041被供電，讀寫器正常工作；當IC卡拔出后，C1端通過74HC09向AT89C2051的INT0端發出中斷請求，P1.2判斷是計數器滿中斷還是掉卡中斷，從而轉到相應的中斷處理程序。

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1.3 顯示驅動電路

　　顯示驅動電路主要由MAX7221芯片外加亮度調節電位器W1構成，其原理框圖如圖3所示。MAX7221是一8位七段共陰極顯示驅動芯片，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，電路設計與調試非常方便。在本系統中，單片機每隔一段時間就發送要顯示的數據，通過編程預設好其動態顯示方式后，MAX7221就在不需要單片機干預的情況下，自行將鎖存器中的數據調出來，經譯碼、放大后驅動數碼管動態循環顯示，直到單片機下次再串行地送另一組數據時，MAX7221才修改鎖存器的內容，從而改變數碼管的顯示結果。

1.4 隔離驅動電路

　　在本系統中，單片機通過控制電磁閥門的工作狀態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直接相連。此外，強電控制回路會對單片機控制系統產生嚴重干擾，影響單片機系統的正常工作。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 系統的軟件設計

　　本系統的程序采用模塊化結構，由主程序、中斷服務程序、數據采集處理子程序、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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　　主程序處于循環狀態，主要完成各部分電路和中斷系統的初始化，并不斷地查詢IC卡的情況和循環調用顯示子程序。每當掉卡或計數時間到時，就發出中斷申請，CPU響應中斷后立即調用數據處理子程序，并且調用讀卡寫卡子程序修改IC卡里的數據，最后修改顯示緩沖區的內容(供下一次顯示用)就返回。返回后繼續執行顯示子程序，動態地顯示修改后的數據，等待下一次中斷的到來。

　　為了提高系統的抗干擾能力，除了在硬件上采取措施外，在軟件設計上也采用了相應的對策。其辦法主要是發現失常狀態后能及時引導系統恢復到原始狀態。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行時間小于1.6s。而當程序失常時， 定時器因得不到刷新而產生的“溢出”信號使AT89C2051復位，從而就把程序拉回到正常的軌道上來；(b)對一點數據連續采樣多次，本程序中采用數字濾波方法中的算術平均法來減少系統的隨機干擾對采集結果的影響；(c)在非程序區設置攔截措施，使程序進入陷阱，然后強行使程序進入初始狀態，在非程序區反復用“LJMP #0000H”指令來填滿。

　　本文所介紹的智能化流量計量系統是筆者應天津西清物業公司的委托而開發研制的，目前已用于該物業公司投資建設的兩個智能小區的暖氣計費系統中，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運行效果良好，實用方便。

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參考文獻

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3 于宏軍，趙冬艷.智能(IC)卡技術全書.北京:電子工業出版社，1996.10

4 MAXIM公司.MAXIM 產品資料全冊.2000.3