引言

    智能IC卡熱量表是根據(jù)用戶IC卡購(gòu)熱量實(shí)施自動(dòng)計(jì)費(fèi)、自動(dòng)控制的一種高科技民用產(chǎn)品．具有遠(yuǎn)程抄表及人工抄表無(wú)可比擬的優(yōu)越性：并且隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，“金卡工程”的深入，節(jié)能環(huán)保和熱計(jì)量結(jié)算方式的改革，智能IC卡呈現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了該產(chǎn)品的技術(shù)核心--基于MSP430系列單片機(jī)的智能Ic卡熱量表電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

    1 智能IC卡熱量表控制模式

    智能IC卡熱量表是在熱量表中集成了IC卡電路檢測(cè)系統(tǒng)及加裝了卡座而構(gòu)成，該測(cè)控系統(tǒng)主要由IC卡，熱量、流量計(jì)量電路，電控系統(tǒng)及管道上的電磁閥等構(gòu)成 系統(tǒng)原理圖，如圖1所示： 

    當(dāng)用戶把含有熱量的IC卡插入卡座時(shí)，觸點(diǎn)K1接通路并向MSP430單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求后對(duì)IC卡進(jìn)行識(shí)別，以防插入的是壞卡或金屬片破壞儀表。經(jīng)識(shí)別后把IC卡中的熱量讀出并寫入MSP430單片機(jī)的信息存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)起來(lái)，然后對(duì)Ic進(jìn)行清零，同時(shí)電磁閥在電控系統(tǒng)下開通供水開關(guān)，開始供熱。用戶的熱水流量計(jì)每產(chǎn)生一個(gè)脈沖就產(chǎn)生一次中斷進(jìn)行脈沖累計(jì)，累計(jì)到10個(gè)脈沖時(shí)，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行熱量汁算，算出的熱量與信息存儲(chǔ)器中的熱量相減，其值回存人信息存儲(chǔ)器中，進(jìn)行熱量值的判斷，當(dāng)信息存儲(chǔ)器中的熱量小于10MJ時(shí)蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲要求用戶重新購(gòu)熱，如果用戶不購(gòu)熱，在信息存儲(chǔ)器中的熱量等于0時(shí)，電磁閥將自動(dòng)關(guān)閉停止熱量的供應(yīng)。只有重新購(gòu)熱之后才會(huì)開啟電磁閥。在正常情況下電磁閥輸入電平為低電平，只有在特殊情況下才會(huì)發(fā)生開起與關(guān)閉，3種情況下電磁閥的通斷情況，如圖2所示。 

    2 系統(tǒng)電路構(gòu)成

    智能IC卡熱能表電控系統(tǒng)電路由低功耗MSP430F133單片機(jī)，溫度、流量測(cè)量電路、電源電壓檢測(cè)電路、電池保護(hù)電路、液晶顯示及聲音報(bào)警電路、Ic卡讀寫控制電路等構(gòu)成，如圖3所示。 

    2．1 MSP430系列單片機(jī)及電路組成

    MSP430系列單片機(jī)是TI公司推出的16位超低功耗單片機(jī)，它采用先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令，具有高的性價(jià)比、超低功耗、高性能等特點(diǎn)，內(nèi)部集成有可擦除信息存儲(chǔ)器，可擦除10萬(wàn)次以上這樣就可省去外部EEPROM。本設(shè)計(jì)采用MSP430系列中的具有flash存儲(chǔ)器的F133作為電控系統(tǒng)核心 該單片機(jī)在非工作狀態(tài)時(shí)進(jìn)入低功耗模式3(LMP3)休眠狀態(tài)，當(dāng)有外部中斷時(shí)，喚醒休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。本系統(tǒng)中，單片機(jī)與外圍模塊的連接，如圖3所示。P1．0口獲取流量脈沖信號(hào)，P1．1、P1．2口獲取電壓欠壓和電壓保護(hù)信號(hào)，P1．3～P1．7口與IC卡引腳相接，以串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，P2．2～P2．5口控制電磁閥的通斷及通過P4．4～P5．7口控制顯示器以輸出顯示內(nèi)容。

    2．2 溫度測(cè)量電路IC1

    采用Ptl000(即0℃時(shí)，鉑電阻的電阻值為1000Ω)作為溫度傳感器，用BB公司的恒流源REF200提供兩路各100 μA的電流：
    一路通過二四模擬開關(guān)MAX4582選通供回水管道上的傳感器以提取傳感器電壓；另一路則通過標(biāo)準(zhǔn)電阻Rk提供儀用放大器的標(biāo)準(zhǔn)電壓，經(jīng)INA122放大之后接單片機(jī)的P6．0
口以供A／D轉(zhuǎn)換之用。由于傳感器用Ptl000且連接導(dǎo)線短，所以可以忽略導(dǎo)線電阻，采用二線制接法。模擬開關(guān)引腳A接P6．1口，引腳B接P6．2口。當(dāng)A=1、B=0時(shí)，選通供水管道上的鉑電阻傳感器；A=0、B=1時(shí)，則選通回水管道上的鉑電阻傳感器。測(cè)溫原理圖，如圖4所示： 

    2．3 流量測(cè)量電路

    流量采用葉輪式熱水表改裝而成，傳感元件為于簧管，當(dāng)流量計(jì)上的磁鐵隨葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，使其上的于簧管通斷，從而發(fā)出電脈沖信號(hào)。經(jīng)施密特觸發(fā)器SN74AHC1G14整形電路(IC2，如圖3所示)整形后送微控制器中斷口。

    2．4 電源監(jiān)控電路

    電壓監(jiān)測(cè)器采用安森美公司(Onsemi)的NCP302HSN27T1(IC3)，此芯片工作電壓范圍寬達(dá)0．8～10 V，靜態(tài)電流典型值僅約0．5μA ；電壓檢測(cè)門限精度不大于2％ ；當(dāng)系統(tǒng)電池電壓在正常值2．7V時(shí)，輸出腳1(output)為低電平；當(dāng)電池電壓低于保護(hù)值2．7 V時(shí)，該芯片的腳1變?yōu)楦唠娖?，并向微控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求，使蜂嗚器發(fā)出嗚叫聲以提醒用戶欠壓更換電池，同時(shí)關(guān)斷電磁閥，停止供暖。

    2．5 電源保護(hù)電路

    為有效保護(hù)系統(tǒng)電源，可對(duì)電池盒位置進(jìn)行高靈敏檢測(cè)。

    當(dāng)電源盒被拉開時(shí)，保護(hù)電路(ic4)輸出低電平，微控制器接收到這個(gè)中斷信號(hào)后，P2．3、P2．5口置1，大功率開關(guān)管Q2、Q4接通輸出高電平使其控制閥門關(guān)斷。直到電池安裝好并將電池盒推入表內(nèi)正常位置時(shí)，微控制器才會(huì)再次控制閥門使其重新開閥供水.

    2．6 電磁閥電路

    電磁閥采用雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥，由3．6 V鋰電池供電，雙穩(wěn)態(tài)、低壓、低功耗，兩位式通斷，由4個(gè)高功率三極管控制其通斷。平時(shí)正反端均為低電壓不消耗能量，工作時(shí)，當(dāng)正端(ON)接Vcc，反端(OFF)接地時(shí)，正電流接通電磁閥；當(dāng)正端接地，反端接Vcc時(shí)，反向電流關(guān)斷電磁閥，開關(guān)電流約270mA，時(shí)間小于2s。P2．2、P2．3、P2．4、P2．5口用來(lái)控制大功率開關(guān)管通斷，組合控制電磁閥的通斷見圖5，在有以上3種事件發(fā)生時(shí)電磁閥關(guān)斷： 

    2．7 IC卡及讀寫電路

    由于IC卡具有存儲(chǔ)量大、抗干擾能力強(qiáng)、操作速度快等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用符合IS07816國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IC卡，用于可靠存儲(chǔ)用戶購(gòu)熱量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過IC卡讀寫電路完成對(duì)IC卡的讀寫：IC卡芯片(IC5)采用93C46 EEPROM，它采用三總線串行與MSP430F133單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。用戶把IC卡插入卡座．卡座卡簧的常開觸點(diǎn)K1閉合，P1．3具有電平變換引起中斷功能，微控制器的P1．3口由高電平變?yōu)榈碗娖?，喚醒微控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，卡識(shí)別之后進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的傳輸，先把Ic卡中的數(shù)據(jù)寫入RAM，并與微處理器信息存儲(chǔ)器中的熱量相加，然后對(duì)IC卡進(jìn)行清零處理并打開電磁閥，最后拔出IC卡．

    2．8 液晶顯示器及蜂鳴器電路

    液晶顯示器采用MS 12232顯示模塊，可顯示電壓欠壓、流量、熱量、供回水溫度、累計(jì)工作時(shí)間等信息，采用一鍵多意的方式，根據(jù)按鍵l(2的次數(shù)不同而顯示不同的內(nèi)容。聲音報(bào)警電路采用高響蜂鳴器，由單片機(jī)控制發(fā)出不同的聲音，按鍵K2按下即可停止蜂鳴。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，用MSP430的嵌入式C語(yǔ)言編寫，軟件設(shè)計(jì)思想緊密結(jié)合Ic卡熱量表的控制模式，對(duì)IC卡信息讀寫，卡類型的識(shí)別，計(jì)量信號(hào)判斷和數(shù)據(jù)處理，電壓的欠壓檢測(cè)與電源保護(hù)，降低功耗等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為了降低功耗，程序大部分集中在中斷處理程序中，程序流程圖，如圖6所示。 

    為了保證IC卡信息的安全性，在硬件的基礎(chǔ)上對(duì)軟件也進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。當(dāng)對(duì)插入的卡進(jìn)行識(shí)別之后，發(fā)出讀寫命令字，Ic卡芯片接受后，向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)應(yīng)答指令，然后跟隨8字節(jié)讀密碼，密碼錯(cuò)誤顯示“o0”，重試計(jì)數(shù)器加以1，最多重試5次，否則IC卡清零；密碼正確，顯示“11”，進(jìn)入寫周期：通過串行數(shù)據(jù)線把IC卡中熱量讀入MSP430F133的RAM中，最后發(fā)停止位；IC卡的熱量清零并顯示“01”，這時(shí)方可安全地取卡。如果在這之前拔出IC卡，那么此次操作將視為無(wú)效。在完成讀卡、清零之后，讀出微處理器信息存儲(chǔ)器中剩于的熱量至RAM中，并與Ic卡中讀出的熱量相加，把最后結(jié)果回存人微處理器信息存儲(chǔ)器中，檢測(cè)電磁閥的起閉情況，如果處于關(guān)閉狀態(tài)，則開啟電磁閥。

    為了提高軟件系統(tǒng)運(yùn)行的抗干擾能力和可靠性，除了在硬件上采取相應(yīng)的措施外，在軟件的設(shè)計(jì)上也采取了相應(yīng)的對(duì)策。  

    4 結(jié)論

    電控系統(tǒng)采用低壓、低頻、靜態(tài)低功耗的CMOS器件，而在電路設(shè)計(jì)采用了關(guān)斷技術(shù)，即當(dāng)外部器件或設(shè)備在不工作時(shí)關(guān)斷供電，減少無(wú)效功耗，并且對(duì)軟件也進(jìn)行了低功耗的設(shè)計(jì)，即單片機(jī)在等待時(shí)進(jìn)入休眠模式，需要時(shí)由外部中斷信號(hào)喚醒，所以此系統(tǒng)整體的功率消耗很低。運(yùn)用此控制電路開發(fā)出的熱量表，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作方便，抗干擾能力強(qiáng)：對(duì)于我國(guó)熱計(jì)量收費(fèi)制度的改革、金卡工程的深入展開以及節(jié)能環(huán)保起到很大的促進(jìn)作用。