煤气表系统设计Word下载.docx

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1.1智能IC卡的作用和地位

随着社会的进步和现代化程度的不断提高，人类所拥有的信息种类和数量都在成倍增加，人们每天都要处理许多与个人有关的信息，如购物、打电话、交水费、电费、燃气费、到银行存款取款等，这样就需要携带多种票证、现金、单据，给人们带来极大的不便和不安全感。

于是，人们开始寻求一种具有支付、查询、密码查验等多功能及携带方便、安全可靠的“卡”。

IC卡就是随着计算机技术、微电子技术和信息化技术的发展应运而生的一种现代社会重要的信息载体和交易工具。

IC卡又被称为集成电路卡（IntegratedCircuitCard），它是将集成电路芯片镶嵌于塑料基片之中，并被封装成卡片的形式，其外形与普通信用卡完全相同，尺寸大小符合ISO7816标准。

IC卡具有突出的3S特点，即Standard（国际标准化）、Smart（灵巧智能化）和Security（安全性）。

因而发展迅速，被广泛地应用于移动数据计算场合，如银行、电信、交通、广播电视、公用事业等领域。

IC卡不仅改进了现有多种卡的使用方法和功能作用，它还不断开创新的应用领域。

虽然IC卡本身并不创造任何价值，但是，如果将IC卡和其它设备组成系统就能够提供非常丰富的服务功能。

把这些功能与生产或流通领域有机地结合起来，将出现令人意想不到的奇迹，创造出巨大的经济和社会效益。

我国的金融和非金融产业部门都己认识到发展IC卡产业对加速我国国民经济信息化的重大作用。

因此，与国外有关公司合作，引进制卡、读卡设备及应用的先进技术，成立了有关集团、公司、以加速我国应用和发展IC卡的应用和发展。

在国际上不少国家由于受到当时历史条件和技术发展的限制，都是先发展磁卡，其中大多数国家磁卡己发展得相当普遍，拥有数量庞大的磁卡应用设备，若要将其完全改造成IC卡读写设备将是相当困难的。

此外，伴随着使用磁卡犯罪现象的日趋严重，采用IC卡已成为势在必行的潮流。

IC卡可以最有效地杜绝恶性透支，

便于正常用款、存款，其内部有各种安全措施，可免除伪造，它无须计算机网络的实时支持，可脱机作业，还可以实现一卡多用。

因此普遍受到人们的赞誉和青睐，根据我国国情，我们没有必要也不应该重复走国外的老路，而应尽快开发适用于我国的IC卡。

1993年6月，政府提出了全民推行使用信用卡，以减少大量的现金流通，加强国家对经济的宏观调控，实施以“电子货币”工程为重点启动的卡基础应用系统工程，即“金卡”工程。

有关专家预计，IC卡必将在世界范围内逐步取代磁卡等卡种，在金融、电信、保险、公共福利事业等领域大量的应用，并正在我国实施的“金卡”工程中扮演着重要角色。

1.2研制智能IC卡煤气表控制装置的目的和意义

IC卡的使用与其应用系统是密切相关的。

一方面，采用IC卡可以使系统的运作更富创造性，另一方面，应用系统又会不断地对IC卡提出新的要求，促使其功能更加完善。

因此，怎样把IC卡与实际应用有机地结合起来，充分发挥IC卡的优越性，一直是IC卡技术的一个重要课题，智能IC卡燃气表控制系统就是IC卡技术的一种实际应用。

我国大规模发展燃气化工程是从七十年代开始的，与世界发达国家相比，不论是从燃气普及率上，还是从燃气的计量、收费和管理上，都有很大的差距。

更突出的问题是，我国燃气化工程一次性投资很大，燃气经营多处于微利润或亏损，除了政策性亏损外，其中计量供销差和收费管理漏洞是各地煤气公司普遍存在的重要亏损原因。

所以国家每年要投入大量资金来弥补亏损，这就给国家增加了相当大的负担，也使城市燃气事业的自身发展缺乏活力。

目前，随着国家开发大西北“西气东输”计划的正式启动，对燃气管理的进一步规范提出了更高的要求。

此外，国家的“金卡工程”的深入开展为新型的智能IC卡预付费燃气表的研制提供了十分广阔的应用前景。

我国各地已研制了电子卡、磁卡、光卡和IC卡的智能燃气表，这些技术的共性就是把卡作为信息载体，作为“开”表的钥匙。

因为IC卡除了在价格上暂时比其它几种卡稍贵一些（光卡除外），IC卡的技术性能等指标均高于其它卡。

鉴于IC卡的优点，IC卡与燃气表的结合是未来发展的一种趋势。

随着IC卡技术的不断发展以及国内相关行业服务意识的提高，在与居民用户日常

生活相关的计量表计中使用IC卡技术己经得到了迅速的推广和广泛的应用。

目前在电表、水表、燃气表及暖气热力表中都开始采用IC卡作为抄表收费、控制以及数据管理的媒介，使得IC卡表已经成为当前国内应用技术发展的一个亮点。

此外，从燃气表的管理模式和收费方式上看，我国采用智能IC卡燃气表装置是可行的。

1.3IC卡在中国的应用与发展

我国的信用卡正跳过磁卡发展阶段而直接进入IC卡时代，国内先后组建华旭、华鑫集团公司等，出现了一批科研及生产、经营单位。

96年10月，国内第一张用芯片设计、研制到卡片制作生产全部国产化的中华IC卡顺利通过技术鉴定，哈尔滨工业大学微电子中心与航天金卡电子公司联合研制成功的HWZ—201型IC卡也在96年年底鉴定，该逻辑加密型IC卡芯片用1微米以CMOS与EEPROM工艺小批量生产，据称一年内可提供10万张IC卡。

另外，上海贝岭微电子有限公司也从美国引进了1.2微米EEPROM关键技术，制造IC卡芯片。

目前，国内引进IC卡后部装配生产线较多，它们采用国外芯片，生产能力未充分发挥，97年研制出加密算法，IC卡操作系统COS，着手开发智能IC卡，其CPU芯片拟先用国外芯片，而操作系统采用国产的，国内IC卡应用市场发展迅猛，截止98年6月，7家银行共有发卡机构2023个，发卡量2040万张，存款余额670多亿元，特约商户18万多家，取现网点24万多个，自动柜员机ATM7万多台。

目前国内IC卡的应用已跳出单一的银行业务与传统的信用功能，与其它产业联袂发展，它的付费功能，可用于交电费、水费、燃气费、电话费、车船费，甚至医疗费、保险费、纳税等。

我国目前正按多种使用要求开发IC卡新品种，以便最大限度地发挥IC卡的各种功能和作用。

第2章智能煤气表硬件的设计

2.1硬件总体结构

图2-1硬件总体结构

如图2.1所示，系统采用了AT89C51单片机作为核心，IC卡采用了AT24CO2卡，其中AT24CO2

（1）为IC卡内存储芯片，AT24CO2

（2）中存储用户信息。

浓度检测电路、计量机构、报警显示电路、电源切换电路、电器驱动电路等构成了煤气表系统。

2.2AT89C51单片机简介

2.2.1AT89C51的引脚结构

从应用的角度来看，AT89C51单片机具有集成度高、系统结构简单、系统扩展方便、可靠性高、处理功能强、处理速度高、容易产品化等特点。

图2.2是AT89C51双列直插封装方式的引脚结构图。

AT89C51运用了ATMEL公司的高密度非易失存储器技术，与工业标准的80C51的指令和管脚排列兼容。

芯片内可下载的FLASH存储器可通过SPI串行接口或通过通用的非易失存储器编程器对其进行系统内的重新编程。

通过将可下载的FLASH存储器与通用的8位CPU相结合，AT89C51成为一种许多嵌入式应用系统中低成本，灵活性好的单片机。

如图2-2。

图2-2AT89C51单片机引脚配置图

其主要特点如下：

与MCS-51产品兼容，4K字节可系统内重复编程的FLASHEPROM，128字节的内部RAM，操作电压为4V至6V，32路可编程I/O，2个16位计数器/定时器，5个中断源，可编程的UART串行接口。

下面分别叙述这些引脚的功能：

（1）电源：

AT89C51单片机正常工作时，其40脚（Vcc）接+5V电源，20脚（Vss）

接地。

（2）外接晶体引脚XTAL1,XTAL2。

XTAL1接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输人端。

当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输人端。

XIAL2接外部晶体的另一个引脚。

在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。

（3）控制或与其他电源复用引脚RST；

ALE/PROG；

和

/VPP。

RST复位输人端。

当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/

;

当访问外部存储器时，ALE地址锁存允许的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出。

此频率为振荡器频率的1/6周期性地出现正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲PROG。

如果需要的话，通过对专用寄存器SFR区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。

该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。

另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该设定禁止ALE位为无效。

程序存储允许，输出是外部程序存储器的读选通信号。

当AT89C51由外部程序存储器取指令时，每个机器周期两次PSEN有效即输出2个脉冲。

但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

/VPP外部访问允许端。

要使CPU只访问外部程序存储器地址为00C0H--FFFFH则

端必须保持低电接到GND端。

然而要注意的是，如果保密位LBI被编程，复位时在内部会锁存EA端的状态。

当

端保持高电平（接VCC端）时，

CPU则执行内部程序存储器中的程序。

在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源VPP（如果选用12V编程）。

（4）输人/输出引脚P0.0--P0.7，P1.0--P1.7，P2.0--P2.7，P3.0--P3.7。

1.P0口

P0口是多功能口，即可作为地址/数据总线使用，又可作为普通I/O口使用。

P0口作为地址/数据总线时，控制线为高电平，用来输出外存储器地址的8位D0——D7，因此P0口进行分时复用操作。

P0端口是一个8位漏极开路型双向1/0端口。

作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输人，对端口写1时，又可作高阻抗输人端用。

在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。

在Flash编程时，P0端口接收指令字节;

而在校验程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻

2.P1口

Pl口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。

Pl口的输出缓冲器可驱动4个TTL输人。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输人口。

Pl口作输人口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流IIL。

在对Flash编程和程序校验时，Pl口接收低8位地址。

3.P2口

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。

P2口的输出缓冲器可驱动吸收或输出电流方式）4个TTL输人。

P2作输人口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流IIL。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，如执行MOVXDPTR时，P2口送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据存储器时，如执行MOVXR1指令时，P2口引脚上的内容就是专用寄存器SFR区中P2口寄存器的内容，在整个访问期间不会改变。

在对Flash编程时和程序校验期间，P2口也接收高位地址和一些控制信

号。

4.P3口

P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向1/0端口。

P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输人。

P3口作输人口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流IIL。

P3口也是准双向口，在作第

二功能使用时，相应的口锁存器必须为“1”。

对并行口进行读写时有两种操作：

一是锁存器，二是读引脚。

1．读引脚的指令是绝大部分的并行口作为操作数的数据指令。

2．读锁存器指令执行器如下操作，读入锁存器的值，改写，然后再写入。

在AT89C51中，P3端口还有一些复用功能。

复用功能如表2-1所列。

表2-1P3各端口引脚与复用功能表

端口引脚

复用用能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读写通）

2.2.2内部结构

AT89C51单片机内部集成口多达8个部件：

1.数据存储器（RAM）：

片内为128个字节（单元），片外最多可扩展至64K字节

2.程序存储器（ROM/EPROM）：

有4K的EPROM。

3.中断系统：

有5个中断源，两个中断优先级

4.定时器/计数器：

两个16位的定时/计数器，具有四种工作方式。

5.串行口：

1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

6.P0口、P1口、P2、P3口：

为4个并行的8位I/O口。

7.特殊功能寄存器（SFR）：

共有21个，用于对片内各个功能模块进行管理、控监视。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区域。

8.处理器（CPU）：

为8位的CPU，而且内含一个位处理器，不仅可以处理字节数据，还可以进行多位变量的处理。

2.2.3外围电路

1.复位电路

通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。

为使单片机正常工作，必须保证良好的复位。

复位可分为上电复位和外部复位两种方式。

上电复位是指单片机在接通电源时对单片机复位，外部复位可由外部脉冲复位或由手动复位。

本系统采用上电复位方式。

复位电路如图2-3。

上电瞬间，由于电容C两端电压不能突变，所以电容正极电压为低，单片机RESET脚保持高电平。

随着电容正极电压的逐渐上升，RESET脚的电压逐渐下降。

只要合理选择R、C的值使RESET脚上高电平的保持时间超过两个机器周期，就可以使单片机可靠复位。

2.时钟电路

单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时

钟产生有两种方式:

内部时钟方式和外部时钟方式。

本课题采用内部时钟方式（如图2-4所示），片内高增益反相放大器通过XTALI和XTAL2外接作为反馈元件的晶体（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。

AT89C51工作的时钟频率范围为0到24MHz.本课题选择12MHz的石英晶振与30pF的电容构成并联谐振电路。

图2-3复位电路

图2-4时钟电路

2.3AT24C02的应用

2.3.1AT24CXX介绍

AT24CXX系列采用低功耗COMS工艺制造，内部设有高压泵电路，可以单电压工作，具有擦除/写入10万次和数据保留100年的高可靠性，提供双线串行接口，支持ISO/ICE7816—3同步协议，便于与各种微机系统进行接口，使用方便。

另外，对存储器在芯片中的数据，还可通过软件的方法利用各种算法进行加密处理，从而提高安全性，扩大器件的应用范围。

AT24CXX含24C01/24C02/24C04/24C08/16,它们分别提供1K/2K/4K/8K/16K位串行E2PROM，内部组态为128/256/512/2048×

8位，支持8字节（1K，2K）、16字节（4K，8K，16K）页面写入方式。

如将这些芯片的输入地址引脚A2、A1和A0按

照表2-2所示进行硬件接地后，便可用于IC卡中。

表2-2AT24CXX用于IC卡的硬件连接

AT24CXX

01

02

04

08

16

接地引脚

A2,A1,A0

A2,A1.A0

A2,A1

A2

无

2.3.2AT24C02的简介

1.AT24C02引脚简介，如图2-5。

（1）A2，A1，A0接地引脚

（2）GND模拟地

（3）SDA数据引脚

（4）SCL时钟引脚

（5）Vcc电源引脚

（6）TEST测试端

图2-5AT24C02引脚图

2.AT24C02的卡模块触点（图2-6）及功能设置（表2—3）。

图2-6卡模块触点图

表2—3功能设置

引脚

卡触点

符号

功能

1

C1

VCC

操作电压5V

2

C2

NC

复位

3

C3

SCL

串行时钟线

4

C4

未用

5

C5

GND

地

6

C6

7

C7

SDA

串行数据线

8

C8

3.AT24C02卡工作状态

AT24C02卡工作时的总线时序如图2-7所示。

SCL和SDA两总线平时通过一个电阻上拉为高电平，SDA总线上的数据仅在SCL低电平时间周期内可能改变。

SCL高电平周期期间数据的改变表示“开始”或“停止”两种状态：

当SCL处于高电平时，SDA由高电平转向低电平表示一个“开始”状态必须在其他操作之前执行，而“停止”状态则终止所有操作。

除了以上两种状态外，AT24C02卡与外界的通讯还需要另外一个状态，那就是“确认（ACK）”：

总线上的任何接收数据设备必须将SDA总线置于低电平以确认它成功的收到了每个字节（所有的地址和数据都是以8位码串行输入、输出AT24C02卡），该确认是在每个字节之后，第九个时钟周期时发生。

AT24C02卡也通过在收到每个地址或数据码之后置SDA于低电平的方式确认。

为了正确地访问AT24C02卡，外部数据传送设备必须在发出“开始”状态之后，随即给出一个8位地址码，称为器件寻址码。

该码高四位为1010，这在AT24C02系列所有芯片中都是一样的。

接下来3位依次是A2，A1和A0，它们与芯片各自的输入地址引脚硬件连接相对应，未作硬件连接的引脚所对应位用于页面寻址。

最后1位是读、写操作选择位，该位为0（低电平）时激发写操作，为1（高电平）时激发读操作。

4.AT24C02的读写方法