引言

    智能IC卡熱量表是根據(jù)用戶IC卡購熱量實施自動計費、自動控制的一種高科技民用產(chǎn)品．具有遠程抄表及人工抄表無可比擬的優(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)保和熱計量結算方式的改革，智能IC卡呈現(xiàn)出十分廣闊的應用前景。本文介紹了該產(chǎn)品的技術核心--基于MSP430系列單片機的智能Ic卡熱量表電控系統(tǒng)設計。

    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卡電路檢測系統(tǒng)及加裝了卡座而構成，該測控系統(tǒng)主要由IC卡，熱量、流量計量電路，電控系統(tǒng)及管道上的電磁閥等構成 系統(tǒng)原理圖，如圖1所示： 

    當用戶把含有熱量的IC卡插入卡座時，觸點K1接通路并向MSP430單片機發(fā)出中斷請求信號，單片機響應中斷請求后對IC卡進行識別，以防插入的是壞卡或金屬片破壞儀表。經(jīng)識別后把IC卡中的熱量讀出并寫入MSP430單片機的信息存儲器中存儲起來，然后對Ic進行清零，同時電磁閥在電控系統(tǒng)下開通供水開關，開始供熱。用戶的熱水流量計每產(chǎn)生一個脈沖就產(chǎn)生一次中斷進行脈沖累計，累計到10個脈沖時，啟動A／D轉換器進行熱量汁算，算出的熱量與信息存儲器中的熱量相減，其值回存人信息存儲器中，進行熱量值的判斷，當信息存儲器中的熱量小于10MJ時蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲要求用戶重新購熱，如果用戶不購熱，在信息存儲器中的熱量等于0時，電磁閥將自動關閉停止熱量的供應。只有重新購熱之后才會開啟電磁閥。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發(fā)生開起與關閉，3種情況下電磁閥的通斷情況，如圖2所示。 

    2 系統(tǒng)電路構成

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

    2．1 MSP430系列單片機及電路組成

    MSP430系列單片機是TI公司推出的16位超低功耗單片機，它采用先進的精簡指令，具有高的性價比、超低功耗、高性能等特點，內(nèi)部集成有可擦除信息存儲器，可擦除10萬次以上這樣就可省去外部EEPROM。本設計采用MSP430系列中的具有flash存儲器的F133作為電控系統(tǒng)核心 該單片機在非工作狀態(tài)時進入低功耗模式3(LMP3)休眠狀態(tài)，當有外部中斷時，喚醒休眠狀態(tài)進入工作狀態(tài)。本系統(tǒng)中，單片機與外圍模塊的連接，如圖3所示。P1．0口獲取流量脈沖信號，P1．1、P1．2口獲取電壓欠壓和電壓保護信號，P1．3～P1．7口與IC卡引腳相接，以串行方式與單片機進行數(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 溫度測量電路IC1

    采用Ptl000(即0℃時，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；另一路則通過標準電阻Rk提供儀用放大器的標準電壓，經(jīng)INA122放大之后接單片機的P6．0
口以供A／D轉換之用。由于傳感器用Ptl000且連接導線短，所以可以忽略導線電阻，采用二線制接法。模擬開關引腳A接P6．1口，引腳B接P6．2口。當A=1、B=0時，選通供水管道上的鉑電阻傳感器；A=0、B=1時，則選通回水管道上的鉑電阻傳感器。測溫原理圖，如圖4所示： 

    2．3 流量測量電路

    流量采用葉輪式熱水表改裝而成，傳感元件為于簧管，當流量計上的磁鐵隨葉輪旋轉時，使其上的于簧管通斷，從而發(fā)出電脈沖信號。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)測器采用安森美公司(Onsemi)的NCP302HSN27T1(IC3)，此芯片工作電壓范圍寬達0．8～10 V，靜態(tài)電流典型值僅約0．5μA ；電壓檢測門限精度不大于2％ ；當系統(tǒng)電池電壓在正常值2．7V時，輸出腳1(output)為低電平；當電池電壓低于保護值2．7 V時，該芯片的腳1變?yōu)楦唠娖?，并向微控制器發(fā)出中斷請求，使蜂嗚器發(fā)出嗚叫聲以提醒用戶欠壓更換電池，同時關斷電磁閥，停止供暖。

    2．5 電源保護電路

    為有效保護系統(tǒng)電源，可對電池盒位置進行高靈敏檢測。

    當電源盒被拉開時，保護電路(ic4)輸出低電平，微控制器接收到這個中斷信號后，P2．3、P2．5口置1，大功率開關管Q2、Q4接通輸出高電平使其控制閥門關斷。直到電池安裝好并將電池盒推入表內(nèi)正常位置時，微控制器才會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個高功率三極管控制其通斷。平時正反端均為低電壓不消耗能量，工作時，當正端(ON)接Vcc，反端(OFF)接地時，正電流接通電磁閥；當正端接地，反端接Vcc時，反向電流關斷電磁閥，開關電流約270mA，時間小于2s。P2．2、P2．3、P2．4、P2．5口用來控制大功率開關管通斷，組合控制電磁閥的通斷見圖5，在有以上3種事件發(fā)生時電磁閥關斷： 

    2．7 IC卡及讀寫電路

    由于IC卡具有存儲量大、抗干擾能力強、操作速度快等優(yōu)點，系統(tǒng)采用符合IS07816國際標準的IC卡，用于可靠存儲用戶購熱量等關鍵數(shù)據(jù)。單片機通過IC卡讀寫電路完成對IC卡的讀寫：IC卡芯片(IC5)采用93C46 EEPROM，它采用三總線串行與MSP430F133單片機進行數(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?，喚醒微控制器進入工作狀態(tài)，卡識別之后進行串行數(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器中的熱量相加，然后對IC卡進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、累計工作時間等信息，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。聲音報警電路采用高響蜂鳴器，由單片機控制發(fā)出不同的聲音，按鍵K2按下即可停止蜂鳴。

    3 系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)軟件采用模塊化結構，用MSP430的嵌入式C語言編寫，軟件設計思想緊密結合Ic卡熱量表的控制模式，對IC卡信息讀寫，卡類型的識別，計量信號判斷和數(shù)據(jù)處理，電壓的欠壓檢測與電源保護，降低功耗等方面進行了設計。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，在硬件的基礎上對軟件也進行了精心設計。當對插入的卡進行識別之后，發(fā)出讀寫命令字，Ic卡芯片接受后，向單片機發(fā)出一個應答指令，然后跟隨8字節(jié)讀密碼，密碼錯誤顯示“o0”，重試計數(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效。在完成讀卡、清零之后，讀出微處理器信息存儲器中剩于的熱量至RAM中，并與Ic卡中讀出的熱量相加，把最后結果回存人微處理器信息存儲器中，檢測電磁閥的起閉情況，如果處于關閉狀態(tài)，則開啟電磁閥。

    為了提高軟件系統(tǒng)運行的抗干擾能力和可靠性，除了在硬件上采取相應的措施外，在軟件的設計上也采取了相應的對策。  

    4 結論

    電控系統(tǒng)采用低壓、低頻、靜態(tài)低功耗的CMOS器件，而在電路設計采用了關斷技術，即當外部器件或設備在不工作時關斷供電，減少無效功耗，并且對軟件也進行了低功耗的設計，即單片機在等待時進入休眠模式，需要時由外部中斷信號喚醒，所以此系統(tǒng)整體的功率消耗很低。運用此控制電路開發(fā)出的熱量表，其運行穩(wěn)定可靠，操作方便，抗干擾能力強：對于我國熱計量收費制度的改革、金卡工程的深入展開以及節(jié)能環(huán)保起到很大的促進作用。