0 引言
多年来，居民使用燃气的计费一直采用人工定期抄写燃气消耗数据，经计算后收取费用的方法。此方法存在着工作量大，收费时间长，收费困难，效率低等问题。而且对于恶意欠费的用户，管理部门很难采取快速有效的措施，限制其使用燃气。该表实现了先进的预付费功能，并且具备完善的防作弊措施，有效地解决了上述问题。而且采用了多种方法提高预付费智能燃气表[1,2]在实用中的可靠性，实现了燃气收费管理的电子化，信息化，网络化。
1 工作原理
预付费智能燃气表首先通过流量计中的磁敏元件干簧管，将气量转换为电脉冲信号，脉冲信号经整形、光电耦合隔离后输入到单片机进行计量。用户到燃气公司各收费管理站交费购气，回来后把存储燃气量的IC卡插入用户的智能燃气表中，单片机控制系统经密码比较有效后读取气量，开启电机阀允许用户用气，同时将IC卡清零。随着用户用气，非易失存储器中的气量减少，在气量被用完之前，系统将提示用户续卡。
2 系统功能
1)加密功能：本预付费智能燃气表使用逻辑加密 IC 卡，保证一表一卡，非本表 IC卡和其他无效卡插入无效。
2)控制功能：依据交费和用气情况，控制气路的开闭。
3)显示/提示功能：采用液晶显示器实时显示剩余可用气量，声光报警提示电池欠压、IC卡无效等功能。
4)欠压检测与防窃气功能：当系统电源电压不足时提示用户需更换电池，当用户私开表盖时，系统将关闭电机阀，防止用户非法窃气。
2 硬件设计
预付费智能燃气表的硬件组成结构如图1所示，其中包括主控 MCU 芯片[3,4]、燃气采集电路、电机阀控制电路、LCD显示与声光报警电路、电源保护及欠压检测电路、E2PROM及看门狗等。
2.1 燃气流量信号的检测
为了保持原有机械式燃气表的计量精度，通常智能燃气表的流量检测是通过检测其字轮旋转的圈数来实现的，将流量变换成脉冲数，再送至单片机进行计量。本设计中选用的是基于干簧管原理的脉冲式流量计，采用日本OKI 公司 ORD9216干簧管的，其功耗较小，且成本很低。
干簧管[5,6]由于体积小、重量轻、耐腐蚀、耐磨损、抗干扰，寿命长、成本低等优点，可以用作位移、液位，风压、流速、转速等的测量。本课题中选择一个长方形永久磁铁作为磁场，将磁铁安装字轮上，将干簧管安装在计数器的外壳上，字轮旋转一周，干簧管吸合释放一次。记录干簧管吸合的次数，就可以进一步计算出燃气的流量。
2.2 IC 卡接口电路
本系统采用的IC卡为逻辑加密卡BL7442LV，具有较高的安全性。它与IC卡的信息交换是实现燃气预收费的关键。本系统中选用廉价的插拔式卡座[7]，其与单片机的接口原理如图2所示。
当IC卡插入后，卡座上的常开微动开关K3闭合，经逻辑电路处理后在单片机的脚上引起中断，中断服务程序中查询到P3.5脚为低时，则进入IC卡密码校验及读写中断服务程序。
2.3 串行 E2PROM 及看门狗
E2PROM主要用来存储一些系统运行参数，当用户IC卡插入卡座时，卡内密码，卡号、购买气量等信息以及燃气表进入掉电状态时的剩余气量等信息都将保存至 E2PROM 中。本课题中使用了 Xicro公司的X25045芯片，它将微机测控系统中常用的功能：看门狗定时器、上电复位、串行E2PROM集成在一块8只引脚的集成芯片内。这种组合大大减少了对电路板空间要求，简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，降低了成本和功耗。芯片内部的存储器采用 CMOS 工艺，按 512 ×8 组织，每个字节可以擦写10万次以上，内部数据可以保存100年以上。
2.4 电机阀控制电路
由于燃气表采用电池供电，整个装置必须在低功耗下运行，因此，表中的气路控制阀，无论其在开启或关闭状态下，都应当微功耗。目前国内已有的气路控制阀主要有电机阀和电磁阀两种。本课题我们选用NDJF-19内置电机阀。它的控制电路如图3 所示。
NDJF-19内置电机阀[8,9]采用特殊螺杆设计，动作流畅可靠，低电流工作，功耗小。具体的指标如下：
1)行程L4.5-L5
2)工作电压 4.5 - 6V
3)工作电流小于 120mA
4)动作时间小于 0.6s
5)压力损失小于 150Pa
2.5 欠压检测及电源保护电路
为有效保护电源和防止用户私开表盖，本系统可对电池盒位置进行高灵敏度检测。用户私开表盖时，保护电路输出低电平，单片机检测到该电平后执行相应声光报警，同时私开表盖记录被记录到表内的X25045中，返回主程序后立即关闭阀门。此后要打开阀门用气，必须先将私开记录清除，而只有燃气公司才能清除这种不良记录，这样可有效防止窃气行为的发生。它的控制电路如图4所示。
2.6 液晶显示电路
液晶显示电路采用了商品化的预付费智能燃气表专用液晶显示模块 SMS0505，它用 5位数字和其它字符显示电池欠压、误操作、读卡错和购买气量四种信息及其组合，外观如图5所示。
3 软件设计
应用程序编制采用模块化的编程方法，软件由主程序、中断服务程序、子程序等组成。核心的程序模块包括 I C 卡的密码校验与读写、串行(E2PROM X25045)的读写、LCD显示以及燃气流量计数中断程序等。采用 MCS-51 汇编语言编写程序。主要程序模块介绍:
3.1 主程序
当系统上电后，主程序开始执行。它首先完成系统的初始化工作，如开中断，使外部中断和均为低电平触发方式，设置T0,T1为定时器并赋予初值等;初始化后再从X25045中读入本机可用燃气数，并进行判断处理;然后开电机阀，在液晶显示器上显示剩余可用气量;最后进入空闲模式,等待计数、插卡等中断进来。如图6所示。
3.2 中断服务程序(燃气流量计数中断程序)
它的作用是对干簧管产生的脉冲进行计数：当计数脉冲达到一个当量值时，从可用燃气数中减去0.1m3，并对液晶显示器进行刷新。
3.3 中断服务程序
它的作用是对电池欠压，非法开盖，有卡插入等进行实时响应。
3.4 定时器T1 中断服务程序
定时器T1中断服务程序和软件构成一个10min定时器，在燃气流量计数中断程序中，清软件的计时值，使T1的中断服务程序始终计不满10min而正常中断返回。只有当不再出现燃气流量计数中断时，T1的中断服务程序才能顺利计满10min ，当检测到10min 不用气时，系统进入掉电状态。
3.5 其他子程序
其他子程序包括IC卡的读写子程序，IC卡的数据加密子程序，X25045读写子程序，液晶显示子程序，报警子程序等。
4 低功耗措施
本预付费智能燃气表设计紧紧围绕低功耗原则，主要采取了以下措施：
4.1 硬件措施
4.1.1 检测元件
预付费智能燃气表中流量传感器的种类很多，可选用霍尔元件，光电元件等，但这些元件功耗消耗较大，而且成本相对较高。本系统中选用的检测元件是干簧管，其功耗极小，成本也很低。
4.1.2 选用低功耗单片机
AT89C2051 单片机的工作电压可低至2.7V 工作，电流约3mA左右，支持低功耗空闲和掉电运行模式。
4.1.3 选用节能型的电机阀
本课题选用低功耗NDJF-19内置电机阀。
4.1.4 选用低功耗外围器件和分时供电
少量外围器件选用的均是CMOS器件。采用了低功耗的液晶显示方式。
为进一步降低系统功耗，对IC卡座采用了分时供电的策略。在图2中，只有在单片机检测到有IC卡插入时，在中断服务程序中才将P3.0置零，三极管导通，IC卡座上电，在完成IC卡密码效验和数据读写后又将其置1。这样不仅防止了IC卡的带电插拔损坏 IC 卡，也降低了系统功耗[10,11]。
4.2 软件措施
1)采用定时中断代替软件延时的工作方式，减少了 CPU的运行时间。
2)用静态显示方式以减少CPU的运行时间。
3)CPU进入了空闲模式时，整个系统可通过中断唤醒。本系统中IC卡的插入，电源保护及欠压检测，燃气流量检测等均接到单片机的中断入口，在中断时予以响应。
4)设计了若燃气表10min不用气，系统进入掉电状态。
通过以上措施，预付费智能燃气表系统运行时，MCU大部分时间处于空闲和掉电状态，整机电流很低，未插卡时，实测电流为50uA，插卡时为4.0mA，开关电机阀时电流为100 mA，由于插卡，开关电机阀的次数很少，时间很短，整机功率仍极小。
5 逻辑加密 IC 卡
为了增强应用系统的安全性能，本课题中选用的是逻辑加密卡 BL7442LV。
BL7442LV[12,13]是采用 CMOS E2PROM 工艺的制造的 IC 卡用芯片(模块)。256 字节，带写保护功能，具有可能编程密码(PSC)，可在低电压下工作。
6 结束语
该燃气表以逻辑加密卡为数据载体，选择了集成度高、功耗小的主控MCU芯片和外围器件，并从软件方面进行了优化。较之现有的燃气表，本文所研制的低功耗预付费智能燃气表具有功耗小、成本低、控制可靠、计量精确、安装方便、操作简单、可靠性高。其中一些方法在微型智能仪表及各类IC卡收费装置的设计中具有一定的借鉴价值。因此采用单片机研制的低功耗预付费智能燃气表具有广泛的应用前景。
参考文献
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作者简介：王洪庆(1965 -)，男，辽宁丹东人，副教授，硕士，从事单片机应用技术、智能仪表技术的研究和教学工作。
