IC卡智能煤气控制系统的设计毕业设计论文

天津职业技术师范大学TianjinUniversityofTechnologyandEducation二〇一五年五月ICThedesignofICcardintelligentgascontrolsystem学长久以来，家用煤气的使用量管理系统一直凭借人工抄表的方式维护，然后再由工作人员挨家挨户收费或者由各住户到指定地点缴费。造成了大量人力物力的浪费。随着时代进步，信息的发展，并为了适应国家对用煤气制度的改革，加大煤气使用的信息化，方便百姓的目的，使得探讨和发展信息化智能煤气表的研究项目迫在眉睫。使用煤气表控制煤气使用系统，从管理部门的资金压力、繁琐工作及民众纠纷等方面得到极大改善。不但可以提高工作效率，还可以从技术层面减少浪费并更合理利用煤气资源。由此，智能煤气表得到广泛应用。本次设计主要探究以AVR16单片机为基础的智能煤气控制系统，以此为核心，实现读取IC对传输的数字脉冲进行采样，最后通过单片机进行处理、控制，把脉冲显示为准确的数值信息由液晶显示屏显示。另外，设有充值，余额提示，报警等功能。在本文中对于IC关键词：AVR16单片机；IC卡；流量传感器；液晶显示器Foralongtime,theuseofthequalitymanagementsystemofdomesticgashasbeenwithmaintenancemanualmethods，Andthenbythestafffromdoortodoorfeeorbythetenantstothedesignatedplaceofpayment.Causedalargewasteofmanpowerandmaterialresources.Alongwiththeprogressofthetimes,thedevelopmentofinformation,andinordertoadapttothereformofthegassystem,increasegasuseinformation,convenienttopeople,whichmakesthestudyoftheresearchanddevelopmentofprojectinformationintelligentgasmeterimminent.Theuseofgasmetercontrolsystemusinggas,havebeengreatlyimprovedfromthemanagementdepartmentofthefinancialpressure,tediousworkandpublicdisputeetc.Notonlycanimprovetheworkefficiency,butalsocanreducethewastefromthetechnicallevelandmorereasonableutilizationofcoalgasresources.Thus,theintelligentgasmeteriswidelyused.ThisdesignismainlytoexploretheintelligentgascontrolsystembasedonAVR16MCU,asthecore,toachievereadswitchICcardinformationcontrolvalveforgassensor,usingthecorrectmeasurementofgasflow,thetransmissionofdigitalpulsesampling,processing,finallycontrolledbysinglechip,thepulsedisplayforaccuratenumericalinformationdisplaybylcd.Inaddition,arecharge,balancetips,alarmandotherfunctions.InthispapertheICcardreadermodule,LCDmodule,flowprocessingmodulewereintroducedindetailandanalysisfunction.KeyWords：AVR16microcontroller;ICcard;flowsensorforliquid;crystaldisplay目录1引言..................................................................................................................................11.1系统研究的背景及意义.........................................................................................11.2本设计的发展优势.................................................................................................11.3本设计的特点.........................................................................................................22系统方案的论证..............................................................................................................32.1方案概述.................................................................................................................32.2电源的论证与选择.................................................................................................32.3显示模块的论证与选择.........................................................................................32.4单片机的论证与选择.............................................................................................33总体设计概述..................................................................................................................43.1智能煤气系统的功能介绍.....................................................................................43.2智能煤气系统的工作原理.....................................................................................43.3总体设计简介.........................................................................................................54系统硬件设计..................................................................................................................64.1单片机最小系统模块.............................................................................................64.1.1单片机介绍...................................................................................................64.1.2最小系统电路设计.......................................................................................74.2IC卡读写模块.....................................................................................................84.3显示模块............................................................................................................94.4电源模块...............................................................................................................114.5检测模块..............................................................................................................124.5.1烟雾传感器的简介.....................................................................................124.5.2工作原理....................................................................................................124.6其他模块..............................................................................................................134.6.1流量计........................................................................................................134.6.2报警电路....................................................................................................134.6.3下载接口.....................................................................................................145系统软件设计................................................................................................................155.1主程序的设计......................................................................................................155.2外部中断的设计...................................................................................................155.2.1外部中断0子程序....................................................................................155.2.2外部中断1子程序....................................................................................185.3IC卡的设计..........................................................................................................195.3.1SDA和SCL信号.......................................................................................205.3.2IC卡的写操作设计....................................................................................215.3.3IC卡的读操作设计....................................................................................215.3.4IC卡芯片控制字节和寻址........................................................................215.4其他部分设计......................................................................................................226系统调试........................................................................................................................236.1调试设备..............................................................................................................23I11.1系统研究的背景及意义如今随着智能化产品的日新月异，人们的生活水平也在原有的基础上大幅度提升，因此对生活质量的要求也随之发生变化。随着城镇建设的快速发展，旧时的很多系统都不能满足如今的生活需求，科技在迅速发展，我们的研究项目也随时代而发展，处于前沿的科技才能为百姓带来便利条件。尤其是当今社会各项资源短缺现象严重，国家政策提示，最大化利用资源，拒绝浪费，所以在社会发展、科技进步、便利生活的同时，节约便是一条横亘不变的发展方向。从而凸显出本设计的重要性，研制低消耗、高精度、使用便利的智能煤气表是适应当代建设的潮流产物。长期以来，我国煤气从开始自行缴费提取到现在的类似水表计量煤气，这种煤气表性能稳定、造价较低，但完全靠人工抄表、按户缴费的方式。这种模式效率低，费时费力，容易产生矛盾。随着科技发展，人们生活质量提高，这种方式越来越不适应如今的百姓市场，不能满足当今市场经济的发展需求。因此成为人么生活质量提高需求与企业传统落后的经营模式之间的矛盾。所以实现信息化科技模式代替旧有系统的趋势是不可避免的。伴随着科技的发展，，互联网工程的全面实施，信息化产品的全面普及，智能产品已经逐步深入到百姓的生活中，我们运用微电子与计算机技术飞速发展后成果的结合，探究出智能煤气表便是以单片机为核心，有机的结合计算机及检测技术，组成了新时代产物“智能化仪表”。在解决旧有系统不能解决的问题的同时，精简仪器仪表电路，提高仪表精度，实现高性能，多功能，高可靠性的目的。IC卡智能IC卡技术。是新型通过脉冲感应，单片机处理完成消费交易及数字精确显示等功能的煤气计量系统。这与传统煤气表单一计量功能相比，是一个很大的进步。由此可见，随着市场经济的发展和人们生活质量的日益提高，智能化仪表的普及将越来越高，智能煤气表的研究是具有深远意义的。IC卡智能煤气系统既可以通过电子显示屏显示煤气使用量及使用记录，又可以因为数字信息的传递与买卖结算时通过IC1IC卡智能煤气控制系统的设计，会从根本上解决如今旧系统的遗留问题。通过IC卡智能煤气控制系统完成交易结算，一方面实现了煤气使用收费的电子信息化，另一方面也完善了先用煤气后收费的不健康现象，使得煤气供应企业可以预先收取IC寿命长、稳定性强、安全性能高等，能够很大程度的提升用户使用煤气收费的管理能力，并使供应企业及时合理收取费用的行为得到保障。因此可见，IC卡智能煤气系统成为相关专业探讨研究的重点项目，会产生良好的市场经济和社会效益。首先，从总体功能来看，IC卡只能煤气控制系统是由先进的微电子控制技术为核心，由通过IC卡作为数字信息传递的媒介，从而构成一种综合机电为一体的高科技智能煤气系统。该系统综合脉冲计数与数字显示等功能，由IC卡读写模块，低消耗微电子模块，流量采集模块以及相应电子电源和控制电路组成，在凸显出科技数显得同时，还升级了传统系统的优良特点。综合有先进设计思想，完善的系统设计技术，齐全的使用功能，简化方便的操作步骤，精美直观的显示，可靠稳定的性能等设计特点。运用电子信息技术计量费用实现了科学管理的目的，也完善了供应系统的缺陷。很大程度上适应现在居民煤气量计量，计费等使用需求，提高了管理水平，克服旧系统各种问题，节省劳动力，方便居民的使用，克服了查表收费的繁琐，杜绝了矛盾的发生。其次，从功能方面看，1）采用微电子处理器，实现超低消耗；运用一卡一表3）多4）防伪功能，当插入其他类似此卡或者反插此卡时会出现“插卡错误”显示字样；报警功能，当出现漏气或者使用不当时报警器自动检测报警；6）还具有设计美观，方便维修等功能。22.1方案概述选择一：多节干电池或18V蓄电池提供电压。该电池经过LM7805稳定后，为整机系统供电，缺点在于蓄电池后期工作电压不稳定。选择二：用国家标准电压，由电源控制系统转化成稳定可使用的5V和12V直流电，为系统提供稳定的电压，功能选择多，方便与实际使用。基于设计思想，选用第二种。选择二：采用液晶显示1602，每行显示16个字符，每次显示两行信息，但仅能显示字母数字和符号，不能显示汉字。选择三：采用LCD12864，可以显示四行，每行16个字符，还可显示图形。显示更直观，整体性能好。通过比较，基于方便等角度，选择第三种。选择二：采用AT16单片机。该单片机系统功能强大集成度高，稳定行强，处理速度快，适用于多功能系统。3本章节先对系统主要实现的功能做一个整体的描述，然后分析系统各模块的工作原理，根据各模块的功能画出整体框图，最后还将介绍总体的设计流程，完成对整个系统进行比较全面的描述。5.保护功能：IC卡加密后，保证数据安全，实现一卡一表。另外，掉电后，数据智能保存。本系统由IC卡读写部分、检测部分、计量部分、最小系统、单片机和显示、按键电路、报警部分以及下载端口、流量计和电源电路构成。本设计主要采用AVR16单片机作为核心来完成IC卡智能控制系统流量的显示和调节功能。AVR16单片机不需要片外扩展，从而使得该系统从整体上实现简单直观，方便可靠的设计理念。AVR16单片机模块即为整个系统的控制核心，起主控作用。其内含有4K存储器，包含多个可编程数据串行输入接口和外部中断等32个多功能I/O口。系统工作时，首先需要用户到工作点购买新的IC卡，并由工作人员记录信息进行注册，同时进行系统金额充值功能，并把相应信息写入卡内。在将卡插入系统卡槽时，由单片机进行初次识别，输入密码并确认，由单片机读取卡内相应数据信息INT0由单片机进行数据处理。在使用过程中，卡内剩余金额随使用量增加逐渐减少，当剩余金额小于报警值时，将会提示充值。利用E2PROM的存储功能记录使用量，余额等信息，并由单片机处理控制信息写入IC卡中。4智能煤气控制系统遵照需要实现的具体功能，在保证系统正常工作的前提下，尽可能的降低成本，同时依据模块化的思想，以主控芯片为核心向外扩展各个模块，整个系统的设计框图如图3-1所示。流量传感器模块处理5从如4-1硬件结构框图所示的各组成电路模块元件进行逐一分析介绍。6程，带有三个比较模型的定时/计数器，内外中断系统，SPI串行接口，可编程定时器以及六个可以通过软件选择的节能模式。图在空闲情况下，CPU停止工作，由两线接口，SPI串行接口，内外中断系统，该芯片在ISPFlash程序内存将被允许通过ISP串行接口，可通过编程器或者内部引导程序进行编程。FlashRWW操作。由以上系统做成的单片机涵盖有整套的编程和系统开发的工具，为大部分嵌入式控制应用程序创造了选则性强、造价低的方案。单片机最小系统由振荡器，复位电路以及电源组成。原理图如图4-3示。图中左下部分，是振荡器。它由两个无极性电容与一个晶振组成。两管脚与单片机X1、X2相连，且两电容之间需要接地。单片机的最小系统能够正常运行的基本条件之一便是振荡器。振荡器正常起振是电路正常工作，不起振时系统不能工作，同时在振荡器震荡不规律时，系统程序信号会产生误差，影响信号传递。图中左侧小图部分，是复位电路。它由一个按键，一个电容以及限流电阻组成。它的作用是产生低电平触发单片机，使其程序重新从起始执行。具有两种复位方式：一种是上电复位，即在通电瞬间利用电容电压不突变的原理使得单片机获得瞬时低电平触发电压；另一种方式为如图手动按键复位，即在按下按键时，接通电路，获取低电平，触发单片机复位，如若不松手，单片机则无法工作。图中右下部分即为单片机供电部分，由一个直流电源与两个电容组成。单片机710脚、30脚直接接5V电源，11脚，31脚接地。电容的作用是消除杂波，稳定图图82）接触式IC卡的特点RAMROMEEPROM性能稳定，操作速度快；安全性高：IC卡内部分工明确，在软硬件等方面实行了安全措施，对卡内不同部分的存取进行了有效控制。IC卡自身带有加密措施，设置有安全密码，若有非法操作，卡片将自锁，不再进行读写工作；对网络要求不高：IC卡安全稳定的性能使得本身对计算机网络发展不敏感，使其在当今国情下网络质量不高环境下，仍能完整的工作。同时设有相应的控制信号；IC卡插入与退出不需要带点操作，通过记忆存储实现识别和控制功能；内设相应的密保处理机制方便数据加密；内附外部读写功能，方便与外部其他读写设备进行数据交换。4.3显示模块1）显示屏简介本次采用液晶12864，屏幕分辨率为128×64,是点阵可显示汉子与图形的模块。内附有16*16点阵简体中文库和128个16*8CPU直接相连，提供位并行传输接口与串行传输接口两种界面连接方式。12864液晶显示模块与其他相似模块相比较，硬件系统与显示程序都相对简便易懂。同时成本较低。原理图如上4-6所示。912345HH或D684K3）安装注意事项本设计中使用液晶显示屏引线用导电橡胶直接连接到电路板上，使显示器引线与电路板引线对准压下即可。使用时，将保护膜揭去，确保清晰度。本次使用的显示屏，面积适中，不需要外加坚固措施，但需注意防止接触不良现象。按压时，不需要太过用力，太紧会使橡胶层绝缘度减小，产生“串”等不良现象，因此安插适度，保证良好的接触即可。同时因为显示屏的显示需要借助外光源，在安插结构的设计中，需要保证屏面突出，方便采光，确保屏显清晰。电源的作用是保证系统正常运行，使用电元件能够获得稳定的电压。本次设计选用的供电电源是一节电源适配器，可以运行电路中电压的实时监控系统有效的提高该设计工作状态的可靠性、稳定性及安全性能。整流电路滤波电路稳压电压4）稳压电路：当输入电压出现幅值波动或负载电流出现变化时保持电源模块输出电压稳定。另外，本次设计的电源头能够提供相应的直流电压，一般工作状态由以上模块提供电压，备用电池处于休眠或者充电状态。如若电源模块故障或掉电，则由备用电池提供电压。原理图如下图4-9：图4.5.1烟雾传感器的简介当煤气泄漏时，会产生相当大的危害，给居民的人身安全和财产造成巨大威胁，因此在该系统中设置有自动检测系统。通过烟雾传感器自身电导率的变化来检测环境中是否含有可燃气体即煤气。烟雾传感器实物图如下：这是MQ-2/MQ-2S气体传感器，该传感器对可燃气体感应灵敏，适用范围广，成本低，性能稳定，可靠性高，使用普遍。灵敏度特性曲线如下：图中所示，纵向为传感器的电阻比，横向为气体浓度。从图中可以看出，传感器对空气中的可燃气体浓度感应式非常灵敏的。图4.5.2工作原理流量计是系统中传感部分，选择在旋翼式结构的基础上添加磁钢与干簧管。该结构构成简单，计量精度高、范围广、稳定性强、尺寸大小合适耗电量低。在功能上可以实现旋转度到电信号的变换，通过系统计量脉冲，科学的计量煤气使用量。1）可燃气体浓度检测报警。当可燃气体浓度处于正常状态时系统电路稳定，绿灯亮，若可燃气体浓度达到报警电路所限定的值时，会使红灯亮，蜂鸣器响。同时在显示电路中的LCD设限定值，方便观察和控制。2）提示性报警。在用户使用煤气量超过设定值、余额不足、电池电量低等情况下，单片机通过P1.6端口输出信号，经过放大电路放大后，触发蜂鸣器报警。原理图如下：本次系统设计中，通过结合系统功能，考虑到的问题有程序承担的任务，程序的时序性、适应性以及程序的设计模式作出实际介绍。在系统软件设计中，我选汇编语言编制，运用模块化思维设计，把一个完整的程序分解成主程序模块，外部中断子程序模块，IC卡模块和片外数据存储器的读写模块及显示模块等可以完成独立任务的模块。每个模块再分成若干子模块，各模块受主程序控制的同时也可以完成相对独立的任务。如此可以分层次完成指令，逻辑清晰，有利于程序指令的编写，执行，修改和错误检查。将错误缩小在子模块内部，不影响整体结构，有利于系统的稳定。主程序主要是完成复位，系统初始化，在读取数据信息后对电压、按键、煤气量、插卡状态、传感信号灯各种情况作出相应的判断，在用户需要时还要作出相应的数据显示和阀门的开关等操作，一般情况下是出于休眠状态。具体步骤：开始程序，给电压，使单片机得到高电平，触发复位电路进行电路EEPROM中存在的信息并先判断电路中给电电压是否过低，若过低则启动置位将电压置于低标志，并启动阀门关闭，使系统进行睡眠处理，进入休眠中，停止工作；若电压合适，再判断是否有按键操作。若按键按下，则调用显示程序，由LCD屏显示操作结果；若没有操作，则判断是否有卡插入。若有卡插入则调用卡处理程序；若没有，则判断是否有流量传感信号的输入。如果没有信号输入则直接进入休眠状态；若有信号则进行信号是否有效的判定，若无效则进入休眠中，若有效则根据信息进行扣费处理。扣费后判断剩余煤气量，若为0路进行提示。最后睡眠处理，完成程序指令，进入睡眠状态。主程序如图5-2所示。5.2.1外部中断0子程序外部中断0子程序是专门对居民使用煤气量进行处理的脉冲计量程序。在用户使用煤气时，传感器感应并发出脉冲信号传递到单片机触发外部中断0程序。具体步骤：程序开始，进入中断0程序中，保护需要的内容信息进栈处理，赋值单位量M，进行加1处理，并设定取用值，判断使用量M是否达到设定值，若达到则保护内容出栈并中断返