【文章內(nèi)容簡介】 。世界上最早使用 IC 卡的國家應(yīng)屬法國，其應(yīng)用主要在交通管理、高速公路管理以及地鐵上。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 另外，韓國、新加坡、日本和美國等其他一些國家 IC卡應(yīng)用也發(fā)展快速，并應(yīng)用日常生活的各個領(lǐng)域。 作為金卡工程的代表， IC 卡技術(shù)無疑是當今世界最優(yōu)秀的應(yīng)用技術(shù)。我國政府提出的以“金卡工程”為代表的信息化應(yīng)用工程，加速了我國向全球經(jīng)濟一體化邁進的步伐。 IC 卡技術(shù)的大力開發(fā)意義十分重大。目前在金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個行業(yè)己廣泛應(yīng)用 IC卡，實現(xiàn)現(xiàn)金支付和存兌的電子化、公用事業(yè)預付費等功能。近年來，它又結(jié)合微電子技術(shù)，進 一步提高了人們生活和工作的現(xiàn)代化程度。 目前，我國的 IC 卡應(yīng)用已不僅僅是銀行業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的通信功能，它也與其它產(chǎn)業(yè)聯(lián)袂發(fā)展。它的付費功能可用于水、電、燃氣、車船、電話、醫(yī)療、保險等領(lǐng)域。隨著我國“金卡工程”的大力開展， IC 卡在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，但是存在的問題也逐漸顯露，其中很重要的一點就是彼此之間互不通用，使得持卡人有諸多不便，也造成了大量的資源浪費，因此，“一卡多用”是以后的發(fā)展趨勢，最終可實現(xiàn)資源共享，互通互聯(lián) 。 IC 卡燃氣表的發(fā)展歷史及國內(nèi)外現(xiàn)狀 IC 卡燃氣表自產(chǎn)生以來，解決了許多實 際問題，給人們的生活帶來了很大改變，但是由于技術(shù)上的不成熟，再加上管理上的不完善，在應(yīng)用過程中很容易出現(xiàn)計量誤差，給一些早期的使用者帶來了很大的經(jīng)濟損失，燃氣用戶在使用上存在擔心，這就使得 IC 卡燃氣表的推廣舉步維艱。 近些年，各燃氣企業(yè)不斷加大資金投入進行技術(shù)研發(fā)，使得 IC卡燃氣表的技術(shù)和質(zhì)量得到了很大的提高，并且獲得燃氣公司和用戶的認可， IC 卡燃氣表也得到了廣泛的使用。 另外，國家建設(shè)部為加強智能 IC 卡燃氣表的統(tǒng)一標準和質(zhì)量管理，提高國內(nèi)燃氣行業(yè)的經(jīng)營管理水平，制定了 CJ/T1122020《 CIC 卡家用膜式燃氣表》行業(yè)標準，它是在 GB/T69681997《膜式煤氣表》的基礎(chǔ)上，增加了預付費控制器有關(guān)技術(shù)要求，并遵循有關(guān)電子產(chǎn)品的標準要求。 針對我們?nèi)細庑袠I(yè)， IC 卡燃氣表的應(yīng)用時間還很短暫，我們要不斷的進行探索，對目前存在的問題和以后應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進行分析和研究，堅定不移地支持 IC 卡新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用推廣工作。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 第 2 章 接觸式預付費燃氣表的總體設(shè)計方案及原理 方案比較 方案一、采用 PLC 設(shè)計接觸式燃氣表， PLC 設(shè)備價格相對較高，體積較大，主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的設(shè)計，對于燃氣表設(shè) 計不宜用 PLC。 方案二：利用 DCS 控制系統(tǒng)可靠性高，靈活性強，易于維護，功能齊全，但由于價格昂貴，考慮到經(jīng)濟性，本次設(shè)計中不選用這種控制方法。 方案三、采用單片機系統(tǒng)設(shè)計，對于本設(shè)計從成本、功能方面考慮更適合應(yīng)用單片機設(shè)計，單片機價格較低，體積較小，也能滿足設(shè)計要求，故選用單片機系統(tǒng)設(shè)計。 接觸式預付費燃氣表的總體設(shè)計方案 系統(tǒng)總體的控制過程 智能 IC 卡燃氣表系統(tǒng)主要由單片機， IC 卡、電磁閥、傳感器、 I/V 轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器、 LCD 顯示器、報警器等組成?？傮w框圖如圖 所示。燃氣用戶在燃氣公司開戶 ,購買一定氣量后 ,即得到加密的 IC 卡。用戶用氣時將卡插入燃氣表中 ,卡中氣量自動輸入燃氣表并在 IC 卡中消除氣量 ,供氣閥門打開。當氣量不足時 ,燃氣表提示用戶購氣；氣量用完時 ,燃氣表自動切斷供氣管路。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 7 J u n 2 0 1 3 S h e e t o f F i l e : F : \ U s e r s \ A d m i ni s t r a t o r \ D e s k t o p\ 高玉山 副本 . d d bD r a w n B y :顯示 報警電源 IC 卡A / D 轉(zhuǎn)換器I / V 轉(zhuǎn)換器流量傳感器電磁閥單片機 圖 系統(tǒng)總體控制原理圖 接觸式預付費燃氣表的控制算法 本文設(shè)計的是對智能 IC 卡燃氣表流量的控制，這個控制是這樣一個反饋調(diào)節(jié)蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 過程：比較實際流量和需要控制的流量得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，再去調(diào)節(jié)調(diào) 節(jié)閥，從而實現(xiàn)對流量的控制。該系統(tǒng)采用過程控制中應(yīng)用最廣泛的 PID 控制形式。 接觸式預付費燃氣表的原理 當用戶將購買到得含有一定購氣量的 IC 卡插入表內(nèi)時 ,電磁閥在單片機控制下打開氣路閥門。用戶每使用一個微小的計量單位的氣體時 ,計量電路便發(fā)出 1 個計量脈沖 ,該脈沖如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效 ,即進入軟件進行累計 ,當達到一定數(shù)目(如 1/100 方 )時可以從存于 SAM 模塊中的已購氣量中減去 1 個計量單位。當剩余氣量為某一設(shè)定值時 ,燃氣表進入報警狀態(tài) ,并關(guān)閉電磁閥 ,切斷氣路以便提醒用戶購氣。用戶此時按一次按鍵后 ,仍然可以打開閥門繼續(xù)用氣 。當剩余氣量為零時 ,控制閥再次關(guān)閉 ,用戶只有將存儲一定購氣量的卡插入后才能打開閥門。用戶所剩氣量由 LCD 顯示。 本設(shè)計具有燃氣流量的累積，燃氣可用數(shù)的遞減； LCD 顯示燃氣累積數(shù)，燃氣可用數(shù)以及卡中的購氣數(shù)；“欠量”，“過流”，“異?！钡惹闆r下有報警竟聲音等功能。 接觸式預付費燃氣表的功能 接觸式預付費燃氣表，應(yīng)具有以下基本功能 : a) 提示功能 :IC 卡燃氣表控制器的液晶有簡潔漢字提示和蜂鳴器鳴叫等提示功能。 b) 正確計量功能 :系統(tǒng)的最終目標是計量準確。因此，在硬件上和軟件上均采取 了一些有效措施 (主要考慮軟件濾波、抗干擾以及漏計量處理 )，確保用戶每用 ，氣表計量一次。 c) 燃氣表預付費及用氣控制功能 :當表內(nèi)剩余氣量低于預設(shè)值時，控制器液晶顯示購氣、蜂鳴器鳴叫提示，當剩余氣量為零時自動關(guān)閥、切斷氣源。用戶通過 IC卡購買燃氣并輸入氣量后，自動恢復供氣，新購買的氣量輸入后，可以累計加在燃氣表的剩余氣量上。 d) 掉電數(shù)據(jù)存儲功能 :在外置電源突然停止供電的情況下要保證將一些重要數(shù)據(jù)完整無誤的保存下來，以便系統(tǒng)復位后，能重新調(diào)入重要數(shù)據(jù)。 e) 低電壓檢測功能 :由于本燃氣表是采用電池供電，因此 在使用的過程中進行電壓檢測。即當電源電壓下降到某一值時，系統(tǒng)應(yīng)能識別，并提示用戶更換電池，系統(tǒng)自動關(guān)閉閥門。 f) 閥門驅(qū)動功能 :閥門驅(qū)動主要實現(xiàn)閥門的開和關(guān)。 g) 報警功能 :氣量不足報警 :燃氣表剩余量低于報警設(shè)定值時，有蜂鳴器報警蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 和液晶顯示報警。若繼續(xù)使用，燃氣表剩余量為零時，關(guān)閉閥門并鳴叫提示。電池欠壓報警 :電池的電壓低于報警值時，蜂鳴器報警和液晶顯示報警。若繼續(xù)使用，當電池電壓低于設(shè)計的最低電壓值時，關(guān)閉閥門并鳴叫提不。 h) 讀寫 IC卡功能 :應(yīng)能正確無誤的讀寫 IC 卡。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 第 3 章 接觸式預付費燃氣表的硬件 設(shè)計 主要系統(tǒng)組成 1. 單片機 AT89S52 單片機是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序儲存器和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 本文采用的是新型雙穩(wěn)態(tài)電磁閥 MP15A5V，電源電壓低。正常供氣情況下，電磁閥處于常開狀態(tài)，驅(qū)動機構(gòu)不消耗電能；只有當上一級的氣體數(shù)完時，電磁閥關(guān)閉并自鎖于常閉狀態(tài)。 它具有啟動氣壓低及關(guān)閉可靠等優(yōu)點。 3. IC 卡電路 IC 卡讀 /寫器是 IC 卡煤氣表的輸入接口。當 IC 卡插入讀 /寫器時，首先讀入的是卡中的密碼，以此判斷 IC 卡的合法性。煤氣表在判斷了卡的合法性后，讀入所購氣量并與煤氣表內(nèi)剩余氣體累加，同時將卡上購氣量單元清零，回寫煤氣表上用氣量、剩余氣體等信息，以便下次購氣時煤氣公司讀取，實現(xiàn)煤氣表信息的回饋功能。 4. 傳感器 本設(shè)計的傳感器選用 SWINGIRLⅡ電容式渦街流量傳感器。它的基本原理是以卡門渦街器理論為基礎(chǔ)。適用范圍廣，壓力損失小，長期穩(wěn)定性 好，工作壽命長。 5. LCD 顯示 本系統(tǒng)采用液晶顯示器。其特點是顯示內(nèi)容豐富（可顯示漢字），功耗小，可靠性高，電路簡單。器件型號是： SMG12232B2，顯示容量為 122*32 點陣。 傳感器的功能及其技術(shù)參數(shù) 概述 在特定的流動條件下，一部分流體動能轉(zhuǎn)化為流體振動，其振動頻率與流速（流量）有確定的比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計稱為流體振動流量計。目前流體振動流量計有三類：渦街流量計、旋進（旋渦進動）流量計和射流流量計。流體振動流量計具有以下一些特點： 1）輸出為脈沖頻率，其頻率 與被測流體的實際體積流量成正比，它不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響； 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 2）測量范圍寬，一般范圍度可達 10： 1 以上； 3）精確度為中上水平； 4）無可動部件，可靠性高； 5）結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝方便，維護費較低； 6）應(yīng)用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸氣。 本文僅介紹渦街流量汁（以下簡稱 VSF 或流量計）。 VSF 是在流體中安放一根（或多根）非流線型阻流體（ bluff body），流體在阻流體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)旋渦分離頻率正比于管道內(nèi)的平均流速，通過采用各 種形式的檢測元件測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。 早在 1878 年斯特勞哈爾（ Strouhal）就發(fā)表了關(guān)于流體振動頻率與流速關(guān)系的文章，斯特勞哈爾數(shù)就是表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸，流速關(guān)系的相似準則。人們早期對渦街的研究主要是防災(zāi)的目的，如鍋爐及換熱器鋼管固有頻率與流體渦街頻率合拍將產(chǎn)生共振而破壞設(shè)備。渦街流體振動現(xiàn)象用于測量研究始于 20 世紀 50 年代，如風速計和船速計等。 60 年代末開始研制封閉管道流量計 渦街流量計，誕生了熱絲檢測法及熱敏檢測法 VSF。 70、 80 年代渦街流量計發(fā)展異常迅速，開 發(fā)出眾多類型阻流體及檢測法的渦街流量計，并大量生產(chǎn)投放市場，像這樣在短短幾年時間內(nèi)就達到從實驗室樣機到批量生產(chǎn)過程的流量計還絕無僅有。 我國 VSF 的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，全國生產(chǎn)廠達數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國外亦未曾有過。應(yīng)該看到， VSF 尚屬發(fā)展中的流量計，無論其理論基礎(chǔ)或?qū)嵺`經(jīng)驗尚較差。至今最基本的流量方程經(jīng)常引用卡曼渦街理論，而此理論及其一些定量關(guān)系是卡曼在氣體風洞（均勻流場）中實驗得出的，它與封閉管道中具有三維不均勻流場其旋渦分離的規(guī)律是不一樣的。至于實踐經(jīng)驗更是需要通過長期應(yīng)用才能積累。一般流量計出廠校驗是 在實驗室參考條件下進行的，在現(xiàn)場偏離這些條件不可避免。工作條件的偏離到底會帶來多大的附加誤差至今在標準及生產(chǎn)廠資料中尚不明確。這些都說明流量計的迅速發(fā)展需求基礎(chǔ)研究工作必須跟上，否則在實用中經(jīng)常會出現(xiàn)一些預料不到的問題，這就是用戶對 VSF 存在一些疑慮的原因，它亟需探索解決。 VSF 已躋身通用流量計之列，無論國內(nèi)外皆已開發(fā)出多品種。全系列、規(guī)格齊全的產(chǎn)品，對于標準化工作亦很重視，流量計存在一些問題是發(fā)展中的正?，F(xiàn)象 工作原理、結(jié)構(gòu)及選擇計算 1. 工作原理 在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖 所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為 f，被測介質(zhì)來流的平均速度為 U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為 d，表體通徑為 D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式 f=SrU1/d=SrU/md （ 1） 式中 U1旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速， m/s； Sr斯特勞哈爾數(shù)； m旋渦 發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比 管道內(nèi)體積流量 qv 為 qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr （ 2） K=f/qv=[πD2md/4Sr] （ 3） 式中 K流量計的儀表系數(shù)，脈沖數(shù) /m3（ P/m3）。 K 除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾 圖 卡曼渦街 數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖 所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與