接触式预付费燃气表设计毕业设计(编辑修改稿)

接触式预付费燃气表设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

世界上最早使用 IC 卡的国家应属法国，其应用主要在交通管理、高速公路管理以及地铁上。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 3 另外，韩国、新加坡、日本和美国等其他一些国家 IC卡应用也发展快速，并应用日常生活的各个领域。 作为金卡工程的代表， IC 卡技术无疑是当今世界最优秀的应用技术。 我国政府提出的以“金卡工程”为代表的信息化应用工程，加速了我国向全球经济一体化迈进的步伐。 IC 卡技术的大力开发意义十分重大。 目前在金融、交通、医疗、身份证明等多个行业己广泛应用 IC卡，实现现金支付和存兑的电子化、公用事业预付费等功能。 近年来，它又结合微电子技术，进 一步提高了人们生活和工作的现代化程度。 目前，我国的 IC 卡应用已不仅仅是银行业务与传统的通信功能，它也与其它产业联袂发展。 它的付费功能可用于水、电、燃气、车船、电话、医疗、保险等领域。 随着我国“金卡工程”的大力开展， IC 卡在各行各业的应用越来越广泛，但是存在的问题也逐渐显露，其中很重要的一点就是彼此之间互不通用，使得持卡人有诸多不便，也造成了大量的资源浪费，因此，“一卡多用”是以后的发展趋势，最终可实现资源共享，互通互联。 IC 卡燃气表的发展历史及国内外现状 IC 卡燃气表自产生以来，解决了许多实 际问题，给人们的生活带来了很大改变，但是由于技术上的不成熟，再加上管理上的不完善，在应用过程中很容易出现计量误差，给一些早期的使用者带来了很大的经济损失，燃气用户在使用上存在担心，这就使得 IC 卡燃气表的推广举步维艰。 近些年，各燃气企业不断加大资金投入进行技术研发，使得 IC卡燃气表的技术和质量得到了很大的提高，并且获得燃气公司和用户的认可， IC 卡燃气表也得到了广泛的使用。 另外，国家建设部为加强智能 IC 卡燃气表的统一标准和质量管理，提高国内燃气行业的经营管理水平，制定了 CJ/T1122020《 CIC 卡家用膜式燃气表》行业标准，它是在 GB/T69681997《膜式煤气表》的基础上，增加了预付费控制器有关技术要求，并遵循有关电子产品的标准要求。 针对我们燃气行业， IC 卡燃气表的应用时间还很短暂，我们要不断的进行探索，对目前存在的问题和以后应用中出现的问题进行分析和研究，坚定不移地支持 IC 卡新技术、新工艺的应用推广工作。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 4 第 2 章 接触式预付费燃气表的总体设计方案及原理 方案比较 方案一、采用 PLC 设计接触式燃气表， PLC 设备价格相对较高，体积较大，主要应用于工业设备的设计，对于燃气表设 计不宜用 PLC。 方案二：利用 DCS 控制系统可靠性高，灵活性强，易于维护，功能齐全，但由于价格昂贵，考虑到经济性，本次设计中不选用这种控制方法。 方案三、采用单片机系统设计，对于本设计从成本、功能方面考虑更适合应用单片机设计，单片机价格较低，体积较小，也能满足设计要求，故选用单片机系统设计。 接触式预付费燃气表的总体设计方案 系统总体的控制过程 智能 IC 卡燃气表系统主要由单片机， IC 卡、电磁阀、传感器、 I/V 转换器、A/D 转换器、 LCD 显示器、报警器等组成。 总体框图如图 所示。 燃气用户在燃气公司开户 ,购买一定气量后 ,即得到加密的 IC 卡。 用户用气时将卡插入燃气表中 ,卡中气量自动输入燃气表并在 IC 卡中消除气量 ,供气阀门打开。 当气量不足时 ,燃气表提示用户购气；气量用完时 ,燃气表自动切断供气管路。 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 :显示 报警电源 IC 卡A / D 转换器I / V 转换器流量传感器电磁阀单片机 图 系统总体控制原理图 接触式预付费燃气表的控制算法 本文设计的是对智能 IC 卡燃气表流量的控制，这个控制是这样一个反馈调节兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 5 过程：比较实际流量和需要控制的流量得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节调 节阀，从而实现对流量的控制。 该系统采用过程控制中应用最广泛的 PID 控制形式。 接触式预付费燃气表的原理 当用户将购买到得含有一定购气量的 IC 卡插入表内时 ,电磁阀在单片机控制下打开气路阀门。 用户每使用一个微小的计量单位的气体时 ,计量电路便发出 1 个计量脉冲 ,该脉冲如经电控系统判定为有效 ,即进入软件进行累计 ,当达到一定数目(如 1/100 方 )时可以从存于 SAM 模块中的已购气量中减去 1 个计量单位。 当剩余气量为某一设定值时 ,燃气表进入报警状态 ,并关闭电磁阀 ,切断气路以便提醒用户购气。 用户此时按一次按键后 ,仍然可以打开阀门继续用气。 当剩余气量为零时 ,控制阀再次关闭 ,用户只有将存储一定购气量的卡插入后才能打开阀门。 用户所剩气量由 LCD 显示。 本设计具有燃气流量的累积，燃气可用数的递减； LCD 显示燃气累积数，燃气可用数以及卡中的购气数；“欠量”，“过流”，“异常”等情况下有报警竟声音等功能。 接触式预付费燃气表的功能 接触式预付费燃气表，应具有以下基本功能 : a) 提示功能 :IC 卡燃气表控制器的液晶有简洁汉字提示和蜂鸣器鸣叫等提示功能。 b) 正确计量功能 :系统的最终目标是计量准确。 因此，在硬件上和软件上均采取 了一些有效措施 (主要考虑软件滤波、抗干扰以及漏计量处理 )，确保用户每用 ，气表计量一次。 c) 燃气表预付费及用气控制功能 :当表内剩余气量低于预设值时，控制器液晶显示购气、蜂鸣器鸣叫提示，当剩余气量为零时自动关阀、切断气源。 用户通过 IC卡购买燃气并输入气量后，自动恢复供气，新购买的气量输入后，可以累计加在燃气表的剩余气量上。 d) 掉电数据存储功能 :在外置电源突然停止供电的情况下要保证将一些重要数据完整无误的保存下来，以便系统复位后，能重新调入重要数据。 e) 低电压检测功能 :由于本燃气表是采用电池供电，因此 在使用的过程中进行电压检测。 即当电源电压下降到某一值时，系统应能识别，并提示用户更换电池，系统自动关闭阀门。 f) 阀门驱动功能 :阀门驱动主要实现阀门的开和关。 g) 报警功能 :气量不足报警 :燃气表剩余量低于报警设定值时，有蜂鸣器报警兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 6 和液晶显示报警。 若继续使用，燃气表剩余量为零时，关闭阀门并鸣叫提示。 电池欠压报警 :电池的电压低于报警值时，蜂鸣器报警和液晶显示报警。 若继续使用，当电池电压低于设计的最低电压值时，关闭阀门并鸣叫提不。 h) 读写 IC卡功能 :应能正确无误的读写 IC 卡。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 7 第 3 章 接触式预付费燃气表的硬件 设计 主要系统组成 1. 单片机 AT89S52 单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序储存器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）可灵活应用于各种控制领域。 本文采用的是新型双稳态电磁阀 MP15A5V，电源电压低。 正常供气情况下，电磁阀处于常开状态，驱动机构不消耗电能；只有当上一级的气体数完时，电磁阀关闭并自锁于常闭状态。 它具有启动气压低及关闭可靠等优点。 3. IC 卡电路 IC 卡读 /写器是 IC 卡煤气表的输入接口。 当 IC 卡插入读 /写器时，首先读入的是卡中的密码，以此判断 IC 卡的合法性。 煤气表在判断了卡的合法性后，读入所购气量并与煤气表内剩余气体累加，同时将卡上购气量单元清零，回写煤气表上用气量、剩余气体等信息，以便下次购气时煤气公司读取，实现煤气表信息的回馈功能。 4. 传感器 本设计的传感器选用 SWINGIRLⅡ电容式涡街流量传感器。 它的基本原理是以卡门涡街器理论为基础。 适用范围广，压力损失小，长期稳定性 好，工作寿命长。 5. LCD 显示 本系统采用液晶显示器。 其特点是显示内容丰富（可显示汉字），功耗小，可靠性高，电路简单。 器件型号是： SMG12232B2，显示容量为 122*32 点阵。 传感器的功能及其技术参数 概述 在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。 目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。 流体振动流量计具有以下一些特点： 1）输出为脉冲频率，其频率 与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响； 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 8 2）测量范围宽，一般范围度可达 10： 1 以上； 3）精确度为中上水平； 4）无可动部件，可靠性高； 5）结构简单牢固，安装方便，维护费较低； 6）应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。 本文仅介绍涡街流量汁（以下简称 VSF 或流量计）。 VSF 是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（ bluff body），流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各 种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。 早在 1878 年斯特劳哈尔（ Strouhal）就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准则。 人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。 涡街流体振动现象用于测量研究始于 20 世纪 50 年代，如风速计和船速计等。 60 年代末开始研制封闭管道流量计 涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法 VSF。 70、 80 年代涡街流量计发展异常迅速，开 发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量生产投放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。 我国 VSF 的生产亦有飞速发展，全国生产厂达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。 应该看到， VSF 尚属发展中的流量计，无论其理论基础或实践经验尚较差。 至今最基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞（均匀流场）中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不均匀流场其旋涡分离的规律是不一样的。 至于实践经验更是需要通过长期应用才能积累。 一般流量计出厂校验是 在实验室参考条件下进行的，在现场偏离这些条件不可避免。 工作条件的偏离到底会带来多大的附加误差至今在标准及生产厂资料中尚不明确。 这些都说明流量计的迅速发展需求基础研究工作必须跟上，否则在实用中经常会出现一些预料不到的问题，这就是用户对 VSF 存在一些疑虑的原因，它亟需探索解决。 VSF 已跻身通用流量计之列，无论国内外皆已开发出多品种。 全系列、规格齐全的产品，对于标准化工作亦很重视，流量计存在一些问题是发展中的正常现象 工作原理、结构及选择计算 1. 工作原理 在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图 所示。 旋涡列在旋涡发生体下游非对称兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 9 地排列。 设旋涡的发生频率为 f，被测介质来流的平均速度为 U，旋涡发生体迎面宽度为 d，表体通径为 D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式 f=SrU1/d=SrU/md （ 1） 式中 U1旋涡发生体两侧平均流速， m/s； Sr斯特劳哈尔数； m旋涡 发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比 管道内体积流量 qv 为 qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr （ 2） K=f/qv=[πD2md/4Sr] （ 3） 式中 K流量计的仪表系数，脉冲数 /m3（ P/m3）。 K 除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。 斯特劳哈尔 图 卡曼涡街 数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图 所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与。