摘 要
随着我国经济的快速发展，对环境也是越来越重视。对资源的高效利用，减少污染，非常重要。而清洁、高效的天然气将成为未来能源发展的重要方向。在西气东输项目启动之后，燃气更是通向了千家万户。传统的燃气收费方式为用户先使用，燃气公司再定期抄表收费。这种收费方式效率低且容易出错，而嵌入式系统的应用，会使得该消费控制方便、安全可靠。
本文主要是基于STM32微控制器为控制核心，以RC522射频模块和IC卡作为燃气计费的载体。该系统通过气体流量传感器实时监测燃气流量信息，把得到的数据传给微控制器，微控制器对气体流速积分运算得到的燃气量，然后根据燃气单价换算成金额后，更新IC卡内余额。并在OLED屏实时显示用户的余额信息。当余额低于阈值时，提示用户IC卡充值。当可用额度为零时，关断继电器，关闭燃气的供应，实现对燃气消费的自动控制。
经过调试后，系统可以对燃气消费量进行扣费，以及IC卡充值。并可以实时显示用户消费信息，同时可以根据卡内余额控制燃气关断和提醒用户提前充值。
关键字： STM32；燃气消费；流量计；RC522射频模块；OLED屏
1 总体方案
本设计采用STM32F103C8T6主控芯片对数据进行采集处理，通过CFA100流量检测燃气的流速，CFA100流量计的信号是模拟信号，单片机通过内部16位ADC，进行模数转换，然后计算出燃气的使用量，结合燃气单价，算出总消费额后，对M1的射频卡进行扣费。
RC522与STM32主控芯片通过SPI进行通信，经过寻卡→防冲突→选卡→读取IC卡中的金额，根据用户使用的燃气流量计算出消费金额后扣除IC卡中的费用，当余额减到设定阈值时，蜂鸣器会报警一段时间，提醒用户燃气充值。当卡内金额减到0.0时，通过IO口控制外部继电器模块关断电磁阀切断燃气供应，并提醒用户IC卡充值。
12864OLED屏与STM32主控芯片采用SPI通信，显示模块主要显示3个界面的芯片：一是用户没有插入IC卡时，消费控制系统的主界面，提示用户插卡消费燃气；二是用户插入IC后，显示用户的基本信息、账户余额、以及燃气使用总量，方便用户实时知道自己的卡内余额和燃气使用量，方便用户提前充值，避免突然切断燃气给消费用户带来的不便；三是余额低于设定阈值时，显示余额不足，提示用户提前进行燃气充值；四是燃气消费额为0.0时，显示余额为0.0，提醒用户充值。五是充值界面，显示用户余额，以及充值金额信息。
继电器通过IO和主控芯片进行通信，主要用于根据用户的卡内余额，打开或者关闭燃气管道电磁阀。无源蜂鸣器模块主要是给用户提示信息，如果用户余额不足，会提起给予报警，提示用户提前充值，以避免给用户带来不便。
根据上述硬件组成，基于STM32的燃气消费控制系统总体框图如图2.1所示。
图2.1 系统总体框图
2 系统硬件设计
2.1 单片机系统电路设计
2.1.1 电源电路设计
嵌入式设计系统电源电路的设计肯定是必不可少，本设计中采用USB 5V供电，经过ASM117-3.3V稳压芯片输出3.3V电压，3.3v电压STM32F103C8T6,12864OLED屏幕、继电器、LED灯、蜂鸣器、射频卡模块以及流量传感器CAF100提供工作电压。
该系统中还提供了两个5V和两个3.3V的扩展供电模块，以方便连接其他外设。电源电路如图3.1所示。
图3.1 电源电路
3 单片机晶振电路
在单片机设计中需要添加组件来计量时间，所以添加晶振电路用来作为硬件和软件的基准时间，本系统设计采用8M的外部晶振作为单片机系统的时钟源，经过内部倍频后为主控芯片提供最高72MHZ的系统时钟。
晶振是可以理解为STM32的脉搏，是单片机的驱动之源，为单片机提供精准时钟。在使用任何一个寄存器配置之前都要先打开寄存器对应的时钟，这样的好处是如果暂时不使用这个寄存器，可以先把时钟关掉，从而可以降低系统的功耗，达到节能低功耗的目的。
STM32时钟有3个时钟源提供时钟：1，HSI:8MHZ的内部时钟信号，是STM32单片机内部自带的时钟，但是精度不是很精准；2，HSE:高速的外部晶振，通常使用频率大小为8–12MHZ的晶振，这个高速晶振非常准确；3,LSE:一宽低速的外部晶振，晶振频率为37.768KHZ，通常是在单片机断电的情况下，低功耗为单片机提供时钟，一般用过RTC的精准计时。
本次设计的晶振电路使用的是石英晶体振荡器。该晶振器通过利用石英晶体的特性制作成的谐振器件。石英晶振具有很好的精准度、便宜实惠的价格、易于使用的优势，外部晶振电路如图3.2所示。
图3.2所示 晶振电路
3.1 单片机复位电路
在本次系统设计中，如果出现了程序紊乱、系统错误或想着重新启动一下系统。比如出现了程序出错、在不明干扰下出现了偏离历程的现象或者系统上电情况，这时候就需要一个复位电路来重启单片机系统。让程序重头读取、运行。这样可以解决意外的问题或者快速重启等问题。
复位电路的原理是单片机NRST引脚接收到1.5-4.5ms的低电平信号，所以NRST引脚通过上拉电阻接电源正极，通过电容接地。单片机上电时对电容充电，复位引脚处于低电平实现上电复位。手动按键按下时，电容放电，复位引脚接地，实现手动对单片机复位。复位电路图如图3.3所示。
图3.3 复位电路
3.2 系统显示模块
3.2.1 OLED显示模块简介
本设计用于显示用户的燃气消费余额，以及燃气使用量和一些提示信息。选用的为0.96寸的OLED屏幕进行显示。OLED屏有许多显著的优点。OLED的核心层厚度很薄，节省空间。OLED是采用二极管自发光原理，不需要背面光源，发光转化效率高，功耗也比需要背光源的液晶屏幕低。正是由于OLED屏自发光的特征，这也使得OLED屏的视角非常广阔，视角可达到170度，从侧面也不会失真。
本设计采用0.96寸OLED屏幕，其具备高亮度低功耗的特点，显示颜色纯正清晰，即使在阳光环境下也有清晰的显示效果。该款屏幕的分辨率为128*64；大于160度的超大的广阔视角，在3-5V的驱动电压之间都可以正常工作，正常显示时该屏幕功耗为0.06W，节能效果也是非常的好。实物如图3.5所示。
图3.5 OLED实物图
3.3 射频模块
3.3.1 RC522模块的简介
为了改变以往的先用燃气再收费，收费难的问题，本设计采用RCC522射频模块和IC卡实现对燃气的计费，用户应先持卡缴费，购买燃气后，燃气流量根据IC卡的余额信息，给用户通燃气。
计费模块本设计采用的为MF RC522芯片和M1卡，MFRC522芯片荷兰恩智浦公司的非接触式通信中高集成度读写卡芯片，其射频频率为13.56MHZ。该芯片体积小，安全可靠性高。其主要包括模拟接口部分，用于和IC卡通讯；内部控制机制，处理内部数据；以外部通信接口，和微控制芯片之间数据通信，等三部分。如图3.7为简化的MFRC522框图。
图3.7 MFRC522的简化框图
本模块可直接装入各种读卡器磨具。模块采用3.3V的供电电压。同过SPI接口简单的几条线就可以直接与任何的控制芯片进行通信。并且可以保证模块的稳定可靠工作，而且读卡距离也比较远。
4 系统调试与结果
4.1 CFA100模块的调试
CFA100流量传感器输出的是模拟量，通过STM32的ADC进行模数转换，把0-3.3V的电压信息线性转化为0-4096个梯度。串口通过TTL转USB工具把出ADC采集的数据发计算机串口助手显示，方便调试。确保CFA100正常工作。
4.2 整个系统调试结果显示
每部分外设调试完成之后，就可以把各个外设统一起来，实现整体功能，如图整个系统处于开机没有IC卡插入，系统和开机界面相同，显示系统名字，以及提示用户插卡消费的提示简图。燃气关断状态的实物图如图5.7所示。
图5.7 燃气关断状态系统实物图
当有效IC卡插入，金额充足，OLED屏显示住户楼层信息、账户余额、以及消费的总气体量。继电器闭合，指示灯亮起，打开燃气阀，供应燃气。燃气处于供应状态的实物图如图5.8所示。
图5.8 燃气处于供应状态的体统实物图
当用户充值IC卡时，本设计采用按键充值，每次按下充值10.0元，充值界面依然显示用户楼层信息、账户余额，以及充值的金额。IC卡充值界面如图5.11所示。
图5.11 IC卡充值界面
经过几个月不懈的努力终于把设计完成，后期也会继续努力，升级和完善整个系统。整体实物图如图5.12所示。
图5.12 整体实物图
5 结 论
本设计中是基于燃气的消费控制，第一点要做的就是对气体的体积测量，因为传感器传送的是实时的流速信息，而且流速一般也不是均匀的，因此这些数据采集后的数据处理算法便成为了我的工作，我查阅资料，在高等数学中微分在工程计算中得到启发，采用数学的定积分近似运算–梯形法对燃气的总体积进行计算，又一次实践体验了数学在实际工程中的应用。在OLED屏显示界面中，因为要进行几个页面的切换，所以都要进行清屏处理，但是如果每刷新一次屏幕都清屏一次，会出现刷屏的问题，后来我想到UCOSII操作系统里的向量集思想，在每个界面刷新设置一个标志位，只在每次界面切换的时候刷新一次屏幕，这样就解决了刷屏的问题。在射频卡模块的学习过程中，一开始对这个模块没有了解，无从下手，后来请教他人，自己也在网上找资料，了解整个模块的工作流程，以及IC卡信息存储原理，IC卡每个块的相同与区别，最终成功驱动射频模块工作。
经过不断地努力探索与调试，最终设计实现通过STM32和射频模块的燃气消费的自动控制，收获良多。
本设计要在实际应用中发挥作用，当然还有很多地方值得去探索和发掘，比如对IC卡内的余额信息安全问题值得进一步提升，对仪表出现故障问题能即使的给出警告信息排查。对进一步的研究探索，我想加入网络信息，将用户燃气消费信息，以及卡内余额信息，都通过网络传输到数据库中，这样既能统计用户的燃气使用量也能增加消费者卡内信息安全。