基于單片機(jī)的IC卡智能化水表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[附程序圖]

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1、. . 摘 要 第1章 緒 論 1.1 本研究課題的背景與意義 1.2 本研究課題的發(fā)展趨勢(shì) 1.3 本文的工作 第2章 設(shè)計(jì)思想與方案論證 2.1 設(shè)計(jì)思想 2.2 方案比較 1. 方案一：脈沖發(fā)訊集中抄收式智能水表系統(tǒng) 2. 方案二：基于CAN總線的智能水表自動(dòng)抄收系統(tǒng) 3. 方案三：基于89C2051單片機(jī)的IC卡智能水表系統(tǒng) 2.3 方案選擇 第3章 IC卡智能水表的硬件設(shè)計(jì) 3.1 主系統(tǒng)的構(gòu)成 3.2 微處理器 3.2.1 單片機(jī)的選型 1. 單片機(jī)的系統(tǒng)適應(yīng)性 2.

2、 單片機(jī)的市場(chǎng)供應(yīng)情況 3. 單片機(jī)的可開發(fā)性 3.2.2 單片機(jī)AT89C2051簡(jiǎn)介 3.2.3 晶振與復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 3.3 傳感器的選擇 3.3.1 霍爾接近開關(guān)傳感器 3.3.2 光電檢測(cè)傳感器 3.3.3 Wiegand(韋根)傳感器 1. Wiegand傳感器組成 2. Wiegand傳感器工作原理 3. Wiegand傳感器工作方式 4.WG系列韋根傳感器原理與其特點(diǎn) 3.4 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) 3.5 電磁閥的選擇與設(shè)計(jì) 1. 采用光電耦合器進(jìn)行隔離(如圖3.10所示) 2. 在電磁閥供電端跨接壓敏電阻抗干擾 3.6 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)

3、 3.7 IC卡與其接口電路的設(shè)計(jì) 3.7.1 基于AT24C0X系列的IC卡 3.7.2 IC卡的接口電路的設(shè)計(jì) 3.8 人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì) 3.8.1 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 3.8.2 顯示電路的設(shè)計(jì) 3.9 電源的設(shè)計(jì) 3.9.1 電池能量的檢測(cè) 3.9.2 超級(jí)電容的應(yīng)用 3.10 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì) 第4章 IC卡智能水表的軟件設(shè)計(jì) 4.1 主程序的設(shè)計(jì) 4.2 外部中斷0子程序 4.3 外部中斷1子程序 4.4 IC卡的讀寫軟件設(shè)計(jì) 4.4.1 SDA和SCL信號(hào) 4.4.2 IC卡的寫操作 4.4.3 IC卡的讀操作 4.4.4 IC卡芯片的控制字節(jié)和器

4、件尋址 4.4.6 IC卡處理程序流程圖 4.5 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀寫軟件設(shè)計(jì) 4.6 顯示子程序 第5章 關(guān)于IC卡智能水表的關(guān)鍵問題與解決辦法 5.1 IC卡智能水表的低功耗問題 5.2 低功耗解決方案 1. 選擇低功耗電磁閥 2. 選擇低功耗器件 3. 選擇低的工作電壓和低的工作頻率 5.3 IC卡智能水表的安全性問題 5.4 安全性問題解決方案 1. 售水用IC卡（用戶卡）的安全性 2. 表信息的安全性 第6章 系統(tǒng)調(diào)試 6.1 調(diào)試設(shè)備 6.2 硬件調(diào)試 1. 靜態(tài)調(diào)試 2. 動(dòng)態(tài)調(diào)試 6.3 軟件調(diào)試 6.4 調(diào)試現(xiàn)象 總 結(jié)

5、 參考文獻(xiàn) 附錄 程序清單 摘 要 很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，自來水用戶的用水量管理依靠人工抄表，然后由收費(fèi)人員到各家去收費(fèi)或用戶到指定地點(diǎn)自行繳納。這種傳統(tǒng)收取水費(fèi)的方式需要的工作人員多、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低，常常出現(xiàn)用戶欠繳、遲繳或漏繳水費(fèi)等問題。為了解決這些問題，本文在研究國外智能水表發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的IC卡智能水表控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為核心部件，通過韋根傳感器檢測(cè)用水量，運(yùn)用IC卡讀寫與加密技術(shù)，實(shí)現(xiàn)購水與用水量管理。 本文完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，包括用水量檢測(cè)電路、IC卡

6、接口電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警電路、LED顯示電路等，詳細(xì)分析了各模塊的工作原理；系統(tǒng)軟件采用匯編語言編制，給出了具體的程序流程圖。 系統(tǒng)具有自動(dòng)供停水、插卡智能識(shí)別、身份驗(yàn)證、掉電保護(hù)、LED顯示、電磁閥門智能開關(guān)控制、防干擾、防拆卸等功能。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；韋根傳感器；IC卡；智能水表；低功耗 Abstract For a very long time, the management of used water of water user relies on man-made style, that need operators to arrive at user’s home

7、 to collect fees or users reach appointed place to hand in fees by themselves. This traditional style has lots of disadvantages such as needing many operators, time consuming and low efficiency.Further more problems like arrears, dragging on water fees etc. always appear. In order to solve these pro

8、blems, this paperdesigns an intelligent IC card water meter control system based on the single-chip computer. The core of thesystem is asingle-chip microcomputer AT89C2051, the wiegand sensoris used to measure water consumption, the managements of water purchasing and consumption are realized by IC

9、card’s writing, reading and encryptiontechnology. This paper has finished the systematic hardware circuits design and software design. Hardware circuit adopts module design, including water flow measuring circuit, IC card interface circuit, electromagnetic valve urge circuit, warning circuit, LED d

10、isplay circuit,etc. The working principles of every module are analyzed in details. The software of the system is finished in assembler language, the flow charts are provided. The system has many functions such as supplying or cutting off water automatically, intelligent recognition of IC card and

11、user’s identity verifying, power-fail protection, LED display, intelligent switch control of electromagnetism valve etc. It also can prevent the system from disturbance and disassembling. Keywords：Single-chip computer；Wiegand sensor；IC card；Intelligent water meter； low power consumption

12、第1章 緒 論 本章介紹了本研究課題的背景與意義，闡述了其發(fā)展?fàn)顩r。對(duì)當(dāng)前水資源形勢(shì)、傳統(tǒng)水表和IC卡智能水表的特點(diǎn)與其水表的未來發(fā)展趨勢(shì)作了概況。另外，簡(jiǎn)要說明了本文所做的工作。 1.1 本研究課題的背景與意義 環(huán)境與發(fā)展，是當(dāng)今國際社會(huì)普遍關(guān)注的重大問題，保護(hù)環(huán)境是全人類的共同任務(wù)。水資源作為生態(tài)環(huán)境中的重要資源，是人類生活的生產(chǎn)中不可取代的資源，對(duì)一個(gè)國家的生存和發(fā)展也是極為重要的。水資源是一切生命的源泉，是人類不可缺少的物質(zhì)條件，沒有水人類就不能生存，沒有水人類賴以自下而上的物質(zhì)生產(chǎn)就不能發(fā)展。 目前，我國的水資源問題十分嚴(yán)峻。在我國600多個(gè)城市中，目前有400多個(gè)城市

13、供水不足，其中嚴(yán)重缺水的城市有110個(gè)，城市年缺水總量達(dá)60億立方米。 根據(jù)世界銀行的數(shù)據(jù)，我國人均水資源占有量只有2200立方米，這個(gè)數(shù)字僅相當(dāng)于世界人均水資源占有量的四分之一。專家預(yù)測(cè)，當(dāng)我國人口增至16億時(shí)，人均水資源將下降到1750立方米，接近國際公認(rèn)的水資源緊標(biāo)準(zhǔn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，搞好水資源的管理具有重大而深遠(yuǎn)的意義。自來水事業(yè)作為用水資源的重要組成部分，它關(guān)系到人民生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面。 由于歷史的原因，我國大部分城市居民使用自來水，都是在區(qū)域性水站供水基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展成為以單位住宅區(qū)或以樓棟、單元為一戶由自來水公司抄表收費(fèi)的。目前，這種經(jīng)營方式已越來越不適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要

14、求，成為人民物資生活迅速提高和供水企業(yè)落后的經(jīng)營方式之間產(chǎn)生的主要矛盾。 長(zhǎng)期以來，我國自來水用戶的用水量依靠人工抄表，然后由收費(fèi)員到各家收費(fèi)或令各用戶去銀行（或其他指定地點(diǎn)）交費(fèi)。這種傳統(tǒng)收取水費(fèi)的做法需要的工作人員多，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，常常遇到用戶欠繳、遲繳或漏繳水費(fèi)等問題。為適應(yīng)國家對(duì)用水制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術(shù)對(duì)自來水實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控，減輕供水部門因“先供水后收費(fèi)”造成的資金壓力，減少每月抄表收費(fèi)帶來的麻煩和因收費(fèi)問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)手段改變自來水供水管理體制的落后現(xiàn)狀勢(shì)在必行。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的日益提高，智能化電子產(chǎn)品已逐步深入家庭，

15、我們提出了IC卡智能水表的方案。 IC卡智能水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能IC卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞與結(jié)算交易的新型水表。這與傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能相比，是一個(gè)很大的進(jìn)步。IC卡智能水表除了可對(duì)用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對(duì)用水量自動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門操表收費(fèi)到用戶自己去營業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計(jì)算準(zhǔn)確，可利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn)。 IC卡智能水表與其管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，將從根本上解決了已上問題。采用IC

16、卡智能水表進(jìn)行交易結(jié)算，不但實(shí)現(xiàn)了用水收費(fèi)的電子化，而且還改變了先用水后收費(fèi)的不合理狀況，使的供水部門能預(yù)先收取部分費(fèi)用，有利于公用事業(yè)的發(fā)展。IC卡智能水表具有成本低、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)與安全性好等優(yōu)點(diǎn)，可提高居民用水收費(fèi)的管理水平，確保供水部門能與時(shí)收取水費(fèi)。因此，IC卡智能水表成為相關(guān)科研單位關(guān)注的重點(diǎn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[1] [2]。 1.2本研究課題的發(fā)展趨勢(shì) 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，加上國家相關(guān)政策的推動(dòng)，民用計(jì)量?jī)x表的智能化將是一個(gè)必然的發(fā)展方向。這不僅是中國的一種趨勢(shì)，也將成為世界性的趨勢(shì)。而在近十年里，單體式智能IC卡類儀表又將會(huì)是發(fā)展主流。 從理論上說

17、，網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是更好的一種計(jì)量管理模式，并且是最終發(fā)展方向。但是目前，由于網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)的建立條件不成熟，且沒有相關(guān)系統(tǒng)相配合，所以，單獨(dú)在一個(gè)部門大規(guī)模推動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)不出來。而且，僅僅為了提取用水信息就要構(gòu)建一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)，從經(jīng)濟(jì)角度講也不合算。? 　　建立網(wǎng)絡(luò)式智能儀表信息系統(tǒng)的理想模式應(yīng)當(dāng)是，由公共網(wǎng)絡(luò)部門建立起社會(huì)化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而要使用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的具體部門只要向其進(jìn)行申請(qǐng)，將自己行業(yè)的智能計(jì)量終端掛接上去就可以了。同時(shí)，這種網(wǎng)絡(luò)式智能儀表管理系統(tǒng)又與個(gè)人金融網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合使用。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)才是好的和有效率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。顯然，整個(gè)社會(huì)現(xiàn)在正在努力推進(jìn)著

18、網(wǎng)絡(luò)化的工作，在可以預(yù)見的時(shí)間里，這種把千家萬戶連接起來的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就會(huì)逐步形成。所以，既然整個(gè)社會(huì)正在進(jìn)行著這種工作，那么，每個(gè)部門為了自己行業(yè)的一種特別目的去建立自己?jiǎn)为?dú)的網(wǎng)絡(luò)，顯然將與這種可以面向社會(huì)提供各種接入服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相沖突，并且根本不可能有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，既然這樣，現(xiàn)在進(jìn)行的小行業(yè)小區(qū)域組網(wǎng)工作就是一種浪費(fèi)，而且對(duì)解決供水部門的管理問題并沒有什么根本性的幫助。? 那么，現(xiàn)在普遍采用的單體式智能儀表模式與將來的網(wǎng)絡(luò)化管理模式是否會(huì)發(fā)生沖突呢，我的看法是不會(huì)，相反，還會(huì)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化管理模式的形成。因?yàn)?，單體式智能儀表模式與將來的網(wǎng)絡(luò)模式并不矛盾。因?yàn)椴还苁裁淳W(wǎng)絡(luò)模式，最終必須要有智能終端與

19、其進(jìn)行聯(lián)結(jié)?，F(xiàn)在采用的單體式智能儀表將來就可以作為網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的智能儀表終端。所以，它們不是一種沖突關(guān)系，而是一種相承關(guān)系。如果現(xiàn)在就能充分意識(shí)到這一點(diǎn)，并尋找合理的技術(shù)方案，在將來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化時(shí)就會(huì)占有主動(dòng)的地位。? 根據(jù)以上的分析，我認(rèn)為，現(xiàn)在采用的單體式智能儀表發(fā)展模式是合理的，是適合現(xiàn)時(shí)需求并具有主流特征的。當(dāng)然，在密集度較高的建筑群里采用的一線四表控制系統(tǒng)也是值得推廣和具有合理發(fā)展前景的。 為了推動(dòng)IC卡智能水表的發(fā)展，全國有許多研究機(jī)構(gòu)投入力量對(duì)IC卡類智能產(chǎn)品進(jìn)行了開發(fā)研究，很多自來水公司也積極參與了此項(xiàng)開發(fā)工作并成功的開發(fā)出了自己的產(chǎn)品。從理論角度看，IC卡智能水表已經(jīng)進(jìn)入了

20、成熟期。但是，為什么現(xiàn)在IC卡智能水表的推動(dòng)工作還很困難呢？這不難理解。因?yàn)閺膶?shí)際情況看，現(xiàn)在的IC卡智能水表確實(shí)還存在著許多影響其大規(guī)模推廣使用的問題。這些問題集中起來主要是1. 價(jià)格太高；2. 質(zhì)量不可靠；3. 存在安全隱患。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， IC卡智能水表將會(huì)不斷發(fā)展完善。比如，現(xiàn)在這種在老式水表上取信號(hào)的模式，將會(huì)由先進(jìn)的水流量信號(hào)提取裝置代替，機(jī)械計(jì)量和機(jī)械顯示部分會(huì)被淘汰，而表和閥將會(huì)集中在一體等等。總的說來，IC卡智能水表是一種先進(jìn)的計(jì)量?jī)x表，對(duì)這種先進(jìn)儀表的大規(guī)模推廣使用將會(huì)有力促進(jìn)中國供用水管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。中國在這個(gè)方面的超前發(fā)展會(huì)使這種計(jì)量模式得到優(yōu)先完善，并

21、有可能成為中國的一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品出口到其它國家[2][3]。? 1.3 本文的工作 詳細(xì)分析課題任務(wù)，對(duì)IC卡智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)現(xiàn)代傳感器技術(shù)、IC卡技術(shù)和智能水表控制的原理進(jìn)行了深入的研究，并將其綜合。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的硬件結(jié)構(gòu)與其原理圖和相關(guān)軟件程序，并進(jìn)行訪真調(diào)試。下面對(duì)本設(shè)計(jì)的主要研究工作做個(gè)簡(jiǎn)述。 1. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提出幾種方案，對(duì)它們進(jìn)行了全面的論證； 2. 根據(jù)系統(tǒng)需要，合理選擇微處理器，并且詳細(xì)地闡述了它的基本功能特性； 3. 介紹了相關(guān)現(xiàn)代傳感技術(shù)，選擇出信號(hào)采集的最佳方案； 4. 根據(jù)低功耗要求，對(duì)電磁閥的選擇與設(shè)

22、計(jì)進(jìn)行了深入的研究； 5. 詳細(xì)分析了E2PROM的工作原理； 6. 對(duì)IC卡技術(shù)做了簡(jiǎn)明扼要的分析，并對(duì)其軟件的讀寫原理進(jìn)行了詳細(xì)的討論； 7. 應(yīng)用LED顯示技術(shù)，可隨時(shí)查詢累計(jì)用水總量、可用水量； 8. 改進(jìn)了普遍應(yīng)用電源方案，詳細(xì)地介紹了超級(jí)電容技術(shù)與其在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用； 9. 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了深入的分析，并且繪制了相關(guān)硬件電路圖、軟件流程圖，還編寫了相關(guān)軟件程序。 第2章 設(shè)計(jì)思想與方案論證 本章對(duì)智能水表的設(shè)計(jì)思想做了詳細(xì)的介紹，并在設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上提出了三種智能水表的設(shè)計(jì)方案，還針對(duì)它們各自的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。最終確定為采用基于AT8

23、9C2051單片機(jī)的IC卡智能水表方案。 2.1 設(shè)計(jì)思想 智能水表區(qū)別于傳統(tǒng)的人工抄表就是應(yīng)該具有一定的智能控制功能。針對(duì)目前供水部門與用戶的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)對(duì)智能水表應(yīng)該具有的功能提出了以下設(shè)計(jì)思想： 1. 統(tǒng)計(jì)功能：當(dāng)用戶插入有效卡時(shí)，將購買水量與剩余水量自動(dòng)相加，并且存入E2PROM以防丟失；當(dāng)用戶用水時(shí)，將剩余水量與用水量?自動(dòng)相減，并且存入E2PROM以防丟失。 2. 自動(dòng)供停水功能：當(dāng)剩余水量為0時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉閥門；購水后，閥門開啟。 3. 顯示功能：采用6位LED顯示，可隨時(shí)查詢累計(jì)用水總量與可用剩余水量。 4. 報(bào)警功能：當(dāng)剩余水量減少到一定量時(shí)，報(bào)警提示用戶購水。

24、5. 掉電自動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)功能：掉電后，數(shù)據(jù)依然可以被保存。當(dāng)恢復(fù)供電后，數(shù)據(jù)自動(dòng)恢復(fù)。 6. 一戶一卡的功能：通過設(shè)立用戶信息和用戶校驗(yàn)碼的方式實(shí)現(xiàn)一戶一卡。即一個(gè)水表只能使用一個(gè)用戶專用卡，插入其他卡片無效。7. 欠電自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)的功能：當(dāng)電池電壓或電池容量掉到規(guī)定數(shù)值后，意味著電池可能已經(jīng)快沒有電了，此時(shí)，水表應(yīng)會(huì)自動(dòng)將閥門關(guān)閉并使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，并報(bào)警提示。? 　　8. 防拆卸功能：在表體和接頭管件上設(shè)置鉛封口并可進(jìn)行防偽鉛封處理，以防止隨意拆卸水表的行為。即使被拆卸后，單片機(jī)立即關(guān)閉閥門，以防偷水。 2.2 方案比較 針對(duì)上述設(shè)計(jì)思想，提出了三種智能水表的設(shè)計(jì)

25、方案。下面對(duì)它們的工作原理與其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要地分析。 1.方案一：脈沖發(fā)訊集中抄收式智能水表系統(tǒng) 工作原理：由表具不斷發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)采集器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、累加、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)上傳。 優(yōu)點(diǎn)：發(fā)訊式集抄系統(tǒng)目前在國已普遍采推廣應(yīng)用方便,價(jià)格較低，只要生產(chǎn)廠商、系統(tǒng)集商嚴(yán)格把好每一環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)，且發(fā)訊不隨時(shí)間產(chǎn)生疲勞損傷，此系統(tǒng)不失為一種可供選擇的、適于一定歷史時(shí)期的過渡產(chǎn)品。 缺點(diǎn)：(1) 初始化與維護(hù)工作量大；(2) 磁鐵強(qiáng)磁場(chǎng)干擾；(3) 電能耗費(fèi)。 2.方案二：基于CAN總線的智能水表自動(dòng)抄收系統(tǒng) 工作原理：自動(dòng)抄收系統(tǒng)主要由小區(qū)管理中心計(jì)算機(jī)(主控機(jī))、水表數(shù)據(jù)采集器、采集

26、服務(wù)器、中繼站等幾個(gè)部分組成，是一種智能化多用戶能耗集中自動(dòng)抄收系統(tǒng)。其原理是將原能耗計(jì)量表的流量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)傳輸線至系統(tǒng)總線，由接口電路通過有線傳輸或主機(jī)直接抄讀，最后經(jīng)微機(jī)管理，實(shí)現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。 優(yōu)點(diǎn)：CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的方式來傳送數(shù)據(jù)，以克服市場(chǎng)已有傳送方式所存在的不足之處，其傳送方式可實(shí)現(xiàn)10公里圍的小區(qū)抄收工作，同時(shí)性能比同類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、全局廣播等幾種方式，數(shù)據(jù)收發(fā)靈活，可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，且無主從機(jī)之分，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常主動(dòng)報(bào)警。節(jié)點(diǎn)故障自動(dòng)關(guān)閉，不影響網(wǎng)絡(luò)性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且不關(guān)閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點(diǎn)，方便了系統(tǒng)的調(diào)試和

27、維護(hù)。 缺點(diǎn)：前期經(jīng)濟(jì)投入太多，需要大量的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員，維護(hù)工作量大。設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，太難，且不容易實(shí)現(xiàn)[4]。 3.方案三：基于89C2051單片機(jī)的IC卡智能水表系統(tǒng) 工作原理：以接觸IC卡或非接觸射頻卡作為媒介，將各種信息輸入表中控制系統(tǒng)來自動(dòng)開關(guān)閥門(供水或停水)，由用戶到自來水公司網(wǎng)點(diǎn)先預(yù)購買水量，再將用水量通過IC卡輸入表中控制系統(tǒng)，等水量用盡即自動(dòng)關(guān)閥并中斷水的供應(yīng)，報(bào)警器在設(shè)定水量用完之前會(huì)自動(dòng)報(bào)警以提醒用戶購水，達(dá)到“先買水、后用水”的目的。 優(yōu)點(diǎn)：在用戶不繳費(fèi)的情況下可自動(dòng)斷水，有效控制收費(fèi)單位的資金回籠，不需要人工上門抄表、收費(fèi)，減少抄表員。 缺點(diǎn)：(1) 電

28、磁閥在長(zhǎng)期開啟狀態(tài)下由于水垢和水中雜質(zhì)而影響閥門關(guān)閉，使用戶在不繳費(fèi)的情況下繼續(xù)用水，而收費(fèi)單位還一無所知，一旦發(fā)現(xiàn)也無法向用戶追繳多用水費(fèi)；(2) IC卡表也是由發(fā)訊脈沖進(jìn)行累加計(jì)量，如果人為強(qiáng)磁干擾或強(qiáng)電瞬間電擊，也會(huì)造成芯片損壞，從而無法計(jì)量；(3) 鋰電池在長(zhǎng)期使用中是否能達(dá)到設(shè)計(jì)年限還有待考證，到期后由誰負(fù)責(zé)更換是個(gè)問題。 隨著微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，以上該方案的缺點(diǎn)我們通過可行的具體方案基本可以解決了。該方案所設(shè)計(jì)的IC卡智能水表主要由開關(guān)閥門控制模塊、流量采樣模塊、微處理器、電源模塊、IC卡讀寫模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊、顯示模塊等組成[2]。 2.3 方案選擇 從

29、投入成本來看，方案二需要建立一整套的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所需設(shè)備多，前期所需經(jīng)濟(jì)投入最大，方案一次之，方案三最低。 從設(shè)計(jì)的難易程度來看，方案三融合了微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、IC卡技術(shù)等，這些技術(shù)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，最容易實(shí)現(xiàn)，方案二最難，方案一次之。 從維護(hù)成本來看，方案二是由一個(gè)專用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組建而成，需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)維護(hù)人員，它的維護(hù)成本最高，方案一次之，方案三最低。 從長(zhǎng)期效益來看，隨著技術(shù)的成熟，社會(huì)各行各業(yè)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加速，方案二必定是今后的發(fā)展趨勢(shì)，它所達(dá)到的效益最佳，方案三次之，方案一最差。 綜合考慮以上三種方案，根據(jù)現(xiàn)在的各種實(shí)際情況、現(xiàn)有技術(shù)水平和設(shè)計(jì)要求，我們選擇了第三種

30、方案基于89C2051單片機(jī)的IC卡智能水表系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第3章 IC卡智能水表的硬件設(shè)計(jì) 本章是本文的核心容，主要介紹的是系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。我們采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)系統(tǒng)的工作原理和各個(gè)硬件模塊的原理和電路進(jìn)行了具體的介紹。還對(duì)各種器件的選擇（如微處理器、傳感器等）做了詳細(xì)的分析。 3.1 主系統(tǒng)的構(gòu)成 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)除了解決最基本的正常供水還應(yīng)具有一定的智能功能。主系統(tǒng)的框架圖如圖3.1所示。由圖中可以看出，系統(tǒng)由這樣一些功能模塊組成：微處理器、流量傳感器、信號(hào)處理模塊、IC卡接口電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、顯示電路、報(bào)警電路、電

31、源模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以與其他輔助電路。所有模塊的設(shè)計(jì)均考慮了低功耗的要求，本系統(tǒng)采用外接3節(jié)5號(hào)電池供電，部采用超級(jí)電容作為備用。系統(tǒng)時(shí)鐘采用外接晶振方式，約為6MHz。 圖3.1 主系統(tǒng)框圖 IC卡智能水表工作原理：首先由用戶購買IC卡（即用戶卡），并攜IC卡至收費(fèi)工作站交費(fèi)購水，工作人員將購買水量等信息寫入卡中。用戶將卡插入IC卡水表，卡表單片機(jī)識(shí)別IC卡密碼并確認(rèn)無誤后，將卡中購買水量與表剩余水量相加后，寫入卡表存儲(chǔ)器，同時(shí)必須將IC卡購水值清零。當(dāng)用戶用水時(shí)，由流量傳感器采進(jìn)來的信號(hào)以脈沖形式觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，換醒單片機(jī)，進(jìn)行用水處理。 用戶在用水過程中，卡表剩余水量

32、相應(yīng)減少。當(dāng)剩余水量低于一定量，如5m3，卡表報(bào)警提示用戶購水。當(dāng)E2PROM中存儲(chǔ)的水量用完時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥。用戶只有重新購水，才能使電磁閥打開。此外，在發(fā)生人為故意破壞時(shí)，閥門也會(huì)關(guān)閉[2]。 3.2 微處理器 微處理器是本設(shè)計(jì)中的核心器件。我們一般都選用單片機(jī)來進(jìn)行控制。下面給出了對(duì)它的選型與功能介紹。 3.2.1 單片機(jī)的選型 單片機(jī)的選型從以下幾個(gè)方面考慮： 1. 單片機(jī)的系統(tǒng)適應(yīng)性 適應(yīng)性指單片機(jī)能否完成應(yīng)用系統(tǒng)的控制功能，它主要從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)。 (1) 單片機(jī)的CPU是否有合適的處理能力。 (2) 單片機(jī)是否有系統(tǒng)所需要的I/O端口數(shù)。 (3

33、) 單片機(jī)是否含有系統(tǒng)所需的中斷源和定時(shí)器。 (4) 單片機(jī)片是否有系統(tǒng)所需的外接口。 (5) 單片機(jī)的極限性能是否能夠滿足要求。 2. 單片機(jī)的市場(chǎng)供應(yīng)情況 3. 單片機(jī)的可開發(fā)性 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)至少需要14個(gè)I/O端口數(shù)，其中需要2個(gè)外部中斷源，一個(gè)全雙工串行通信口，需要2K字節(jié)可重擦寫程序存儲(chǔ)器。 結(jié)合上述選型依據(jù)，雖然其通用的80C51系列的單片機(jī)具有電源電壓適應(yīng)圍寬、抗干擾能力和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。然而對(duì)本設(shè)計(jì)來說，根據(jù)其系統(tǒng)所要應(yīng)用的需要：主要是其應(yīng)用的引腳、應(yīng)用所需要的容量以與在制作過程中所要考慮的體積、價(jià)格與供應(yīng)等因素。顯然AT89C2051單片滿足I/O端口數(shù)

34、、所需要的容量等要求。AT89C2051單片機(jī)與80C51單片機(jī)相比具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)AT89C2051單片機(jī)和80C51單片機(jī)是完全兼容的，它與80C51的顯著區(qū)別在于它部有一個(gè)閃存。另外考慮到在調(diào)試過程中實(shí)驗(yàn)器材的現(xiàn)實(shí)情況，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)將選用AT89C2051單片機(jī)作為主控芯片。 3.2.2 單片機(jī)AT89C2051簡(jiǎn)介 AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（Flash）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)的技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MC

35、S-51指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。 功能特性概述： AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)部RAM，15個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)蓸O中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，置一個(gè)精密比較器，片振蕩器與時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C2051克將至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 圖3.2是AT89C2051的引腳結(jié)構(gòu)圖，有雙列直插封裝（D

36、IP）方式和方行封裝方式。 圖3.2 AT89C2051的引腳圖 3.2.3 晶振與復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)部帶有時(shí)鐘電路，因此，只需要在片處通過XTAL1、XTAL2引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 振蕩器的工作頻率一般在1.2～12MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好?？梢员ＷC程序運(yùn)行速度即保證了控制的實(shí)時(shí)性。一般采用石英晶振作定時(shí)控制元件；在不需要高精度參考時(shí)鐘時(shí)，也可以用電感代替晶振；有時(shí)也可以引入外部時(shí)脈信號(hào)。 C1、C2雖然沒有嚴(yán)格要求，但電容的大小影響振蕩器的振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振，電容等均應(yīng)盡可能靠近

37、芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。 在本設(shè)計(jì)中，我們采用的外接晶振頻率約6MHz，因此機(jī)器周期約2μs。 RESET引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上。如使用頻率為6MHZ的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過4μs才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路圖如下所示[5]。 圖3.3　復(fù)位電路和時(shí)鐘電路 3.3 傳感器的選擇 轉(zhuǎn)化基于傳統(tǒng)水表流量檢測(cè)原理，在本設(shè)計(jì)中采用將傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)量方式轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)的方案。因此，需要找到一種可以將機(jī)械位移為電脈沖信號(hào)的傳感器。 3.3.1 霍爾接近開關(guān)傳感器 集成

38、式霍爾開關(guān)傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾效應(yīng)片垂直于磁場(chǎng)時(shí)，對(duì)霍爾效應(yīng)片施加控制電流時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱之為霍爾電動(dòng)勢(shì)。由霍爾片和處理電路構(gòu)成了集成化霍爾開關(guān)傳感器，其基本原理是將由霍爾效應(yīng)片所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)由部差分放大器進(jìn)行放大，然后被送往施密特觸發(fā)器。當(dāng)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度小于霍爾開關(guān)的磁場(chǎng)工作強(qiáng)度時(shí)，差分放大器的輸出電壓不足以開啟施密特觸發(fā)器，霍爾開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度大于霍爾開關(guān)的磁場(chǎng)工作強(qiáng)度時(shí)，差分放大器的輸出電壓達(dá)到或大于施密特觸發(fā)器的開啟電壓閾值，霍爾開關(guān)處于開啟狀態(tài)。 集成式霍爾開關(guān)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是：可靠性強(qiáng)、抗干擾性能好、溫度特性優(yōu)良

39、、電源電壓圍寬、輸出電流能力強(qiáng)、兼容性好、能與CMOS集成電路直接接口，動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間短以與體積小巧、壽命長(zhǎng)和使用方便等。 但是，從對(duì)上述對(duì)霍爾開關(guān)傳感器的原理描述中可以看出，霍爾開關(guān)傳感器中必須對(duì)霍爾效應(yīng)片輸入控制電流、同時(shí)其部還有差分放大器等具有較大功耗的器件，典型的集成式霍爾開關(guān)傳感器耗電為mA級(jí)，因此，霍爾開關(guān)傳感器不適合應(yīng)用在本低功耗設(shè)計(jì)中。 3.3.2 光電檢測(cè)傳感器 當(dāng)光照射在半導(dǎo)體材料的PN結(jié)上時(shí)PN結(jié)的兩側(cè)將產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，如外部用導(dǎo)線連接，將有光電流流過，通常的光電檢測(cè)傳感器都是基于這一原理。 目前的光電檢測(cè)傳感器就是利用上述原理，以光電二極管

40、為例，把發(fā)光二極管和光電二極管相對(duì)放置便組成了光電檢測(cè)電路，當(dāng)被檢測(cè)物體通過二者之間時(shí)，由于光電二極管所接受的光的強(qiáng)度發(fā)生變化，其產(chǎn)生的光電動(dòng)勢(shì)也發(fā)生變化，將這種變化進(jìn)行放大和處理，就能產(chǎn)生反映有無物體通過二者之間的電壓脈沖信號(hào)。 然而，由于在此結(jié)構(gòu)中必須用到發(fā)光二極管（對(duì)于不需要發(fā)光二極管的光電檢測(cè)傳感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到環(huán)境光線變化的影響，可靠性和檢測(cè)精確度較低），因此，其功耗電也較高，不宜用在本低功耗設(shè)計(jì)中。 3.3.3Wiegand(韋根)傳感器 1. Wiegand傳感器組成 Wiegand傳感器由三部分組成：(1)Wiegand線；(2)檢測(cè)線圈，將其纏繞在

41、Wiegand線上，或放置在Wiegand線附近；(3)磁鐵。常用結(jié)構(gòu)示意如圖3.4所示。 圖3.4 Wiegand傳感器組成 2. Wiegand傳感器工作原理 Wiegand線是由一根鐵磁材料制成的永磁體，由外殼和芯組成，如圖3.5所示。在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，芯與外殼有一樣的磁極性。將Wiegand線放在與線芯極性相反的外部弱磁場(chǎng)附近，能使線芯的極性發(fā)生改變，線放在與線芯極性相反的外部弱磁場(chǎng)附近，能使線芯的極性發(fā)生改變，而外殼的極性不變。隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，外殼的極性也隨之發(fā)生變化，這樣置于Wiegand線附近的線圈就能檢測(cè)出極性的轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生電壓脈沖輸出。通常Wiegand

42、線與檢測(cè)線圈是裝配在一起構(gòu)成Wiegand組件。 3. Wiegand傳感器工作方式 根據(jù)Wiegand線外部磁場(chǎng)引入的方式不同，Wiegand傳感器有兩種驅(qū)動(dòng)方式：非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式和對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式。非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式開始把Wiegand組件置于一種稱為滲透磁場(chǎng)的強(qiáng)磁場(chǎng)中，此時(shí)Wiegand線的外殼和芯按同一方向極化，如圖3.6(a) 所示；再把組件置于一種稱為復(fù)位磁場(chǎng)的弱磁場(chǎng)中，此時(shí)芯的極性反向,而外殼的極性不變，如圖3.6(b) 所示；然后把組件置于滲透磁場(chǎng)中，Wiegand線芯與外殼的極性又恢復(fù)到圖3.6(a)的情況，由于Wiegand線中磁場(chǎng)的變化，導(dǎo)致在檢測(cè)線圈中一個(gè)周期產(chǎn)生單一方向的電

43、壓脈沖，如圖3.6(c)所示。 圖3.6 非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式 在對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式中，采用兩塊磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相等但極性相反的磁鐵，一塊磁鐵首先將Wiegand線的外殼和芯按同一方向進(jìn)行滲透，如圖3.7(a)所示；再將Wiegand線切換到第二塊磁鐵，在這過程中，首先線芯的極性改變，如圖3.7(b)所示；然后外殼的極性發(fā)生改變，這一作用在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生一個(gè)方向的電壓脈沖輸出，如圖3.7(c) 所示；接著，再將Wiegand線轉(zhuǎn)回到第一塊磁鐵，首先芯的極性改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，如圖3.7(d) 所示；其次外殼的極性也隨之改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，這一過程產(chǎn)生相反方向的電壓脈沖輸出如圖3.7(e) 所示[6]。

44、 圖3.7 對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式 4.WG系列韋根傳感器原理與其特點(diǎn) WG系列韋根傳感器是利用韋根效應(yīng)制成的一種新型磁敏傳感器。其工作原理是傳感器中磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料在外磁場(chǎng)的激勵(lì)下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測(cè)線圈中感生出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。 它具有以下特點(diǎn)： (1) 傳感器工作時(shí)無須使用外加電源，適用于微功耗儀表，如電子水表、電子氣表和其它智能型儀表。 (2) 使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式，觸發(fā)磁場(chǎng)極性變化一周，傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)，信號(hào)周期為磁場(chǎng)交變周期。 (3) 輸出信號(hào)幅值與磁場(chǎng)的變化速度無關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速”傳感。 (4) 無觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水，壽命長(zhǎng)

45、。 (5) 利用線、同軸線可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)遠(yuǎn)傳。 由于WG系列韋根傳感器具有以上的眾多的特點(diǎn)，特別是其幾乎不需要外界能量的輸入。因此，選擇它作為本低功耗設(shè)計(jì)的傳感器。在這里，我們選擇了艾馳電子科技的WG系列韋根傳感器產(chǎn)品，其型號(hào)為WG101。具體使用方法為：在水表的計(jì)量齒輪上安裝小磁鋼，當(dāng)用戶用水，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小磁鋼將會(huì)轉(zhuǎn)過Wiegand絲傳感器，這時(shí)傳感器產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，經(jīng)過整形、放大處理后輸入至單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)量。選擇此傳感器作輸入信號(hào)測(cè)量的傳感器，既滿足了準(zhǔn)確計(jì)量的基本要求，又滿足了低功耗設(shè)計(jì)的需要，是本低功耗設(shè)計(jì)的重要組成部分。 3.4 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) WG系列W

46、G101韋根傳感器所產(chǎn)生的正向脈沖信號(hào)一般為1V～2V之間。為了保證系統(tǒng)能更加穩(wěn)定的工作，必須對(duì)傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、整形處理。我們采用下面的一個(gè)簡(jiǎn)單電路（如圖3.8所示）可以很好的達(dá)到脈沖信號(hào)的放大、整形作用。經(jīng)過處理后的電平信號(hào)，送單片機(jī)的外部中斷（P3.2）進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。當(dāng)計(jì)滿N（N表示為設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)值），用水總量加1，剩余水量減1（“1”在本設(shè)計(jì)中代表0.1m3的水）。 由于WG系列韋根傳感器使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式（即對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式），當(dāng)水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，觸發(fā)磁場(chǎng)極性變化一周，韋根傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)。當(dāng)韋根傳感器輸出為正向脈沖時(shí)，NPN管導(dǎo)通，脈沖檢測(cè)信號(hào)W_

47、IN輸出為高電平；當(dāng)韋根傳感器輸出為負(fù)向脈沖時(shí)，NPN管截止，脈沖檢測(cè)信號(hào)W_IN輸出為低電平。即水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，脈沖檢測(cè)信號(hào)W_IN存在一個(gè)由高到低的跳變。由于我們?cè)O(shè)定外部中斷（P3.2）為跳變觸發(fā)方式，即電平發(fā)生由高到低的跳變時(shí)觸發(fā)。因此，水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，外部中斷產(chǎn)生一次中斷[5]。 圖3.8 信號(hào)處理電路圖 3.5 電磁閥的選擇與設(shè)計(jì) 對(duì)于水表而言，閥門是被控對(duì)象，控制著進(jìn)水的開/關(guān)狀態(tài)。目前可控制的閥門主要是電磁閥，但常規(guī)的電磁閥是靠電的通/斷來控制閥門的開/關(guān)的，即要讓閥門一直關(guān)著，就必須一直通電，因此耗電較大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必須對(duì)現(xiàn)有電平開

48、關(guān)式電磁閥進(jìn)行改進(jìn)，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開/關(guān)控制由電脈沖來實(shí)現(xiàn)。使得對(duì)閥門開/關(guān)只需瞬時(shí)供電，從而減少耗電量。在這里我們選擇：執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用繼電器HRS2H-S-DC3V，驅(qū)動(dòng)帶自鎖的脈沖電磁閥MP15A-3V，兩者僅需+3V電源供電。正常供水情況下，電磁閥自鎖于常開狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不消耗電能，只有當(dāng)購買的噸位數(shù)用完時(shí)，才由固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥關(guān)閉開關(guān)，并自鎖于常閉狀態(tài)，重新購水插卡后，再次送電開啟。 當(dāng)水量為零時(shí)，控制閥自動(dòng)關(guān)閉，水路即被切斷，此時(shí)用戶須重新持卡購水。在正常情況下控制閥處于接通狀態(tài)，只有當(dāng)特殊事件發(fā)生時(shí)，控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。三種事件狀態(tài)下控制閥的通斷情況如圖

49、3.9所示[7]。 圖3.9 控制閥的關(guān)斷情況 值得注意的是，由于繼電器和脈沖開關(guān)電磁閥都是較大容量的感性負(fù)載，因而在切斷這些感性負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變?cè)肼暩蓴_，成為系統(tǒng)中電磁干擾的主要原因，引外，繼電器通斷所造成的電火花和很強(qiáng)的電弧也產(chǎn)生了很大的電磁干擾。因此，在系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗干擾電路來消除此電磁干擾，本系統(tǒng)所采用的抗干擾措施主要有以下兩點(diǎn)： 1. 采用光電耦合器進(jìn)行隔離(如圖3.10所示) 當(dāng)P1.1輸出為高電平時(shí)候NPN管Q1導(dǎo)通，在光電耦合器SW-GD（型號(hào)為4N25）中的發(fā)光二級(jí)管發(fā)光，三級(jí)管導(dǎo)通。此時(shí)，電阻R10上就存在一個(gè)高電平使

50、NPN管Q1導(dǎo)通。繼電器即得電產(chǎn)生動(dòng)作。D1為續(xù)流保護(hù)的作用。 圖3.10 光電耦合器隔離電路 從圖3.10中可以看出，單片機(jī)控制的I/O口和繼電器控制端口之間用光電耦合器進(jìn)行了隔離，這樣，由于繼電器通斷所造成的電火花和電弧就不會(huì)影響到單片機(jī)系統(tǒng)了[8]。 2. 在電磁閥供電端跨接壓敏電阻抗干擾 壓敏電阻是一種非線性電阻性元件，它對(duì)外加的電壓十分敏感，外加電壓的微小變動(dòng)，其阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此電壓的微增量可引起大的電流增量。 壓敏電阻又分為碳化硅壓敏電阻、硅壓敏電阻、鍺壓敏電阻以與氧化鋅壓敏電阻，其中較為常用的是氧化鋅（ZnO）壓敏電阻，其電氣性能如圖3.11

51、所示。 圖3.11 氧化鋅壓敏電阻的電氣性能 從圖3.11中可以看出。壓敏電阻具有類似穩(wěn)壓管的非線性特性，在一般工作電壓（外加電壓低于臨界電壓值）下，壓敏電阻呈高阻狀態(tài)，僅有uA數(shù)量級(jí)的漏電流流過壓敏電阻，相當(dāng)于開路狀態(tài)。當(dāng)有電壓（當(dāng)電壓達(dá)到臨界值以上）時(shí)，壓敏電阻即迅速變?yōu)榈妥杩梗憫?yīng)時(shí)間為毫微秒數(shù)量級(jí)），電流急劇上升，電阻急劇下降，過電壓以過電電流的形式被壓敏電阻吸收掉，相當(dāng)于過電壓部分被短路。當(dāng)浪涌過電壓過后，電路電壓恢復(fù)到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)?？梢岳脡好綦娮璧纳鲜鎏匦詠砦崭鞣N干擾過電壓。由于ZnO壓敏電阻特性曲線較陡，具有漏電流很小、平均功耗小、溫升小、

52、通流容量大、伏安特性對(duì)稱、電壓圍寬、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于直流和交流回路中吸收不同極性的過電壓。 在本設(shè)計(jì)中的具體使用方法為將壓敏電阻并聯(lián)到電磁閥的供電電壓上，這樣，電磁閥開關(guān)所產(chǎn)生的浪涌過電壓就被壓敏電阻所吸收了。壓敏電阻的使用大大降低了電磁閥開關(guān)所造成的電磁干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的影響。 3.6 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，考慮到智能水表在使用過程中可能出現(xiàn)失電的情況。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該保存失電前的一些數(shù)據(jù)。比如，存儲(chǔ)用戶設(shè)定的水量系數(shù)N（轉(zhuǎn)/噸），累計(jì)用水總量和剩余水量等。而這些數(shù)據(jù)如果存儲(chǔ)在單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，單片機(jī)失電重啟動(dòng)后存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)消失了。為了完

53、成此功能，必須在單片機(jī)外部加一個(gè)E2PROM，完成這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中加入了I2C總線的E2PROM。 I2C總線簡(jiǎn)介：I2C總線由PHILIPS提出，是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。它通過SDA（串行數(shù)據(jù)線）與SCL（串行時(shí)鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件：不管是單片機(jī)、存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤接口。采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或IC器件，其部不僅有I2C接口電路，而且將部各單元電路按功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，通過軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接 。 其協(xié)議定義的I2C總線數(shù)據(jù)格式如下： 開始 7/10器件地址 R/

54、 ACK SUBADD ACK DATA ACK …… 停止 AT24C01是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM，它是含128×8位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)[2] [9]。在系統(tǒng)中，用AT24C01存儲(chǔ)用戶的設(shè)定水量轉(zhuǎn)數(shù)N、水表檢測(cè)脈沖數(shù)M、累計(jì)用水總量和剩余水量等。當(dāng)系統(tǒng)斷電以后，系統(tǒng)將把有用的信息保存在AT24C01中，使其不被丟失。其實(shí)際電路連接圖如圖3.12所示：電阻R24、R25為上拉電阻。由于我們只用一片E2PROM，所以A2=A1=A0=0。它的工作原理我們將在第四

55、章詳細(xì)介紹。 圖3.12　AT24C01與單片機(jī)接口電路 3.7IC卡與其接口電路的設(shè)計(jì) 下面簡(jiǎn)要介紹AT24C0X系列的IC卡的基本特性與引腳功能，并分析AT24C0X與AT89C205l單片機(jī)的在本設(shè)計(jì)中的具體接法。 3.7.1 基于AT24C0X系列的IC卡 AT24C0X系列IC卡是美國ATMEL公司生產(chǎn)的存儲(chǔ)式IC卡。產(chǎn)品型號(hào)有AT24C01/ 02/04/08/16/32/64，存儲(chǔ)容量分別為1kbits/2 kbits /4 kbits /8 kbits /16 kbits /32 kbits /64 kbits；2.5～5V低電壓供電；雙線串行接口；雙向數(shù)據(jù)傳送

56、；支持ISO/IEC7816-3同步協(xié)議；寫/擦除次數(shù)＞1 000 000次；數(shù)據(jù)保存期＞100年。它是目前國使用最多的IC卡之一。 AT24C0X系列IC卡的引出端符合ISO/IEC7816-2標(biāo)準(zhǔn)。C1：VCC，工作電壓；C3：SCL（CLK），串行時(shí)鐘；C5：GND；C7：SDA（I/O），串行數(shù)據(jù)（輸入/輸出）；C2，C6：NC，未接。IC卡引腳如圖3.13所示，其中引腳T，P為微動(dòng)開關(guān)的兩觸點(diǎn)。此微動(dòng)開關(guān)在無IC卡狀態(tài)時(shí)，處于斷開狀態(tài)；有卡插入時(shí)，IC卡卡座上的微動(dòng)開關(guān)動(dòng)合，因此，此開關(guān)往往是用來判斷是否插IC卡的傳感器件[2]。 圖3.13 IC卡示意圖 3.7.2 I

57、C卡的接口電路的設(shè)計(jì) 24系列為低功耗COMS E2PROM器件，使用單+5v電源，電源電壓圍為2.5～6V， 有高壓泵電路，寫入、擦除操作由部定時(shí)器自動(dòng)完成，具有擦除/寫入周期10萬次壽命和數(shù)據(jù)安全保存100年的有效期，二線串行接口，和各類微處理器接口十分簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的AT89C205l單片機(jī)與IC卡240X接口如圖3.14所示。圖中IC-CARD為標(biāo)準(zhǔn)IC卡座，其T、P端用作到位檢測(cè)開關(guān),將T端連接89C2051的外中斷輸入腳P3.3()。由于引腳T，P為微動(dòng)開關(guān)的兩觸點(diǎn)，所以，當(dāng)有IC卡插入時(shí)，微動(dòng)開關(guān)閉合，P1.5腳電平被拉低，單片機(jī)通過判讀P1.5腳，做好讀卡準(zhǔn)備，無卡時(shí)，

58、P1.5腳為高。P1.6、P1.7用作數(shù)據(jù)線(SDA)和時(shí)鐘線(SCL)，用軟件模擬時(shí)序的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的讀寫。當(dāng)有IC卡插入時(shí)，P1.5腳電平被拉低，單片機(jī)通過判讀P1.5腳，做好讀卡準(zhǔn)備，無卡時(shí)，P1.5腳為高。R19、R20、R21為限流電阻[2] [10]。 圖3.14 IC卡接口電路 3.8 人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì) 人機(jī)互交接口包括了報(bào)警電路與顯示電路的設(shè)計(jì)。下面具體給出了在本設(shè)計(jì)中采用的報(bào)警電路和顯示電路，并分析了它們的工作原理。另外，還對(duì)顯示電路在本系統(tǒng)中應(yīng)用的顯示原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 3.8.1 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警電路。當(dāng)剩余水量

59、不足、電池欠壓等情況下，都需要報(bào)警。本報(bào)警電路很簡(jiǎn)單，我們采用1個(gè)NPN型三級(jí)管，1個(gè)蜂鳴器和1個(gè)電阻組成。如下圖3.15所示，當(dāng)P1.4輸出一個(gè)高電平時(shí)，NPN型三級(jí)管Q4導(dǎo)通，蜂鳴器馬上得電發(fā)聲，產(chǎn)生報(bào)警[11]。 圖3.15 報(bào)警電路 3.8.2 顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示電路作為水表的輸出接口，顯示剩余水量、用水總量等信息。它們的有效工作時(shí)間都比較短。用戶看完后，沒有必要讓它一直顯示；為此，可水表上裝一個(gè)開關(guān)按鈕提供信號(hào)。即按一下按鈕時(shí)，水表開始顯示剩余水量；再次按下按鈕時(shí)，水表顯示用水總量；再次按下按鈕時(shí)，水表顯示關(guān)閉。如顯示10s后，按鈕沒有動(dòng)作，亦使它們停止工作，從而達(dá)到節(jié)

60、電的目的。 在小型的控制系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼管作為顯示器件。LED數(shù)碼管的顯示方式通?？煞譃?種：靜態(tài)方式和動(dòng)態(tài)方式。靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點(diǎn)是亮度高、沒有閃動(dòng)、穩(wěn)定，缺點(diǎn)是功耗大、占PCB面積大、成本高。為了在人機(jī)對(duì)話設(shè)計(jì)中降低硬件成本，節(jié)約單片機(jī)的I/O口資源，我們采用將通過串行動(dòng)態(tài)掃描，即位碼和段碼交替發(fā)送的方式設(shè)計(jì)了一種新穎的顯示模塊，經(jīng)調(diào)試，效果良好。 圖3.16 串口顯示電路圖 顯示電路的具體電路如圖3.16所示。它由單片機(jī)AT89C2051，2片74HC164，6個(gè)LED數(shù)碼管，6個(gè)220歐姆左右的限流電阻組成。74HC164是8位串入并出移位寄存器。它的每一個(gè)輸出管腳

61、具有+/-20mA的驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于小型LED數(shù)碼管，還要串聯(lián)200～360Ω的限流電阻。本設(shè)計(jì)提出的動(dòng)態(tài)顯示電路采用2片74HC164，可以驅(qū)動(dòng)1～8只共陰極數(shù)碼管，這里我們采用6位顯示。其中一片U3作為段碼驅(qū)動(dòng)，另一片U1作為位碼驅(qū)動(dòng)。2片74HC164采用級(jí)聯(lián)方式連接，只占用單片機(jī)AT89C2051的2個(gè)I/O端口。位碼驅(qū)動(dòng)U1的數(shù)據(jù)輸入端口、時(shí)鐘輸入端口分別連接AT89C2051的RXD和TXD端口。段碼驅(qū)動(dòng)U3的數(shù)據(jù)輸入端口、時(shí)鐘輸入端口分別連接位碼驅(qū)動(dòng)U1的Q7和AT89C2051的TXD端口。選擇AT89C2051的串行口方式為0方式，即移位寄存器方式。如果要求在6位LED數(shù)碼管的

62、最低位顯示一個(gè)字符時(shí)，首先從DMbufer中取出要顯示的數(shù)，通過譯碼表譯出這個(gè)字符的段碼值并將段碼值寫入U(xiǎn)3中。根據(jù)這個(gè)字符在LED、顯示器的位置(這里為最低位)。確定它的位碼值是FEH(1111 1110)將位碼值寫入WMbuffer中(注意：段碼驅(qū)動(dòng)U3為高電平有效、位碼驅(qū)動(dòng)U1為低電平有效)。在顯示程序中，首先將位碼值寫入串行數(shù)據(jù)寄存器(SBUF)。在AT89C2051TXD端口的時(shí)鐘作用下，AT89C2051RXD端口送出這個(gè)字符的位碼值到段碼驅(qū)動(dòng)U3。當(dāng)AT89C2051送完一個(gè)字節(jié)的位碼值后，發(fā)送中斷標(biāo)志位TI置位。檢測(cè)到TI=1后，清零TI，接著將段碼寫入SBUF，AT89C20

63、51再送段碼值到段碼驅(qū)動(dòng)B，同時(shí)段碼驅(qū)動(dòng)U3的位碼值被送入位碼驅(qū)動(dòng)U1中，延時(shí)2ms，即可顯示這個(gè)字符了。如果要求在低二位顯示第2個(gè)字符，則WMbufer(1111 1110)不帶進(jìn)位位左移一位(1111 1101)并送WMbufer。再通過譯碼表取得第2個(gè)字符的段碼值送入U(xiǎn)3，重復(fù)上述過程即可。以上過程循環(huán)N次，即可完成1～6位字符的顯示工作。在主程序中循環(huán)調(diào)用顯示程序，反復(fù)掃描LED數(shù)碼管，使之達(dá)到近似靜態(tài)的顯示效果[5][12][13]。 3.9 電源的設(shè)計(jì) 電源是電路部分的動(dòng)力源，象是飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，人的心臟。電源的質(zhì)量如何直接決定電路是否能正常工作。在本設(shè)計(jì)中，我們采用的是外接3節(jié)

64、5號(hào)電池供電。為了保證系統(tǒng)的正常工作與其安全性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套可行的電池能量檢測(cè)方案和備用電源方案。下面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 3.9.1 電池能量的檢測(cè) 如果想要做出合理的電源管理方案，就需要單片機(jī)能夠隨時(shí)檢測(cè)電路中電池的能量(具體表現(xiàn)是實(shí)際的電壓值)。但是在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)判別電池的能量，由于不用象手機(jī)那樣隨時(shí)顯示電池的容量，根據(jù)水表的特殊性，只要檢測(cè)到一個(gè)固定值，給用戶一個(gè)報(bào)警提示就可以了，這個(gè)電量值的選擇需要滿足一個(gè)量，即讓用戶再有三天的余量，加上關(guān)閥電量就可以了。 低電壓檢測(cè)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)來講是個(gè)十分重要的問題，它在某種程度上起到了保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，避免數(shù)據(jù)出錯(cuò)的作用，智能水表的設(shè)計(jì)

65、中同樣如此。具體地講，應(yīng)該在系統(tǒng)掉電到一個(gè)門限電壓（該門限電壓應(yīng)高于CPU的最低運(yùn)行電壓）時(shí)，通過相應(yīng)的電壓檢測(cè)電路把信號(hào)傳遞給CPU，CPU與時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件復(fù)位。電壓檢測(cè)器可以選用合泰公司的HT70XX系列產(chǎn)品，此產(chǎn)品價(jià)位較低，而且規(guī)格十分齊全。在這里我們選用芯片HT7039來監(jiān)視系統(tǒng)供電電平Vcc，它對(duì)電壓變化十分敏感，在Vcc大于3.9V時(shí)，芯片輸出高電平，當(dāng)Vcc低于3.9V時(shí)，芯片輸出馬上變?yōu)榈碗娖?，從而可以迅速的判斷系統(tǒng)是否掉電。系統(tǒng)除了有靈敏的電源監(jiān)控之外，還可以采用3.6V的鋰電池作為后備電源來支持閥的動(dòng)作，在正常工作時(shí)，鋰電池不參與供電，僅在掉電后提供閥工作的電源，以保證掉

66、電后的一系列正常動(dòng)作[14]。 3.9.2 超級(jí)電容的應(yīng)用傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開啟和關(guān)斷時(shí)，普遍采用的方法是裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此，由于智能水表都沒有設(shè)計(jì)再充電電路，鋰電池使用到一定時(shí)間后，將無法為控制電路提供能量，不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表，這對(duì)于水表生產(chǎn)廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事情。更危險(xiǎn)的是，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機(jī)的，如果不精確和與時(shí)的監(jiān)測(cè)電池電量，將無法可靠地關(guān)斷水閥，造成無法計(jì)費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點(diǎn)，直接影響到它的推廣和使用。針對(duì)這一問題，水表生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態(tài)時(shí)控制漏電流在10μA以，保證電池可以連續(xù)使用5年以上，這對(duì)電路的設(shè)計(jì)和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設(shè)計(jì)難度和成品檢測(cè)的工序，如加上可靠的電池電量監(jiān)測(cè)電路，也會(huì)使成本增加。 為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問題，已有不少廠家嘗試了一種全新的方案，那就是用超級(jí)電容（Super-Capacitor）代替鋰電池應(yīng)用于智能水表。超級(jí)電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件，