IC卡智能水表設計

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1、基于單片機的IC卡智能水表控制系統(tǒng)設計 第1章 緒 論 本章介紹了本研究課題的背景及意義，闡述了其發(fā)展狀況。對當前水資源形勢、傳統(tǒng)水表和IC卡智能水表的特點及其水表的未來發(fā)展趨勢作了概況。另外，簡要說明了本文所做的工作。 1.1 本研究課題的背景及意義 環(huán)境與發(fā)展，是當今國際社會普遍關注的重大問題，保護環(huán)境是全人類的共同任務。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，對一個國家的生存和發(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生產(chǎn)就不能發(fā)展。 目前，我國的水資源問題十分嚴峻。在

2、我國600多個城市中，目前有400多個城市供水不足，其中嚴重缺水的城市有110個，城市年缺水總量達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，這個數(shù)字僅相當于世界人均水資源占有量的四分之一。專家預測，當我國人口增至16億時，人均水資源將下降到1750立方米，接近國際公認的水資源緊張標準。從長遠來看，搞好水資源的管理具有重大而深遠的意義。自來水事業(yè)作為用水資源的重要組成部分，它關系到人民生產(chǎn)和生活的各個方面。 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的。目前，這種經(jīng)

3、營方式已越來越不適應社會主義市場經(jīng)濟發(fā)展的要求，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，然后由收費員到各家收費或令各用戶去銀行（或其他指定地點）交費。這種傳統(tǒng)收取水費的做法需要的工作人員多，費時費力，效率低，常常遇到用戶欠繳、遲繳或漏繳水費等問題。為適應國家對用水制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術對自來水實行自動監(jiān)控，減輕供水部門因“先供水后收費”造成的資金壓力，減少每月抄表收費帶來的麻煩和因收費問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代化科學技術手段改變自來水供水管理體制的落后現(xiàn)狀勢在必行。 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人

4、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，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、現(xiàn)代傳感技術、智能IC卡技術對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結算交易的新型水表。這與傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機械指針顯示用水量的功能相比，是一個很大的進步。IC卡智能水表除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量自動進行控制，同時可以進行用水數(shù)據(jù)存儲的功能。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結算通過IC卡進行，因而可以實現(xiàn)由工作人員上門操表收費到用戶自己去營業(yè)所交費的轉變。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計算準確，可利用銀行進行結算的特點。 IC卡智能水表及

5、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卡智能水表進行交易結算，不但實現(xiàn)了用水收費的電子化，而且還改變了先用水后收費的不合理狀況，使的供水部門能預先收取部分費用，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、使用壽命長及安全性好等優(yōu)點，可提高居民用水收費的管理水平，確保供水部門能及時收取水費。因此，IC卡智能水表成為相關科研單位關注的重點，具有很好的經(jīng)濟效益與社會效益[1] [2]。 1.2 本研究課題的發(fā)展趨勢 隨著微電子技術的快速發(fā)展，加上國家相關政策的推動，民用計量儀表的智能化將是一個必然的發(fā)展方向。這不僅是中國的一種趨勢，也將成為世界性的趨勢。而在近十年里，

6、單體式智能IC卡類儀表又將會是發(fā)展主流。 從理論上說，網(wǎng)絡式智能儀表系統(tǒng)應當是更好的一種計量管理模式，并且是最終發(fā)展方向。但是目前，由于網(wǎng)絡式智能儀表系統(tǒng)的建立條件不成熟，且沒有相關系統(tǒng)相配合，所以，單獨在一個部門大規(guī)模推動建立網(wǎng)絡式智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)點顯現(xiàn)不出來。而且，僅僅為了提取用水信息就要構建一個信息網(wǎng)絡，從經(jīng)濟角度講也不合算。 　　建立網(wǎng)絡式智能儀表信息系統(tǒng)的理想模式應當是，由公共網(wǎng)絡部門建立起社會化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，而要使用這個網(wǎng)絡的具體部門只要向其進行申請，將自己行業(yè)的智能計量終端掛接上去就可以了。同時，這種網(wǎng)絡式智能儀表管理系統(tǒng)又與個人金融網(wǎng)絡系統(tǒng)結合使用。這種網(wǎng)絡系統(tǒng)，應當

7、才是好的和有效率的網(wǎng)絡系統(tǒng)。顯然，整個社會現(xiàn)在正在努力推進著網(wǎng)絡化的工作，在可以預見的時間里，這種把千家萬戶連接起來的網(wǎng)絡系統(tǒng)就會逐步形成。所以，既然整個社會正在進行著這種工作，那么，每個部門為了自己行業(yè)的一種特別目的去建立自己單獨的網(wǎng)絡，顯然將與這種可以面向社會提供各種接入服務的網(wǎng)絡系統(tǒng)相沖突，并且根本不可能有經(jīng)濟優(yōu)勢，既然這樣，現(xiàn)在進行的小行業(yè)小區(qū)域組網(wǎng)工作就是一種浪費，而且對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)絡化管理模式是否會發(fā)生沖突呢，我的看法是不會，相反，還會促進網(wǎng)絡化管理模式的形成。因為，單體式智能儀表模式與將

8、來的網(wǎng)絡模式并不矛盾。因為不管什么網(wǎng)絡模式，最終必須要有智能終端與其進行聯(lián)結?，F(xiàn)在采用的單體式智能儀表將來就可以作為網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的智能儀表終端。所以，它們不是一種沖突關系，而是一種相承關系。如果現(xiàn)在就能充分意識到這一點，并尋找合理的技術方案，在將來實現(xiàn)網(wǎng)絡化時就會占有主動的地位。 　　根據(jù)以上的分析，我認為，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)時需求并具有主流特征的。當然，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IC卡智能水表的發(fā)展，全國有許多研究機構投入力量對IC卡類智能產(chǎn)品進行了開發(fā)研究，很多自來水公司也積極參與了此項開發(fā)工

9、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)進入了成熟期。但是，為什么現(xiàn)在IC卡智能水表的推動工作還很困難呢？這不難理解。因為從實際情況看，現(xiàn)在的IC卡智能水表確實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. 價格太高；2. 質量不可靠；3. 存在安全隱患。 隨著科學技術的不斷發(fā)展， IC卡智能水表將會不斷發(fā)展完善。比如，現(xiàn)在這種在老式水表上取信號的模式，將會由先進的水流量信號提取裝置代替，機械計量和機械顯示部分會被淘汰，而表和閥將會集中在一體等等?？偟恼f來，IC卡智能水表是一種先進的計量儀表，對這種先進儀表的大規(guī)模推廣使用將會有力促進中國供用水管理的

10、現(xiàn)代化進程。中國在這個方面的超前發(fā)展會使這種計量模式得到優(yōu)先完善，并有可能成為中國的一個有競爭力的產(chǎn)品出口到其它國家[2][3]。 1.3 本文的工作 詳細分析課題任務，對IC卡智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，并對現(xiàn)代傳感器技術、IC卡技術和智能水表控制的原理進行了深入的研究，并將其綜合。然后根據(jù)課題任務的要求設計出實現(xiàn)控制任務的硬件結構及其原理圖和相關軟件程序，并進行訪真調試。下面對本設計的主要研究工作做個簡述。 1. 根據(jù)設計要求，提出幾種方案，對它們進行了全面的論證； 2. 根據(jù)系統(tǒng)需要，合理選擇微處理器，并且詳細地闡述了它的基本功能特性； 3. 介紹了相關現(xiàn)代傳感技術，選擇

11、出信號采集的最佳方案； 4. 根據(jù)低功耗要求，對電磁閥的選擇與設計進行了深入的研究； 5. 詳細分析了E2PROM的工作原理； 6. 對IC卡技術做了簡明扼要的分析，并對其軟件的讀寫原理進行了詳細的討論； 7. 應用LED顯示技術，可隨時查詢累計用水總量、可用水量； 8. 改進了普遍應用電源方案，詳細地介紹了超級電容技術及其在本設計中的應用； 9. 對整個系統(tǒng)的軟、硬件進行了深入的分析，并且繪制了相關硬件電路圖、軟件流程圖，還編寫了相關軟件程序。 第2章 設計思想與方案論證 本章對智能水表的設計思想做了詳細的介紹，并在設計思想的基礎上提出了三種智能水表的設計方案，還針對

12、它們各自的工作原理和優(yōu)缺點進行了簡要分析。最終確定為采用基于AT89C2051單片機的IC卡智能水表方案。 2.1 設計思想 智能水表區(qū)別于傳統(tǒng)的人工抄表就是應該具有一定的智能控制功能。針對目前供水部門與用戶的實際情況，本設計對智能水表應該具有的功能提出了以下設計思想： 1. 統(tǒng)計功能：當用戶插入有效卡時，將購買水量與剩余水量自動相加，并且存入E2PROM以防丟失；當用戶用水時，將剩余水量與用水量自動相減，并且存入E2PROM以防丟失。 2. 自動供停水功能：當剩余水量為0時，自動關閉閥門；購水后，閥門開啟。 3. 顯示功能：采用6位LED顯示，可隨時查詢累計用水總量及可用剩余水量。

13、 4. 報警功能：當剩余水量減少到一定量時，報警提示用戶購水。 　　5. 掉電自動保護數(shù)據(jù)功能：掉電后，數(shù)據(jù)依然可以被保存。當恢復供電后，數(shù)據(jù)自動恢復。 6. 一戶一卡的功能：通過設立用戶信息和用戶校驗碼的方式實現(xiàn)一戶一卡。即一個水表只能使用一個用戶專用卡，插入其他卡片無效。 　　7. 欠電自動關閉系統(tǒng)的功能：當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，水表應會自動將閥門關閉并使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，并報警提示。 　　8. 防拆卸功能：在表體和接頭管件上設置鉛封口并可進行防偽鉛封處理，以防止隨意拆卸水表的行為。即使被拆卸后，單片機立即關閉閥門，以防偷水。

14、 2.2 方案比較 針對上述設計思想，提出了三種智能水表的設計方案。下面對它們的工作原理及其優(yōu)缺點進行了簡要地分析。 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，經(jīng)采集器對脈沖信號進行采集、累加、存儲和數(shù)據(jù)上傳。 優(yōu)點：發(fā)訊式集抄系統(tǒng)目前在國內已普遍采推廣應用方便,價格較低，只要生產(chǎn)廠商、系統(tǒng)集商嚴格把好每一環(huán)節(jié)的質量關，且發(fā)訊不隨時間產(chǎn)生疲勞損傷，此系統(tǒng)不失為一種可供選擇的、適于一定歷史時期的過渡產(chǎn)品。 缺點：(1) 初始化及維護工作量大；(2) 磁鐵強磁場干擾；(3) 電能耗費。 2. 方案二：基于CAN總線的智能水表自動抄收

15、系統(tǒng) 工作原理：自動抄收系統(tǒng)主要由小區(qū)管理中心計算機(主控機)、水表數(shù)據(jù)采集器、采集服務器、中繼站等幾個部分組成，是一種智能化多用戶能耗集中自動抄收系統(tǒng)。其原理是將原能耗計量表的流量轉換為脈沖信號，經(jīng)信號傳輸線至系統(tǒng)總線，由接口電路通過有線傳輸或主機直接抄讀，最后經(jīng)微機管理，實現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)的自動處理。 優(yōu)點：CAN現(xiàn)場總線的方式來傳送數(shù)據(jù)，以克服市場已有傳送方式所存在的不足之處，其傳送方式可實現(xiàn)10公里范圍的小區(qū)抄收工作，同時性能比同類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。采用點對點、一點對多點、全局廣播等幾種方式，數(shù)據(jù)收發(fā)靈活，可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，且無主從機之分，便于實現(xiàn)設備異常主動報警。節(jié)點故障自動關閉，不

16、影響網(wǎng)絡性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且不關閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點，方便了系統(tǒng)的調試和維護。 缺點：前期經(jīng)濟投入太多，需要大量的專業(yè)網(wǎng)絡維護人員，維護工作量大。設計過于復雜，太難，且不容易實現(xiàn)[4]。 3. 方案三：基于89C2051單片機的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)來自動開關閥門(供水或停水)，由用戶到自來水公司網(wǎng)點先預購買水量，再將用水量通過IC卡輸入表中控制系統(tǒng)，等水量用盡即自動關閥并中斷水的供應，報警器在設定水量用完之前會自動報警以提醒用戶購水，達到“先買水、后用水”的目的。 優(yōu)點：在用戶不繳費的情況下可自動斷

17、水，有效控制收費單位的資金回籠，不需要人工上門抄表、收費，減少抄表員。 缺點：(1) 電磁閥在長期開啟狀態(tài)下由于水垢和水中雜質而影響閥門關閉，使用戶在不繳費的情況下繼續(xù)用水，而收費單位還一無所知，一旦發(fā)現(xiàn)也無法向用戶追繳多用水費；(2) IC卡表也是由發(fā)訊脈沖進行累加計量，如果人為強磁干擾或強電瞬間電擊，也會造成芯片損壞，從而無法計量；(3) 鋰電池在長期使用中是否能達到設計年限還有待考證，到期后由誰負責更換是個問題。 隨著微電子技術、現(xiàn)代傳感器技術的快速發(fā)展，以上該方案的缺點我們通過可行的具體方案基本可以解決了。該方案所設計的IC卡智能水表主要由開關閥門控制模塊、流量采樣模塊、微處理器、

18、電源模塊、IC卡讀寫模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊、顯示模塊等組成[2]。 2.3 方案選擇 從投入成本來看，方案二需要建立一整套的網(wǎng)絡系統(tǒng)，所需設備多，前期所需經(jīng)濟投入最大，方案一次之，方案三最低。 從設計的難易程度來看，方案三融合了微電子技術、現(xiàn)代傳感器技術、IC卡技術等，這些技術都已經(jīng)相當成熟，最容易實現(xiàn)，方案二最難，方案一次之。 從維護成本來看，方案二是由一個專用的網(wǎng)絡系統(tǒng)組建而成，需要專業(yè)的網(wǎng)絡技術維護人員，它的維護成本最高，方案一次之，方案三最低。 從長期效益來看，隨著技術的成熟，社會各行各業(yè)網(wǎng)絡化進程的加速，方案二必定是今后的發(fā)展趨勢，它所達到的效益最佳，方案三次之，方案一最差。

19、 綜合考慮以上三種方案，根據(jù)現(xiàn)在的各種實際情況、現(xiàn)有技術水平和設計要求，我們選擇了第三種方案基于89C2051單片機的IC卡智能水表系統(tǒng)來進行設計。 第3章 IC卡智能水表的硬件設計 本章是本文的核心內容，主要介紹的是系統(tǒng)硬件部分的設計。我們采用了模塊化的設計方法，針對系統(tǒng)的工作原理和各個硬件模塊的原理和電路進行了具體的介紹。還對各種器件的選擇（如微處理器、傳感器等）做了詳細的分析。 3.1 主系統(tǒng)的構成 根據(jù)設計要求，所要設計的系統(tǒng)除了解決最基本的正常供水還應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

20、、流量傳感器、信號處理模塊、IC卡接口電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲電路、顯示電路、報警電路、電源模塊、電磁閥驅動電路以及其他輔助電路。所有模塊的設計均考慮了低功耗的要求，本系統(tǒng)采用外接3節(jié)5號電池供電，內部采用超級電容作為備用。系統(tǒng)時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卡至收費工作站交費購水，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，卡表內單片機識別IC卡密碼并確認無誤后，將卡中購買水量與表內剩余水量相加后，

21、寫入卡表內存儲器，同時必須將IC卡內購水值清零。當用戶用水時，由流量傳感器采進來的信號以脈沖形式觸發(fā)單片機的外部中斷，換醒單片機，進行用水處理。 用戶在用水過程中，卡表內剩余水量相應減少。當剩余水量低于一定量，如5m3，卡表報警提示用戶購水。當E2PROM中存儲的水量用完時，單片機自動關閉電磁閥。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，閥門也會關閉[2]。 3.2 微處理器 微處理器是本設計中的核心器件。我們一般都選用單片機來進行控制。下面給出了對它的選型與功能介紹。 3.2.1 單片機的選型 單片機的選型從以下幾個方面考慮： 1. 單片機的系統(tǒng)適應

22、性 適應性指單片機能否完成應用系統(tǒng)的控制功能，它主要從以下幾個方面體現(xiàn)。 (1) 單片機的CPU是否有合適的處理能力。 (2) 單片機是否有系統(tǒng)所需要的I/O端口數(shù)。 (3) 單片機是否含有系統(tǒng)所需的中斷源和定時器。 (4) 單片機片內是否有系統(tǒng)所需的外接口。 (5) 單片機的極限性能是否能夠滿足要求。 2. 單片機的市場供應情況 3. 單片機的可開發(fā)性 本設計系統(tǒng)至少需要14個I/O端口數(shù)，其中需要2個外部中斷源，一個全雙工串行通信口，需要2K字節(jié)可重擦寫程序存儲器。 結合上述選型依據(jù)，雖然其通用的80C51系列的單片機具有電源電壓適應范圍寬、抗干擾能力和驅動能力強、價格

23、便宜等特點。然而對本設計來說，根據(jù)其系統(tǒng)所要應用的需要：主要是其應用的引腳、應用所需要的容量以及在制作過程中所要考慮的體積、價格及供應等因素。顯然AT89C2051單片滿足I/O端口數(shù)、所需要的容量等要求。AT89C2051單片機與80C51單片機相比具有體積小、價格低等優(yōu)點。同時AT89C2051單片機和80C51單片機是完全兼容的，它與80C51的顯著區(qū)別在于它內部有一個閃存。另外考慮到在調試過程中實驗器材的現(xiàn)實情況，本設計系統(tǒng)將選用AT89C2051單片機作為主控芯片。 3.2.2 單片機AT89C2051簡介 AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單

24、片機，片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（Flash）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲的技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。 功能特性概述： AT89C2051提供以下標準功能：2K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，15個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩極中斷結構，一個全雙工串行通信口，內置一個精密比較器，片內振蕩器及時鐘電路。同時，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

25、作，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 圖3.2是AT89C2051的引腳結構圖，有雙列直插封裝（DIP）方式和方行封裝方式。 圖3.2 AT89C2051的引腳圖 3.2.3 晶振與復位電路的設計 單片機內部帶有時鐘電路，因此，只需要在片處通過XTAL1、XTAL2引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 振蕩器的工作頻率一般在1.2～12MHz之間，當然在一般情況下頻率越快越好?？梢员ＷC程序運行速度即保證了控制的實時性。一般采用石英晶振作定時控制元件；在

26、不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振；有時也可以引入外部時脈信號。 C1、C2雖然沒有嚴格要求，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。在設計電路板時，晶振，電容等均應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。 在本設計中，我們采用的外接晶振頻率約6MHz，因此機器周期約2μs。 RESET引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩脈沖周期（即兩個機器周期）以上。如使用頻率為6MHZ的晶振，則復位信號持續(xù)時間應超過4μs才能完成復位操作。產(chǎn)生復位信號的電路圖如下所示[5]。 圖3.3　復位電路和時鐘電路 3.3 傳感

27、器的選擇 轉化基于傳統(tǒng)水表流量檢測原理，在本設計中采用將傳統(tǒng)的機械轉動計量方式轉化為電脈沖信號的方案。因此，需要找到一種可以將機械位移為電脈沖信號的傳感器。 3.3.1 霍爾接近開關傳感器 集成式霍爾開關傳感器是基于霍爾效應原理，當霍爾效應片垂直于磁場時，對霍爾效應片施加控制電流時，在垂直于電流和磁場方向上就產(chǎn)生電動勢，稱之為霍爾電動勢。由霍爾片和處理電路構成了集成化霍爾開關傳感器，其基本原理是將由霍爾效應片所產(chǎn)生的電動勢由內部差分放大器進行放大，然后被送往施密特觸發(fā)器。當外加磁場的強度小于霍爾開關的磁場工作強度時，差分放大器的輸出電壓不足以開啟施密特觸發(fā)器，霍爾開關處于關閉狀態(tài)。當外加

28、磁場的強度大于霍爾開關的磁場工作強度時，差分放大器的輸出電壓達到或大于施密特觸發(fā)器的開啟電壓閾值，霍爾開關處于開啟狀態(tài)。 集成式霍爾開關傳感器的主要優(yōu)點是：可靠性強、抗干擾性能好、溫度特性優(yōu)良、電源電壓范圍寬、輸出電流能力強、兼容性好、能與CMOS集成電路直接接口，動作響應時間短以及體積小巧、壽命長和使用方便等。 但是，從對上述對霍爾開關傳感器的原理描述中可以看出，霍爾開關傳感器中必須對霍爾效應片輸入控制電流、同時其內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傳感器耗電為mA級，因此，霍爾開關傳感器不適合應用在本低功耗設計中。 3.3.2 光電檢測傳感器

29、 當光照射在半導體材料的PN結上時PN結的兩側將產(chǎn)生光生電動勢，如外部用導線連接，將有光電流流過，通常的光電檢測傳感器都是基于這一原理。 目前的光電檢測傳感器就是利用上述原理，以光電二極管為例，把發(fā)光二極管和光電二極管相對放置便組成了光電檢測電路，當被檢測物體通過二者之間時，由于光電二極管所接受的光的強度發(fā)生變化，其產(chǎn)生的光電動勢也發(fā)生變化，將這種變化進行放大和處理，就能產(chǎn)生反映有無物體通過二者之間的電壓脈沖信號。 然而，由于在此結構中必須用到發(fā)光二極管（對于不需要發(fā)光二極管的光電檢測傳感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到環(huán)境光線變化的影響，可靠性和檢測精確度較低），因

30、此，其功耗電也較高，不宜用在本低功耗設計中。 3.3.3 Wiegand(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)檢測線圈，將其纏繞在Wiegand線上，或放置在Wiegand線附近；(3)磁鐵。常用結構示意如圖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，由外殼和內芯組成，如圖3.5所示。在強磁場的作用下，內芯與外殼有相同的磁極性。將Wiegand線放在與線芯極性相反的外部弱磁場附近，能使線芯的極性發(fā)生改變，線放在與

31、線芯極性相反的外部弱磁場附近，能使線芯的極性發(fā)生改變，而外殼的極性不變。隨著外磁場強度的增加，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出極性的轉換，并產(chǎn)生電壓脈沖輸出。通常Wiegand線與檢測線圈是裝配在一起構成Wiegand組件。 3. Wiegand傳感器工作方式 根據(jù)Wiegand線外部磁場引入的方式不同，Wiegand傳感器有兩種驅動方式：非對稱驅動方式和對稱驅動方式。非對稱驅動方式開始把Wiegand組件置于一種稱為滲透磁場的強磁場中，此時Wiegand線的外殼和內芯按同一方向極化，如圖3.6(a) 所示；再把組件置于一種稱為復位磁場的弱磁場中，此時

32、內芯的極性反向,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中，Wiegand線內芯與外殼的極性又恢復到圖3.6(a)的情況，由于Wiegand線中磁場的變化，導致在檢測線圈中一個周期內產(chǎn)生單一方向的電壓脈沖，如圖3.6(c)所示。 圖3.6 非對稱驅動方式 在對稱驅動方式中，采用兩塊磁場強度大小相等但極性相反的磁鐵，一塊磁鐵首先將Wiegand線的外殼和內芯按同一方向進行滲透，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，這一作用在檢測線圈中產(chǎn)生一個方向的電壓脈沖輸出，如

33、圖3.7(c) 所示；接著，再將Wiegand線轉回到第一塊磁鐵，首先內芯的極性改變?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]。 圖3.7 對稱驅動方式 4. WG系列韋根傳感器原理及其特點 WG系列韋根傳感器是利用韋根效應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的激勵下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉，從而在檢測線圈中感生出電信號，實現(xiàn)磁電轉換。 它具有以下特點： (1) 傳感器工作時無須使用外加電源，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

34、。 (2) 使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式，觸發(fā)磁場極性變化一周，傳感器輸出一對正負雙向脈沖電信號，信號周期為磁場交變周期。 (3) 輸出信號幅值與磁場的變化速度無關，可實現(xiàn)“零速”傳感。 (4) 無觸點、耐腐蝕、防水，壽命長。 (5) 利用電話線、同軸線可實現(xiàn)電信號遠傳。 由于WG系列韋根傳感器具有以上的眾多的特點，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計的傳感器。在這里，我們選擇了南京艾馳電子科技有限公司的WG系列韋根傳感器產(chǎn)品，其型號為WG101。具體使用方法為：在水表的計量齒輪上安裝小磁鋼，當用戶用水，齒輪轉動，小磁鋼將會轉過Wiegand絲傳感器，這時傳感

35、器產(chǎn)生一個高電平脈沖信號，經(jīng)過整形、放大處理后輸入至單片機進行計數(shù)計量。選擇此傳感器作輸入信號測量的傳感器，既滿足了準確計量的基本要求，又滿足了低功耗設計的需要，是本低功耗設計的重要組成部分。 3.4 信號處理模塊的設計 WG系列WG101韋根傳感器所產(chǎn)生的正向脈沖信號一般為1V～2V之間。為了保證系統(tǒng)能更加穩(wěn)定的工作，必須對傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號進行放大、整形處理。我們采用下面的一個簡單電路（如圖3.8所示）可以很好的達到脈沖信號的放大、整形作用。經(jīng)過處理后的電平信號，送單片機的外部中斷（P3.2）進行計數(shù)處理。當計滿N（N表示為設定的轉數(shù)值），用水總量加1，剩余水量減1（“1”

36、在本設計中代表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（即對稱驅動方式），當水表葉輪轉動一周，觸發(fā)磁場極性變化一周，韋根傳感器輸出一對正負雙向脈沖電信號。當韋根傳感器輸出為正向脈沖時，NPN管導通，脈沖檢測信號W_IN輸出為高電平；當韋根傳感器輸出為負向脈沖時，NPN管截止，脈沖檢測信號W_IN輸出為低電平。即水表葉輪轉動一周，脈沖檢測信號W_IN存在一個由高到低的跳變。由于我們設定外部中斷（P3.2）為跳變觸發(fā)方式，即電平發(fā)生由高到低的跳變時觸發(fā)。因此，水表葉輪轉動一周，外部中斷產(chǎn)生一次中斷[5]。 圖3.8 信號處理電路圖 3.5 電磁閥的選擇與設計

37、 對于水表而言，閥門是被控對象，控制著進水的開/關狀態(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/關的，即要讓閥門一直關著，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，必須對現(xiàn)有電平開關式電磁閥進行改進，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開/關控制由電脈沖來實現(xiàn)。使得對閥門開/關只需瞬時供電，從而減少耗電量。在這里我們選擇：執(zhí)行機構采用繼電器HRS2H-S-DC3V，驅動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)，驅動機構不消耗電能，只有當購買的噸位數(shù)用完時，才由固態(tài)繼電器驅動電磁閥關閉開

38、關，并自鎖于常閉狀態(tài)，重新購水插卡后，再次送電開啟。 當水量為零時，控制閥自動關閉，水路即被切斷，此時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)，只有當特殊事件發(fā)生時，控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P閉狀態(tài)。三種事件狀態(tài)下控制閥的通斷情況如圖3.9所示[7]。 圖3.9 控制閥的關斷情況 值得注意的是，由于繼電器和脈沖開關電磁閥都是較大容量的感性負載，因而在切斷這些感性負載時，會產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪聲干擾，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)中必須設計相應的抗干擾電路來消除此電磁干擾，本系

39、統(tǒng)所采用的抗干擾措施主要有以下兩點： 1. 采用光電耦合器進行隔離(如圖3.10所示) 當P1.1輸出為高電平時候NPN管Q1導通，在光電耦合器SW-GD（型號為4N25）中的發(fā)光二級管發(fā)光，三級管導通。此時，電阻R10上就存在一個高電平使NPN管Q1導通。繼電器即得電產(chǎn)生動作。D1為續(xù)流保護的作用。 圖3.10 光電耦合器隔離電路 從圖3.10中可以看出，單片機控制的I/O口和繼電器控制端口之間用光電耦合器進行了隔離，這樣，由于繼電器通斷所造成的電火花和電弧就不會影響到單片機系統(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

40、外加的電壓十分敏感，外加電壓的微小變動，其阻值會發(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、鍺壓敏電阻以及氧化鋅壓敏電阻，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)量級的漏電流流過壓敏電阻，相當于開路狀態(tài)。當有電壓（當電壓達到臨界值以上）時，壓敏電阻即迅速變?yōu)榈妥杩梗憫獣r間為毫微秒數(shù)量級），電流急劇上升，電阻急劇下降，過電壓以

41、過電電流的形式被壓敏電阻吸收掉，相當于過電壓部分被短路。當浪涌過電壓過后，電路電壓恢復到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復到高阻狀態(tài)。可以利用壓敏電阻的上述特性來吸收各種干擾過電壓。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、通流容量大、伏安特性對稱、電壓范圍寬、體積小等優(yōu)點，可廣泛用于直流和交流回路中吸收不同極性的過電壓。 在本設計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所造成的電磁干擾對單片機系統(tǒng)的影響。 3.6 片外數(shù)據(jù)存儲器的設計 在系統(tǒng)的設計過程中，考慮到智

42、能水表在使用過程中可能出現(xiàn)失電的情況。當這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)應該保存失電前的一些數(shù)據(jù)。比如，存儲用戶設定的水量系數(shù)N（轉/噸），累計用水總量和剩余水量等。而這些數(shù)據(jù)如果存儲在單片機的數(shù)據(jù)存儲器中，單片機失電重啟動后存儲的相關數(shù)據(jù)已經(jīng)消失了。為了完成此功能，必須在單片機外部加一個E2PROM，完成這些數(shù)據(jù)的存儲。本設計系統(tǒng)中加入了I2C總線的E2PROM。 I2C總線簡介：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）及SCL（串行時鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件：不管是單片機、存儲器、LCD驅動器還是鍵盤

43、接口。采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內部不僅有I2C接口電路，而且將內部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現(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/ ACK SUBADD ACK DATA ACK …… 停止 AT24C01是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM，它是內含1288位存儲空間，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[2] [9]。在系統(tǒng)中，用AT24C01存儲用戶的設定水量轉數(shù)N、水表檢測脈

44、沖數(shù)M、累計用水總量和剩余水量等。當系統(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章詳細介紹。 圖3.12　AT24C01與單片機接口電路 3.7 IC卡及其接口電路的設計 下面簡要介紹AT24C0X系列的IC卡的基本特性與引腳功能，并分析AT24C0X與AT89C205l單片機的在本設計中的具體接法。 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)的存儲式IC卡。產(chǎn)品

45、型號有AT24C01/ 02/04/08/16/32/64，存儲容量分別為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；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。它是目前國內使用最多的IC卡之一。 AT24C0X系列IC卡的引出端符合ISO/IEC7816-2標準。C1：VCC，工作電壓；C3：SCL（CLK），串行時鐘；C5：GND；C7：SDA（I/O），串行數(shù)據(jù)（輸入/輸出）；C2，C6：NC，未接

46、。IC卡引腳如圖3.13所示，其中引腳T，P為微動開關的兩觸點。此微動開關在無IC卡狀態(tài)時，處于斷開狀態(tài)；有卡插入時，IC卡卡座上的微動開關動合，因此，此開關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 IC卡的接口電路的設計 24系列為低功耗COMS E2PROM 器件，使用單+5v電源，電源電壓范圍為2.5～6V， 內有高壓泵電路，寫入、擦除操作由內部定時器自動完成，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單等特點。本設計的AT89C205l單片機與IC卡240X接口如圖3.14

47、所示。圖中IC-CARD為標準IC卡座，其T、P端用作到位檢測開關,將T端連接89C2051的外中斷輸入腳P3.3()。由于引腳T，P為微動開關的兩觸點，所以，當有IC卡插入時，微動開關閉合，P1.5腳電平被拉低，單片機通過判讀P1.5腳，做好讀卡準備，無卡時，P1.5腳為高。P1.6、P1.7用作數(shù)據(jù)線(SDA)和時鐘線(SCL)，用軟件模擬時序的方法來實現(xiàn)對IC卡的讀寫。當有IC卡插入時，P1.5腳電平被拉低，單片機通過判讀P1.5腳，做好讀卡準備，無卡時，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 人機交互接口的設計

48、 人機互交接口包括了報警電路與顯示電路的設計。下面具體給出了在本設計中采用的報警電路和顯示電路，并分析了它們的工作原理。另外，還對顯示電路在本系統(tǒng)中應用的顯示原理進行了詳細的分析。 3.8.1 報警電路的設計 根據(jù)系統(tǒng)需要，我們設計了一個報警電路。當剩余水量不足、電池欠壓等情況下，都需要報警。本報警電路很簡單，我們采用1個NPN型三級管，1個蜂鳴器和1個電阻組成。如下圖3.15所示，當P1.4輸出一個高電平時，NPN型三級管Q4導通，蜂鳴器馬上得電發(fā)聲，產(chǎn)生報警[11]。 圖3.15 報警電路 3.8.2 顯示電路的設計 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

49、。它們的有效工作時間都比較短。用戶看完后，沒有必要讓它一直顯示；為此，可水表上裝一個開關按鈕提供信號。即按一下按鈕時，水表開始顯示剩余水量；再次按下按鈕時，水表顯示用水總量；再次按下按鈕時，水表顯示關閉。如顯示10s后，按鈕沒有動作，亦使它們停止工作，從而達到節(jié)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)碼管的顯示方式通常可分為2種：靜態(tài)方式和動態(tài)方式。靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點是亮度高、沒有閃動、穩(wěn)定，缺點是功耗大、占PCB面積大、成本高。為了在人機對話設計中降低硬件成本，節(jié)約單片機的I/O口資源，我們采用將通過串行動態(tài)掃描，即位碼和段碼交替發(fā)送的方式設計了一種新穎的顯

50、示模塊，經(jīng)調試，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AT89C2051，2片74HC164，6個LED數(shù)碼管，6個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。它的每一個輸出管腳具有+/-20mA的驅動能力。對于小型LED數(shù)碼管，還要串聯(lián)200～360Ω的限流電阻。本設計提出的動態(tài)顯示電路采用2片74HC164，可以驅動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作為段碼驅動，另一片U1作為位碼驅動。2片74HC164采用級聯(lián)方式連接，只占用單片機AT89C2051的2個I/O端口。位碼驅動U1的數(shù)

51、據(jù)輸入端口、時鐘輸入端口分別連接AT89C2051的RXD和TXD端口。段碼驅動U3的數(shù)據(jù)輸入端口、時鐘輸入端口分別連接位碼驅動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)碼管的最低位顯示一個字符時，首先從DMbufer中取出要顯示的數(shù)，通過譯碼表譯出這個字符的段碼值并將段碼值寫入U3中。根據(jù)這個字符在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：段碼驅動U3為高電平有效、位碼驅動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)

52、寄存器(SBUF)。在AT89C2051TXD端口的時鐘作用下，AT89C2051RXD端口送出這個字符的位碼值到段碼驅動U3。當AT89C2051送完一個字節(jié)的位碼值后，發(fā)送中斷標志位TI置位。檢測到TI=1后，清零TI，接著將段碼寫入SBUF，AT89C2051再送段碼值到段碼驅動B，同時段碼驅動U3的位碼值被送入位碼驅動U1中，延時2ms，即可顯示這個字符了。如果要求在低二位顯示第2個字符，則WMbufer(1111 1110)不帶進位位左移一位(1111 1101)并送WMbufer。再通過譯碼表取得第2個字符的段碼值送入U3，重復上述過程即可。以上過程循環(huán)N次，即可完成1～6位字符的

53、顯示工作。在主程序中循環(huán)調用顯示程序，反復掃描LED數(shù)碼管，使之達到近似靜態(tài)的顯示效果[5][12][13]。 3.9 電源的設計 電源是電路部分的動力源，象是飛機的發(fā)動機，人的心臟。電源的質量如何直接決定電路是否能正常工作。在本設計中，我們采用的是外接3節(jié)5號電池供電。為了保證系統(tǒng)的正常工作及其安全性，我們設計了一套可行的電池能量檢測方案和備用電源方案。下面進行了詳細的介紹。 3.9.1 電池能量的檢測 如果想要做出合理的電源管理方案，就需要單片機能夠隨時檢測電路中電池的能量(具體表現(xiàn)是實際的電壓值)。但是在本設計中，單片機判別電池的能量，由于不用象手機那樣隨時顯示電池的容量

54、，根據(jù)水表的特殊性，只要檢測到一個固定值，給用戶一個報警提示就可以了，這個電量值的選擇需要滿足一個量，即讓用戶再有三天的余量，加上關閥電量就可以了。 低電壓檢測對單片機系統(tǒng)來講是個十分重要的問題，它在某種程度上起到了保障系統(tǒng)可靠運行，避免數(shù)據(jù)出錯的作用，智能水表的設計中同樣如此。具體地講，應該在系統(tǒng)掉電到一個門限電壓（該門限電壓應高于CPU的最低運行電壓）時，通過相應的電壓檢測電路把信號傳遞給CPU，CPU及時對系統(tǒng)進行軟件復位。電壓檢測器可以選用合泰公司的HT70XX系列產(chǎn)品，此產(chǎn)品價位較低，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，它對電壓變化十分敏感，在

55、Vcc大于3.9V時，芯片輸出高電平，當Vcc低于3.9V時，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作，在正常工作時，鋰電池不參與供電，僅在掉電后提供閥工作的電源，以保證掉電后的一系列正常動作[14]。 3.9.2 超級電容的應用 傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開啟和關斷時，普遍采用的方法是內裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點是重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此，由于智能水表都沒有設計再充電電路，鋰電池使用到一定時間后，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，這對于水表生

56、產(chǎn)廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事情。更危險的是，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機的，如果不精確和及時的監(jiān)測電池電量，將無法可靠地關斷水閥，造成無法計費、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點，直接影響到它的推廣和使用。針對這一問題，水表生產(chǎn)廠家設計了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態(tài)時控制漏電流在10μA以內，保證電池可以連續(xù)使用5年以上，這對電路的設計和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設計難度和成品檢測的工序，如加上可靠的電池電量監(jiān)測電路，也會使成本增加。 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，那就是用超級電容（Su

57、per-Capacitor）代替鋰電池應用于智能水表。超級電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件，性能介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時也有電池的儲能特性，并且重復使用壽命長，放電時利用移動導體間的電子（而不依靠化學反應）釋放電流，從而為設備提供電源，見圖3.17 圖3.17 超級電容 以美國庫柏（Cooper）超級電容為例，與鋰離子電池進行比較，有如下一些明顯特性： 　　1. 超低串聯(lián)等效電阻（ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上）為水表控制電機閥或電磁閥的可靠

58、開啟提供了保障。 　　2. 超長壽命，充放電大于50萬次，是鋰離子電池的500倍，是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。 　　3. 可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應。 　　4. 免維護，可密封。 　　5. 溫度范圍寬-40～+70℃，普通電池是-20～60℃。 　　與內裝鋰電池的智能水表相比，這種方案是用超級電容替換鋰電池封裝在水表中，同時外接干電池供電。平時干電池提供水表電路所需能量和對超級電容的充電，在需要開啟水閥時，由外接干電池提供能量將水閥開啟；在需要關斷水閥時，如果外接電池不能提供能量將水閥關斷，那么

59、超級電容將在此刻提供能量來關斷水閥。如同一個儲水箱，平時將水存儲起來，在停水時才起作用。 圖3.18 超級電容的應用電路 圖3.18是應用示意圖。正常情況下，電池通過電阻R14、二級管D1向負載和超級電容充電。電阻R14的作用是限制電流過大，因為超級電容內阻很小，充電時電流較大可能造成電池損壞。二級管D1防止反向電流。當電池電壓過低，或突然斷電時（如取下電池），由超級電容繼續(xù)為電路提供電源，同時，超級電容存儲的能量足以關斷閥門。 這種方案明顯優(yōu)于以前的設計，優(yōu)點如下：將電池從水表中分離出來，從而可以不考慮電池壽命對水表的影響，大大延長了水表的使用時間；另一方面，超級電

60、容的大電流放電特性保障了水閥關斷的可靠性，在外接干電池電量不足時，仍能利用存儲在超級電容上的能量將水閥關斷；以前一味追求的漏電流指標，主要是為了保障電池的使用壽命，改用超級電容后，漏電流指標變得不再重要。如果電池電量不足，用戶可以隨時更換。這樣，不僅使電路設計簡化，減少產(chǎn)品的出廠檢驗工序，還使產(chǎn)品的成本降低[15]。 這種方案克服了現(xiàn)階段智能水表的缺點，為智能水表的發(fā)展找到了一條新的途徑。目前國內已有多家水表生產(chǎn)廠應用該方案，實踐證明，它是切實可行的。所以本設計亦采用了這種方案。在本設計中，我們選用了深圳市索普康電子有限公司的超級電容，其型號為5R5H105、產(chǎn)品規(guī)格為3.3V0.2

61、2F。 3.10 檢測模塊的設計 檢測模塊主要對以下四種情況進行檢測 (1) 水表被拆卸；(2) 電池欠壓或取出電池；(3) 有按鍵按下；(4) 有IC卡插入。當有以上四種情況之一時，外部中斷（P3.5）產(chǎn)生中斷。當產(chǎn)生中斷后，中斷程序馬上依次檢測P3.6口(F_KEY)、P3.2口(V_MONI)、P3.3口(OPEN_D)、P1.5口(SW_T)，如圖3.19所示，以確認是哪種情況產(chǎn)生的中斷后作出相應處理。該電路由一個電壓檢測器HT7039、兩個與非門、一個或非門、一個常閉開關和一個常開開關組成。例如，當電池欠壓或取出電池時，HT7039輸出為低電平，U8輸出為高電平，那么U9

62、輸出為低電平（即P3.5為低電平），產(chǎn)生中斷。其他情況同理可得[11] [14]。 圖3.19 檢測模塊電路 第4章 IC卡智能水表的軟件設計 本軟件我們用MCS-51匯編語言編制，采用了結構化，模塊化的程序設計方法。它由主程序、外部中斷0子程序、外部中斷1子程序、IC卡與片外數(shù)據(jù)存儲器的讀寫軟件設計、顯示子程序等模塊組成。本章還給出了詳細的流程圖。具體程序見附錄B。 4.1 主程序的設計 主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，各種情況的判斷如電壓情況、按鍵是否按下、水量判斷等，在適當情況下還要進行顯示、關閉閥門等操作，平時處于睡眠狀態(tài)。當表內剩余水量小于5 m3時，表內蜂鳴器發(fā)出提

63、示報警，以提醒用戶剩余水量不多，請速購水；當表內剩余水量為0 m3時，切斷閥門，停止供水，直到新的水量被購來為止。從而達到用水必須預先交費的目的，省去了人工抄表收費環(huán)節(jié)。主程序的流程圖如圖4.1所示[16-18]。具體程序見附錄B。 4.2 外部中斷0子程序 外部中斷0子程序也即水表脈沖計量程序，它只要是對用戶水量進行處理。當用戶在進行用水操作時，由流量傳感器產(chǎn)生的脈沖信號使進入中斷響應程序。 根據(jù)機械水表的測量原理，水的流量與水表齒輪的轉速可以近似成一定的線性關系。顯然，水表齒輪所轉的圈數(shù)與傳感器產(chǎn)生的脈沖信號是一一對應的關系。根據(jù)這一原理，我們可確定流量的計算公式為：

64、 (4.1) 在式(4.1)中，Q為流量，單位為m3 ；K為基表系數(shù)，單位為m3／r；N為轉數(shù)，單位為r。在這里，由于K（基表系數(shù)）是一個常數(shù)。因此，Q與N是一一對應關系。我們采用了6位數(shù)據(jù)顯示，其中只含有一位小數(shù)。當Q為0.1 m3時，由于K已知，N即可以求出。在本系統(tǒng)編程中，我們設定M為測得脈沖數(shù)，N為Q為0.1 m3時對應的轉數(shù)值，“剩余水量-1,用水總量+1”中的“1”表示0.1 m3的水量[3]。其具體流程圖如圖4.2所示。具體程序見附錄B。 圖4.1 系統(tǒng)主程序流程

65、圖 圖4.2 外部中斷子程序 4.3 外部中斷1子程序 以下四種情況均可以使產(chǎn)生中斷 (1) 水表被拆卸；(2) 電池欠壓或取出電池；(3) 有按鍵按下；(4) 有IC卡插入。當產(chǎn)生中斷后，中斷程序馬上依次檢測P3.6口、P3.2口、P3.3口、P1.5口（原理圖見總電路圖中檢測模塊），以確認是哪種情況產(chǎn)生的中斷后作出相應處理。其具體流程圖如圖4.3所示，具體程序見附錄B。 圖4.3 外部中斷子程序 4.4 IC卡的讀寫軟件設計 系統(tǒng)軟件設計的流程應為確認有卡插入后，延時，待IC卡供電電路穩(wěn)定，讀IC卡標志位，并與系統(tǒng)中保存的標志比較，確認后，讀數(shù)據(jù)區(qū)。為提高可靠性

66、，IC卡中的數(shù)據(jù)在兩個不連續(xù)區(qū)作備份，第二組數(shù)據(jù)作校驗。為防止有損壞的字節(jié)和其它因素影響數(shù)據(jù)不可靠，建議將每次寫入的數(shù)據(jù)再讀出比較，判斷寫入的數(shù)據(jù)是否正確，從而達到保證 對IC書寫操作的無誤。下面詳細地介紹了它的工作原理。 4.4.1 SDA和SCL信號 SDA和SCL雙向總線采用I2C-bus(inter-intergrad circuit bus)匯流總線技術，所有的控制命令和數(shù)據(jù)傳輸均由這兩條雙向總線執(zhí)行，采用SDA和SCL，兩條總線就可實現(xiàn)對E2PROM進行讀寫，并且在讀寫過程中其信息傳遞的波特率可以從0到100kbps，其數(shù)據(jù)傳輸及時鐘脈沖時序圖如圖4.4所示。 圖4.4 數(shù)據(jù)傳輸及時鐘時序圖 IC卡的讀寫其實也就是對IC卡片內E2PROM進行讀寫。所以在AT24CXX系列IC卡的應用中，與邏輯控制有關的引出端線只有2條：SCL和SDA。所有的地址、數(shù)據(jù)及讀/寫控制命令等信號均從SDA端輸入/輸出。為了區(qū)分SDA線上的數(shù)據(jù)、地址、操作命令以及各種狀態(tài)的“開始”與“結束”，卡片內設計了多個邏輯控制單元。其中，啟動與停止邏輯單元產(chǎn)生控制讀/寫操作的“