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

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摘 要 第 1 章 緒 論 1 1 本研究課題的背景及意義 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 單片機(jī)的市場(chǎng)供應(yīng)情況 3 單片機(jī)的可開(kāi)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(kāi)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及其特點(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 7 IC 卡及其接口電路的設(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(xiě)軟件設(shè)計(jì) 4 4 1 SDA 和 SCL 信號(hào) 4 4 2 IC 卡的寫(xiě)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(xiě)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(wèn)題及解決辦法 5 1 IC 卡智能水表的低功耗問(wèn)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(wèn)題 5 4 安全性問(wèn)題解決方案 1 售水用 IC 卡 用戶卡 的安全性 2 表內(nèi)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) 參考文獻(xiàn) 附錄 程序清單 摘 要 很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái) 自來(lái)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(wèn)題 為了解決這些問(wèn) 題 本文在研究國(guó)內(nèi)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(guò)韋根傳感器檢測(cè) 用水量 運(yùn)用 IC 卡讀寫(xiě)及加密技術(shù) 實(shí)現(xiàn)購(gòu)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(yǔ)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(mén)智能開(kāi)關(guān)控制 防干擾 防拆卸等功能 關(guān)鍵詞 單片機(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 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 problems this paper designs an intelligent IC card water meter control system based on the single chip computer The core of the system is a single chip microcomputer AT89C2051 the wiegand sensor is used to measure water consumption the managements of water purchasing and consumption are realized by IC card s writing reading and encryption technology 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 display 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 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 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?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)及其水表的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作了概況 另外 簡(jiǎn)要說(shuō)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(dāng)今國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的重大問(wèn)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(guó)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(méi)有水人類就不能生存 沒(méi)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(guó)的水資源問(wèn)題十分嚴(yán)峻 在我國(guó) 600 多個(gè)城市中 目前有 400 多個(gè)城 市供水不足 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(guó)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(guó)人口增至 16 億時(shí) 人均水資源將下降 到 1750 立方米 接近國(guó)際公認(rèn)的水資源緊張標(biāo)準(zhǔn) 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看 搞好水資源的管理具 有重大而深遠(yuǎn)的意義 自來(lái)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(guó)大部分城市居民使用自來(lái)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(lái)水公司抄表收費(fèi)的 目 前 這種經(jīng)營(yíng)方式已越來(lái)越不適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)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(yíng)方式之間產(chǎn)生的主要矛盾 長(zhǎng)期以來(lái) 我國(guó)自來(lái)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(wèn)題 為適應(yīng)國(guó)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(lái)水實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控 減輕供水部門(mén) 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(lái)的麻煩和因收費(fèi)問(wèn)題帶 來(lái)的糾紛 用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)手段改變自來(lái)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 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)傳遞及結(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(guò) IC 卡進(jìn)行 因而可以實(shí)現(xiàn) 由工作人員上門(mén)操表收費(fèi)到用戶自己去營(yíng)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 卡智能水表及其管理系統(tǒng)的出現(xiàn) 將從根本上解決了已上問(wèn)題 采用 IC 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(mén)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)及安全性好等優(yōu)點(diǎn) 可提高居民用水收費(fèi)的管 理水平 確保供水部門(mén)能及時(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(guó)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(guó)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(shuō) 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(méi)有相關(guān)系統(tǒng) 相配合 所以 單獨(dú)在一個(gè)部門(mén)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(lái) 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(mén)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(mén)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)著網(wǎng)絡(luò)化的工作 在可以預(yù)見(jiàn)的時(shí)間里 這種把千家萬(wàn)戶連接起來(lái)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(mén) 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(mén)的管理問(wèn)題并沒(méi)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(lái)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(lái)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 終端與其進(jìn)行聯(lián)結(jié) 現(xiàn)在采用的單體式智能儀表將來(lái)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(lái)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(guó)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(kāi)發(fā)研究 很多自來(lái)水公司也積極參與了此項(xiàng)開(kāi)發(fā)工作并成功的開(kāi)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(wèn)題 這些問(wèn)題集中起來(lái)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(shuō)來(lái) 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(guó)供用水管理的 現(xiàn)代化進(jìn)程 中國(guó)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 并有可能 成為中國(guó)的一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品出口到其它國(guó)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)及其原理圖和相關(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)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(xiě)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)及其在本設(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(xiě)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 AT89C2051 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(mén)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(gòu)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(mén) 購(gòu)水后 閥門(mén)開(kāi)啟 3 顯示功能 采用 6 位 LED 顯示 可隨時(shí)查詢累計(jì)用水總量及可用剩余水量 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(gòu)水 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(guò)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(wú)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(méi)有電了 此時(shí) 水表應(yīng)會(huì)自動(dòng)將閥門(mén)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(mén) 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)方案 下面對(duì)它們的工作原理及 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(guó)內(nèi)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(guò)渡產(chǎn)品 缺點(diǎn) 1 初始化及維護(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(guò)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(lái)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 公里范圍的小區(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(wú)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(guò)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(lái)自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén) 供水或停水 由用戶到自來(lái)水公司網(wǎng)點(diǎn)先預(yù)購(gòu)買水量 再將用水量通 過(guò) 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(gòu)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(mén)抄表 收費(fèi) 減少抄表員 缺點(diǎn) 1 電磁閥在長(zhǎng)期開(kāi)啟狀態(tài)下由于水垢和水中雜質(zhì)而影響閥門(mén)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(wú)所知 一旦發(fā)現(xiàn)也無(wú)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(wú)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(shuí)負(fù)責(zé)更換是個(gè)問(wèn)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(guò)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(kāi)關(guān)閥門(mén)控制模塊 流量采樣模塊 微處理器 電源模塊 IC 卡讀寫(xiě)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 從投入成本來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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 我們選擇了第三種方案基于 89C2051 單片機(jī)的 IC 卡智能水表系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì) 第 3 章 IC 卡智能水表的硬件設(shè)計(jì) 本章是本文的核心內(nèi)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 E 2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 顯示 電路 報(bào)警電路 電源模塊 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以及其他輔助電路 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 內(nèi)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 電源模 塊 流 量傳感器 顯示 報(bào) 警電路 I C 卡接口 電路 片外 E E P R O M微 處理器驅(qū)動(dòng)電路 供 給用戶進(jìn)水 電 磁閥 信 號(hào) 處理模塊 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(gòu)買IC卡 即用戶卡 并攜IC卡至收費(fèi)工作 站交費(fèi)購(gòu)水 工作人員將購(gòu)買水量等信息寫(xiě)入卡中 用戶將卡插入IC卡水表 卡表內(nèi) 單片機(jī)識(shí)別IC卡密碼并確認(rèn)無(wú)誤后 將卡中購(gòu)買水量與表內(nèi)剩余水量相加后 寫(xiě)入卡 表內(nèi)存儲(chǔ)器 同時(shí)必須將IC卡內(nèi)購(gòu)水值清零 當(dāng)用戶用水時(shí) 由流量傳感器采進(jìn)來(lái)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 0INT 用戶在用水過(guò)程中 卡表內(nèi)剩余水量相應(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(gòu)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(gòu)水 才能使電磁閥打開(kāi) 此外 在發(fā)生人為故意破壞時(shí) 閥門(mén) 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(lái)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 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)片內(nèi)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(kāi)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(xiě)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)范圍寬 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(lái)說(shuō) 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)用所需要的容量以及在制作過(guò)程中所要考慮的體 積 價(jià)格及供應(yīng)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(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)別在于它內(nèi)部有一個(gè)閃存 另 外考慮到在調(diào)試過(guò)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(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓 高性能CMOS8位單片機(jī) 片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)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) MCS 51指令系統(tǒng) 片內(nèi)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)內(nèi)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 內(nèi)置一個(gè)精密比較器 片內(nèi)振蕩器及時(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 空 閑方式停止CPU的工作 定時(shí) 計(jì)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(nèi)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 DIP 方式和方行封裝方式 3 2 3 晶振與復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路 因此 只需要在片處通過(guò) 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 可以保證程序運(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(méi)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)盡可能靠近芯片 以減小分布電容 保證 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date 18 May 2006 Sheet of File C Documents and Settings bodes 業(yè)業(yè) MyDesign1 DdbDrawn By VPP Rst1 P3 0 RxD2 P3 1 TxD3 XTAL14 XTAL25 P3 26 P3 37 P3 48 P3 59 GND10 P3 7 11 P1 0 12 P1 1 13 P1 2 14 P1 3 15 P1 4 16 P1 5 17 P1 6 18 P1 7 19 VCC 20 U11 AT89C2051 圖 3 2 AT89C2051 的引腳圖 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 2 s 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(guò) 4 s 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 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date 18 May 2006 Sheet of File C Documents and Settings bodes 業(yè)業(yè) MyDesign1 DdbDrawn By VCC Y16MHz C3 30pF C4 30pF R15 1K C2 10uF R168 2K S3 SW PB RESET VCC GND XTAL1 XTAL2 AT89C2051 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(kāi)關(guān)傳感器 集成式霍爾開(kāi)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(kāi)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)由內(nèi)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(kāi)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(kāi)啟施密 特觸發(fā)器 霍爾開(kāi)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(kāi)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(kāi)啟電壓閾值 霍爾開(kāi)關(guān)處于 開(kāi)啟狀態(tài) 集成式霍爾開(kāi)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 電源電壓范圍寬 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)間短以及體積小巧 壽命長(zhǎng)和使用方便等 但是 從對(duì)上述對(duì)霍爾開(kāi)關(guān)傳感器的原理描述中可以看出 霍爾開(kāi)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)其內(nèi)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(kāi)關(guān)傳感器耗電為 mA 級(jí) 因此 霍爾開(kāi)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(guò) 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(guò)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(wú)物體通過(guò)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 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(cè)線圈 將其纏繞在 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 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 a b c d 1 W i e g a n d 線 檢 測(cè)線圈 磁鐵 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(nèi)芯組成 如圖 3 5 所示 在強(qiáng)磁場(chǎng)的作 用下 內(nèi)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(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 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(kāi)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 線的外殼和內(nèi)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)內(nèi)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 線內(nèi)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)周期內(nèi)產(chǎn)生 單一方向的電壓脈沖 如圖 3 6 c 所示 內(nèi)芯 外殼 圖 5 W i e g a n d 絲 結(jié)構(gòu) a b c 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 線的外殼和內(nèi)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(guò)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 首先內(nèi)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(guò)程產(chǎn)生相反方向 的電壓脈沖輸出如圖 3 7 e 所示 6 a c d e b 圖 3 7 對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式 4 WG 系列韋根傳感器原理及其特點(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(wú)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(wú)關(guān) 可實(shí)現(xiàn) 零速 傳感 4 無(wú)觸點(diǎn) 耐腐蝕 防水 壽命長(zhǎng) 5 利用電話線 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(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(guò) 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(guò)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 WG101 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(guò)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)0INT 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 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 0INT 水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周 外部中斷 產(chǎn)生一次中斷 5 0INT 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date 18 May 2006 Sheet of File C Documents and Settings bodes 業(yè)業(yè) MyDesign1 DdbDrawn By R1210k Q3 NPN 1 2 U6A 7404 VCC 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) R13200 W IN P3 2 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(mén)是被控對(duì)象 控制著進(jìn)水的開(kāi) 關(guān)狀態(tài) 目前可控制的閥門(mén)主 要是電磁閥 但常規(guī)的電磁閥是靠電的通 斷來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi) 關(guān)的 即要讓閥門(mén)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(kāi)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(mén)的開(kāi) 關(guān)控制由電脈沖來(lái)實(shí) 現(xiàn) 使得對(duì)閥門(mén)開(kāi) 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(kāi)狀態(tài) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不消耗電能 只有當(dāng)購(gòu)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(kāi)關(guān) 并自鎖于常閉狀態(tài) 重新購(gòu)水 插卡后 再次送電開(kāi)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(gòu)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)?關(guān)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 表內(nèi) 水量用完 電 池欠壓 水 表盒打開(kāi) 或 觸發(fā) 關(guān)閉控 制 閥 電 路控制 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(kāi)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(lái)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 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 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date 7 Jun 2006 Sheet of File F 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) Ddb Drawn By FA R9 300 R10 1K U4 SW GD KA1KA1D1DIODE R11業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) VCC Q1NPNFAM R8 1K 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 0 V I Z n O 壓 敏電阻 線 性電阻 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(guò) 壓敏電阻 相當(dāng)于開(kāi)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?響應(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(guò)電壓以 過(guò)電電流的形式被壓敏電阻吸收掉 相當(dāng)于過(guò)電壓部分被短路 當(dāng)浪涌過(guò)電壓過(guò)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) 可以利用壓敏電阻的上 述特性來(lái)吸收各種干擾過(guò)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(duì)稱 電壓范圍寬 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(guò)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(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的浪涌過(guò)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(kāi)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(guò)程中 考慮到智能水表在使用過(guò)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 I 2C 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(guò) SDA 串行數(shù)據(jù)線 及 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(pán)接口 采用 I2C 總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或 IC 器件 其內(nèi)部不僅有 I2C 接口電路 而且 將內(nèi)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(guò)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(kāi)始 7 10 器件地址 R WACK SUBADD ACK DATA ACK 停止 AT24C01 是美國(guó) ATMEL 公司的低功耗 CMOS 串行 E2PROM 它是內(nèi)含 128 8 位存儲(chǔ)空間 具有工作電壓寬 2 5 5 5V 擦寫(xiě)次數(shù)多 大于 10000 次 寫(xiě)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 理我們將在第四章詳細(xì)介紹 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date 29 May 2006 Sheet of File F 業(yè)業(yè) MyDesign1 Ddb Drawn By R25 20K R24 20K VCC E SDA P1 3 E SCL P1 2 SDA1 SCL2 WP3 GND4 A0 5 A1 6 A2 7 VCC 8 U13 AT24C01 圖 3 12 AT24C01 與單片機(jī)接口電路 3 7 IC 卡及其接口電路的設(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(guó) 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 支持 ISO IEC7816 3 同步 協(xié)議 寫(xiě) 擦除次數(shù) 1 000 000 次 數(shù)據(jù)保存期 100 年 它是目前國(guó)內(nèi)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(kāi)關(guān)的兩觸 點(diǎn) 此微動(dòng)開(kāi)關(guān)在無(wú) IC 卡狀態(tài)時(shí) 處于斷開(kāi)狀態(tài) 有卡插入時(shí) IC 卡卡座上的微動(dòng)開(kāi) 關(guān)動(dòng)合 因此 此開(kāi)關(guān)往往是用來(lái)判斷是否插 IC 卡的傳感器件 2 V C C R S T S C L T P S D A N C G N D 圖 3 13 IC 卡示意圖 3 7 2 IC 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 電源電壓范圍為 2 5 6V 內(nèi)有高壓泵電路 寫(xiě)入 擦除操作由內(nèi)部定時(shí)器自動(dòng)完成 具有擦除 寫(xiě)入周期10萬(wàn)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(kāi)關(guān) 將T端連接 89C2051的外中斷輸入腳P3 3 1INT 由于引腳T P為微動(dòng)開(kāi)關(guān)的兩觸點(diǎn) 所以 當(dāng)有IC卡插入時(shí) 微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合 P1 5腳 電平被拉低 單片機(jī)通過(guò)判讀P1 5腳 做好讀卡準(zhǔn)備 無(wú)卡時(shí) 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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的讀 寫(xiě) 當(dāng)有IC卡插入時(shí) P1 5腳電平被拉低 單片機(jī)通過(guò)判讀P1 5 腳 做好讀卡準(zhǔn)備 無(wú) 卡時(shí) P1 5腳為高 R19 R20 R21為限流電阻 2 10 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date 18 May 2006 Sheet of File C Documents and Settings bodes 業(yè)業(yè) MyDesign1 DdbDrawn By R19 20K R22 51 R20 20K C6 0 1uF VCC IC SDA P1 7 IC SCL P1 6 SW T P1 5 VCC1 NC 7SDA2 SCL3 GND 6 T4 P 5 RST 8 U13 IC CARD R23 51 R21 5 1K 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 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date 18 May 2006 Sheet of File C Documents and Settings bodes 業(yè)業(yè) MyDesign1 DdbDrawn By R18100 R17 10K VCC LS1 SPEAKER Q4NPNSPK P1 4 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(méi)有必要讓它一直顯示 為此 可水表上裝一個(gè)開(kāi)關(guān) 按鈕提供信號(hào) 即按一下按鈕時(shí) 水表開(kāi)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(méi)有動(dòng)作 亦使 它們停止工作 從而達(dá)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?？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(méi)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(guò)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 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date 25 May 2006 Sheet of File F 業(yè)業(yè) MyDesign1 Ddb Drawn By A1 B2 Q0 3Q1 4 Q2 5Q3 6 Q4 10Q5 11 Q6 12Q7 13CLK 8 MR9 U1 74HC164 A 1B 2Q03 Q14 Q25 Q36 Q410 Q511 Q61