【035】5493 基于單片機(jī)的IC卡智能水表設(shè)計(jì)

【035】5493 基于單片機(jī)的IC卡智能水表設(shè)計(jì),035,【035】5493,基于單片機(jī)的IC卡智能水表設(shè)計(jì),基于,單片機(jī),ic,智能水表,設(shè)計(jì) 目 錄 摘 要 1 Abstract 2 第1章 緒論 3 1.1課題背景及意義 3 1.2 傳統(tǒng)水表 4 1.2.1 傳統(tǒng)水表的主要結(jié)構(gòu) 4 1.2.2 傳統(tǒng)水表的主要特點(diǎn) 4 1.3 智能水表 4 1.3.1 智能水表的特點(diǎn) 5 1.3.2 國(guó)內(nèi)外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 6 第2章 智能水表的組成和單片機(jī)的選擇 7 2.1智能水表系統(tǒng)硬件組成 7 2.2 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 8 2.2.1 89C51單片機(jī)的基本組成 8 2.2.2 89C51單片機(jī)引腳及其功能 9 第3章 系統(tǒng)各模塊硬件電路設(shè)計(jì) 10 3.1 IC卡讀寫電路 10 3.1.1 Mifare 1射頻IC卡 10 3.1.2 H6152讀寫模塊 13 3.1.3 IC卡讀寫電路的原理及說(shuō)明 13 3.2 液晶顯示電路 16 3.2.1 液晶顯示模塊 16 3.2.2 電源模塊 18 3.2.3 單片機(jī)模塊 20 3.3 記憶單元電路 20 3.3.1 I2C總線簡(jiǎn)介 20 3.3.2 AT24C01簡(jiǎn)介 22 3.3.3 硬件原理圖 22 3.4 電磁閥控制電路 23 3.5 其它模塊電路 24 第4章 系統(tǒng)各模塊軟件設(shè)計(jì) 25 4.1 IC卡讀寫軟件設(shè)計(jì) 25 4.1.1 H6152內(nèi)部寄存器 25 4.1.2 H6152通信協(xié)議與控制命令 27 4.1.3 IC卡讀寫電路程序流程圖及部分程序 31 4.2 液晶顯示電路軟件設(shè)計(jì) 32 4.2.1液晶控制驅(qū)動(dòng)器指令集 32 4.2.2程序流程圖及部分程序 34 4.3 記憶單元電路軟件設(shè)計(jì) 36 第5章 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 38 謝 辭 39 附錄：電路圖 40 47 基于單片機(jī)的IC卡智能水表設(shè)計(jì) 摘 要 為適應(yīng)國(guó)家用水制度的改革，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)控制，減輕供水管理部門因“先供水后收費(fèi)”造成的資金壓力，減少每月抄表、收費(fèi)所帶來(lái)的麻煩和因收費(fèi)問(wèn)題帶來(lái)的糾紛，用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段改變自來(lái)水管理體制的落后現(xiàn)狀，勢(shì)在必行。基于單片機(jī)的IC智能水表不但可以提高供水部門的工作效率，而且在技術(shù)上為節(jié)約用水、合理用水創(chuàng)造了條件，由于這些特點(diǎn)，基于單片機(jī)的IC智能水表得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 本論文主要設(shè)計(jì)研究基于單片機(jī)的IC卡智能水表電路，其主要功能是以AT89C51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)IC卡的讀寫，液晶顯示的控制，電磁閥的控制，脈沖的提取，同時(shí)具有安全保護(hù)電路、記憶單元電路、通信接口電路，完成整個(gè)水表信號(hào)的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。本文對(duì)每個(gè)模塊逐一進(jìn)行了研究，全面詳細(xì)地論述了硬件電路的設(shè)計(jì)流程，對(duì)本設(shè)計(jì)中IC卡讀寫電路模塊、液晶顯示電路模塊和H6152讀寫電路模塊等工作原理及功能進(jìn)行了詳細(xì)了說(shuō)明。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；IC卡；液晶顯示；記憶模塊 Design of the Water Meter IC Card System Based On Sing-chip Abstract In order to adapt the reform of the nation system of water supply,studying and making use of the modern intelligence technique to realize the automatic supervision of the water supply,lightening the funds pressure because of“supply water first behind charge”of the department supplying water,reducing the trouble and dispute of copying the form and charging monthly,using the modern science technique change the current administration structure of using water and water supply industry is imperative under the situation.The application of intelligent water meter not only improves work efficiency of intelligent water meter not only improves work efficiency of the department supplying water and realizes using water electronically but also creates a condition for using water frugally and rationally.Because of these charactetistics,intelligent water meter obtained more and more widespread application. In this paper, the main design based on single-chip pre-charges the IC card water meter system hardware circuit design, its main function is based on AT89C51 single-chip microcomputer as the core, the realization of IC card reader, LCD display control, the control solenoid valve, pulse extraction, at the same time security protection circuit, memory cell circuit, communication interface circuit, the signal meter to complete the reading, writing and processing, monitoring the work function of water meters. In this paper, one by one for each module studied. Full detail of the hardware circuit design flow, for the design of the Central African contactless IC card reader circuit module, liquid crystal display circuit module and circuit module, such as reading and writing H6152 working principle and function are described in detail. Key words: SCM; IC Card ; Liquid crystal display; Memory modules 第1章 緒論 1.1課題背景及意義 隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重，尤其是與人類生存嘻嘻相關(guān)的水資源。水是寶貴的環(huán)境資源，也是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。但是，我國(guó)是世界上人均水資源擁有量是分貧乏的國(guó)家之一，節(jié)約和保護(hù)水資源是我國(guó)當(dāng)前一項(xiàng)是分重要的戰(zhàn)略措施。節(jié)約水資源包括兩個(gè)方面的措施，一是大力推廣應(yīng)用節(jié)水新技術(shù)；二是加強(qiáng)用水的科學(xué)管理，在某種意義上來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)用水科學(xué)管理是當(dāng)前的首要任務(wù)。要加強(qiáng)用水的科學(xué)管理，最重要的是加速研究開(kāi)發(fā)科學(xué)先進(jìn)、應(yīng)用方便的節(jié)水科學(xué)管理儀表以及這種儀表的普及應(yīng)用。因此研制一種低功耗、計(jì)量精確方便的智能水表顯得極為重要。 長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)居民所使用的水表普遍是普通機(jī)械旋翼濕式水表，這種水表價(jià)格低廉，性能比較穩(wěn)定，但是還采用人工抄表、按戶收費(fèi)的模式。此方式存在著工作量大，收費(fèi)周期長(zhǎng)，收費(fèi)困難，效率低下等缺點(diǎn)。隨著我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，金卡工程的全面實(shí)施，實(shí)現(xiàn)自來(lái)水收費(fèi)管理的電子化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化已成為可能。水表系統(tǒng)的智能化可以大大提高供水管理部門的工作效率、節(jié)約費(fèi)用，用以改善供水設(shè)施，提高居民飲水質(zhì)量；同事還能為加強(qiáng)自來(lái)水使用的監(jiān)督管理提供手段，從而在技術(shù)上為節(jié)約用水合理用水創(chuàng)造條件。 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表機(jī)構(gòu)的根本性變革，以微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，組成新一代“智能化儀表”，智能化儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問(wèn)題，還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來(lái)越高。 我國(guó)目前智能水表新產(chǎn)品開(kāi)墳基本上是借鑒國(guó)外先進(jìn)模式，因?yàn)閲?guó)外在此方面的研究設(shè)計(jì)起步較早。例如ABB公司的KENT水表采用充電電池，具有按鍵讀數(shù)、可以顯示日期時(shí)間及各戶用水量，建有機(jī)械式與電子式讀數(shù)功能，而且還配有IBMPC兼容機(jī)接口，可以進(jìn)行電話通信；德國(guó)Sameco公司的新型水表可顯示上一年與本年度用水量以及日期與時(shí)間等，并開(kāi)發(fā)電卡式水表；此外，日本、以色列等國(guó)也相繼推出自己的新產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)也對(duì)多種智能化水表系統(tǒng)作了研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并未投入大批量生產(chǎn)。從國(guó)內(nèi)外水表行業(yè)的目前情況以及水資源的可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)來(lái)看，我國(guó)的傳統(tǒng)水表必須進(jìn)行改進(jìn)，才能適應(yīng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 1.2 傳統(tǒng)水表 傳統(tǒng)水表的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)年代，它涉及社會(huì)生活的各個(gè)方面。它對(duì)改善人類生活、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步起到了無(wú)法估量的作用。直到現(xiàn)在在很多領(lǐng)域還能繼續(xù)發(fā)揮作用。 1.2.1 傳統(tǒng)水表的主要結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)水表主要結(jié)構(gòu)由硬件構(gòu)成，以相對(duì)固定形式確定下來(lái)，所實(shí)現(xiàn)的功能較單一。只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能，用戶在使用過(guò)程中無(wú)法對(duì)其功能進(jìn)行改變。它一般具有輸入信號(hào)接口、內(nèi)部處理電路和實(shí)時(shí)顯示三部分。對(duì)于一些儀表功能如自凋零、自校準(zhǔn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)量程等的設(shè)置是由用戶在儀表設(shè)備面板上手工完成。 1.2.2 傳統(tǒng)水表的主要特點(diǎn) 傳統(tǒng)水表的主要特點(diǎn)是自成體系，自我包容，用戶無(wú)法更改。傳統(tǒng)水表功能單一，只具流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能。同時(shí)，一臺(tái)普通傳統(tǒng)水表具有相對(duì)獨(dú)立性，不能與其他水表設(shè)備進(jìn)行通信，而只能用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不能處理、存儲(chǔ)、顯示，局限性很大。另外，傳統(tǒng)水表無(wú)法升級(jí)換代，而且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)投入大。 隨著科技水平不斷發(fā)展，人們對(duì)傳統(tǒng)水表提出以下幾方面的要求：測(cè)量精度高、功能強(qiáng)、可靠性好，測(cè)量全能自動(dòng)化、智能化，小型化、使用靈活方便、升級(jí)方便，同時(shí)還能進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和顯示，具有和其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊等功能。這些新的要求不僅促使著傳統(tǒng)水表不斷地改進(jìn)和發(fā)展，也孕育著新一代水表————智能水表的產(chǎn)生。 1.3 智能水表 隨著為電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成了處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、看門狗甚至A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片——單片機(jī)出現(xiàn)了。智能水表是一種以單片機(jī)為主體，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)，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。智能水表除了可對(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。智能水表除了可對(duì)水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對(duì)用水量進(jìn)行自動(dòng)控制，并且自動(dòng)完成階梯水價(jià)的水費(fèi)計(jì)算，同時(shí)可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。出于其數(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)由工作人員上門抄表收費(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，可以利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn)。 1.3.1 智能水表的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)水表相比，智能水表有以下特點(diǎn)： 1．對(duì)供水部門來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)先交費(fèi)再供水的用水模式。這是大家都普遍認(rèn)可的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這對(duì)解決水費(fèi)托拖欠這個(gè)過(guò)去難以解決的問(wèn)題會(huì)有幫助。供水部門推行IC卡水表的經(jīng)驗(yàn)表明，人們普遍接受這一模式，供水部門不僅解決了拖欠交費(fèi)的老大難問(wèn)題，還可以提前收到資金。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，由于水費(fèi)的支出在總支出中占得比重很小，這種改變，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，只是把水費(fèi)的交付時(shí)間提前了一段時(shí)間，所以，用戶并不敏感。但對(duì)供水部門來(lái)說(shuō)，這種變化則是不能小看的。隨著水資源的緊張和水的商品屬性逐步被社會(huì)認(rèn)可，水的交易將會(huì)逐漸采用一般商品的交易模式，顯然，先交費(fèi)后用水，是更合理的一種交易模式。 2．改變了入戶抄表收費(fèi)的模式。這種模式改變的意義是巨大的。由于城市規(guī)模不斷擴(kuò)大和居民戶數(shù)快速增加，供水部門抄表和收費(fèi)的工作量將不斷加大。沿用傳統(tǒng)的上門抄表模式，將很難適應(yīng)這種變化。而現(xiàn)在由于各種原因的影響，人工入戶抄表的效率已經(jīng)在逐漸下降并且是這種模式的成本不斷增加。解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用多種途徑，但依靠技術(shù)進(jìn)步來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)是更值得提倡的方式。顯然，采用智能IC卡水表及其管理系統(tǒng)，將可以從根本上改變由供水部門派人去千家萬(wàn)戶抄表收費(fèi)的模式。只要供水部門合理設(shè)置交費(fèi)機(jī)構(gòu)，基本上不會(huì)給用戶帶來(lái)麻煩。如果得到金融系統(tǒng)的配合，還可以減少布點(diǎn)的成本。因此大規(guī)模采用智能IC卡水表技術(shù)對(duì)降低供水部門的管理成本是會(huì)有顯著幫助的。而使用IC卡進(jìn)行交易結(jié)算，用戶可以自主決定交費(fèi)時(shí)間和數(shù)量，增大了用戶的自主性。特別是隨著人們家庭安全意識(shí)和隱私意識(shí)的增強(qiáng)，入戶抄表和上面收費(fèi)等隨意進(jìn)入私人住戶的做法將逐漸不受歡迎甚至受到抵制，這是一個(gè)必須給予重視的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。而使用智能IC卡進(jìn)行交易結(jié)算，將可以有效解決這個(gè)會(huì)帶來(lái)很多社會(huì)隱患的問(wèn)題。 3．可以有效解決一些技術(shù)難題。比如,隨著水資源的緊張，將會(huì)逐步實(shí)行超計(jì)劃水價(jià)甚至階梯式水價(jià)等較為復(fù)雜的用水管理模式。這些，將對(duì)供水交易提出較高的技術(shù)要求。采用普遍水表和人工抄表的模式，是難以解決這些技術(shù)問(wèn)題的，而采用智能IC卡水表，將很容易解決這些問(wèn)題。 4．隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，供水行業(yè)也需要逐步實(shí)現(xiàn)用高科技手段進(jìn)行供水管理。采用傳統(tǒng)水表，這個(gè)跨越式很難完成的，而采用智能IC卡水表，將為運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)代化管理奠定一個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)。 5．當(dāng)然，使用智能IC卡水表還有其他優(yōu)點(diǎn)，比如可以有效解決盡量扯皮、用水糾紛，貪污水費(fèi)、人情用水、用水統(tǒng)計(jì)困難等問(wèn)題。 6．與遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)相比，智能IC卡水表具有使用和維護(hù)成本很低，沒(méi)有布線造成的混亂和高故障率等問(wèn)題。智能IC卡水表的以上優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)使智能IC卡水表逐漸被社會(huì)所接受并成為一種基本配置。 1.3.2 國(guó)內(nèi)外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)主要致力于智能網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳水表的智能卡式水表系統(tǒng)方面的研究開(kāi)發(fā)，如寧波水表廠、上海自來(lái)水公司水表廠等都在相繼開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)傳水表，由于智能網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳水表系統(tǒng)需要配套遠(yuǎn)傳通信網(wǎng)絡(luò)支持，其初期投資大，因此只適用于在一些新建住宅小區(qū)組成相對(duì)獨(dú)立的小網(wǎng)，所以目前尚未大量投入市場(chǎng)；而后者采用先付費(fèi)后用水的管理模式，在當(dāng)前收費(fèi)困難、人工抄表效率低下的情況下，更能獲得供水管理部門的青睞。 1、智能網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳水表系統(tǒng) 就目前來(lái)講，智能網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳水表又可分為分線制集中抄表方式和總線制智能抄表方式。 （1）分線制集中抄表方式 各種分線制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定時(shí)順序采集來(lái)自多路分戶線的水表信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)。各采集器之間采用總線制連接，最后連接到計(jì)算機(jī)。其典型特點(diǎn)是各戶表通過(guò)分戶線連接至采集器。 分線制集中抄表模式單純從技術(shù)上講較成熟，也節(jié)約成本（多戶表共享一個(gè)采集器），但從實(shí)際情況看，分線制集中抄表模式存在如下缺點(diǎn)： ①由于每次水表的計(jì)量信號(hào)是通過(guò)分戶線穿越較長(zhǎng)距離到達(dá)采集器，中途任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏都將使采集器采集不到數(shù)據(jù)，而且鋪設(shè)分戶線不僅使安裝任務(wù)繁重，也存在許多隱患：短線，斷線等。錯(cuò)綜復(fù)雜的線路更使得維護(hù)工作困難重重。 ②采集器均安裝于現(xiàn)場(chǎng)，需專業(yè)人員調(diào)試系統(tǒng)并定期巡視維護(hù)，專業(yè)隊(duì)伍日益“壯大”，維護(hù)費(fèi)用也相應(yīng)劇增。 ③分線制集中抄表模式的風(fēng)險(xiǎn)不僅僅是各表風(fēng)險(xiǎn)的簡(jiǎn)單累加。如果采集器掉電或出現(xiàn)其他嚴(yán)重故障則會(huì)使該采集器上所有數(shù)據(jù)丟失，集中抄表的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法有效分散，與測(cè)控系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的集中管理、分散控制的分布式設(shè)計(jì)死相違背。 （2）總線制智能抄表方式 總線制智能水表由于采集、計(jì)數(shù)工作單元均安裝在智能水表內(nèi)并密封，水表的數(shù)據(jù)采集、處理、存貯等基礎(chǔ)工作全由智能水表本身完場(chǎng)，手抄器或電腦不參與底層數(shù)據(jù)采集僅進(jìn)行通訊聯(lián)系，消除了外界因素對(duì)計(jì)量的影響。另外因智能水表引出的總線通、斷不影響單表數(shù)據(jù)采集和保存（僅影響水表數(shù)據(jù)的讀出），無(wú)需重新置數(shù)，水表的真實(shí)讀數(shù)仍可繼續(xù)讀出，其安全性、穩(wěn)定性是比較可靠的。但由于單表內(nèi)設(shè)置單片機(jī)和后備電源，成本較高，推廣普及較慢。 由于各表輸出的總線只需掛接，可以減少分線制抄表方式大量煩瑣的布線、系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)以及后期使用過(guò)程中線路、系統(tǒng)維護(hù)等繁重勞動(dòng)強(qiáng)度，也方便高層次設(shè)計(jì)如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、與其他系統(tǒng)（如安防、照明、空調(diào)、消防）共享開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而為用戶提供完善、綜合的配套服務(wù)。 2、智能卡式水表系統(tǒng) 智能卡水表是在當(dāng)今智能卡技術(shù)與市場(chǎng)迅猛發(fā)展、單個(gè)智能卡及刷卡機(jī)性能價(jià)格比日益提高的特定時(shí)期應(yīng)運(yùn)而生的。主要由智能卡式水表、智能卡、讀卡器、收費(fèi)管理信息系統(tǒng)等組成。用戶須在供水部門指定售卡點(diǎn)，購(gòu)水后刷卡方能使用。它具有有限用水量、解決用水收費(fèi)糾紛的功能，這是其他抄表方式及普通水表上門抄表方式所不能比擬的，并且智能卡水表如同普通水表，無(wú)需鋪設(shè)管線及線路維護(hù)，安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單；另外，智能卡水表自帶數(shù)據(jù)采集模塊、電源部分、電磁閥（電動(dòng)閥）控制，由智能卡讀入預(yù)購(gòu)水量等信息，使用簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，并且它的前期投資費(fèi)用低，因此日益受到供水管理部門的青睞。 根據(jù)我國(guó)金卡工程的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展建設(shè)來(lái)看，單純地將普通機(jī)械式水表轉(zhuǎn)化成機(jī)械式+電子式固然已邁出了重要的一步，但是還不夠完善，因?yàn)樗淼挠?jì)量預(yù)收費(fèi)及管理自動(dòng)化將是大勢(shì)所趨。未來(lái)信息技術(shù)的發(fā)展必將朝著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，作為樓宇自動(dòng)化發(fā)展的方向的一個(gè)重要方面|——智能化水表系統(tǒng)。因此如何設(shè)計(jì)合適的平臺(tái)，將自動(dòng)抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)、家居安防系統(tǒng)等無(wú)“縫隙”地與數(shù)據(jù)網(wǎng)及控制網(wǎng)連接起來(lái)，開(kāi)發(fā)出能體現(xiàn)優(yōu)良的綜合性、互操作性、方便實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)安裝維護(hù)的一體化智能系統(tǒng)將成為今后一段時(shí)期內(nèi)的熱點(diǎn)。 第2章 智能水表的組成和單片機(jī)的選擇 2.1智能水表系統(tǒng)硬件組成 本水表電路的硬件設(shè)計(jì)原則是在低功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)多功能，組成框圖如圖2.1 所示。系統(tǒng)硬件電路由 IC卡讀寫電路、液晶顯示控制電路、電磁閥控制電路、脈沖提取電路、安全保護(hù)電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以AT89C51為核心控制芯片，完成整個(gè)水表信號(hào)的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。該CPU芯片內(nèi)置4K的程序存儲(chǔ)器，有32個(gè)多功能的I/O口，具有多個(gè)可編程的中斷I/O口和數(shù)據(jù)串行通信口。并且，該芯片功耗低，特別適用于水表控制線路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地讀取IC卡的數(shù)據(jù)，并控制電磁閥和液晶顯示器的工作，同時(shí)還可以將水表的數(shù)據(jù)存入E2ROM進(jìn)行永久保存并可通過(guò)串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了該水表的智能化的功能。本水表采用電池供電。 AT89C51 脈沖提取電路 電磁閥控制電路 安全保護(hù)電路 IC卡讀寫電路 IC卡讀寫電路 液晶顯示電路 通信接口電路 記憶單元電路 IC卡座 通信插座 去脈沖 電磁閥 來(lái)自水量 傳感器 圖2.1 硬件總體框圖 2.2 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 2.2.1 89C51單片機(jī)的基本組成 在一小塊芯片上，集成了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，即89C51單片機(jī)芯片內(nèi)包括： （1）一個(gè)8位的微處理器（CPU）。 （2）片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM/SFR，用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 （3）片內(nèi)4KB程序存儲(chǔ)器Flash ROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。 （4）4個(gè)8位并行I/O端口P0-P3,每個(gè)端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。 （5）兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式。 （6）具有5個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)。 （7）一個(gè)全雙工UART的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。 （8）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。 （9）具有節(jié)電工作方式，即休閑方式和掉電方式。 以上各個(gè)部分通過(guò)片內(nèi)八位數(shù)據(jù)總線相連接。 2.2.2 89C51單片機(jī)引腳及其功能 如圖2.2所示為單片機(jī)AT89C51的引腳圖。 圖2.2 單片機(jī)AT89C51的引腳圖 （1）XTAL1（19腳）：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 （2）XTAL2（18腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。 （3）RST（9腳）：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 （4）P0口（39～32腳）：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。作為漏極開(kāi)路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。當(dāng)P0口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器寫入全1，此時(shí)P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。 （5）P3口（10～17腳）：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O多功能口。P3口輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。當(dāng)CPU不對(duì)P3口進(jìn)行SFR尋址訪問(wèn)時(shí)，即用作第二功能輸出/輸入線時(shí)，由內(nèi)部硬件使鎖存器Q置1。 整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處低電平10ms來(lái)完成。在芯片擦除操作中，代碼陳列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 表2.1 P3口與第二功能表 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD (串行輸出口) P3.2 INT0（外中斷0） P3.3 INT1（外中斷1） P3.4 T0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0） P3.5 T1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 第3章 系統(tǒng)各模塊硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 IC卡讀寫電路 3.1.1 Mifare 1射頻IC卡 Mifare 1射頻IC卡的核心是Philips公司制造的Mifare 1 IC S50系列微晶片，其內(nèi)部包括1KB高速EEPROM、數(shù)字控制模塊和一個(gè)高效率射頻天線模塊。卡片本身不帶電池供電，工作時(shí)將卡片放在讀寫器的有效工作區(qū)域，卡片讀寫器的天線發(fā)送無(wú)線電載波信號(hào)耦合到卡片上的天線提供電源能量，其電壓可達(dá)2V以上，足以滿足卡片上的IC電路供電需要。在信道保證和數(shù)據(jù)完整性方面，Mifare 1標(biāo)準(zhǔn)還提供了信道檢測(cè)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)冗余校驗(yàn)、三次傳遞認(rèn)證以及防沖突機(jī)制等功能，保證了數(shù)據(jù)交換過(guò)程的安全。Mifare 1射頻IC卡的主要性能指標(biāo)如下。 （1）1KB的EEPROM，分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分為4塊，每塊16B，以塊為存取單位。 （2）每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組（2個(gè)）密碼及存取權(quán)限設(shè)置。 （3）每張卡有唯一的32位序列號(hào)。 （4）具有防沖突機(jī)制、支持多卡操作。 （5）無(wú)電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通信邏輯電路。 （6）數(shù)據(jù)可保存10年，可反復(fù)寫10萬(wàn)次。 （7）工作頻率為13.56MHZ。 （8）106kbps 的快速數(shù)據(jù)傳輸速率。 （9）讀寫距離最大可達(dá)10cm（取決于天線設(shè)計(jì)）。 （10）工作溫度范圍：-20-- +50。C。 Mifare 1射頻卡包含了兩個(gè)部分：RF射頻接口電路和數(shù)字電路部分。 （1）RF射頻接口電路 在RF射頻接口電路中，主要包括波形轉(zhuǎn)換模塊和POR模塊。波形轉(zhuǎn)換模塊可將卡片讀寫器上的13.56MHZ的無(wú)線電調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。 POR模塊主要是對(duì)卡片上的各個(gè)電路進(jìn)行POWER-ON-RESET（上電復(fù)位），使各電路同步啟動(dòng)工作。 （2）數(shù)字電路部分模塊 ·ATR模塊：Answer to Request (“請(qǐng)求之應(yīng)答”) 當(dāng)一張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all（或REQUEST std）命令后，卡片的ATR將啟動(dòng)，將卡片Block 0 中的卡片類型（TagType）號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行第一步的ATR工作，讀寫器對(duì)卡片的其他操作（Read/Write等）將不會(huì)進(jìn)行。 ·Anticollision模塊：防止（卡片）重疊功能 如果有多張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，AntiCollision模塊的防重疊功能將被啟動(dòng)工作，在程序員控制下的卡片讀寫器會(huì)與每一張卡片進(jìn)行通信，取得每一張卡片的系列號(hào)。由于Mifare 1卡片每一張都具有唯一的系列號(hào)，決不會(huì)相同，因此卡片讀寫器根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)識(shí)別、區(qū)分已選的卡片?？ㄆx寫器中的MCM中的Anticollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來(lái)控制讀寫器，根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備與卡片讀寫器進(jìn)行通信。 Anticollision模塊（防重疊功能）啟動(dòng)工作時(shí)，卡片讀寫器將得到卡片的序列號(hào)Serial Number。序列號(hào)Serial Number存儲(chǔ)在卡片的Block 0中，共有5個(gè)字節(jié)，實(shí)際有用的為4個(gè)字節(jié)，另一個(gè)字節(jié)為序列號(hào)Serial Number的校驗(yàn)字節(jié)。 ·Select Application 模塊：主要用于卡片的選擇 當(dāng)卡片與讀寫器完成了上述的二個(gè)步驟，程序員控制的讀寫器要想對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作，必須對(duì)卡片進(jìn)行“SELECT”操作。以使卡片真正地被選中。 被選中的卡片將卡片上存儲(chǔ)在BLOCK 0 中的卡片的容量“SIZE”字節(jié)傳送給讀寫器。當(dāng)讀寫器收到這一字節(jié)后，可以對(duì)卡片進(jìn)行深一步的操作，例如，可以進(jìn)行密碼驗(yàn)證等等。 ·認(rèn)證及存取控制模塊 在確認(rèn)了上述的三個(gè)步驟，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，程序員對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作之前，必須對(duì)卡上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證，如果匹配，則允許進(jìn)一步的Read/Write操作。Mifare 1 卡片上有16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。因此每個(gè)扇區(qū)可獨(dú)立地應(yīng)用于一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合。整個(gè)卡片可以設(shè)計(jì)成“一卡通”形式來(lái)應(yīng)用。 ·控制及算術(shù)運(yùn)算單元 這一單元是整個(gè)卡片的控制中心，是卡片的“頭腦”。它主要進(jìn)行對(duì)整個(gè)卡片的各個(gè)單位進(jìn)行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個(gè)步驟。同時(shí)它還對(duì)各種收/發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算處理，遞增/遞減處理，CRC運(yùn)算處理，等等。是卡片中內(nèi)建的中央微處理機(jī)（MCU)單元。 ·RAM/ROM 單元 RAM主要配合控制及算術(shù)運(yùn)算單元，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行暫時(shí)的存儲(chǔ)。如果某些數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到EEPROM，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出送到EEPROM存儲(chǔ)器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀寫器，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出，經(jīng)過(guò)RF射頻接口電路的處理，通過(guò)卡片上的天線傳送給卡片讀寫器。RAM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開(kāi)讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）將被清除。同時(shí)，ROM中還固化了卡片運(yùn)行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出去對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行微指令控制，使卡片能有條不紊地與卡片的讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 ·數(shù)據(jù)加密單元 該單元完成對(duì)數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。 ·存儲(chǔ)器及其接口電路 該單元主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。EEPROM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開(kāi)讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）仍將被保持，用戶所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被存放在該單元中。Mifare 1卡片中的這一單元容量為8196bit（1Kbyte），分為16個(gè)扇區(qū)，64個(gè)塊。 11 10 H201014x 20 ○1 ○○○○○○○ ○ ○ ○ ○ 3.1.2 H6152讀寫模塊 圖3.1 H6152基本結(jié)構(gòu)示意圖 H6152讀寫模塊操作簡(jiǎn)單方便，讀寫過(guò)程穩(wěn)定有效。它集成了PCB板載天線電路和RS-232/422接口的集成讀寫模塊，還提供了RS-232/422接口與TTL接口的轉(zhuǎn)換電路。H6152需外界+5V電源供電。主要性能指標(biāo)如下： （1）工作頻率：13.56MHz。 （2）串行通信波特率：9600bps、19200bps、38400bps和57600bps4種可選。 （3）接口：RS-232/422/485。 （4）天線輸出阻抗：50K歐姆。 （5）天線尺寸：45mm×70mm。 （6）電源電壓：+5V。 （7）電流供應(yīng)：80mA。 （8）工作溫度：-40～+85℃. （9）最大讀寫距離：50mm。 3.1.3 IC卡讀寫電路的原理及說(shuō)明 IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示，總體原理圖見(jiàn)附錄1。單片機(jī)AT89C51是本設(shè)計(jì)的核心器件，它主要完成了對(duì)射頻卡（MIFARE 1卡）的讀寫操作。H6152讀寫器對(duì)射頻卡進(jìn)行讀寫后通過(guò)串口電平轉(zhuǎn)換電路將RS－232電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所識(shí)別的TTL電平，從而達(dá)到了使用AT89C51單片機(jī)來(lái)控制射頻卡的讀寫過(guò)程。 單片機(jī) AT89C51 串口電平 轉(zhuǎn)換電路 IC卡讀寫器 報(bào)警電路 Mifare1 射頻卡 圖3.2硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 硬件電路由單片機(jī)模塊、串口電平轉(zhuǎn)換模塊和H6152讀寫模塊3部分電路組成，其工作原理分別如圖3.3、圖3.4、圖3.5所示。 圖3.3 單片機(jī)模塊 圖3.4 串口電平轉(zhuǎn)換模塊 圖3.5 H6152讀寫模塊 U1為單片機(jī)芯片AT89C51，其P1.0腳為單片機(jī)對(duì)H6152的控制輸出，它控制H6152的工作狀態(tài)，該引腳為高電平時(shí)，H6152停止工作；P1.1腳為單片機(jī)對(duì)蜂鳴器的控制輸出，為低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。XTAL0 和 XTAL1 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，則XTAL1不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。本設(shè)計(jì)的外部時(shí)鐘電路是將XTAL0(18腳)和XTAL1(19)腳分別對(duì)接外部晶體和微調(diào)電容的兩端所構(gòu)成。另外單片機(jī)中還帶有復(fù)位端，為了安全方便，單片機(jī)采用了上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種。圖7中的U3為H6152的對(duì)外接口，1-7腳對(duì)應(yīng)H6152板上的J3的1-7針，8-11腳對(duì)應(yīng)H6152板上的J4的1-4針。L1為雙色發(fā)光二極管，它表示當(dāng)前H6152的工作狀態(tài)。 串口電平轉(zhuǎn)換電路采用Maxim公司的MAX3232實(shí)現(xiàn)。MAX3232將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)為RS-232，然后與H6152的RS-232接口直接相連。RS-232C是數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，是在微機(jī)接口應(yīng)用中常用的一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，全稱為EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（Electoronic Industrial Associate Recommended Standard-232C）。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)線共25根，其中只定義了22根。這22根信號(hào)線又分為主、輔兩個(gè)信道，大多數(shù)微機(jī)串行通信系統(tǒng)中都只使用主信道的信號(hào)線。在通信中，即便是只使用主信道，也并非主信道的所有信號(hào)都要連接，一般情況下只需使用其中的9根信號(hào)線，這就是為什么在微機(jī)的機(jī)箱上串行通信接口（如COM1、COM2）只有9根的原因。RS-232C串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于發(fā)送端，規(guī)定－5V～－15V表示邏輯“1”（MARK信號(hào)），用＋5V～＋15V表示邏輯“0”（SPACE信號(hào)），內(nèi)阻為幾百歐姆，可以帶2500pF的電容負(fù)載。負(fù)載開(kāi)路時(shí)電壓不得超過(guò)±25V。對(duì)于接收端，電壓低于－3V表示邏輯“1”，高于＋3V表示邏輯“0”。 設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用ATMEL公司的芯片AT89C51，它可以完全滿足設(shè)計(jì)的功能要求。 3.2 液晶顯示電路 3.2.1 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊選用圖形液晶顯示模塊GXM12864，它內(nèi)含KS0108B/HD61202控制器，是一種采用低功耗CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)陣圖形LCD模塊，有8位的微處理器接口，通過(guò)內(nèi)部的128×64位映射DDRAM實(shí)現(xiàn)128點(diǎn)×64點(diǎn)大小的平板顯示。該液晶顯示模塊使用KS0108B作為列驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)使用KS0107B作為行驅(qū)動(dòng)器。KS0107B不與CPU發(fā)生聯(lián)系，只要提供電源就能產(chǎn)生行驅(qū)動(dòng)信號(hào)和各種同步信號(hào)，比較簡(jiǎn)單。 液晶顯示模塊GXM12864的工作原理圖如圖3.6所示。 圖3.6 液晶顯示模塊GXM12864的工作原理圖 電位器R15的作用是調(diào)節(jié)提供給驅(qū)動(dòng)器的供壓，從而調(diào)節(jié)液晶顯示的對(duì)比度。RST是復(fù)位腳，接高電平Vout1。數(shù)據(jù)線DB0～DB7和單片機(jī)的P0口相連，控制線D/I、R/W和片選線/CSA、/CSB分別與單片機(jī)P2口的6、5、1、0腳相連，使能線與P2.3相連。 在進(jìn)行液晶顯示模塊的硬件調(diào)試時(shí)務(wù)必注意正確的接線，尤其是正負(fù)電源的接線不能有錯(cuò)，否則會(huì)燒壞電路上的芯片。為避免液晶模塊的損壞，在加液晶驅(qū)動(dòng)電壓V0/VEE時(shí)需要比加邏輯電壓VDD滯后50ms；在關(guān)電時(shí)，液晶驅(qū)動(dòng)電壓V0/VEE需要比邏輯電壓VDD提前50ms關(guān)斷。 GXM12864的引腳定義如表3.1所示。 表3.1 GXM12864的引腳定義 引腳名稱 引腳定義 /CSA、/CSB 片選1、2 VSS 數(shù)字地 VDD 邏輯電源+5V V0 對(duì)比度調(diào)節(jié) D/I 指令數(shù)據(jù)通道 R/W 讀/寫選擇 E 使能信號(hào)、高電平有效 DB0-DB7 8位數(shù)據(jù)線 RST 復(fù)位信號(hào) VEE 液晶驅(qū)動(dòng)電源 A、K 背光正電源端、背光接地端 3.2.2 電源模塊 在一般情況下，液晶器件的驅(qū)動(dòng)需要兩種不同的電源電壓，一種是+5V(工作電壓)，另一種是-10V(背景光對(duì)比度調(diào)節(jié)電壓)。所以，使用液晶模塊時(shí)，需要設(shè)計(jì)專門的液晶電源電路。液晶電源電路的作用就是將電壓轉(zhuǎn)換成這兩種電壓信號(hào)輸出，為液晶顯示模塊提供工作電壓。 本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)采用電池供電，其輸入電壓為+3V，所以電源部分的設(shè)計(jì)要求為+3V輸入，+5V和-10V雙電壓輸出。 MAX1677是雙電壓輸出升壓DC-DC變換器，它是一種專門為L(zhǎng)CD提供電源的芯片，可以產(chǎn)生兩種可調(diào)電壓輸出。其輸入電壓范圍（0.7-5.5V）較大，可以依據(jù)不同系統(tǒng)提供的安裝電池的空間和所需的不同電池電壓與容量，靈活的選擇電池的種類。 電源模塊電路如圖3.7所示。圖中，MAX1677的輸入電壓Vin=3V，輸出兩路電壓Vout1和Vout2，分別是+5V和-10V，+5V為系統(tǒng)電源，而-10V作為液晶顯示模塊的背光電源。 圖3.7 電源模塊電路 電路中的其他器件說(shuō)明如下。 L1、L2為CoilCraft的DO1608C-103表貼磁芯電感，電感值為10Uh。 D1、D2是反相耐壓大于16V的肖特基二極管，也可選用具有相同耐壓參數(shù)的其他型號(hào)二極管。 電阻R11和R12的比值決定了主輸出電壓值Vout（對(duì)應(yīng)圖中的Vout1）需滿足下面的公式： R11=R12*[Vout/1.25-1] （R12的取值范圍為10-200千歐姆） 電阻R14和R13的比值決定了LCD對(duì)比度輸出的電壓值VLCD(對(duì)應(yīng)圖中的Vout2)需滿足下面的公式： R14=R13*|VLCD|/1.25（V） （R14的取值范圍為500-2000千歐姆） 電阻R8和R7的比值決定了系統(tǒng)欠電壓監(jiān)測(cè)的門檻電壓值VTRIP需滿足下面的公式： R8=R7*[VTRIP/0.614-1] (R7≤130千歐姆) 當(dāng)電池正常時(shí)，電池電壓過(guò)低，輸出引腳LBO輸出保持高電平；一旦電池電壓低于門檻電壓，LBO引腳輸出為低電平。如果不是用欠電壓監(jiān)測(cè)的話，只需要將第三引腳（LBI）接地即可。 在原理圖中，Vin為電源電路的輸入端，連接兩節(jié)1.5V的電池形成便攜式儀表的電源；Vout1連接MAX1677的第16引腳，輸出+5V的電壓，作為系統(tǒng)的電源電壓；Vout2連接MAX1677的10引腳，輸出-10V的電壓，作為液晶顯示模塊的背光電源電壓。 3.2.3 單片機(jī)模塊 由于內(nèi)部液晶控制器的存在，單片機(jī)可直接與GXM12864相連，不必使用其他的接口芯片。由于單片機(jī)采用Atmel公司的AT89C51,將液晶模塊作為存儲(chǔ)器的一部分，直接進(jìn)行I/O操作。其工作原理圖見(jiàn)附錄2所示。 AT89C51的P0口直接與液晶模塊的數(shù)據(jù)總線DB0～DB7相連；P2口的0、1、3、5、6引腳分別和液晶模塊的/CSB、/CSA、E、R/W、D/I相連，在單片機(jī)程序執(zhí)行過(guò)程中，對(duì)它們作相應(yīng)的控制。 3.3 記憶單元電路 3.3.1 I2C總線簡(jiǎn)介 I2C總線，是Inter Integrated Circuit Bus的縮寫，即“內(nèi)部集成電路總線”。I2C總線是Philips公司推出的一種雙向二線制總線。目前，Philips公司和其他集成電路制造商推出了很多基于I2C總線的外圍器件。I2C總線包括一條數(shù)據(jù)線（SDA）和一條時(shí)鐘線（SCL）。協(xié)議允許總線接入多個(gè)器件，并支持多主工作?？偩€中的器件既可以作為主控器也可以作為被控器，既可以是發(fā)送器也可以是接收器?？偩€按照一定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在每次數(shù)據(jù)交換開(kāi)始，作為主控器的器件需要通過(guò)總線競(jìng)爭(zhēng)獲得主控權(quán)，并啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)交換。 一個(gè)典型的I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，還可將內(nèi)部各單元電路劃分成若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，它只有二根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。CPU可以通過(guò)指令對(duì)各功能模塊進(jìn)行控制，各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址。在信息的傳輸過(guò)程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器）。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量（數(shù)據(jù)）兩部分。地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。I2C總線接口電路如圖3.8所示。 圖3.8 I2C總線接口電路 I2C總線的器件分為主器件和從器件。主器件的功能是啟動(dòng)在總線上傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，以允許與被尋址的器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。被尋址的器件，稱為從器件。一般來(lái)講，任何器件均可以稱為從器件，只有單片機(jī)才能稱為主器件。主、從器件對(duì)偶出現(xiàn)，工作在接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)方式，由器件的功能和數(shù)據(jù)傳送方向所決定。 傳統(tǒng)的單片機(jī)串行接口的發(fā)送和接收一般都分別各用一條線，而I2C總線則根據(jù)器件的功能通過(guò)軟件程序使其工作于發(fā)送或接收方式。當(dāng)某個(gè)器件向總線上發(fā)送信息時(shí)，它就是發(fā)送器，而當(dāng)其從主線上接收信息時(shí)，又成為接收器。主器件用于啟動(dòng)總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時(shí)鐘以開(kāi)放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。I2C總線的控制完全由掛在總線上的主器件送出地址和數(shù)據(jù)決定，在總線上，既沒(méi)有中心機(jī)也沒(méi)有優(yōu)先級(jí)。 總線上主和從（即發(fā)送和接收）的關(guān)系取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。SDA和SCL都是雙向線路，都通過(guò)一個(gè)電流源或上拉電阻連接到電源端。連接總線器件的輸出級(jí)必須是集電極或漏極開(kāi)路，以具有線“與”功能，當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線都是高電平。I2C總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kb/s，在快速模式下可達(dá)400kb/s，在高速模式下可達(dá)3.4Mb/s。連接到總線的接口數(shù)量只由總線電容是400pF的限制決定。 3.3.2 AT24C01簡(jiǎn)介 AT24C01是美國(guó)ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它內(nèi)含256×8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10 000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。AT24C01中帶有片內(nèi)尋址寄存器。每寫入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加1，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)存儲(chǔ)單元的操作。所有字節(jié)都以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時(shí)間，一次操作可寫入多達(dá)8字節(jié)的數(shù)據(jù)。圖3.9為AT24C01的引腳圖。各引腳功能如下： 圖3.9 AT24C01的引腳圖 SCL:串行時(shí)鐘。在該引腳的上升沿時(shí)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件，在下降沿時(shí)輸出。 SDA：串行數(shù)據(jù)。該引腳為開(kāi)漏極驅(qū)動(dòng)，可雙向傳送數(shù)據(jù)。 A0～A2:器件/頁(yè)面尋址。為器件地址輸入端。 Wp：硬件寫保護(hù)。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)禁止寫入，為低電平時(shí)可正常讀/寫數(shù)據(jù)。 Vcc：電源。一般輸入+5V電壓。 Vss：接地。 3.3.3 硬件原理圖 記憶單元硬件原理圖如圖3.10所示。利用單片機(jī)AT89C51與24C01進(jìn)行I2C通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一地址內(nèi)數(shù)據(jù)的讀/寫校驗(yàn)操作。 圖3.10記憶單元硬件原理圖 3.4 電磁閥控制電路 電磁閥選用脈沖式電磁閥，為以色列BERMAD公司出品，其控制電路原理如圖3.11所示。這種電磁閥在開(kāi)啟時(shí)只需在其控制線AB兩端加一正向脈沖（幅度DC12V寬度大于20 ms），水閥一旦開(kāi)啟則會(huì)自動(dòng)保持。當(dāng)關(guān)斷時(shí)則在AB兩端加一反向脈沖，水閥就會(huì)關(guān)閉。因?yàn)檫@種電磁閥開(kāi)啟后不需給電磁閥持續(xù)供電，所以它的功耗非常低，因而特別適合用在IC卡水表中作為水表開(kāi)啟送水或欠費(fèi)停水的執(zhí)行單元。電路設(shè)計(jì)上采用多路模擬開(kāi)關(guān)組合成一組雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，在AT89C51的控制下，將正脈沖或負(fù)脈沖加到電磁閥的控制線AB兩端。 A+ B- 脈 沖 電 磁 閥 Vcc+ Vcc- 圖3.11 電磁閥控制電路圖 3.5 其它模塊電路 (1) 脈沖提取電路 脈沖提取電路，用于提取IC卡水表的計(jì)量脈沖。可在原有的老式濕式水表加入磁針和干簧管，磁針隨著用水的流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)使得干簧管動(dòng)作發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)，作為計(jì)量信號(hào)。也可以利用干式磁傳水表已有的開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，作為計(jì)量信號(hào)。 (2) 安全保護(hù)電路 安全保護(hù)電路，利用AT89C51可編程的1/O中斷口接到水表的外封裝上實(shí)現(xiàn)保護(hù)。使封裝完好時(shí)I/O線相當(dāng)于接地，為低電平，一旦封裝被非法打開(kāi)，I/O線就不與地連接，其電平變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)CPU將發(fā)生安全保護(hù)中斷，立即關(guān)斷電磁閥中斷供水。這樣就能有效地防止私拆或惡意破壞水表的事件發(fā)生。 (3) 通信接口電路 通信接口電路，利用AT89C51的串行通信口，選用MAX2338芯片形成485接口電路。外部數(shù)據(jù)讀取設(shè)備可通過(guò)水表的485接口，將水表的數(shù)據(jù)讀出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表功能。 第4章 系統(tǒng)各模塊軟件設(shè)計(jì) 4.1 IC卡讀寫軟件設(shè)計(jì) 4.1.1 H6152內(nèi)部寄存器 H6152內(nèi)部的EEPROM可以分為兩部分，32*6B的密碼存儲(chǔ)器和20B的功能寄存器。密碼寄存器可以由用戶設(shè)置，作為訪問(wèn)Mifarel卡的快速密碼訪問(wèn)區(qū)，可以保存密碼A和密碼B類型的預(yù)設(shè)密碼。功能寄存器用于設(shè)置通信波特率、通信類型等信息其地址分配和功能如表4.1所示： 表4.1 H6152內(nèi)部功能寄存器 地址 功能 說(shuō)明 00H~03H 32位設(shè)備序列號(hào) 用于保存出廠時(shí)又廠商設(shè)定的唯一設(shè)備序列號(hào) 04H 當(dāng)前設(shè)備ID 用于保存多機(jī)通信時(shí)當(dāng)前設(shè)備的ID號(hào) 05H 通信協(xié)議設(shè)定 用于設(shè)定H6152的通信協(xié)議和上電復(fù)位后的工作狀態(tài) 06H 波特率設(shè)定 用于設(shè)定H6152的通信速率 O7H~0FH 保留 保留無(wú)法使用 10H~13H 用戶數(shù)據(jù) 可以由用戶設(shè)定，用于保存用戶信息 (1)04H(當(dāng)前設(shè)備ID) 當(dāng)MCU和多個(gè)讀寫模塊組成多機(jī)串行總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該寄存器用于保存當(dāng)前設(shè)備的ID號(hào)，作為設(shè)備的地址。ID的實(shí)際取值范圍為1~254,因?yàn)?和255分別用于標(biāo)識(shí)主控制設(shè)備和“getID”申請(qǐng)。默認(rèn)情況下，該寄存器值為01H，當(dāng)H6152使用ASCII通信協(xié)議時(shí)，該字節(jié)無(wú)效。 （2）05H（協(xié)議配置寄存器） MSB LSB 保留 保留 保留 Cont.mode Binary timeout Extend ID Binary Autostart Cont.Mode為用于“連續(xù)讀”模式下工作范圍內(nèi)存在多張Mifarel卡時(shí)的卡片識(shí)別控制。該位為0時(shí)，“連續(xù)讀”模式僅用于天線有效范圍內(nèi)只有一張Mifarel卡的情況，當(dāng)天線有效范圍內(nèi)出現(xiàn)多張卡時(shí)，讀寫模塊會(huì)根據(jù)卡片的位置選擇其中一張并返回其序列號(hào)；該位為1時(shí)，“連續(xù)讀”模式在工作范圍內(nèi)出現(xiàn)多張Mifarel卡同樣正常工作。該位默認(rèn)值為0。 Binary timeout位為0時(shí)，Binary（比特流）通信協(xié)議下不開(kāi)啟超時(shí)控制;為1時(shí)開(kāi)啟超時(shí)控制。該位默認(rèn)值為0。 Extend ID位為0時(shí)，執(zhí)行“c” “s” “m”命令時(shí)，傳送Mifarel卡序列號(hào)前不傳送卡片類型字節(jié)（TAGID）；為1時(shí)，傳送Mifarel卡序列號(hào)前先發(fā)送1B卡片類型。TAGID的值可以為01H、02H、03H和FFH，其中，F(xiàn)FH表示未知卡片。該位默認(rèn)值為0。 Binary位用于設(shè)定讀寫模塊使用的通信協(xié)議類型。為0時(shí)，使用ASCII通信協(xié)議；為1時(shí)，使用Binary通信協(xié)議。該位默認(rèn)值為0。 Autostart位為0時(shí)，H6152在上電復(fù)位后自動(dòng)進(jìn)入“連續(xù)讀”模式（即讀寫模塊反復(fù)與工作范圍內(nèi)的Mifarel卡進(jìn)行通信，讀取其序列號(hào)）；為1時(shí)僅在讀寫模塊接收到“c”命令時(shí)才進(jìn)入“命令”模式。由于Binary通信協(xié)議下不支持“c”命令，如果使用Binary協(xié)議進(jìn)行通信，該位內(nèi)容將被忽略。該位的默認(rèn)值為1。 （3）06（波特率選擇） 用于設(shè)定H6152的通信速率，其內(nèi)容如下： MSB LSB 保留 保留 保留 保留 保留 保留 BS1 BS0 06的低2位BS1和BS0用于設(shè)定H6152的通信速率，如表4.2所示： 表4.2 H6152的通信速率設(shè)定