硬件基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì).doc

基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì)重慶交通大學(xué)（重慶通信學(xué)院辦學(xué)點(diǎn)）畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文題 目：基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì)專 業(yè)：電氣工程及其自動化姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)老師：劉安才二一一年五月2摘 要為適應(yīng)國家用水制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術(shù)對自來水實(shí)行自動控制，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)所帶來的麻煩和因收費(fèi)問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段改變自來水管理體制的落后現(xiàn)狀，勢在必行。基于單片機(jī)的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)，智能水表得到了越來越廣泛的應(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AT89C2051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)水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。本文對每個(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，對本設(shè)計(jì)中非接觸式IC卡讀寫電路模塊、液晶顯示電路模塊和讀寫電路模塊等工作原理及功能進(jìn)行了詳細(xì)了說明。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；IC卡；液晶顯示；記憶模塊IAbstractIn 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 AT89C2051 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 modules68目 錄摘 要IAbstractII目 錄1第1章 緒論11.1課題背景及意義11.2 傳統(tǒng)水表21.2.1 傳統(tǒng)水表的主要結(jié)構(gòu)21.2.2 傳統(tǒng)水表的主要特點(diǎn)21.3 智能水表21.3.1 智能水表的特點(diǎn)31.3.2 國內(nèi)外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4第2章 智能水表的硬件設(shè)計(jì)62.1設(shè)計(jì)思想62.1.1 方案比較62.1.2 方案選擇82.2智能水表的工作原理82.3智能水表的硬件結(jié)構(gòu)92.3智能水表各模塊芯片及器件的選型102.3.1微處理器的選擇102.3.2傳感器的選擇132.3.3記憶單元組成的選擇172.3.4控制閥門的選擇192.3.5 IC卡的選擇202.4各模塊硬件電路設(shè)計(jì)212.4.1 IC卡讀寫電路212.4.2 液晶顯示電路272.4.3 電源模塊282.4.4 單片機(jī)模塊302.4.5 記憶單元電路302.4.6 電磁閥控制電路的設(shè)計(jì)312.4.7 電源的設(shè)計(jì)332.4.8 檢測模塊的設(shè)計(jì)352.4.9 報(bào)警電路362.4.10防拆電路372.4.11復(fù)位電路372.4.12時(shí)鐘電路382.4.13信號處理模塊的設(shè)計(jì)392.4.14其它模塊電路40第3章 智能水表的軟件設(shè)計(jì)41第4章 關(guān)于智能水表的節(jié)能及安全問題434.1 IC卡智能水表的低功耗問題434.2 低功耗解決方案434.3 IC卡智能水表的安全性問題444.4 安全性問題解決方案444.5對水表的物理性攻擊的防范辦法45第5章 結(jié) 論46參考文獻(xiàn)47謝 辭48附錄491.相關(guān)電路圖492.相關(guān)程序512.1報(bào)警程序512.2蜂鳴器程序522.3時(shí)鐘程序523.protel電氣原理圖設(shè)計(jì)軟件介紹543.1 protel電路板設(shè)計(jì)軟件553.2 原理圖的繪制563.3 PCB圖的繪制564.外文資料翻譯AT89C2051單片機(jī)簡介59第1章 緒論1.1課題背景及意義隨著社會科學(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)的水資源日益缺乏。水是寶貴的環(huán)境資源，也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。但是，我國是世界上人均水資源擁有量是分貧乏的國家之一，節(jié)約和保護(hù)水資源是我國當(dāng)前一項(xiàng)十分重要的戰(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，在某種意義上來說，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。長期以來，我國城鎮(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，收費(fèi)困難，效率低下等缺點(diǎn)。隨著我國信息產(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；同時(shí)還能為加強(qiáng)自來水使用的監(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”，智能化儀表在測量過程自動化。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，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越高。我國目前智能水表新產(chǎn)品開發(fā)基本上是借鑒國外先進(jìn)模式，因?yàn)閲庠诖朔矫娴难芯吭O(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IBM PC兼容機(jī)接口，可以進(jìn)行電話通信；德國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，并開發(fā)電卡式水表；此外，日本、以色列等國也相繼推出自己的新產(chǎn)品。國內(nèi)的一些企業(yè)也對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)來看，我國的傳統(tǒng)水表必須進(jìn)行改進(jìn)，才能適應(yīng)社會和經(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)歷了漫長年代，它涉及社會生活的各個(gè)方面。它對改善人類生活、促進(jìn)社會發(fā)展和科技進(jìn)步起到了無法估量的作用。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，以相對固定形式確定下來，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，用戶在使用過程中無法對其功能進(jìn)行改變。它一般具有輸入信號接口、內(nèi)部處理電路和實(shí)時(shí)顯示三部分。對于一些儀表功能如自凋零、自校準(zhǔn)、自動調(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)，一臺普通傳統(tǒng)水表具有相對獨(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)場測量，測量結(jié)果不能處理、存儲、顯示，局限性很大。另外，傳統(tǒng)水表無法升級換代，而且開發(fā)周期長、經(jīng)費(fèi)投入大。隨著科技水平不斷發(fā)展，人們對傳統(tǒng)水表提出以下幾方面的要求：測量精度高、功能強(qiáng)、可靠性好，測量全能自動化、智能化，小型化、使用靈活方便、升級方便，同時(shí)還能進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示，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。智能水表是除了可對用水量進(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。智能水表除了可對水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進(jìn)行自動控制，并且自動完成階梯水價(jià)的水費(fèi)計(jì)算，同時(shí)可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲的功能。出于其數(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)由工作人員上門抄表收費(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對供水部門來說，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)。這對解決水費(fèi)托拖欠這個(gè)過去難以解決的問題會有幫助。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)的老大難問題，還可以提前收到資金。對用戶來說，由于水費(fèi)的支出在總支出中占的比重很小，這種改變，對用戶來說，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。但對供水部門來說，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認(rèn)可，水的交易將會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)在逐漸下降并且這種模式的成本在不斷增加。解決這個(gè)問題，可以采用多種途徑，但依靠技術(shù)進(jìn)步來解決這個(gè)問題，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)，基本上不會給用戶帶來麻煩。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)對降低供水部門的管理成本是會有顯著幫助的。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和隱私意識的增強(qiáng)，入戶抄表和上門收費(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發(fā)展趨勢。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)會帶來很多社會隱患的問題。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，將對供水交易提出較高的技術(shù)要求。采用普通水表和人工抄表的模式，是難以解決這些技術(shù)問題的，而采用智能IC卡水表，將很容易解決這些問題。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)跨越是很難完成的，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，沒有布線造成的混亂和高故障率等問題。智能IC卡水表的以上優(yōu)點(diǎn)，將會使智能IC卡水表逐漸被社會所接受并成為一種基本配置。1.3.2 國內(nèi)外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，國內(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)的研究開發(fā)，如寧波水表廠、上海自來水公司水表廠等都在相繼開發(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)組成相對獨(dú)立的小網(wǎng)，所以目前尚未大量投入市場；而采用先付費(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)順序采集來自多路分戶線的水表信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲。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)：由于每次水表的計(jì)量信號是通過分戶線穿越較長距離到達(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。采集器均安裝于現(xiàn)場，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。分線制集中抄表模式的風(fēng)險(xiǎn)不僅僅是各表風(fēng)險(xiǎn)的簡單累加。如果采集器掉電或出現(xiàn)其他嚴(yán)重故障則會使該采集器上所有數(shù)據(jù)丟失，集中抄表的風(fēng)險(xiǎn)無法有效分散，與測控系統(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，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)以及后期使用過程中線路、系統(tǒng)維護(hù)等繁重勞動強(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、卡式智能水表系統(tǒng)智能卡水表是在當(dāng)今智能卡技術(shù)與市場迅猛發(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，無需鋪設(shè)管線及線路維護(hù)，安裝方便、維護(hù)簡單；另外，智能卡水表自帶數(shù)據(jù)采集模塊、電源部分、電磁閥（電動閥）控制，由智能卡讀入預(yù)購水量等信息，使用簡單，動作可靠，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)我國金卡工程的長遠(yuǎn)發(fā)展建設(shè)來看，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)及管理自動化將是大勢所趨。未來信息技術(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，將自動抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)、家居安防系統(tǒng)等無“縫隙”地與數(shù)據(jù)網(wǎng)及控制網(wǎng)連接起來，開發(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 智能水表的硬件設(shè)計(jì)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。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。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E2PROM進(jìn)行永久保存并可通過串口送至表外的數(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。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。針對目前供水部門與用戶的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)對智能水表應(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相減，并且存入E2PROM以防丟失。2. 自動供停水功能：當(dāng)剩余水量為0時(shí)，自動關(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)警提示用戶購水。5. 掉電自動保護(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)會自動將閥門關(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。2.1.1 方案比較針對上述設(shè)計(jì)思想，提出了三種智能水表的設(shè)計(jì)方案。下面對它們的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行采集、累加、存儲和數(shù)據(jù)上傳。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)訊式集抄系統(tǒng)目前在國內(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)磁場干擾；(3) 電能耗費(fèi)。2. 方案二：基于CAN總線的智能水表自動抄收系統(tǒng)工作原理：自動抄收系統(tǒng)主要由小區(qū)管理中心計(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，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(jī)直接抄讀，最后經(jīng)微機(jī)管理，實(shí)現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)的自動處理。優(yōu)點(diǎn)：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(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)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(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)備異常主動報(bào)警。節(jié)點(diǎn)故障自動關(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)過于復(fù)雜，太難，且不容易實(shí)現(xiàn)4。3. 方案三：基于AT89C2051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)定水量用完之前會自動報(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) 電磁閥在長期開啟狀態(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，也會造成芯片損壞，從而無法計(jì)量；(3) 鋰電池在長期使用中是否能達(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)存儲器模塊、顯示模塊等組成2。2.1.2 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(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。從長期效益來看，隨著技術(shù)的成熟，社會各行各業(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，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)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2智能水表的工作原理智能水表以單片機(jī)為主體，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(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。智能水表除了可對水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進(jìn)行自動控制，并且自動完成階梯水價(jià)的水費(fèi)計(jì)算，同時(shí)可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲的功能。出于其數(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)由工作人員上門抄表收費(fèi)到用戶自己去營業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。智能水表以AT89C2051為核心控制芯片，完成整個(gè)水表信號的讀、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。智能水表工作時(shí)，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，卡表內(nèi)單片機(jī)識別IC卡密碼并確認(rèn)無誤后，將卡中購買水量與表內(nèi)剩余水量相加后，寫入卡表內(nèi)存儲器，同時(shí)必須將IC卡內(nèi)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)警提示用戶購水。當(dāng)E2PROM中存儲的水量用完時(shí)，單片機(jī)自動關(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)，閥門也會關(guān)閉。智能水表的主系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1 主系統(tǒng)框圖2.3智能水表的硬件結(jié)構(gòu)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AT89C2051為核心控制芯片，完成整個(gè)水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。IC卡座通信插座去脈沖電磁閥來自水量傳感器CPU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卡讀寫電路顯示/報(bào)警電路通信接口電路記憶單元電路電源模塊圖2.2 硬件結(jié)構(gòu)框圖2.3智能水表各模塊芯片及器件的選型2.3.1微處理器的選擇微處理器是本設(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。下面給出了對它的選型與功能介紹。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)可重擦寫程序存儲器。（1）AT89C51單片機(jī)簡介1.AT89C51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)部分通過片內(nèi)八位數(shù)據(jù)總線相連接。2. AT89C51單片機(jī)引腳及其功能如圖2.3所示為單片機(jī)AT89C51的引腳圖。圖2.3 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（3932腳）：P0口是一個(gè)漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動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（1017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4個(gè)TTL邏輯門電路。對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P3口進(jìn)行SFR尋址訪問時(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正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處低電平10ms來完成。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。端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD (串行輸出口)P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0）P3.5T1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）表2.1 P3口與第二功能表（2）AT89C2051單片機(jī)簡介AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（Flash）和128bytes的隨機(jī)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(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存儲單元。1.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向量兩極中斷結(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?？臻e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2.4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。圖2.4 AT89C2051的引腳圖2.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1.212MHz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。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2s。RESET引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，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)位信號持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過4s才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號的電路圖如下所示5。圖2.5 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路結(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)動能力強(qiáng)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。然而對本設(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)用所需要的容量以及在制作過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。2.3.2傳感器的選擇轉(zhuǎn)化基于傳統(tǒng)水表流量檢測原理，在本設(shè)計(jì)中采用將傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動計(jì)量方式轉(zhuǎn)化為電脈沖信號的方案。因此，需要找到一種可以將機(jī)械位移為電脈沖信號的傳感器。1.霍爾接近開關(guān)傳感器集成式霍爾開關(guān)傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾效應(yīng)片垂直于磁場時(shí)，對霍爾效應(yīng)片施加控制電流時(shí)，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(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)生的電動勢由內(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)外加磁場的強(qiáng)度小于霍爾開關(guān)的磁場工作強(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)外加磁場的強(qiáng)度大于霍爾開關(guān)的磁場工作強(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、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，動作響應(yīng)時(shí)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(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關(guān)傳感器耗電為mA級，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。2.光電檢測傳感器當(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)生光生電動勢，如外部用導(dǎo)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(dāng)被檢測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)生的光電動勢也發(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。然而，由于在此結(jié)構(gòu)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），因此，其功耗電也較高，不宜用在本低功耗設(shè)計(jì)中。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(jié)構(gòu)示意如圖2.6所示。圖2.6 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(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出極性的轉(zhuǎn)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(gòu)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(qū)動方式：非對稱驅(qū)動方式和對稱驅(qū)動方式。非對稱驅(qū)動方式開始把Wiegand組件置于一種稱為滲透磁場的強(qiáng)磁場中，此時(shí)Wiegand線的外殼和內(nèi)芯按同一方向極化，如圖2.7(a) 所示；再把組件置于一種稱為復(fù)位磁場的弱磁場中，此時(shí)內(nèi)芯的極性反向,而外殼的極性不變，如圖2.7(b) 所示；然后把組件置于滲透磁場中，Wiegand線內(nèi)芯與外殼的極性又恢復(fù)到圖2.7(a)的情況，由于Wiegand線中磁場的變化，導(dǎo)致在檢測線圈中一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生單一方向的電壓脈沖，如圖2.7(c)所示。圖2.7 非對稱驅(qū)動方式在對稱驅(qū)動方式中，采用兩塊磁場強(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2.8(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2.8(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(gè)方向的電壓脈沖輸出，如圖2.8(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3.8(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2.8(e) 所示6。圖2.8 對稱驅(qū)動方式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的激勵(lì)下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測線圈中感生出電信號，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)磁場極性變化一周，傳感器輸出一對正負(fù)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(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速”傳感。(4) 無觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水，壽命長。(5) 利用電話線、同軸線可實(shí)現(xiàn)電信號遠(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，小磁鋼將會轉(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，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測量的傳感器，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。2.3.3記憶單元組成的選擇1. I2C總線簡介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)交換開始，作為主控器的器件需要通過總線競爭獲得主控權(quán)，并啟動一次數(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獨(dú)立的模塊，它只有二根信號線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。CPU可以通過指令對各功能模塊進(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)出的控制信號分為地址碼和控制量（數(shù)據(jù)）兩部分。地址碼用來選址，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2.9所示。圖2.9 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。主器件用于啟動總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時(shí)鐘以開放傳送的器件，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，既沒有中心機(jī)也沒有優(yōu)先級。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必須是集電極或漏極開路，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。2. AT24C01簡介AT24C01是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它內(nèi)含2568位存儲空間，具有工作電壓寬（2.55.5V）、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，該地址寄存器自動加1，以實(shí)現(xiàn)對下一個(gè)存儲單元的操作。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2.10為AT24C01的引腳圖。各引腳功能如下：圖2.10 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)。該引腳為開漏極驅(qū)動，可雙向傳送數(shù)據(jù)。A0A2:器件/頁面尋址。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。經(jīng)過分析和比較，本設(shè)計(jì)的記憶單元中采用I2C總線接口，存儲單元采用AT24C01以滿足本設(shè)計(jì)的要求。2.3.4控制閥門的選擇智能水表中，控制閥門也是關(guān)鍵的部分，要求壓力損失小、體積小、功耗低，達(dá)到國家建設(shè)部頒布的水表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于智能水表只能采用電池供電，而且要求長期穩(wěn)定工作。如果閥門功耗大，只能采用大容量電池，不僅增加了成本，而且智能水表體積也必須增大，并且電池瞬間供電能力有限，功耗大到一定程度增加電池容量也不能解決問題。智能化水表中的控制閥門有很多種，有電磁閥、普通球閥、先導(dǎo)閥、電動閥等。(1)普通球閥：功耗大，難以達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。(2)先導(dǎo)閥：先導(dǎo)閥門是利用閥門進(jìn)出口壓力差通過導(dǎo)閥放大來控制主閥開關(guān)動 作由主閥、導(dǎo)閥、電機(jī)、減速器、閥芯等組成，這種閥門的優(yōu)點(diǎn)是先導(dǎo)閥的閥門開啟和關(guān)閉的主要驅(qū)動力來源于管道內(nèi)介質(zhì)的壓力，因此閥門開、關(guān)所需起動力矩及工作力矩很小，類似晶體管放大原理或杠桿原理，它的閥瓣是橡膠的，屬軟密封，留有一定壓量，因此密封性好，先導(dǎo)閥安裝簡單，功耗低，但是壓力損失大，先導(dǎo)閥小孔 易被雜物堵塞造成閥門失效，而且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時(shí)成本稍高。(3)電動閥：主要有電動球閥、電動陶瓷閥、電動先導(dǎo)閥等。(4)電磁閥：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，必須對現(xiàn)有電平開關(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。2.3.5 IC卡的選擇由于水表中采用IC卡存儲用戶所購買的用水量等信息，如果IC卡一旦被非法復(fù)制、偽造，必將給供水管理造成巨大的損失。在IC卡水表中所涉及的區(qū)域及完成的功能有：(1)制造代號和發(fā)行商代號的識別：IC卡水表應(yīng)對該卡是否是本發(fā)行商所發(fā)行的卡進(jìn)行識別，如不是，應(yīng)發(fā)出警告，并拒絕以后的操作。(2)密碼核對：核對密碼錯(cuò)誤時(shí)，將禁止任何對卡的寫操作。 (3)應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)(計(jì)費(fèi)區(qū))：若傳感器每產(chǎn)生三個(gè)脈沖，都將應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)值減少相應(yīng)的數(shù)量，當(dāng)應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的余額不足時(shí)，微處理器能檢測到這一信號，關(guān)閉閥門。但是此方法存在一個(gè)缺點(diǎn)，即當(dāng)用戶將 IC卡從水表中拔出去交費(fèi)更新時(shí)，必然會切斷供水，這可能會給用戶帶來一些不便。為此，在 IC卡水表中增加了數(shù)據(jù)存儲器 EPROM，當(dāng)將 IC卡插入水表后，水表立即將卡上所存數(shù)量全部移到表內(nèi)的數(shù) 據(jù)存儲器中，并將卡內(nèi)的數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)全部刷成 0。此時(shí)，就可將 IC卡從表中拔出，用戶可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候提前持卡到發(fā)行處付費(fèi)，進(jìn)行儲備，以保證不間斷供水。而且IC卡不需長期插在水表中，有利于延長卡的使用壽命。綜合以上敘述，本智能水表系統(tǒng)中選用一種帶有加密功能、能防偽造、防復(fù)制且價(jià)格較低并且能夠重復(fù)使用的IC卡。本設(shè)計(jì)中選用的SLE4442卡是由SIMENSE公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的邏輯加密芯片，具有2K的存儲容量和完全獨(dú)立的可編程加密代碼存儲器（PSC），內(nèi)部電壓提升電路保證了芯片能夠以單+5V電壓供電，較大的存儲容量能夠滿足通常應(yīng)用領(lǐng)域的各種要求。SLE4442卡，以其優(yōu)良的性能價(jià)格比，近年來在中國被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、企業(yè)管理以及水、電、氣、商業(yè)預(yù)收費(fèi)等領(lǐng)域中11。該芯片特點(diǎn)：（1）用多存儲器結(jié)構(gòu)。（2）2線連接協(xié)議，串行接口滿足ISO7816同步傳送協(xié)議。（3）芯片采用NMOS工藝技術(shù)，每字節(jié)的擦除/寫入編程時(shí)間為2.5MS。（4）存儲器具有至少10000