基于單片機(jī)的IC卡智能水表控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1 基于單片機(jī)的 智能水表控制系統(tǒng)設(shè)計方案 1 文獻(xiàn)綜述 題的背景及意義 環(huán)境與發(fā)展，是當(dāng)今國際社會普遍關(guān)注的重大問題，保護(hù)環(huán)境是全人類的共同任務(wù)。水資源作為生態(tài)環(huán)境中的重要資源，是人類生活的生產(chǎn)中不可取代的資源，對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(zhì)條件，沒有水人類就不能生存，沒有水人類賴以自下而上的物質(zhì)生產(chǎn)就不能發(fā)展。 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 技術(shù)對用水量進(jìn)行計量并進(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，是一個很大的進(jìn)步。 智能水表除了可對用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量自動進(jìn)行控制，同時可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲的功能。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過 進(jìn)行，因而可以實現(xiàn)由工作人員上門操表收費(fèi)到用戶自己去營業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。 交易系統(tǒng)還具有交易方便，計算準(zhǔn)確，可利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點 1。 智能水表及其管理系統(tǒng) 的出現(xiàn) ，將從根本上 解決了已上問題 。采用 智能水表進(jìn)行交易結(jié)算， 不但實現(xiàn)了用水收費(fèi)的電子化，而且還改變了先用水后收 費(fèi)的不合理狀況，使的供水部門能預(yù)先收取部分費(fèi)用，有利于公用事業(yè)的發(fā)展。 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(fèi)的管理水平，確保供水部門能及時收取水費(fèi)。因此， 智能水表成為相關(guān)科研單位關(guān)注的重點，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益 2。 能水表 的發(fā)展趨勢 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，加上國家相關(guān)政策的推動，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，單體式智能 類儀表又將會是發(fā)展主流。 從實際情況 看，現(xiàn)在的 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(zhì)量不可靠； （ 3） 存在安全隱 2 患。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 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(jìn)的水流量信號提取裝置代替，機(jī)械計量和機(jī)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， 智能水表是一種先進(jìn)的計量儀表，對這種先進(jìn)儀表的大規(guī)模推廣使用將會有力促進(jìn)中國供用水管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。中國在這個方面的超前發(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 3。 課題的研究工作 詳細(xì)分析課題任務(wù)，對 智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對現(xiàn)代傳感器技術(shù)、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)計出實現(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。下面對本設(shè) 計的主要研究工作做個簡述。 (1) 根據(jù)設(shè)計要求，提出幾種方案，對它們進(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(shè)計進(jìn)行了深入的研究； (5) 詳細(xì)分析了 工作原理； (6) 對 技術(shù)做了簡明扼要的分析，并對其軟件的讀寫原理進(jìn)行了詳細(xì)的討論； (7) 應(yīng)用 示 技術(shù)，可隨時 查詢 累計用水總量、可用水量； (8) 改進(jìn)了 普遍應(yīng)用電源方案，詳細(xì)地介紹了超級電容技術(shù)及其在本設(shè)計中的應(yīng)用； (9) 對整個系統(tǒng)的 軟、硬件進(jìn)行了深入的分析，并且繪制了相關(guān)硬件電路圖、軟件流程圖，還編寫了相關(guān)軟件程序。 3 2 本論文的方案論證 計方案 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：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(hù)工作量大； (2) 磁鐵強(qiáng)磁場干擾； (3) 電能耗費(fèi)。 方案二：基于 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(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，實現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)的自動處理。 優(yōu)點： 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(jī)系統(tǒng)，且無主從機(jī)之分，便于實現(xiàn)設(shè)備 異常主動報警。節(jié)點故障自動關(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，方便了系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。 缺點：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)計過于復(fù)雜，太難，且不容易 實現(xiàn) 4。 方案三：基于 89片機(jī)的 智能水表系統(tǒng) 工作原理：以接觸 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)點先預(yù)購買水量，再將用水量通過 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)，報警器在 設(shè)定水量用完之前會自動報警以提醒用戶購水，達(dá)到“先買水、后用水”的目的。 4 優(yōu)點：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： (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) 表也是由發(fā)訊脈沖進(jìn)行累加計量，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，從而無法計量； (3) 鋰電池在長期使用中是否能達(dá)到設(shè)計年限還有待考證，到期后由誰 負(fù)責(zé)更換是個問題。 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)計的 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、 讀寫模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊、顯示模塊等組成 2。 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)、 技術(shù)等，這些技術(shù)都已經(jīng)相當(dāng)成熟， 最容易實現(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 各種實際情況、現(xiàn)有技術(shù)水平和設(shè)計要求，我們 選擇了第三種方案基于 89片機(jī)的 智能水表系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計。 5 3 智能水表的硬件設(shè)計 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，我們采用了模塊化的設(shè)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(jìn)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(xì)的分析。 系統(tǒng)的構(gòu)成 根據(jù)設(shè)計要求，所要設(shè)計的系統(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、信號處理模塊、 示電路、報警電路、電源模塊、電磁閥驅(qū)動電路以及其他輔助電路。所有模塊的設(shè)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(nèi)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 6 電 源 模 塊流 量 傳 感 器顯 示 / 報 警 電 路I C 卡 接 口 電 路片 外 E E P R O 理 器驅(qū) 動 電 路供 給 用 戶進(jìn) 水電 磁 閥信 號 處 理 模 塊圖 3系統(tǒng)框圖 能 水表 工作原理： 首先由用戶 購買 用戶卡），并攜 作人員將購買水量等信息寫入卡中 。 用戶將卡插入 表內(nèi)單片機(jī)識別 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，同時必須將 水值清零。 當(dāng)用戶用水時，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 0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 56 卡表報警提示用戶購水。 當(dāng) 存儲的水量用完時，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，閥門也會關(guān)閉 2。 處理器 微處理器是本設(shè)計中的核心器件，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。 片機(jī)的選型 單片機(jī)的選型從以下幾個方面考慮： (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，它主要從以下幾個方面體現(xiàn)。 單片機(jī)的 否有合適的處理能力。 單片機(jī)是否有系統(tǒng)所需要的 I/O 端口數(shù)。 單片機(jī)是否含有系統(tǒng)所需的中斷源和定時器。 單片機(jī)片內(nèi)是否有系統(tǒng)所需的外接口。 單片機(jī)的極限性能是否能夠滿足要求。 （ 2）單片機(jī)的市場供應(yīng)情況 （ 3）單片機(jī)的可開發(fā)性 片機(jī) 介 產(chǎn)的單時鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快8。內(nèi)部集成 用復(fù)位電路， 2 路 8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。 1、增強(qiáng)型 80511T(1024G)，單時鐘 /機(jī)器周期 2、工作電壓 、 1280 字節(jié) 、通用 I/O 口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉 可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強(qiáng)推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏 每個 I/O 口驅(qū)動能力均可達(dá)到 20整個芯片最大不要超過 1207 5、有 能 6、看門狗 7、內(nèi)部集成 用復(fù)位電路 8、外部掉電檢測電路 9、時鐘源：外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 片機(jī)為： 1117片機(jī)為： 8120、 4 個 16 位定時器 兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器， 16 位定時器 1、 3 個時鐘輸出口，可由 溢出在 0 輸出時鐘，可由 溢出在 1 輸出時鐘，獨立波特率發(fā)生器可以在 輸出時鐘 12、外部中斷 I/O 口 7 路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的 塊， 式可由外部中斷喚醒， 3、 14、 A/D 轉(zhuǎn)換， 10 位精度 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S 15、通用全雙工異步串行口 (16、雙串口， 7、工作范圍： 5 18、封裝： 腳說明 0： 既可以作為輸入 /輸出口，也可以作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當(dāng) 作為輸入 /輸出口時， 一個 8 位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上 8 拉電阻，無需外接上拉電阻。當(dāng) 為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時，是低 8 位地址線 7，數(shù)據(jù)線 7 準(zhǔn) 、 入通道 0、獨立波特率發(fā)生器的時鐘輸出 準(zhǔn) 、 入通道 2、 數(shù)器的 外部脈沖輸入腳，第二串口數(shù)據(jù)接收端 部信號捕獲，高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出、第二串口數(shù)據(jù)發(fā)送端 S 非 步串行接口的從機(jī)選擇信號 步串行接口的主出從入 (主器件的輸入和從器件的輸出 ) 步串行接口的主入從出 2 口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入輸出口 (8 位準(zhǔn)雙向口 )，也可作為高 8位地址總線使用。 準(zhǔn) 、串口 1 數(shù)據(jù)接收 端 外部中斷 0，下降沿中斷或低電平中斷 9 0/ /時器計數(shù)器 0 外部輸入、定時器 0 下降沿中斷、定時計數(shù)器 0 的時鐘輸出 A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 2 系列帶 A/D 轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換口在 ，有 8 路10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到 2505 萬次 /秒 )。 8 路電壓輸入型 A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復(fù)位后 為弱上拉型 ，用戶可以通過軟件設(shè)置將 8 路中的任何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不須作為 A/D 使用的口可繼續(xù)作為 使用。 單片機(jī) 多路開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、 10 位 換結(jié)果寄存器以及 成。 該單片機(jī)的 逐次比較型 次比較型 一個比較器和 D/過逐次比較邏輯，從最高位 (始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點。 需作為 用的口先將 殊功能寄存器中的相應(yīng)位置為 1，將相應(yīng)的口設(shè)置為模擬功能。 腳圖如圖 圖 310 圖 3片機(jī)的引腳圖 振與復(fù)位電路的設(shè)計 單片機(jī)內(nèi)部帶有時鐘電路，因此，只需要在片處通過 腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個穩(wěn)定 的自激振蕩器。 振蕩器的工作頻率一般在 12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時性。一般采用石英晶振作定時控制元件；在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。 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)計電路板時，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)計中，我們采用的外接晶振頻率約 6此機(jī)器周期約2 s。 腳是復(fù)位信號的輸入 端。復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù) 24個振蕩脈沖周期（即兩個機(jī)器周期）以上。如使用頻率為 6晶振，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過 4 s 才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號的電路圖如圖 3示 5。 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 1 8- M a y - 20 0 6 S he e t o f F i l e : C : D o c u m e n t s a n d S e t t i n b od e s 桌面 M y D e s i g n 1 .D d bD r a w n B y:V C H p p 51u 68 - P S E A L 1X T A L 2A T 89 C 2 05 1圖 3位電路和時鐘電路 感器的選擇 爾接近開關(guān)傳感器 集成式霍爾開關(guān)傳感器的主要優(yōu)點是：可靠性強(qiáng)、抗干擾性能好、溫度特性優(yōu)良、 11 電源電壓范圍寬、輸出電流能力強(qiáng)、兼容性好、能與 成電路直接接口，動作響應(yīng)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(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 ，因此，霍爾開關(guān)傳感器不適合應(yīng)用在本低功耗設(shè)計中。 電檢測傳感器 當(dāng)光照射在半導(dǎo)體材料的 上時 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，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)計中。 根 )傳感器 (1) 感器組成 感器由三部分組成： (1)； (2)檢測線圈，將其纏繞在 放置在 附近； (3)磁鐵。常用結(jié)構(gòu)示意如圖 3示。 圖 3感器組成 (2) 感器工作方式 根據(jù) 外部磁場引入的方式不同， 感器有兩種驅(qū)動方式：非對 12 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 件置于一種稱為滲透磁場的強(qiáng)磁場中，此時 的外殼和內(nèi)芯按同一方向極化，如圖 3-5 a) 所示；再把組件置于一種稱為復(fù)位磁場的弱磁場中，此時內(nèi)芯的極性反向 ,而外 殼的極性不變，如圖3-5 b) 所示；然后把組件置于滲透磁場中， 內(nèi)芯與外殼的極性又恢復(fù)到圖 3-5 a)的情況，由于 中磁場的變化，導(dǎo)致在檢測線圈中一個周期內(nèi)產(chǎn)生單一方向的電壓脈沖，如圖 3-5 c)所示。 圖 3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 的外殼和內(nèi)芯按同一方向進(jìn)行滲透，如圖 3-6 a)所示；再將 切換到第二塊磁鐵，在這過程中，首先線芯的極性改變，如圖 3-6 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，如圖 3-6 c) 所示；接著，再將 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3-6 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 3-6 e) 所示 6。 13 圖 3稱驅(qū)動方式 (3) 列韋根傳感器原理及其特點 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，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。 它具有以下特點： 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。 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。 輸出信號幅值與磁場的變化速度無關(guān)，可實現(xiàn)“零速”傳感。 無觸點、耐腐蝕、防水，壽命長。 利用電話線、同軸線可實現(xiàn)電信號遠(yuǎn)傳。 由于 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(shè)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 列韋根傳感器 產(chǎn)品，其 型號為 具體使用方法為：在水表的計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 傳感器，這時傳感器產(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(jī)進(jìn)行計數(shù)計 14 量。選擇此傳感器作輸入信號測量的傳感器，既滿足了準(zhǔn)確計量的基本要求，又滿足了低功耗設(shè)計的需要，是本低功耗設(shè)計的重要組成部分。 號處理模塊的設(shè)計 列 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(jìn)行放大、整形處理。我們采用如圖 3示的簡單電路，可以很好的達(dá)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(jī)的外部中斷 0 行計數(shù)處理。當(dāng)計滿 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)計中代表 水）。 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 1 8- M a y - 20 0 6 S he e t o f F i l e : C : D o c u m e n t s a n d S e t t i n b od e s 桌面 M y D e s i g n 1 .D d bD r a w n B y:R 1 21 0 U 6 0 4V C 量傳感器R 1 32 00W _ I N ( P 3 圖 3號處理電路圖 由于 列韋根傳感器使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式（即對稱驅(qū)動方式），當(dāng)水表葉輪轉(zhuǎn)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(fù)雙向脈沖電信號 。當(dāng) 韋根傳感器輸出為正向脈沖時， 導(dǎo)通， 脈沖檢測信號 出為高電平；當(dāng)韋根傳感器輸出為負(fù)向脈沖時， 截止， 脈沖檢測信號 出為低電平。即 水表葉輪轉(zhuǎn)動一周，脈沖檢測信號 在一個由高到低的跳變。由于我們設(shè)定 外部中斷 0 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(zhuǎn)動一周，外部中斷 0生一次中斷 5。 15 磁閥的選擇與設(shè)計 對于水表而言，閥門是被控對象，控制著進(jìn)水的開 /關(guān)狀態(tài)。目前可控制的閥門主要是電磁閥，但常規(guī)的電磁閥是靠電的通 /斷來控制閥門的開 /關(guān)的，即要讓閥門一直關(guān)著，就必須一直通電，因此耗電較大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必須對現(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)控制由電脈沖來實現(xiàn)。使得對閥門開 /關(guān)只需瞬時供電，從而減少耗電量。在這里我們選擇：執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用繼電器動帶自鎖的脈沖電磁閥 者僅需 +3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，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。 當(dāng)水量為零時，控制閥自動關(guān)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(dāng)特殊事件發(fā)生時，控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。三種事件狀態(tài)下控制閥的通斷情況如圖 37。 表 內(nèi) 水 量 用 完 電 池 欠 壓 水 表 盒 打 開 或 觸 發(fā)關(guān) 閉 控 制 閥電 路 控 制圖 3制閥的關(guān)斷情況 值得注意的是，由于繼電器和脈沖開關(guān)電磁閥都是較大容量的感性負(fù)載，因而在切斷這些感性 負(fù)載時，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(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)計相應(yīng)的抗干擾電路來消除此電磁干擾，本系統(tǒng)所采用的抗干擾措施主要有以下兩點： 16 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 7 - J 2 0 0 6 S he e t o f F i l e : F : 畢業(yè)設(shè)計 .D d b D r a w n B y:0R 1 01 - G O D 1壓敏電阻V C 電耦合器隔離電路 (1) 采用光電耦合器進(jìn)行隔離 當(dāng) 出為高電平時候 通，在光電耦合器 號為 4的發(fā)光二級管發(fā)光，三級管導(dǎo)通。此時，電阻 就存在一個高電平使 電器即得電產(chǎn)生動作。 如圖 3示 續(xù)流保護(hù)的作用。 從上圖中可以看出，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（ 敏電阻，其電氣性能如 圖 3示。 從圖 3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 量級的漏電流流過 17 0n O 壓 敏 電 阻線 性 電 阻圖 3化鋅壓敏電阻的電氣性能 壓敏電阻，相當(dāng)于開路狀態(tài)。當(dāng)有電壓（當(dāng)電壓達(dá)到臨界值以上）時，壓敏電阻即迅速變?yōu)榈妥杩梗憫?yīng)時間為毫微秒數(shù)量級），電流急劇上升，電阻急劇下降，過電壓以過電電流的形式被壓敏電阻吸收掉，相當(dāng)于過電壓部分被短路。當(dāng)浪涌過電壓過后，電路電壓恢復(fù)到正 常工作電壓，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)。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 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(shè)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(guān)所產(chǎn)生的浪涌過電壓就被壓敏電阻所吸收了。壓敏電阻的使用大大降低了電磁閥開關(guān)所造成的電磁干擾對單片機(jī)系統(tǒng)的影響。 外數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)計 在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，考慮到智能水表在 使用過程中可能出現(xiàn)失電的情況。當(dāng)這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)應(yīng)該保存失電前的一些數(shù)據(jù)。比如， 存儲用戶設(shè)定的水量系數(shù) N（轉(zhuǎn)/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(jī)的數(shù)據(jù)存儲器中，單片機(jī)失電重啟動后存儲的相關(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 成這些數(shù)據(jù)的存儲，本設(shè)計系統(tǒng)中加入了 線的 線簡介： 線由 出，是一種用于 件之間連接的二線制總線。它通過 行數(shù)據(jù)線）及 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(jī)、存儲器、 動器還是鍵盤 18 接口。采用 線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或 件，其內(nèi)部不僅有 口電路，而且將內(nèi)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 線 數(shù)據(jù)格式如下： 開始 7/10 器件地址 R/W 停止 美國 司的低功耗 行 是內(nèi)含 128 8 位存儲空間，具有工作電壓寬（ 擦寫次數(shù)多（大于 10000 次）、寫入速度快（小于 10特 點 9。在系統(tǒng)中，用 儲用戶的設(shè)定水量轉(zhuǎn)數(shù) N、水表檢測脈沖數(shù) M、累計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，使其不被丟失。其實際電路連接圖如圖 3示：電阻 上拉電阻。由于我們只用一片 以 1=。它的工作原理我們將在第四章詳細(xì)介紹。 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 0 6 S he e t o f F i l e : F : 成品 M y D e s i g n 1 .D d b D r a w n B y:R 2 52 0 42 0 S D A ( P 1 E _S C L ( P 1 S D 3A T 24 C 0 1圖 3單片機(jī)接口電路 C 卡及其接口電路的設(shè)計 下面簡要介紹 列的 的基本特性與引腳功能，并分析 片機(jī)的在本設(shè)計中的具體接法。 19 于 列的 列 是美國 C 卡。產(chǎn)品型號有 02/04/08/16/32/64，存儲容量分別為 1 4 8 16 32 64 5V 低電壓供電；雙線串行接口；雙向 數(shù)據(jù)傳送；支持 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(nèi)使用最多的 列 的引出端符合 準(zhǔn)。 作電壓； 串行時鐘； I/O），串行數(shù)據(jù)（輸入 /輸出）； 6： 接。 引腳如圖 3示，其中引腳 T， P 為微動開關(guān)的兩觸點。此微動開關(guān)在無 狀態(tài)時，處于斷開狀態(tài)；有卡插入時， 卡座上的微動開關(guān)動合，因此，此開關(guān) 往往是用來判斷是否插 的傳感器件 2。 V C S D G N C 卡示意圖 C 卡的接口電路的設(shè)計 24系列為低功耗 2件，使用單 +5源電壓范圍為 6V， 內(nèi)有高壓泵電路，寫入、擦除操作由內(nèi)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(shè)計的 40中 準(zhǔn) T、 將 91。由于 引腳 T， 以，當(dāng)有 動開關(guān)閉合， 片機(jī)通過判讀 好讀卡準(zhǔn)備，無卡時， 時鐘線 (用軟件模擬時序的方法來實現(xiàn)對 當(dāng)有 片機(jī)通過判讀 好讀卡準(zhǔn)備，無卡時， 0 高 ， 10。 1 2 3 4i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 1 8- M a y - 20 0 6 S he e t o f F i l e : C : D o c u m e n t s a n d S e t t i n b od e s 桌面 M y D e s i g n 1 .D d bD r a w n B y:R 1 92 0 2 51R 2 02 0 .1 u _ S D A ( P 1. 7)I C _ S C L ( P 1 . 6)S W _ T ( P 1. 5)V C 3I C - C A R 3 51R 2 15 圖 3C 卡接口電路 機(jī)交互接口的設(shè)計 人機(jī)互交接口包括了報警電路與顯示電路的設(shè)計，下面具體給出了在本設(shè)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(yīng)用的顯示原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 警電路的設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)需要，我們設(shè)計了一個報警電路。當(dāng)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 三級管， 1 個蜂鳴器和 1 個電阻組成。如下圖 3示，當(dāng) 出一個高電平時 ， 三級管 通，蜂鳴器馬上得電發(fā)聲，產(chǎn)生報警 11。 21 圖 3警電路 示電路的設(shè)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。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(guān)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(guān)閉。如顯示 10s 后，按鈕沒有動作，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 的顯示方式通?？煞譃?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 本高。為了在人機(jī)對話設(shè)計中降低硬件成本，節(jié)約單片機(jī)的 I/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(shè)計了一種新穎的顯示模塊，經(jīng)調(diào)試，效果良好。 顯示電路的具體電路如圖 3由單片機(jī) 2片 746個 6個 220歐姆左右的限流電阻組成， 74位串入并出移位寄存器，它的每一個輸出管腳具有 +/。對于小型 要串聯(lián) 200 360的限流電阻。動態(tài)顯示電路采用 2片 74以驅(qū)動 1 8只共陰極數(shù)碼管，我們采用 6位顯示，其中一片 一片 2片 74占用單片機(jī) 個 I/碼驅(qū)動 鐘輸入端口分別連接 碼驅(qū)動 鐘輸入端口分別連接位碼驅(qū)動 7和 擇 方式， 即移位寄存器方式 12。 22 123456A B C 5:發(fā)送y:1D 3D 5D 7 1W M 2W M 3W M 4W M 5W M 6口顯示電路圖 如果要求在 6位 先從 過譯碼表譯出這個字符的段碼值并將段碼值寫入 據(jù)這個字符在 23 顯示器的位置 (這里為最低位 )。確定它的位碼值是 111 1110)將位碼值寫入注意：段碼驅(qū)動 碼驅(qū)動 。在顯示程序中，首先將位碼值寫入串行數(shù)據(jù)寄存器 (在 3。當(dāng) 送中斷標(biāo)志位 測到 后，清零 著將段碼寫入 ，同時段碼驅(qū)動 1中，延時 2可顯示這個字符了。如果要求在低二位顯示第 2個字符，則 111 1110)不帶進(jìn)位位左移一位 (1111 1101)并送 通過譯碼表取得第 2個字符的段碼值送入 復(fù)上述過程即可。以上過程循環(huán) 可完成 1 6位字 符的顯示工作。在主程序中循環(huán)調(diào)用顯示程序，反復(fù)掃描 之達(dá)到近似靜態(tài)的顯示效果 13。 源的設(shè)計 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(jī)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(shè)計中， 單片機(jī)判別電池的能量，由于不用象手機(jī)那樣隨時顯示電池的容量，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(guān)閥電量就可以了。 低電壓檢測對單片機(jī)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(yùn)行，避免數(shù)據(jù)出錯的作用，智能水表的設(shè)計中同樣如此。具體地講，應(yīng)該在系統(tǒng)掉電到一個門限電壓（該門限電壓應(yīng)高于 最低運(yùn)行電壓）時，通過相應(yīng)的電壓檢測電路把信號傳遞給 時對系統(tǒng)進(jìn)行軟件復(fù)位。電壓檢測器可以選用合泰公司的 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 監(jiān)視系統(tǒng)供電電平 對電壓變化十分敏感，在 于 ，芯片輸出高電平，當(dāng) 于 ，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 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。 級電容的應(yīng)用 傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開啟和關(guān)斷時，普遍采用的方法是內(nèi)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(shè)計再充電 24 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(jī)的，如果不精確和及時的監(jiān)測電池電量，將無法可靠地關(guān)斷水閥，造成無法計費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內(nèi)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(shè)計了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態(tài)時控制漏電流在 10A 以內(nèi)，保證電池可以連續(xù)使用 5 年以上，這對電路的設(shè)計和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設(shè)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（ 替鋰電池應(yīng)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(fù)使用壽命長，放電時利用移動導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，為設(shè)備提供電源 ，