智能水表設(shè)計

1、天 津 大 學 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學 院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：IC卡智能水表設(shè)計完成期限：2017年1月5日 至 2017年5月15日學習中心：奧鵬專業(yè)名稱：電氣工程及其自動化 學生姓名：學生學號：指導(dǎo)教師：李克驕摘 要本文主要以智能IC卡水表系統(tǒng)為研究對象，研究了基于單片機的智能水表的設(shè)計。首先提出射頻IC智能水表系統(tǒng)的設(shè)計方案； 其次對系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計； 再次介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計原則以及控制流程。該智能水表以低功耗、低電壓、高性能的8 位單片機AT89C51為核心，以防干擾性能極高的雙干簧管為流量傳感器，另外本設(shè)計還有可顯示狀態(tài)字的LED 顯示屏以及報警模塊，剩余水量到報警值或為

2、零時，門閥驅(qū)動電路運作，自動關(guān)閥中斷供水。采用射頻讀寫芯片，當IC 卡貼近感應(yīng)區(qū)時，通過讀卡芯片讀入所購水量并和水表內(nèi)剩余水量累加，并寫入射頻卡水表內(nèi)存儲器。本設(shè)計可以改善傳統(tǒng)水表功能單一的缺點，測量精度更高，功能更強，可靠性更好。關(guān)鍵詞：智能水表； 射頻IC卡； AT89C51； 目 錄第一章緒論1第二章系統(tǒng)分析及設(shè)計方案22.1系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標22.2系統(tǒng)主要硬件2第三章 硬件設(shè)計33.1AT89C51單片機的介紹33.1.1中斷系統(tǒng)83.2流量傳感器93.3閥門驅(qū)動電路103.4讀寫模塊113.5通信模塊133.6電路顯示153.7報警電路153.8電源電路16第四章 軟件設(shè)計174.1

3、設(shè)計思路174.2主流程圖184.3 protues仿真19參考文獻21附 錄22致 謝28天津大學網(wǎng)絡(luò)教育學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論水資源短缺現(xiàn)象日益嚴重,加強用水科學管理是當前首要任務(wù)。長期以來，我國城鎮(zhèn)居民都是先用水后交費，采用人工抄表、按戶收費的方式。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，所實現(xiàn)的功能較單一。因此研制一種低功耗、計量精確方便的智能水表顯得極為重要。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，智能IC卡水表漸漸走入了人們的生活。1997年第一個代碼預(yù)付水表產(chǎn)生了；1998年射頻卡水表研究成功；1999年新一代的接觸式IC卡水表(采用邏輯加密卡)及CPU卡水表研制成功：20

4、00年TM卡水表產(chǎn)生了；2001年具有防水功能的接觸式IC卡水表研制生產(chǎn)。20世紀90年代初期，中國各地對水表計量精度等級達到A級就滿足了，而美國普遍要求相當于國際標準的C級。近年來世界性共同傾向?qū)λ淼馁|(zhì)量要求提高，向工業(yè)發(fā)達國家靠近，如烏拉圭國家要求速度式C級計量精度等級，澳大利亞要求D級。中國市場上，速度式水表從B級到C級，容積式從C級到D級，純凈水用戶指定要求D級水表。我國的傳統(tǒng)水表必須進行改進才能適應(yīng)社會和經(jīng)濟的發(fā)展。測量精度高、功能強、可靠性好，智能化，小型化、使用靈活方便成為研究本課題的重要方向。1 2 3本文以智能IC卡水表系統(tǒng)為研究對象,首先提出射頻IC智能水表系統(tǒng)的設(shè)計方案

5、； 其次對系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計； 再次介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計原則以及控制流程。該智能水表以美國ATMEL 公司生產(chǎn)的一種低功耗、低電壓、高性能的8 位單片機AT89C51為核心，以雙干簧管為流量傳感器，另外本設(shè)計還有可顯示狀態(tài)字的LED 顯示屏以及報警模塊，剩余水量到報警值或為零時，門閥驅(qū)動電路運作，自動關(guān)閥中斷供水。采用射頻讀寫芯片，當IC 卡貼近感應(yīng)區(qū)時，通過讀卡芯片讀入所購水量并和水表內(nèi)剩余水量累加，并寫入射頻卡水表內(nèi)存儲器。22第二章 系統(tǒng)分析及設(shè)計方案本文以智能IC卡水表系統(tǒng)為研究對象，研究了基于單片機的智能水表的設(shè)計。了解智能IC水表系統(tǒng)的工藝過程，對被控對象進行整體分析，設(shè)計整

6、體系統(tǒng)方案；根據(jù)智能IC水表系統(tǒng)的特點，完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計；在硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，包括主程序、初值設(shè)定子程序、LED 顯示子程序等。2.1系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標（1） 實現(xiàn)智能水表精確測量，達到 1 級精度要求的方法。此處涉及到水量計量芯片的選擇、CPU 的選擇、軟件算法的構(gòu)架、PCB 布局等影響測量精度因素的研究。 （2）實現(xiàn)水表智能化管理的具體方法。涉及到的研究內(nèi)容有：數(shù)據(jù)存儲的方法、系統(tǒng)通過 RS485 與上位機通信實現(xiàn)方法、系統(tǒng)通過紅外與其他設(shè)備通訊的實現(xiàn)方法。 （3）實現(xiàn)系統(tǒng)供電電源的方法。此處涉及到交流電源轉(zhuǎn)直流穩(wěn)壓電源的研究。2.2系統(tǒng)主要硬件單片機的最小系統(tǒng)、流量

7、傳感器、顯示電路、電源模塊、報警電路、門閥驅(qū)動電路、讀寫模塊等,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。第三章 硬件設(shè)計單片機的最小系統(tǒng)、流量傳感器、顯示電路、電源模塊、報警電路、門閥驅(qū)動電路、讀寫模塊等。3.1AT89C51單片機的介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機而在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)

8、的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。AT89C51提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至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，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(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硬件復(fù)位。

9、AT89C51是一種CMOS八位微處理器，而且在其片種能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，可完全代替MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可構(gòu)成單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積, 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4k, 四個I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程，而且寫入時間僅10毫秒,僅為8751/87C5的擦除時間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比,不易損壞器件,沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式

10、控制領(lǐng)域。AT89C51芯片提供三級程序存儲器鎖定加密，提供了方便而可靠的硬加密手段,能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。AT89C51有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設(shè)置的, 當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時, CPU可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠態(tài), 內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個中斷所終止或通過硬件復(fù)位。掉電模式是VCC電壓低于電源下限, 振蕩器停止振時, CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值保持不變,直到掉電模式被終止。只有VCC電壓恢復(fù)到正常工作范圍且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過

11、硬件復(fù)位、掉電模式可終止。AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖3-1。其引腳功能敘述如下：電源和晶振 VCC運行和程序校驗時加+5V GND接地 XTAL1輸入到振蕩器的反向放大器 XTAL2反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。(當使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號）RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈

12、沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器 時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。I/O（4個口，32根） P0口8位、漏極開路的雙向I/O口。當使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳

13、第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。P1口8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。P2口8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低

14、，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。串行口P3.0RXD（串行輸入口），輸入。P3.1TXD（串行輸出口），輸出。 中斷&#

15、160;P3.2INT0外部中斷0，輸入。 P3.3INT1外部中斷1，輸入。定時器/計數(shù)器 P3.4T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入。P3.5T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，輸入。 數(shù)據(jù)存儲器選通 P3.6WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。 P3.7RD低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。 控制線(共4根) 輸入：RST復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 EA/Vpp片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加21V的編程電壓。 輸入、輸出：&

16、#160;ALE/PROG地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動8個LSTTL負載。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。 輸出： PSEN片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機器周期中，當PSEN有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送

17、上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動8個LSTTL負載。 2.1.3 AT89C51系列單片機的功能單元 1并行I/O接口： 單片機芯片內(nèi)有一項主要功能就是并行I/O口。51系列共有4個8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實際上，它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴展存儲器時，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時傳送，高八位地址由P2口傳送。定時器/計數(shù)器 定時器/計數(shù)器（timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕C

18、PU的負擔和簡化外圍電路都大有好處。 C51系列包含有兩個16位的可編程定時器/計數(shù)器,分別稱為定時器/計數(shù)器T0和定時器/計數(shù)器T1；C51部分產(chǎn)品中，還包含有一個用做看門狗的8位定時器。定時器/計數(shù)器的核心是一個加1計數(shù)引腳上施加器，基本功能是加1功能。在單片機的定時器T0或T1中，當一個定時器發(fā)生由0到1的跳變時，計數(shù)器增1，即為計數(shù)功能；在單片機內(nèi)部對機器周期或其分頻進行計數(shù)，得到定時，這就是定時功能。單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進行的。定時器/計數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時器0、定時器1、定時器方式寄存器TMOD和定時器控制寄存器 TCON組成。定

19、時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因為 C51系列單片機的一個機器周期由12個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率fc=fosc/12。當定時器/計數(shù)器設(shè)置為定時工作方式時，計數(shù)器對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加1，直至計滿溢出。當定時器/計數(shù)器設(shè)置為計數(shù)工作方式時，計數(shù)器對來自輸入引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。在每個機器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器周期采樣值為1，后一個機器周期采樣值為0，則計數(shù)器加1。新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生1到0的負跳變后，于下一個機器周期的S3P1期間裝入計數(shù)器中的，可見，檢

20、測一個由1到0的負跳變需要兩個機器周期，所以最高檢測頻率為振蕩頻率的1/24。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。振蕩器 XTAL1和 XTAL2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。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。當輸入至內(nèi)部時鐘信號時要通過一個二分頻觸發(fā)器，而對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來

21、完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“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。AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(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、定時器、計數(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，直到下一個硬件復(fù)位為止。4 5 63.1.1中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分。實時控制、故障自動處理、單片機與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。 C51系統(tǒng)有關(guān)中斷的寄存器有4個，分別為中斷源寄存器TCON和SCO

22、N、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級控制寄存器IP；中斷源有5個，分別為外部中斷0請求 INT0、外部中斷1請求INT1、定時器0溢出中斷請求TF0、定時器1溢出中斷請求 TF1和串行中斷請求R1或T1。5個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器 IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個中斷源分別對應(yīng)5個固定的中斷入口地址。中斷的特點是分時操作，實時處理和故障處理。 簡單介紹一下本次設(shè)計所需的單片機芯片AT89C51的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。 外部中斷源 AT89C51有INT0和INT1兩條外部中斷請求輸入線,用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號,并允許外部中

23、斷源以低電平或負邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請求信號。AT89C51究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式,可由用戶對定時器控制寄存器TCON中 IT0和IT1位狀態(tài)的設(shè)定來選取。AT89C51在每個機器周期的S5P2時對INT0、線上中斷請求信號進行一次檢測,檢測方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關(guān)。若 AT89C51設(shè)定為電平觸發(fā)方式(IT0=0 或IT1=0),則CPU檢測到INT0、INT1上低電平時就可認定其上中斷請求有效;若設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式(IT0=1 或IT1=1),則CPU需要兩次檢測INT0、INT1線上電平方能確定其上中斷請求是否有效,即前一次檢測為高電平和后一次檢測為低電平時中斷請求才有

24、效。定時器溢出中斷源 定時器溢出中斷由AT89C51內(nèi)部定時器分的中斷源產(chǎn)生,故它們屬于內(nèi)部中斷。AT89C51內(nèi)部有兩個16位定時器/計數(shù)器, 受內(nèi)部定時脈沖(主脈沖經(jīng)12分頻后)或T0/T1引腳上輸入的外部定時脈沖計數(shù)。定時器T0/T1在定時脈沖作用下從全“1”變成全“0”時可以自動向CPU提出溢出中斷請求,以表明定時器T0或T1的定時時間已到。  串行口中斷源 串行口中斷由AT89C51內(nèi)部串行口的中斷源產(chǎn)生,也是一種內(nèi)部中斷。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。在串行口進行發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時,每當串行口發(fā)送/接收完一組串行數(shù)據(jù)時串行口

25、電路自動使串行口控制寄存器SCON中的RI或 TI中斷標志位置位，并自動向CPU發(fā)出串行口中斷請求,CPU響應(yīng)串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務(wù)程序執(zhí)行。因此,只要在串行口中斷服務(wù)程序中安排一段對SCON 中RI和TI中斷標志位狀態(tài)的判斷程序,便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請求還是發(fā)送中斷請求。中斷標志 AT89C51在S5P2時檢測(或接收)外部(內(nèi)部)中斷源發(fā)來的中斷請求信號后先使相應(yīng)中斷標志位置位,然后便在下個機器周期檢測這些中斷標志位狀態(tài),以決定是否響應(yīng)該中斷。3.2流量傳感器市場上普遍采用的磁敏元件有干簧管和霍爾元件兩種。干簧管因其靜態(tài)時的零功耗性能在電池供電的微功耗智能水

26、表中占有明顯的優(yōu)勢，而優(yōu)質(zhì)干簧管100 萬次以上的工作壽命也完全能滿足水表的使用周期。我們在實際生活中經(jīng)常會遇見這樣的情況: 如果自來水管中進入一定量的空氣，當打開籠頭用水時，水管就會瞬間不停震動，此時磁鋼與干簧管的位置剛好處于臨界狀態(tài)，就會不停地將脈沖信號發(fā)給CPU，使CPU無法正確計數(shù)。然而，雙干簧管雙脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機計數(shù)，當兩個脈沖輸入端依次有脈沖輸入的時候才產(chǎn)生一個有效脈沖計數(shù)，兩個脈沖有互鎖功能，P2. 5和P2. 6 作為脈沖輸入端。當兩個輸入端依次有脈沖輸入時，定時器T1 產(chǎn)生中斷，從而對脈沖信號進行計數(shù)，進而實現(xiàn)水流量的計量。單一的一個干簧管即使多次

27、閉合也無效，從而有效地解決了臨界點顫動而誤發(fā)信號的問題。這種設(shè)計還可以有效防止人為附加磁鐵而造成計數(shù)不準，因為當檢測到兩管同時閉合時，便認為有外磁干擾，停止計數(shù)并同時報警，如上圖3-2。73.3閥門驅(qū)動電路閥門驅(qū)動電路原理如圖3-3所示，在兩輸入控制端中，當 P10輸入為高電平，P11輸入為低電平時，依據(jù)相應(yīng)元器件的特性，三極管 Q6、Q7、Q8將會導(dǎo)通，在電路中發(fā)揮放大的作用，三極管Q4、Q5、Q2 處于截止狀態(tài)，節(jié)點電機負端為高電平，電機正端為低電平，電機反轉(zhuǎn)，直到閥門關(guān)閉到位；同樣的道理，如果 P10低而P11為高電平時，電機將會正向轉(zhuǎn)動，直到閥門開啟到位；注意 當閥門到位瞬間，電路會有

28、反向電流，因此 該課題設(shè)計時通過并聯(lián)一定的二極管來防止其對水表可能的危害，例如電磁閥們正向到位時，反向電流通過二極管D1，D2流走。尤其需要考慮的是，電機啟動電流稍大，由超級電容來提供瞬問的能量需求，而電機在運轉(zhuǎn)時電流消耗較小，但是 當閥門開到位或者關(guān)到位時，電機的堵轉(zhuǎn)電流一般會瞬間上升，如果持續(xù)時間較長，很容易把電機燒壞，因此閥門到位的檢測中斷必須及時得到響應(yīng)和處理，在后續(xù)的軟件設(shè)計時，對于閥門開到位和關(guān)位信號脈沖中斷處理需要特別注意。83.4讀寫模塊讀寫模塊的硬件設(shè)計中關(guān)鍵有兩個部分。一是由AT89S52 對MF RC500 進行控制與通信，MF RC500 驅(qū)動外圍電路對Mifare1卡

29、進行讀寫操作。二是讀寫模塊的天線部分的設(shè)計及其與射頻讀寫芯片的連接。 Philips公司的MF RC500是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC500是Philips公司生產(chǎn)的高集成度TYPE A讀寫器芯片。其主要性能如下：載波頻率為13.56MHz；集成了編碼調(diào)制和解調(diào)解碼的收發(fā)電路；天線驅(qū)動電路僅需很少的外圍元件,有效距離可達10cm；內(nèi)部集成有并行接口控制電路,可自動檢測外部微控制器(MCU)的接口類型；具有內(nèi)部地址鎖存和IRQ線,可以很方便地與

30、MCU接口；集成有64字節(jié)的收發(fā)FIFO緩存器；內(nèi)部寄存器,命令集,加密算法可支持TYPE A標準的各項功能,同時支持MIFARE類卡的有關(guān)協(xié)議；數(shù)字,模擬,發(fā)送電路都有各自獨立的供電電源。 基于以上特點,用 MF RC500極易設(shè)計 TYPE A型卡的讀寫器,可廣泛用于非接觸式公共電話,儀器儀表,非接觸式手持終端等領(lǐng)域。MF RC500為32腳SO封裝,需說明的是:某些引腳(帶*號)依據(jù)其所用 MCU(微控制器)的接口情況具有不同功能。 下圖為AT89C51與MF RC500關(guān)鍵接口連接圖3-4。 （P0.0-P0.0）（） NWR NPDP2.7NCS ALEALE圖3-4 MF RC50

31、0提供TXI和TX2兩個發(fā)送端, 采用中心抽頭設(shè)計方法,以此提高抗干擾能力。系統(tǒng)的工作頻率由一個石英振蕩器產(chǎn)生,它同時也產(chǎn)生高次諧波,因此在發(fā)送端需要使用低通濾波器： 低通濾波器由L0和CO構(gòu)成。天線接收到的信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳，使用內(nèi)部產(chǎn)生的電勢作為RX管腳的輸入,還需在RX和VMID引腳之間連接一個分壓器。為了減少干擾, VMID引腳接一個電容到地。 MF RC500集成了一個正交調(diào)制電路，該電路從輸入到RX腳的13.56MHz ASK調(diào)制信號中解析出ISO14443-A副載波信號。發(fā)送器管腳TX1和TX2上傳遞的信號是由包絡(luò)信號調(diào)制的13.56MHz能量載波

32、，需要很少的用于匹配和濾波就可以直接驅(qū)動天線。MF RC500與天線的連接電路如圖3-5所示。93.5通信模塊本設(shè)計采用RS-485來實現(xiàn)AT89C51與上位機之間的通信，通過收發(fā)器SN75176芯片來完成TTL/RS-485的電平轉(zhuǎn)換。收發(fā)器SN75176集成了一差分驅(qū)動器和一差分接收器，其功能表如下表。 驅(qū)動器 輸 入 D使 能 DE 輸 出 A B H H H H L H L L × L 三態(tài) 三態(tài) 接收器 差分輸入使能輸出R 0.2V L H -0.2V<<+0.2V L × -0.2V L L × H 三態(tài)表3-1 功能表最初是數(shù)據(jù)模擬信號輸

33、出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個問題。下面我們就簡單介紹一下RS-485。 RS-485采用差分信號負邏輯，+2V+6V表示“0”，- 6V- 2V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制是全雙工通訊方式，兩線制是半雙工通訊方式。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這

34、有二個原因：(1)共模干擾問題： RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。(2)EMI問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。9下圖3-6為通信模塊電路圖。3.6電路顯示系統(tǒng)設(shè)置3 位8 段LED 數(shù)碼管

35、, 驅(qū)動數(shù)碼管采用芯片MAX7219,該芯片是美國MAXIM 公司出品的新型緊湊型、可編程共陰極LED 數(shù)碼管的驅(qū)動芯片,它集BCD 譯碼器、多路掃描器、段驅(qū)動和位驅(qū)動電路于一體, 內(nèi)含8×8 位雙口靜態(tài)SRAM ,可保存8 位LED 數(shù)據(jù)。MAX7219 芯片的外圍接口電路簡單,使用方便, 僅需三根I/O 口線便可驅(qū)動多塊LED 進行動態(tài)顯示。AT89C51 的引腳P3.5、P3.6、P3.7 分別與MAX7219 的DIN 數(shù)據(jù)輸入管腳、LOAD 鎖定輸入管腳、CLK 時鐘輸入管腳相連。3.7報警電路本設(shè)計采用揚聲器報警電路,它由晶體管和揚聲器組成。由單片機的P1.6 口輸出信號

36、控制晶體管的導(dǎo)通或截止,晶體管導(dǎo)通,則揚聲器報警。當溫度低于或超過設(shè)定值時,將由單片機發(fā)出控制信號,產(chǎn)生報警。天津大學網(wǎng)絡(luò)教育學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）3.8電源電路電源模塊由220V 交流電源經(jīng)電磁干擾濾波器、電源變壓器、整流濾波器和三端集成穩(wěn)壓器7805, 提供5V 電壓給系統(tǒng)。電磁干擾濾波器能有效濾除從交流電網(wǎng)引入的噪聲干擾,以改善電磁兼容性。 第四章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計流程, 軟件設(shè)計主要有: 主程序、初始化模塊、射頻卡處理模塊、LED顯示模塊和閥門控制模塊等。 4.1設(shè)計思路主程序：水表系統(tǒng)在上電以后首先初始化各個模塊相應(yīng)端口的電平參數(shù)，初始化包括對內(nèi)部存儲器單元清零、特

37、殊功能寄存器置初值、LED顯示的設(shè)置等。主程序采用定時中斷的模式，通過掃描各中斷標志位的有效情況，判斷是否需要做出相應(yīng)處理，若有中斷需要執(zhí)行，則處理當前操作。掃描完一個周期以后，如果沒有中斷請求，整個系統(tǒng)進入低功耗工作狀態(tài)，電源模塊只需要向必要的用電模塊供電，其他部件均停止供電，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)并等待下一個中斷的到來，如此反復(fù)循環(huán)。子程序：子程序包括初始化子程序、射頻卡處理子程序、通信子程序、LED顯示子程序、閥門控制子程序、報警子程序、電源子程序。104.2主流程圖入低功耗休眠狀態(tài)LED顯示子程序開閥圖4-1是否符合開閥條件檢測有無射頻卡YNNY射頻卡處理子系統(tǒng)報警關(guān)閥系統(tǒng)初始化開始4.3

38、protues仿真Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDAprotues工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。迄今為止是世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持

39、8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯。11 12參考文獻1 張亞雄. 智能IC卡水表發(fā)展前景及相關(guān)問題分析J.中國計量，2011,3(8)：75；2 王宗輝 . 智能水表技術(shù)及發(fā)展趨勢J. 儀表技術(shù). 2014,6（8）:45;3 葛曼倩.IC 卡電能表應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢J. 消費導(dǎo)刊，2012.6（2）：12；4 何將三，陳國棟基于MF RC500的射頻識別讀寫器沒計J單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004,l1:43-58

40、;5 康東等.射頻識別（RFID）核心技術(shù)與典型應(yīng)用開發(fā)案例M.北京:人民郵電出版社,2008;6 范博.射頻電路原理與實用電路設(shè)計M.北京:機械工業(yè)出版社,2006;7 王祁.智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)M.機械工業(yè)出版社，2009；8 凌志浩.智能儀表原理與設(shè)計技術(shù)（第二版）M.華東理工大學出版社， 2008；9 江靜，張雪松.基于AT89S52 控制的非接觸式智能水表的設(shè)計J.華北科技學 學報,2012,9:78-92;10 姚靈.水表產(chǎn)品樣機研制技術(shù)的探索J.機械設(shè)計與研究,2009,25（1）:114-117；11 Jun Ying Li.Control System Design of Int

41、elligent Water MeterJ.Advanced Materials Research ，2012，490-495：1296-1300；12 Yu Tian. Design of Remote Intelligent Meter Reading SystemJ.2014,971 - 973:1183-1186;天津大學碩士學位論文致謝天津大學網(wǎng)絡(luò)教育學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）附 錄中文翻譯 變分數(shù)階模糊PID控制器摘要 在本文中，變分數(shù)階模糊PID控制器（vofflc）的一個新的整訂方法提出了一類分數(shù)階和整數(shù)階控制植物。模糊邏輯控制（FLC）可以很容易地處理控制系統(tǒng)的參數(shù)的變化，但分

42、數(shù)階參數(shù)無法通過這種方式改變，它限制了FLC的有效性。因此，本文試圖使作為分數(shù)階PID控制器輸出的所有五個參數(shù)隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改造而變化，并且針對分數(shù)階和對控制系統(tǒng)的影響進行了研究。不同植物的四個仿真結(jié)果驗證了該控制策略的有效性。關(guān)鍵詞：變階；模糊控制；分數(shù)微積分； PID 控制器指令 分數(shù)階控制系統(tǒng)建立在分數(shù)階微積分是傳統(tǒng)整數(shù)階微積分的延伸的理論上。分數(shù)階微積分，其整合與分化的訂單可以任意而不僅僅是整數(shù)，開創(chuàng)了微積分描述能力增強的新領(lǐng)域。作為新的數(shù)學工具，分數(shù)階微積分有許多優(yōu)點提供給科學和工程。更重要的是，分數(shù)階微積分意味著真正的動態(tài)世界的任意階性質(zhì)。在過去的幾十年里，分數(shù)階

43、控制器的應(yīng)用理論已經(jīng)越來越多的被作為研究重點，特別是在科學和工程領(lǐng)域。分數(shù)階微積分給復(fù)雜比例的系統(tǒng)程序和事件提供了更完善的數(shù)學模型，對物理學，生物學，控制理論等有很大的貢獻 。分數(shù)階微積分的發(fā)展為各學科的發(fā)展 提供了新的理論基礎(chǔ)  。在早期時候，分數(shù)階微積分由于其固有的復(fù)雜性有可能不被廣泛的使用在系統(tǒng)工程，但近年來，這種情況因許多新的分數(shù)階數(shù)學工具的出現(xiàn)已經(jīng)得到改善，從那以后，系統(tǒng)的動態(tài)行為可以更恰當?shù)谋硎?。分?shù)階微積分在許多不同的領(lǐng)域的的應(yīng)用已經(jīng)吸引了各個領(lǐng)域的研究人員越來越重視它，如信號處理 ，機械 ，生物學 ，特別是控

44、制器的設(shè)計。為有效地提高系統(tǒng)的魯棒性和動態(tài)特性，分數(shù)階控制器例如最優(yōu)分數(shù)階控制器，分數(shù) P我D 控制器，分數(shù)鉛滯后補償器，和分數(shù)階自適應(yīng)控制器等等，都被調(diào)諧并且已經(jīng)應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)，包括分數(shù)階和整數(shù)階對象。穩(wěn)定性，魯棒性和動態(tài)特性一直是控制系統(tǒng)最重要的性能指標，而且由于分數(shù)階系統(tǒng)固有的復(fù)雜性，上述性能指標的改往往更加必要。在本文中，這種新的變分數(shù)階控制器與模糊邏輯控制器相結(jié)合的調(diào)諧，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分數(shù)階系統(tǒng)的魯棒性，同時也解決了不確定性和處理了外部干擾。 本文提出了一種變分數(shù)階模糊邏輯控制器，它有兩個輸入（E， EC ）和五個輸出 

45、，并分別優(yōu)化調(diào)整處理了系列的分數(shù)階與整數(shù)階模型。通過仿真展示新的控制器的優(yōu)勢和區(qū)別特征，來對變分數(shù)階模糊邏輯控制器（vofflc），最優(yōu) 控制器（FOPID）和最優(yōu)PID控制器（海外私人投資公司）作比較。分數(shù)階的定義和預(yù)備知識2.1分數(shù)階微積分 分數(shù)階系統(tǒng)，甚至非整數(shù)階系統(tǒng)，可以看作是整數(shù)階系統(tǒng)的延伸?，F(xiàn)在，分數(shù)階微積分是現(xiàn)代科學的一個重要的角色。已經(jīng)有許多的分數(shù)階導(dǎo)數(shù)的定義，其中黎曼Liouville定義是最著名的一個。分數(shù)階算子也是一代基本非整數(shù)階算子的微分與積分 ， 其定義a和 t是 操作員的上限和下限，aR 是微分與積分的順序。2.2分數(shù)階算子的逼近 最近幾年，幾種分數(shù)階微分

46、近似方法已經(jīng)出現(xiàn)，其中Oustaloup濾波器逼近是應(yīng)用最為廣泛的一種分數(shù)階微積分。廣義的Oustaloup濾波器，a該控制器操作的預(yù)期的頻率范圍不考慮高頻或低頻的情況，可以假定為（），這樣,可以近似為其中然后，傳遞函數(shù)可以被給予的極點，零點和增益根據(jù)如下進行評估，2.3分數(shù)階PID控制器 Podlubny提出了分數(shù)階PID控制器，一直是控制領(lǐng)域最炙手可熱的研究課題之一，它也可以通過表示。由于外部分數(shù)調(diào)整參數(shù)，的增加，控制器參數(shù)整定的控制規(guī)模變得更廣泛和控制器也更靈活，系統(tǒng)的性能也同時提升。控制系統(tǒng)的分數(shù)階微分方程在時間域中的的定義是，對控制系統(tǒng)的影響隨著額外分數(shù)階參數(shù)，的增加，現(xiàn)有系統(tǒng)的控制

47、性能會以某種方式改變，特別是對分數(shù)階系統(tǒng)。 我們對下面控制設(shè)備的，參數(shù)的影響進行了深入研究，4. 結(jié)論本文在模糊邏輯控制器和分數(shù)階控制器的基礎(chǔ)上提出了一種變階分數(shù)階模糊PID控制器?？刂破鞯乃形鍌€控制器參數(shù)可以改變調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和傳輸信道的其他控制問題。分數(shù)階和對控制系統(tǒng)的影響對vofflc的模糊規(guī)則進行了研究，因為之前在傳統(tǒng)的FLC只有MathML源視圖的模糊規(guī)則。結(jié)果表明，vofflc相比FOPID和OPID控制器可以在更短上升時間的更好地實現(xiàn)了系統(tǒng)性能。未來的工作將包括更努力提高vofflc的精度和它在進一步的領(lǐng)域的其他應(yīng)用程序。外文原文 Variable-order fuzzy fr

48、actional PID controllerAbstract In this paper, a new tuning method of variable-order fractional fuzzy PID controller (VOFFLC) is proposed for a class of fractional-order and integer-order control plants. Fuzzy logic control (FLC) could easily deal with parameter variations of control system, but the

49、 fractional-order parameters are unable to change through this way and it has confined the effectiveness of FLC. Therefore, an attempt is made in this paper to allow all the five parameters of fractional-order PID controller vary along with the transformation of system structure as the outputs of FL

50、C, and the influence of fractional orders  and  on control systems has been investigated Four simulation results of different plants are shown to verify the availability of the proposed control strategy. Keywords:Variable-order;Fuzzycontrol;Fractional calculus;  control

51、ler1. Instruction Fractional-order control system is built on the theory of fractional-order calculus which is an extension of traditional integer-order calculus. Fractional-order calculus, whose integration and differentiation orders could be arbitrary instead of merely integer, initiates fresh are

52、as that enhance the descriptive power of calculus. Many advantages have been offered to science and engineering by fractional calculus as new mathematical tools, and it is more significantly that the fractional-order calculus implies the arbitrary order nature of real dynamic world.The past decades

53、have viewed an increasing number of studies focused on the theory and application of fractional-order controllers, particularly in the areas of science and engineering. Fractional-order calculus provides more consummate mathematical models to complex and proportional systematic procedures and events

54、, and it has much contribution to physics, biology, control theory and so on . The development of fractional calculus provides novel theoretical basics to the development of various subjects. Probably fractional calculus has not been widespread used in the area of system engineering due to its

55、inherent complexity in the early days, but in the recent years, this situation has been improved by the appearance of many new fractional-order mathematical tools, and from then on, the dynamic system behavior could be represented more appropriately . The applications of fractional calculus in

56、many different fields have attracted researchers of various areas e.g. signal processing , mechanic , biology , especially controller design, to pay more and more attention to it. As to improve the robustness and dynamic characteristics effectively, fractional-order controllers e.g. t

57、he optimal fractional controller, the fractional PID controller, the fractional leadlag compensator, the fractional adaptive controllers and so on, have been tuned and already applied to a variety of control systems, including fractional-order and integer-order plants.The stability, robustness and dynamic characteristics have alway