畢業(yè)設(shè)計(jì)論文doc

1、鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）單機(jī)片在IC卡計(jì)費(fèi)水表中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 系 別： 電氣電子工程 學(xué)生姓名： 張 磊 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 供電三班 學(xué) 號(hào)： 20082330335 指導(dǎo)教師： 擺銀龍 2011年 4月 9 日 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的畢業(yè)論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本畢業(yè)論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用畢

2、業(yè)論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院要以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文。 保密，在_年解密后適用本授權(quán)書(shū). 本論文屬于 不保密。（請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”）畢業(yè)論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要 本文根據(jù)節(jié)水科學(xué)管理的要求，介紹了一種IC卡計(jì)費(fèi)水表的設(shè)計(jì)方法。該水表硬件由上位機(jī)與下位機(jī)組成,利用干簧管傳感器采集流量信號(hào)，采用交、直流雙重電源，以單片機(jī)89C51作為系統(tǒng)控制芯片

3、，并由LCD液晶顯示，選取雙穩(wěn)態(tài)電磁閥為執(zhí)行元件，有著很好的節(jié)能效果。該水表集供水計(jì)量、自動(dòng)計(jì)費(fèi)等功能于一體，功能完備、安全可靠，操作管理方便，實(shí)現(xiàn)了用戶憑卡購(gòu)水，憑卡管水的科學(xué)管理模式，在實(shí)現(xiàn)節(jié)水科學(xué)管理中有十分重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：干簧管；電源；IC卡；電磁閥 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄摘要 I緒論（1）1 系統(tǒng)概述（2）1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （2）1.2 系統(tǒng)工作原理（3）1.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)（4）2 系統(tǒng)單元電路硬件設(shè)計(jì)（5）2.1 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)（5）2.1.1 信號(hào)采集電路的構(gòu)成（6） 2.1.2 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)（7）2.1.3 處理環(huán)節(jié)信號(hào)（9）2.2

4、電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（9）2.2.1 本電源的功能（9）2.2.2 電源系統(tǒng)的工作原理（10） 2.3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)（13）2.5 顯示單元的設(shè)計(jì)（13）2.6 主控芯片的選取極其功能介紹（14） 結(jié)論（17）參考文獻(xiàn)（18）致謝（19） 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論背景介紹 水是寶貴的資源,也是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要物資。但是我國(guó)是世界上人均水資源擁有量十分貧乏的國(guó)家之一，節(jié)約和保護(hù)水資源是我國(guó)當(dāng)前一項(xiàng)十分重要的措施。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)水的科學(xué)管理。在某種意義上來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)節(jié)水科學(xué)管理是當(dāng)前的首要任務(wù)。要加強(qiáng)節(jié)水的科學(xué)管理，首先要把節(jié)

5、水科學(xué)管理納入法制化管理的軌道；其次是要加速研究開(kāi)發(fā)科技先進(jìn)、應(yīng)用方便的節(jié)水科學(xué)管理儀表；第三要加快節(jié)水科學(xué)管理儀表推廣的步伐。因此IC卡計(jì)費(fèi)水表的研制有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。IC卡水表簡(jiǎn)介智能IC卡水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能IC卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。這與傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能相比，是一個(gè)很大的進(jìn)步。智能IC卡水表除了可對(duì)用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對(duì)用水量自動(dòng)進(jìn)行控制，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。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過(guò)IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作

6、人員上門(mén)操表收費(fèi)到用戶自己去營(yíng)業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計(jì)算準(zhǔn)確，可利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn)。水表由市電供電，一旦發(fā)生停電，水表就有內(nèi)部備用電池供電，水表繼續(xù)正常工作、供水。1 系統(tǒng)概述1.1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本水表的總體設(shè)計(jì)方案為：上位機(jī)與下位機(jī)通信工作，上位機(jī)主要包括主控芯片89C51、“看門(mén)狗”電路、顯示單元LCD、聲光報(bào)警電路以及IC卡座，安裝于用戶的控制室；下位機(jī)主要包括主控芯片89C51，“看門(mén)狗”電路、原基水表、信號(hào)采集電路以及電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，安裝于工作室。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示，其中電源系統(tǒng)未體現(xiàn)在此框圖中。圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 （1）原機(jī)表：通過(guò)傳感器產(chǎn)生

7、水量消耗脈沖信號(hào)，提供給下位機(jī)CPU計(jì)費(fèi)。（2）下位機(jī)CPU：接收水量消耗脈沖并減數(shù)、并控制電磁閥的開(kāi)閉、與上位機(jī)進(jìn)行串行通信。（3）電磁閥：IC卡水表的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收下位機(jī)CPU的控制信號(hào)，控制管路的通斷（4）“看門(mén)狗”電路：復(fù)位控制、“看門(mén)狗”、電壓檢測(cè)。（5）上位機(jī)CPU：通過(guò)IC卡讀寫(xiě)器對(duì)IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)，將顯示信息送給LCD液晶顯示器，并與上位機(jī)進(jìn)行串行通信。（6）LCD液晶顯示器：接收上位機(jī)CPU的數(shù)據(jù)、信號(hào)，顯示用戶剩余水量、報(bào)警信號(hào)、閥門(mén)狀態(tài)等信息。（7）報(bào)警電路：當(dāng)用戶所剩水量達(dá)到所設(shè)定的下限值時(shí)，上位機(jī)的揚(yáng)聲器便會(huì)語(yǔ)音報(bào)警提示用戶購(gòu)買(mǎi)水量。（8）IC卡座：配合IC卡工作的接口

8、設(shè)備IFD（inter face device），用來(lái)聯(lián)接IC卡和上位機(jī)CPU，使上位機(jī)CPU能從IC卡中讀取或向IC卡寫(xiě)入有關(guān)信息。在讀卡之前通過(guò)單片機(jī)程序進(jìn)行密碼核對(duì)，卡讀之后將卡清零。（9）IC卡：存儲(chǔ)擁護(hù)標(biāo)識(shí)號(hào)等個(gè)人信息，存儲(chǔ)所購(gòu)得的水量，插卡后將將所存水量信息通過(guò)IC卡讀寫(xiě)器傳送給水表CPU的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。1.2工作原理由原基表（1）通過(guò)傳感器取出表脈沖信號(hào)，通過(guò)信號(hào)傳輸線將表的脈沖信號(hào)傳送到下位機(jī)CPU（2）進(jìn)行計(jì)數(shù)、運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)遠(yuǎn)傳線（上、下位機(jī)通信線路）將數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機(jī)CPU（5），進(jìn)而由（LCD）液晶顯示器（6）顯示剩余水量或剩余金額。用戶所購(gòu)買(mǎi)的水量以IC卡（

9、9）為載體，將IC卡插入IC卡讀寫(xiě)器（8）內(nèi)，在核對(duì)密碼正確之后，由上位機(jī)自動(dòng)識(shí)別所購(gòu)水量值，并同表內(nèi)剩余水量自動(dòng)累加后由LCD液晶顯示器（6）顯示出可用水量值，并通過(guò)通遠(yuǎn)傳線（通信線路）將累加后所得的可用水量傳送給下位機(jī)CPU（2），下位機(jī)CPU（2）與由原基表（1）取來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算并記錄再將運(yùn)算結(jié)果傳送給上位機(jī)的LCD液晶顯示器。當(dāng)用戶表內(nèi)的剩余水量達(dá)到所設(shè)定的下限值時(shí)，上位機(jī)的聲光報(bào)警電路則會(huì)通過(guò)蜂鳴器與發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，提示用戶去購(gòu)買(mǎi)水量。如果表內(nèi)剩余水量達(dá)到零時(shí)，下位機(jī)CPU（2）會(huì)自動(dòng)控制電磁閥（3）關(guān)閉，停止供水。直至用戶重新購(gòu)買(mǎi)水量，并將新購(gòu)水量的IC卡（9）插入I

10、C卡讀寫(xiě)器（8）后，便會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟電磁閥（3），重新恢復(fù)供水。1.3本產(chǎn)品（IC卡水表）的功能特點(diǎn) 本水表集供水計(jì)量、自動(dòng)計(jì)費(fèi)等功能于一體，其主要功能如下：（1）自動(dòng)累加：新夠買(mǎi)水量同表內(nèi)剩余水量自動(dòng)累加。（2）自動(dòng)報(bào)警：由供水管理部門(mén)設(shè)定下限，當(dāng)用戶所剩水量達(dá)到設(shè)定的下限值時(shí)，該表可自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，提示用戶購(gòu)買(mǎi)水量。（3）自動(dòng)斷水與恢復(fù)：當(dāng)剩余水量為零時(shí)自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，停止供水；直到重新購(gòu)買(mǎi)水量充值后的IC卡插入上位機(jī)IC卡讀寫(xiě)器后，自動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)。當(dāng)閥門(mén)由于其它原因（詳見(jiàn)3.3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).）而自動(dòng)關(guān)閥時(shí)，在干擾、故障排除后，系統(tǒng)仍然可以自動(dòng)開(kāi)閥，恢復(fù)供水。（4）交、直流雙重供

11、電：交流220停電時(shí)，自動(dòng)表內(nèi)的備用電池可用72小時(shí)，如果超過(guò)72小時(shí)，則自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)停止供水。（5）顯示切換：LCD可顯示剩余水量和該剩余水量所折合的人民幣數(shù)。（6）備用電池具有自動(dòng)“充電”、“停充” 功能：當(dāng)電池電壓達(dá)到額定值（+12V）時(shí)，停止充電，以涓涓細(xì)流放電；當(dāng)電池電壓下降到所設(shè)定的下限值（本電池設(shè)定為10V）時(shí)以下時(shí)，電池電壓達(dá)電池開(kāi)始自動(dòng)充電，直至充到額定值時(shí)，自動(dòng)“停充”。（7）采用2組干簧管傳感器采集流量信號(hào)，信號(hào)采集電路具有防磁功能、斷線保護(hù)功能。（8）執(zhí)行器選用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)無(wú)需維持電流，具有很好的節(jié)能效果。二、系統(tǒng)單元電路硬件設(shè)計(jì)2.1信號(hào)采集電路的

12、設(shè)計(jì)信號(hào)采集傳感器是將水表計(jì)量信號(hào)采集、傳送給水表下位機(jī)計(jì)數(shù)的裝置。在單片機(jī)系統(tǒng)中，信號(hào)采集電路，計(jì)數(shù)器和程序?qū)嶋H上構(gòu)成了一個(gè)完整的流量計(jì)。其中，系統(tǒng)計(jì)量的準(zhǔn)確性主要取決于信號(hào)采集電路及信號(hào)信號(hào)采集精度。在IC卡水表系統(tǒng)中，信號(hào)采集的準(zhǔn)確可靠是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確可靠的基本保證。2.1.1信號(hào)采集電路的構(gòu)成通常的IC卡水表的信號(hào)采集方案為：在原基表的基礎(chǔ)上安裝流量傳感器，以達(dá)到采集流量信號(hào)的目的。本水表的信號(hào)采集電路由原基表與傳感器組成。1.原基表的選取濕式水表：濕式水表穩(wěn)定可靠，價(jià)格低廉，但用于預(yù)收費(fèi)控制作為計(jì)量基表必須解決數(shù)據(jù)采集過(guò)程中存在的問(wèn)題。    干式水表

13、：采用磁鐵隔離方式，因此計(jì)量信號(hào)采集非常容易，比較適合作為預(yù)付費(fèi)控制計(jì)量基表。但是，水表內(nèi)的磁體容易受到外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾和自然退磁產(chǎn)生嚴(yán)重的計(jì)量誤差，甚至不轉(zhuǎn)，所以本設(shè)計(jì)水表選用帶防磁罩的干式水表。 2.傳感器的選取這個(gè)環(huán)節(jié)主要是通過(guò)傳感器將齒輪的傳動(dòng)量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出。目前檢測(cè)流量的常用傳感器主要有如下三種：光電傳感器：光電傳感器屬于非接觸傳感器，可以進(jìn)行隔離和密封，但是光電器件的電流消耗大，不適合以電池為動(dòng)力（掉電保護(hù)時(shí)起用）的預(yù)付費(fèi)水表作為計(jì)量信號(hào)的采集。    霍爾傳感器：霍爾傳感器屬于磁性傳感器，其原理是磁鐵與磁敏半導(dǎo)體器件相互作用產(chǎn)生脈沖輸出的。為抵

14、抗干擾，半導(dǎo)體輸出端增加比較器，因此消耗電流較大，一般不宜作為預(yù)付費(fèi)水表計(jì)量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。干簧管傳感器：相對(duì)于“濕簧管”，是舌簧繼電器的一種。舌簧繼電器的核心元件是舌簧管，它本身就是一種磁敏元件，在舌簧管里的簧片質(zhì)量很輕，管外有微弱磁場(chǎng)就能使它閉合或斷開(kāi)，是一種很靈敏的磁敏開(kāi)關(guān)，因此常用于計(jì)量信號(hào)采集，舌簧繼電器有著以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可動(dòng)作部分質(zhì)量小，動(dòng)作快，一般吸合與釋放時(shí)間都在0.52s以內(nèi)。（2）接觸電阻小而斷開(kāi)電阻大，接觸時(shí)僅為50200m，斷開(kāi)時(shí)在10M以上。（3）接點(diǎn)與外界隔絕，有效的防止了外部有害物質(zhì)對(duì)接點(diǎn)的腐蝕。另外，雖然干簧管的機(jī)械觸點(diǎn)有疲勞壽命的問(wèn)題，但質(zhì)量較好的高性能觸

15、點(diǎn)干簧管壽命可達(dá)108次，大大高于水表的使用壽命。目前用干簧管傳感器的生產(chǎn)廠家普遍對(duì)干簧管進(jìn)行靈敏感和觸點(diǎn)導(dǎo)通檢測(cè)，檢測(cè)后其性能較為穩(wěn)定。 所以由干簧管傳感組成的水表系統(tǒng)比較省電，成本也較低。同時(shí)電源本身不產(chǎn)生或接受干擾，比較其它傳感器所組成的水表系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的準(zhǔn)確率較好，運(yùn)行成本較低廉。而霍樂(lè)元件與光電管考慮用交流電雖然無(wú)觸點(diǎn)，但都需要供電，這使得整個(gè)系統(tǒng)供電問(wèn)題變得較為突出，不僅要，還要考慮后備電源，所以在安裝后的運(yùn)行成本比較高，且其運(yùn)行可靠性受電源影響大。由此可見(jiàn)，雖然干簧管價(jià)格較高（運(yùn)行成本低）、壽命較短（足夠用）、但其可靠性、安全性，節(jié)能效果是較好的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種信號(hào)采

16、集方式是可以成為主流方案的。綜合考慮以上因素，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際特點(diǎn)，由于水表內(nèi)壓力較大，信號(hào)采集難度較大，加之考慮到節(jié)能因素，綜合權(quán)衡各傳感器的利弊，本設(shè)計(jì)在干式水表的基礎(chǔ)上，采用干簧管方式，并為防止外部磁鐵干擾，采用2組干簧管進(jìn)行防護(hù)。2.1.2信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)1.本信號(hào)采集電路的功能（1）能夠準(zhǔn)確采集流量信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)傳送給CPU計(jì)數(shù)。（2）具有防磁功能，當(dāng)外部有強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，能發(fā)給CPU相應(yīng)信號(hào)，取消此次脈沖計(jì)數(shù)，如果CPU連續(xù)5次檢測(cè)到有強(qiáng)磁干擾時(shí)，。（3）具有斷線保護(hù)功能，當(dāng)信號(hào)傳送線DX斷線時(shí)，CPU能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并發(fā)出關(guān)閥的控制信號(hào)，關(guān)閥停水。2.信號(hào)采集電路的硬件設(shè)計(jì)

17、 本設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)方案為：以原干式水表（原基表）為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮機(jī)械水表穩(wěn)定、可靠性的優(yōu)點(diǎn)，將干簧管固定在原基表的葉輪附近，當(dāng)貼在葉輪上的小磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)干簧管時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)施密特反相觸發(fā)器倒相整形，送到下位機(jī)CPU的端產(chǎn)生一次耗水量計(jì)數(shù)中斷。由于干簧管對(duì)外部強(qiáng)磁場(chǎng)作用比較敏感，系統(tǒng)為了防止外部強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，采用了2組干簧管進(jìn)行防護(hù)。信號(hào)采集電路原理圖如圖3.1所示。 圖3.1 信號(hào)采集電路原理圖3信號(hào)采集電路的工作原理（1）脈沖信號(hào)的采集與傳送如圖3.1所示，常閉干簧管1是用來(lái)采集傳送流量信號(hào)的主干簧管，常開(kāi)干簧管2作為防磁檢測(cè)元件配合主干簧管1工作。當(dāng)貼在葉輪上的小磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)主干

18、簧管1時(shí)，其常閉簧片斷開(kāi)，Ma1端由低電平跳變?yōu)楦唠娖疆a(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)施密特反相觸發(fā)器倒相整形，送給下位機(jī)CPU的端產(chǎn)生一次中斷，然后CPU采取查詢工作方式檢測(cè)P20端的電平情況，當(dāng)葉輪再轉(zhuǎn)過(guò)半周接近干簧管2時(shí)，主干簧管1恢復(fù)為常閉狀態(tài)，而干簧管2的常開(kāi)簧片閉合，F(xiàn)C端由高電平降為低電平。這樣，每當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，Ma端由低電平變?yōu)楦唠娖綖橐淮危現(xiàn)C端由高電平變?yōu)榈碗娖揭淮?，只有這樣，CPU才認(rèn)定為一個(gè)有效的脈沖信號(hào)，進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。（2）防磁功能的實(shí)現(xiàn)當(dāng)外部有強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，干簧管2常開(kāi)簧片處于閉合狀態(tài)，F(xiàn)C端因此將一直處于低電平狀態(tài)；主干簧管1常閉簧片處于斷開(kāi)狀態(tài)，Ma1端一直處于高電平狀態(tài)

19、，通過(guò)施密特反相觸發(fā)器輸出低電平給端產(chǎn)生中斷，然后CPU將查詢P20端的電平狀態(tài)，如果其一直是低電平狀態(tài)，而并非由高電平變化到低電平，則CPU將作出系統(tǒng)有外部強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的判斷，取消此次脈沖計(jì)數(shù)，保護(hù)了用戶的權(quán)益。 （3）斷線功能的實(shí)現(xiàn)正常情況下P21端（DX）將一直處于高電平狀態(tài)，如果FC線被剪斷，則P21將處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，CPU采取查詢工作方式檢測(cè)P21端（DX）的電位并非高電平狀態(tài)，將做出DX斷線的判斷，發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥關(guān)閥。2.1.3信號(hào)信號(hào)處理環(huán)節(jié) 本設(shè)計(jì)選用抗干擾性較強(qiáng)、低功耗的CMOS集成施密特觸發(fā)器CC40106進(jìn)行脈沖信號(hào)變換、整形以及鑒幅處理，即將主干簧管發(fā)出的脈沖信號(hào)

20、經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器CC40106倒相整形，傳送給下位機(jī)，利用其中斷功能進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算處理。2.2電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1電源系統(tǒng)的功能本電源的主要功能有以下幾個(gè)方面：（1）為系統(tǒng)提供+5V的電源。（2）交、直流兩用，以適應(yīng)沒(méi)有交流電源（220V）場(chǎng)合的緊急需要。（3）電池具有自動(dòng)“充電”、“停充”的功能，即當(dāng)電池電壓達(dá)到額定值（+12V）時(shí)，停止充電；當(dāng)電池電壓下降到所設(shè)定的下限值（本電池設(shè)定為10V）時(shí)，電池電壓達(dá)電池開(kāi)始自動(dòng)充電，直至到額定值時(shí)，自動(dòng)停止充電。（4）交流正常供電時(shí)，電池進(jìn)行“充電”或者“停充”（以涓涓細(xì)流放電）。（5）交流停電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟用電池供電，同時(shí)電源系統(tǒng)通過(guò)交流掉電

21、檢測(cè)電路發(fā)出相應(yīng)信號(hào)， CPU開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)電池供電超過(guò)72小時(shí)時(shí)，CPU將控制電磁閥關(guān)閥，停止供水。如果在72小時(shí)交流電恢復(fù)供電時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟用交流電，CPU計(jì)時(shí)取消，同時(shí)電池轉(zhuǎn)為“充電”、“停充”的工作狀態(tài)。電源系統(tǒng)原理圖如圖3.3所示。 圖 3.2 電源系統(tǒng)原理圖 2.2.2電源系統(tǒng)的工作原理（1）如圖3.2所示，當(dāng)交流電（220V）正常時(shí)，其經(jīng)過(guò)變壓器為整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)提供14V電壓后，經(jīng)D4、三端穩(wěn)壓器7805為系統(tǒng)提供+5V電源。交流變壓器參數(shù)為220V/14V，20W，變壓器的選取與設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中略去，下面主要介紹上述5種功能的實(shí)現(xiàn)。（2）本設(shè)計(jì)中E的額定電壓取+12V。當(dāng)交流電正

22、常時(shí)，由于D3管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電池E將不對(duì)系統(tǒng)供電，而處于 “充電”或者“停充”狀態(tài)。（3）當(dāng)交流電斷電時(shí)，備用電池E將通過(guò)D3、三端穩(wěn)壓器7805繼續(xù)為系統(tǒng)提供+5V電源。（4）電池自動(dòng)“充電”、“停充”功能的實(shí)現(xiàn)。電池電壓自動(dòng)檢測(cè)及充電電路原理圖如圖3.3。 圖 3.3 電池電壓自動(dòng)檢測(cè)及充電電路如圖3.3所示，由CB555、三極管、光電耦合器等組成對(duì)電池電壓自動(dòng)檢測(cè)及充電電路。具體性能指標(biāo)如下：當(dāng)E<10V時(shí)，電池“充電”10V <E<12V時(shí)，保持“充電”狀態(tài)E>12V時(shí)，“停充”12V >E> 10V時(shí)，保持“停充”狀態(tài)當(dāng)E<10V時(shí)，電

23、池“充電”，系統(tǒng)按此規(guī)律循環(huán)對(duì)電池進(jìn)行“充電”、“停充”。 VI1、VI2分別為555的兩個(gè)輸入端，3引腳為輸出端。當(dāng)555輸出高電平時(shí)，觸發(fā)光電耦合器導(dǎo)通，繼而Q5導(dǎo)通，電池開(kāi)始充電；當(dāng)555輸出低電平時(shí)，光電耦合器截止，繼而Q5截止，電池停止充電。調(diào)節(jié)RP1、RP2，使得當(dāng)E=12V，VI1=10/3V；當(dāng)E=10時(shí)，VI2=5/3V。具體工作過(guò)程如下：E<10 VI1<10/3V VI2<5/3V 555輸出高電平 電池“充電”10<E<12 VI1<10/3V VI2>5/3V 555保持輸出高電平 電池“充電”E>12 VI1<1

24、0/3V VI2<5/3V 555輸出低電平 電池“停充”10<E<12 VI1<10/3V VI2<5/3V 555保持輸出低電平 電池“停充”E<10 VI1<10/3V VI2<5/3V 555輸出高電平 電池“充電”系統(tǒng)依此規(guī)律既可循環(huán)地對(duì)電池進(jìn)行“充電”、“停充”。當(dāng)RP1、RP2、R11、R12取得大電阻值時(shí)，即可使得電池在“停充”時(shí)以涓涓細(xì)流放電，本設(shè)計(jì)中取RP1=500K+100K；RP2=260K+100K。（5）二極管D2、D3、D4的作用是防止系統(tǒng)供電時(shí)電流回流。（6）電容C6、C9用于輸入線上的電感效應(yīng)，以防止電路產(chǎn)生自激

25、振蕩，其容量較小，本設(shè)計(jì)取值0.33F；C7、C10用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，取值1F；電容C9、C11用于穩(wěn)壓、濾波。D5起保護(hù)7805的作用，防止斷電時(shí)C7向7805的輸出端放電。（7）交流電掉電檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)由于交流斷電而啟用電池時(shí)，本電源系統(tǒng)將通過(guò)交流掉電檢測(cè)電路發(fā)出交流斷電信號(hào)給CPU，通知CPU交流斷電使其執(zhí)行相應(yīng)的掉電保護(hù)程序。如圖3.4所示，交流掉電檢測(cè)電路由A741組成的單限電壓比較器、穩(wěn)壓二極管、施密特反向觸發(fā)器組成： 圖3.4 交流電掉電檢測(cè)電路由圖3.4可知，比較器的門(mén)限值為=（-R14/R13）*（1-1）當(dāng) < 時(shí)，比較器輸出電壓=+，經(jīng)過(guò)施密特觸

26、發(fā)器74HC14倒相送下位機(jī)CPU的端產(chǎn)生中斷，同時(shí)74LS04輸出電平由低電平跳躍為高電平，CPU檢測(cè)到P26=1后判定交流掉電，開(kāi)始執(zhí)行交流掉電保護(hù)程序；當(dāng)>時(shí)，比較器輸出電壓=-。在本設(shè)計(jì)中，取R13=5K，R14=10K，=-5V（由三端穩(wěn)壓器7905提供），因此可得=10V。取分壓電阻R11=20K，R12=100K，當(dāng)交流電正常時(shí)，交流檢測(cè)輸入端接入14V電源，此時(shí)>，比較器輸出低電平。當(dāng)交流掉電時(shí)，輸入端接入電池E（12V），此時(shí)< ，比較器輸出端=+，經(jīng)過(guò)74HC14輸出低電平給產(chǎn)生中斷，CPU開(kāi)始計(jì)時(shí)，若72小時(shí)后交流電仍沒(méi)有恢復(fù)，則CPU發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)

27、關(guān)閥停止供水。若72小時(shí)之內(nèi)交流電得以恢復(fù)，則CPU自動(dòng)取消計(jì)時(shí)。2.3電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)于水表而言，閥門(mén)是被控對(duì)象，控制著進(jìn)水的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中，IC卡計(jì)費(fèi)水表的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，通過(guò)改變雙穩(wěn)態(tài)電磁閥線圈的脈沖電流方向就可以實(shí)現(xiàn)電磁閥的開(kāi)與關(guān)，這種閥的最大特點(diǎn)就是維持閥的開(kāi)通與關(guān)斷都不需要維持電流，因此具有十分好的節(jié)能效果，只需在動(dòng)作時(shí)給閥控制線圈一相應(yīng)的脈沖電流之后，電磁閥自身就可以動(dòng)作，并且依靠電磁力產(chǎn)生自鎖維持其開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)用戶有剩余水量時(shí)，電磁閥保持開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)以下情形之一時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)可靠地關(guān)閥停止供水：（a）表內(nèi)剩余水量為零（直到用戶將交費(fèi)充值

28、后的卡插入卡座后，閥門(mén)將自動(dòng)開(kāi)啟）；（b）當(dāng)交流啟用備用電源達(dá)72小時(shí)；（c）遠(yuǎn)傳線斷線；（d）外界強(qiáng)磁場(chǎng)干擾。2.4聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)當(dāng)用戶表內(nèi)的剩余水量達(dá)到所設(shè)定的下限值時(shí)（本設(shè)計(jì)取0.5t），上位機(jī)的聲光報(bào)警電路則會(huì)通過(guò)蜂鳴器與發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，提示用戶去購(gòu)買(mǎi)水量。2.5 顯示器單元設(shè)計(jì)2.5.1顯示器的選取智能儀表一般都有顯示器件，本設(shè)計(jì)中，IC卡水表通過(guò)顯示器件可以顯示用戶的剩余水量與所折合的人民幣數(shù)，使用戶及時(shí)掌握自己的用水情況，以便計(jì)劃（節(jié)約）用水與及時(shí)交納水費(fèi)。目前國(guó)內(nèi)外使用較多顯示器有三種：一種是用LED顯示器；一種是LCD液晶顯示器；還有一種是CRT。 CRT顯示器一

29、般情況下不適合應(yīng)用于袖珍機(jī)器和儀表的顯示。原因如下：（1）CRT顯示器屬于模擬設(shè)備， 由于其采用的是電子槍成像，必然要一定的距離讓電子加速，所以其體積必然不可能太小，就算采用了短管結(jié)構(gòu)，其體積也很“碩大”，而液晶顯示器由于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其外形都很??；（2）傳統(tǒng)的CRT顯示器由于需要高壓驅(qū)動(dòng)，其耗電量也是巨大，大約200W左右，而液晶顯示器相對(duì)來(lái)說(shuō)，功耗僅為40W左右，大約是傳統(tǒng)顯示器的五分之一左右。LED顯示器件的工作電壓低、功耗較小，工作溫度范圍寬，壽命長(zhǎng)、成本低，機(jī)械強(qiáng)度高，亮度中等，易于與TTL數(shù)字邏輯電路連接。但是由于其體積相對(duì)較大，不適于本設(shè)計(jì)研制的IC卡水表，LCD更適合于

30、本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，這是因?yàn)椋篖CD具有耗電低（比LED低得多，用電池就可以長(zhǎng)期工作）、驅(qū)動(dòng)電壓低（比LED還低），結(jié)構(gòu)空間小而有效面積大，體薄物清等優(yōu)點(diǎn)，十分適合于袖珍機(jī)器和儀表的數(shù)字顯示，為智能化儀器設(shè)計(jì)提供了良好條件。結(jié)合IC卡計(jì)費(fèi)水表的實(shí)際情況，最終確定選取LCD作為顯示器。2.5.2系統(tǒng)顯示功能的實(shí)現(xiàn)HT1621與單片機(jī)的連線很簡(jiǎn)單，如圖2.2所示，在本設(shè)計(jì)中HT1621與89C51只有3條管腳相連，即其DATA、分別與89C51的、相連。為片選斷，低電平有效。為寫(xiě)信號(hào)輸入端，出現(xiàn)上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線被鎖進(jìn)HT1621。89C51通過(guò)DATA管腳將剩余水量數(shù)據(jù)傳給HT1621，然后

31、由HT1621驅(qū)動(dòng)LCD顯示用戶所剩余的水量。用戶可以通過(guò)按紐K來(lái)切換LCD顯示剩余水量以及剩余水量所折合的人民幣數(shù)。2.6主控芯片的選取極其功能介紹選取控制芯片（CPU），必須既能滿足功能要求，又能符合簡(jiǎn)化外圍電路、降低整表成本，因此，合理的選取CPU是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在選擇單片機(jī)系統(tǒng)的CPU時(shí)，主要應(yīng)考慮以下因素：（1）功能.IC卡水表系統(tǒng)對(duì)運(yùn)算速度的要求并不太高，只要能完成對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確處理并能可靠地輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，既只要能對(duì)用水情況進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)量和及時(shí)供水、斷水。（2）有利于簡(jiǎn)化外圍電路。（3）低功耗。（4）價(jià)格因素。綜合考慮以上因素，結(jié)合本設(shè)計(jì)的具體情況，最終確定選取ATMEL公司生產(chǎn)，低功耗、高性能的COMS8位單片機(jī)89C51為整個(gè)系統(tǒng)的控制芯片,內(nèi)含4K字節(jié)的EEPROM，便于設(shè)計(jì)中反復(fù)調(diào)試，也可以減少外圍接口芯片數(shù)目，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊。結(jié) 論IC卡水表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，本文提出的IC卡水表設(shè)計(jì)方