軟件——基于單片機的智能水表的設計

1、（重慶通信學院辦學點）畢 業(yè) 設 計 論 文題 目：基于單片機的智能水表的設計專 業(yè)：電氣工程及其自動化姓 名：學 號：指導老師：劉安才二一一年五月摘 要為適應國家用水制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術對自來水實行自動控制，減輕供水管理部門因“先供水后收費”造成的資金壓力，減少每月抄表、收費所帶來的麻煩和因收費問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代科學技術手段改變自來水管理體制的落后現(xiàn)狀，勢在必行?；趩纹瑱C的智能水表不但可以提高供水部門的工作效率，而且在技術上為節(jié)約用水、合理用水創(chuàng)造了條件，由于這些特點，智能水表得到了越來越廣泛的應用。本論文主要設計研究基于單片機的IC卡智能水表電路，其主要功能是以AT8

2、9C2051單片機為核心，實現(xiàn)IC卡的讀寫，液晶顯示的控制，電磁閥的控制，脈沖的提取，同時具有安全保護電路、記憶單元電路、通信接口電路，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。本文對每個模塊逐一進行了研究，全面詳細地論述了硬件電路的設計流程，對本設計中非接觸式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行了詳細了說明。關鍵詞：單片機；IC卡；液晶顯示；記憶模塊AbstractIn order to adapt the reform of the nation system of water supply,studying and making use of t

3、he 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 tec

4、hnique 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 an

5、d realizes using water electronically but also createsa condition for using waterfrugally 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 sys

6、tem 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

7、 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 modul

8、e, 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目 錄摘要IAbstractII目錄1第1章緒論1課題背景及意義11.2 傳統(tǒng)水表21.2.1 傳統(tǒng)水表的主要結構21.2.2 傳統(tǒng)水表的主要特點21.3 智能水表21.3

9、.1 智能水表的特點31.3.2 國內外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4第2章智能水表的硬件設計6設計思想6智能水表的工作原理6智能水表的硬件結構7智能水表各模塊芯片及器件的選型8微處理器的選擇8傳感器的選擇8記憶單元組成的選擇9控制閥門的選擇92.4.5 IC卡的選擇9各模塊硬件電路設計102.5.1 IC卡讀寫電路102.5.2 液晶顯示電路112.5.3 電源模塊122.5.4 單片機模塊122.5.5 記憶單元電路122.5.6 電磁閥控制電路的設計122.5.7 檢測模塊的設計132.5.8 報警電路13防拆電路13復位電路13時鐘電路14信號處理模塊的設計14第3章智能水表的軟件設計

10、153.1 主程序的設計15中斷服務程序設計173.2.1 外部中斷0服務程序173.2.2 外部中斷1服務程序193.3 IC卡的讀寫軟件設計203.3.1 SDA和SCL信號203.3.2 IC卡的寫操作213.3.3 IC卡的讀操作213.3.4 IC卡芯片的控制字節(jié)和器件尋址223.3.5 IC卡處理程序流程圖223.4 片外數(shù)據(jù)存儲器讀寫軟件設計23液晶顯示電路軟件設計24液晶控制驅動器指令集24程序流程圖及部分程序26記憶單元電路軟件設計27第4章關于智能水表的節(jié)能及安全問題284.1 IC卡智能水表的低功耗問題284.2 低功耗解決方案284.3 IC卡智能水表的安全性問題294

11、.4 安全性問題解決方案29對水表的物理性攻擊的防范辦法30第5章結論31參考文獻32謝辭33附錄341.相關電路圖342.相關程序36報警程序36蜂鳴器程序37時鐘程序37電氣原理圖設計軟件介紹403.1 protel電路板設計軟件413.2 原理圖的繪制423.3 PCB圖的繪制424.外文資料翻譯AT89C2051單片機簡介45第1章 緒論隨著社會科學技術的高速發(fā)展，資源短缺現(xiàn)象日益嚴重，尤其是與人類生存嘻嘻相關的水資源日益缺乏。水是寶貴的環(huán)境資源，也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要物質基礎。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)約和保護水資源是我國當前一項十分重要的戰(zhàn)略措施

12、。節(jié)約水資源包括兩個方面的措施，一是大力推廣應用節(jié)水新技術；二是加強用水的科學管理，在某種意義上來說，加強用水科學管理是當前的首要任務。要加強用水的科學管理，最重要的是加速研究開發(fā)科學先進、應用方便的節(jié)水科學管理儀表以及這種儀表的普及應用。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。長期以來，我國城鎮(zhèn)居民所使用的水表普遍是普通機械旋翼濕式水表，這種水表價格低廉，性能比較穩(wěn)定，但是還采用人工抄表、按戶收費的模式。此方式存在著工作量大，收費周期長，收費困難，效率低下等缺點。隨著我國信息產業(yè)的飛速發(fā)展，金卡工程的全面實施，實現(xiàn)自來水收費管理的電子化、信息化及網(wǎng)絡化已成為可能。水表系統(tǒng)的智

13、能化可以大大提高供水管理部門的工作效率、節(jié)約費用，用以改善供水設施，提高居民飲水質量；同時還能為加強自來水使用的監(jiān)督管理提供手段，從而在技術上為節(jié)約用水合理用水創(chuàng)造條件。微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，引起了儀表機構的根本性變革，以微型計算機（單片機）為主體，將計算機技術和檢測技術有機結合，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，更容易實現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。隨著科學技術的進一步發(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品開發(fā)基本上是借鑒國外先進模式，因為國外在此方面的研究

14、設計起步較早。例如ABB公司的KENT水表采用充電電池，具有按鍵讀數(shù)、可以顯示日期時間及各戶用水量，建有機械式與電子式讀數(shù)功能，而且還配有IBM PC兼容機接口，可以進行電話通信；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品。國內的一些企業(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。從國內外水表行業(yè)的目前情況以及水資源的可持續(xù)性發(fā)展目標來看，我國的傳統(tǒng)水表必須進行改進，才能適應社會和經(jīng)濟的發(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

15、的各個方面。它對改善人類生活、促進社會發(fā)展和科技進步起到了無法估量的作用。直到現(xiàn)在在很多領域還能繼續(xù)發(fā)揮作用。 傳統(tǒng)水表的主要結構傳統(tǒng)水表主要結構由硬件構成，以相對固定形式確定下來，所實現(xiàn)的功能較單一。只具有流量采集和機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行改變。它一般具有輸入信號接口、內部處理電路和實時顯示三部分。對于一些儀表功能如自凋零、自校準、自動調節(jié)量程等的設置是由用戶在儀表設備面板上手工完成。 傳統(tǒng)水表的主要特點傳統(tǒng)水表的主要特點是自成體系，自我包容，用戶無法更改。傳統(tǒng)水表功能單一，只具流量采集和機械指針顯示用水量的功能。同時，一臺普通傳統(tǒng)水表具有相對獨立性，不能與

16、其他水表設備進行通信，而只能用于現(xiàn)場測量，測量結果不能處理、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、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，同時還能進行測量數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示，具有和其他設備進行數(shù)據(jù)通訊等功能。這些新的要求不僅促使著傳統(tǒng)水表不斷地改進和發(fā)展，也孕育著新一代水表智能水表的產生。1.3 智能水表隨著為電子技術的不斷發(fā)展，集成了處理器、存儲器、定時器/計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗甚至A/D、D/A轉換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電

17、路芯片單片機出現(xiàn)了。智能水表是一種以單片機為主體，結合計算機技術與測量控制技術，利用現(xiàn)代微電子技術、現(xiàn)代傳感技術、智能IC卡技術對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結算交易的新型水表。智能水表是除了可對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結算交易的新型水表。智能水表除了可對水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進行自動控制，并且自動完成階梯水價的水費計算，同時可以進行用水數(shù)據(jù)存儲的功能。出于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結算通過IC卡進行，因而可以實現(xiàn)由工作人員上門抄表收費到用戶自己去營業(yè)所交費的轉變。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計算準確，可以利用銀行進行結算的特點。 智能水表的特點與傳統(tǒng)水表相比

18、，智能水表有以下特點：1對供水部門來說，可以實現(xiàn)先交費再供水的用水模式。這是大家都普遍認可的一個優(yōu)點。這對解決水費托拖欠這個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的老大難問題，還可以提前收到資金。對用戶來說，由于水費的支出在總支出中占的比重很小，這種改變，對用戶來說，只是把水費的交付時間提前了一段時間，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，先交費后用水，是更合理的一種交易模式。2改變了入戶抄表收費的模式。這種

19、模式改變的意義是巨大的。由于城市規(guī)模不斷擴大和居民戶數(shù)快速增加，供水部門抄表和收費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。解決這個問題，可以采用多種途徑，但依靠技術進步來解決這個問題，應當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的模式。只要供水部門合理設置交費機構，基本上不會給用戶帶來麻煩。如果得到金融系統(tǒng)的配合，還可以減少布點的成本。因此大規(guī)模采用智能IC卡水表技術對降低供水部門的管理成本是會有顯著幫助的。而使用I

20、C卡進行交易結算，用戶可以自主決定交費時間和數(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，入戶抄表和上門收費等隨意進入私人住戶的做法將逐漸不受歡迎甚至受到抵制，這是一個必須給予重視的社會發(fā)展趨勢。而使用智能IC卡進行交易結算，將可以有效解決這個會帶來很多社會隱患的問題。3可以有效解決一些技術難題。比如,隨著水資源的緊張，將會逐步實行超計劃水價甚至階梯式水價等較為復雜的用水管理模式。這些，將對供水交易提出較高的技術要求。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隨著科學技術的發(fā)展，供水行業(yè)也需要逐步實現(xiàn)用高科技手

21、段進行供水管理。采用傳統(tǒng)水表，這個跨越是很難完成的，而采用智能IC卡水表，將為運用計算機技術進行現(xiàn)代化管理奠定一個技術基礎。5當然，使用智能IC卡水表還有其他優(yōu)點，比如可以有效解決盡量扯皮、用水糾紛，貪污水費、人情用水、用水統(tǒng)計困難等問題。6與遠傳抄表系統(tǒng)相比，智能IC卡水表具有使用和維護成本很低，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，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. 國內外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，國內企業(yè)與研究機構主要致力于智能網(wǎng)絡遠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)遠傳水表，由于

22、智能網(wǎng)絡遠傳水表系統(tǒng)需要配套遠傳通信網(wǎng)絡支持，其初期投資大，因此只適用于在一些新建住宅小區(qū)組成相對獨立的小網(wǎng)，所以目前尚未大量投入市場；而采用先付費后用水的管理模式，在當前收費困難、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)絡遠傳水表系統(tǒng)就目前來講，智能網(wǎng)絡遠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，即由采集器定時順序采集來自多路分戶線的水表信號，并進行數(shù)據(jù)處理、存儲。各采集器之間采用總線制連接，最后連接到計算機。其典型特點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上講較成熟，

23、也節(jié)約成本（多戶表共享一個采集器），但從實際情況看，分線制集中抄表模式存在如下缺點：由于每次水表的計量信號是通過分戶線穿越較長距離到達采集器，中途任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏都將使采集器采集不到數(shù)據(jù)，而且鋪設分戶線不僅使安裝任務繁重，也存在許多隱患：短線，斷線等。錯綜復雜的線路更使得維護工作困難重重。采集器均安裝于現(xiàn)場，需專業(yè)人員調試系統(tǒng)并定期巡視維護，專業(yè)隊伍日益“壯大”，維護費用也相應劇增。分線制集中抄表模式的風險不僅僅是各表風險的簡單累加。如果采集器掉電或出現(xiàn)其他嚴重故障則會使該采集器上所有數(shù)據(jù)丟失，集中抄表的風險無法有效分散，與測控系統(tǒng)強調的集中管理、分散控制的分布式設計死相違背。（2）總線制

24、智能抄表方式總線制智能水表由于采集、計數(shù)工作單元均安裝在智能水表內并密封，水表的數(shù)據(jù)采集、處理、存貯等基礎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)采集僅進行通訊聯(lián)系，消除了外界因素對計量的影響。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。但由于單表內設置單片機和后備電源，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)調試任務以及后期使用過程中線路、系統(tǒng)維護等繁重勞動強度，也方便高層次設計如網(wǎng)絡結構的設計、與其他系統(tǒng)（如安防、照明

25、、空調、消防）共享開放式網(wǎng)絡的設計，進而為用戶提供完善、綜合的配套服務。2、卡式智能水表系統(tǒng)智能卡水表是在當今智能卡技術與市場迅猛發(fā)展、單個智能卡及刷卡機性能價格比日益提高的特定時期應運而生的。主要由智能卡式水表、智能卡、讀卡器、收費管理信息系統(tǒng)等組成。用戶須在供水部門指定售卡點，購水后刷卡方能使用。它具有有限用水量、解決用水收費糾紛的功能，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，無需鋪設管線及線路維護，安裝方便、維護簡單；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，由智能卡讀入預購水量等信息，使用簡單，動作可靠，并且它的前期投資費

26、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發(fā)展建設來看，單純地將普通機械式水表轉化成機械式+電子式固然已邁出了重要的一步，但是還不夠完善，因為水表的計量預收費及管理自動化將是大勢所趨。未來信息技術的發(fā)展必將朝著網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，作為樓宇自動化發(fā)展的方向的一個重要方面|智能化水表系統(tǒng)。因此如何設計合適的平臺，將自動抄表系統(tǒng)、遠程監(jiān)控報警系統(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、方便實際現(xiàn)場安裝維護的一體化智能系統(tǒng)將成為今后一段時期內的熱點。第2章 智能水表的硬件設計本水表電路的硬件設計原則是在低功耗的前提下實現(xiàn)多功能。系統(tǒng)硬件

27、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，同時還可以將水表的數(shù)據(jù)存入E2PROM進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。智能水表區(qū)別于傳統(tǒng)的人工抄表就是應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際情況，本設計對智能水表應該具有的功能提出了以下設計思想：1. 統(tǒng)計功能：當用戶插入有效卡時，將購買水量與剩余水量自動相加，并且存入E2PROM以防丟失；當用戶用水時，將剩余水量與用水量 自動

28、相減，并且存入E2PROM以防丟失。2. 自動供停水功能：當剩余水量為0時，自動關閉閥門；購水后，閥門開啟。3. 顯示功能：采用6位LED顯示，可隨時查詢累計用水總量及可用剩余水量。4. 報警功能：當剩余水量減少到一定量時，報警提示用戶購水。5. 掉電自動保護數(shù)據(jù)功能：掉電后，數(shù)據(jù)依然可以被保存。當恢復供電后，數(shù)據(jù)自動恢復。6. 一戶一卡的功能：通過設立用戶信息和用戶校驗碼的方式實現(xiàn)一戶一卡。即一個水表只能使用一個用戶專用卡，插入其他卡片無效。7. 欠電自動關閉系統(tǒng)的功能：當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，水表應會自動將閥門關閉并使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，并報警

29、提示。8. 防拆卸功能：在表體和接頭管件上設置鉛封口并可進行防偽鉛封處理，以防止隨意拆卸水表的行為。即使被拆卸后，單片機立即關閉閥門，以防偷水。智能水表以單片機為主體，結合計算機技術與測量控制技術，利用現(xiàn)代微電子技術、現(xiàn)代傳感技術、智能IC卡技術對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結算。智能水表除了可對水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進行自動控制，并且自動完成階梯水價的水費計算，同時可以進行用水數(shù)據(jù)存儲的功能。出于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結算通過IC卡進行，因而可以實現(xiàn)由工作人員上門抄表收費到用戶自己去營業(yè)所交費的轉變。智能水表以AT89C2051為核心控制芯片，完成整個水表信號的讀、

30、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。該CPU芯片內置4K的程序存儲器，有32個多功能的I/O口，具有多個可編程的中斷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，首先由用戶購買IC卡（即用戶卡），并攜IC卡至收費工作站交費購水，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，卡表內單片機識別IC卡密碼并確認無誤后，將卡中購買水量與表內剩余水量相加后，寫入卡表內存儲器，同時必須將IC卡內購水值清零。當用戶用水時，由流量傳感器采進來的信號以脈沖形式觸發(fā)單片機的外部中斷，換醒單片機，進行用水處理。用戶在用水過程中，卡表內剩余水量相應減

31、少。當剩余水量低于一定量，如5m3，卡表報警提示用戶購水。當E2PROM中存儲的水量用完時，單片機自動關閉電磁閥。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，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。其硬件結構框圖如圖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電路IC卡讀寫電路IC卡讀寫電

32、路顯示/報警電路通信接口電路記憶單元電路電源模塊圖2.2 硬件結構框圖2.4智能水表各模塊芯片及器件的選型2.4.1微處理器的選擇雖然其通用的80C51系列的單片機具有電源電壓適應范圍寬、抗干擾能力和驅動能力強、價格便宜等特點。然而對本設計來說，根據(jù)其系統(tǒng)所要應用的需要：主要是其應用的引腳、應用所需要的容量以及在制作過程中所要考慮的體積、價格及供應等因素。顯然AT89C2051單片滿足I/O端口數(shù)、所需要的容量等要求。AT89C2051單片機與80C51單片機相比具有體積小、價格低等優(yōu)點。同時AT89C2051單片機和80C51單片機是完全兼容的，它與80C51的顯著區(qū)別在于它內部有一個閃存。

33、另外考慮到在調試過程中實驗器材的現(xiàn)實情況，本設計系統(tǒng)將選用AT89C2051單片機作為主控芯片。2.4.2傳感器的選擇WG系列韋根傳感器具有以下特點：(1) 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。(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，可實現(xiàn)“零速”傳感。(4) 無觸點、耐腐蝕、防水，壽命長。(5) 利用電話線、同軸線可實現(xiàn)電信號遠傳。由于WG系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

34、低功耗設計的傳感器。在這里，我們選擇了南京艾馳電子科技有限公司的WG系列韋根傳感器產品，其型號為WG101。具體使用方法為：在水表的計量齒輪上安裝小磁鋼，當用戶用水，齒輪轉動，小磁鋼將會轉過Wiegand絲傳感器，這時傳感器產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進行計數(shù)計量。選擇此傳感器作輸入信號測量的傳感器，既滿足了準確計量的基本要求，又滿足了低功耗設計的需要，是本低功耗設計的重要組成部分。2.4.3記憶單元組成的選擇本設計的記憶單元中采用I2C總線接口，存儲單元采用AT24C01以滿足本設計的要求。2.4.4控制閥門的選擇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

35、的通/斷來控制閥門的開/關的，即要讓閥門一直關著，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)有電平開關式電磁閥進行改進，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開/關控制由電脈沖來實現(xiàn)。使得對閥門開/關只需瞬時供電，從而減少耗電量。在這里我們選擇：執(zhí)行機構采用繼電器HRS2H-S-DC3V，驅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)，驅動機構不消耗電能，只有當購買的噸位數(shù)用完時，才由固態(tài)繼電器驅動電磁閥關閉開關，并自鎖于常閉狀態(tài)，重新購水插卡后，再次送電開啟。2.4.5 IC卡的選擇由于水表中采用IC卡存儲用戶所購買的用水

36、量等信息，如果IC卡一旦被非法復制、偽造，必將給供水管理造成巨大的損失。本設計中選用的SLE4442卡是由SIMENSE公司設計生產的邏輯加密芯片，具有2K的存儲容量和完全獨立的可編程加密代碼存儲器（PSC），內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用領域的各種要求。SLE4442卡，以其優(yōu)良的性能價格比，近年來在中國被廣泛應用于醫(yī)療、交通、企業(yè)管理以及水、電、氣、商業(yè)預收費等領域中11。該芯片特點：（1）用多存儲器結構。（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，每字節(jié)的擦除/寫入編程時間為2.5MS。（4

37、）存儲器具有至少100000次的擦除/寫入周期，數(shù)據(jù)保持時間至少為10年。（5）按字節(jié)寫保護最低32個地址 （字節(jié)0-31）具有不可逆性。2.5各模塊硬件電路設計2.5.1 IC卡讀寫電路IC卡應用系統(tǒng)的硬件設計結構框圖如圖2.12所示，總體原理圖見附錄1。單片機AT89C2051是本設計的核心器件，它主要完成了對射頻卡（MIFARE 1卡）的讀寫操作。H6152讀寫器對射頻卡進行讀寫后通過串口電平轉換電路將RS232電平轉換為單片機所識別的TTL電平，從而達到了使用AT89C2051單片機來控制射頻卡的讀寫過程。CPU串口電平轉換電路IC卡讀寫器報警電路Mifare1射頻卡圖2.12 IC卡

38、系統(tǒng)硬件結構圖2.5.2 液晶顯示電路圖2.16 串口顯示電路圖顯示電路的具體電路如圖2.16所示。它由單片機AT89C2051，2片74HC164，6個LED數(shù)碼管，6個220歐姆左右的限流電阻組成。74HC164是8位串入并出移位寄存器。它的每一個輸出管腳具有+/-20mA的驅動能力。對于小型LED數(shù)碼管，還要串聯(lián)200360的限流電阻。本設計提出的動態(tài)顯示電路采用2片74HC164，可以驅動18只共陰極數(shù)碼管，這里我們采用6位顯示。其中一片U3作為段碼驅動，另一片U1作為位碼驅動。2片74HC164采用級聯(lián)方式連接，只占用單片機AT89C2051的2個I/O端口。位碼驅動U1的數(shù)據(jù)輸入端

39、口、時鐘輸入端口分別連接AT89C2051的RXD和TXD端口。段碼驅動U3的數(shù)據(jù)輸入端口、時鐘輸入端口分別連接位碼驅動U1的Q7和AT89C2051的TXD端口。選擇AT89C2051的串行口方式為0方式，即移位寄存器方式。如果要求在6位LED數(shù)碼管的最低位顯示一個字符時，首先從DMbufer中取出要顯示的數(shù)，通過譯碼表譯出這個字符的段碼值并將段碼值寫入U3中。根據(jù)這個字符在LED、顯示器的位置(這里為最低位)。確定它的位碼值是FEH(1111 1110)將位碼值寫入WMbuffer中(注意：段碼驅動U3為高電平有效、位碼驅動U1為低電平有效)。在顯示程序中，首先將位碼值寫入串行數(shù)據(jù)寄存器(

40、SBUF)。在AT89C2051TXD端口的時鐘作用下，AT89C2051RXD端口送出這個字符的位碼值到段碼驅動U3。當AT89C2051送完一個字節(jié)的位碼值后，發(fā)送中斷標志位TI置位。檢測到TI=1后，清零TI，接著將段碼寫入SBUF，AT89C2051再送段碼值到段碼驅動B，同時段碼驅動U3的位碼值被送入位碼驅動U1中，延時2ms，即可顯示這個字符了。如果要求在低二位顯示第2個字符，則WMbufer(1111 1110)不帶進位位左移一位(1111 1101)并送WMbufer。再通過譯碼表取得第2個字符的段碼值送入U3，重復上述過程即可。以上過程循環(huán)N次，即可完成16位字符的顯示工作。

41、在主程序中循環(huán)調用顯示程序，反復掃描LED數(shù)碼管，使之達到近似靜態(tài)的顯示效果51213。2.5.3 單片機模塊由于內部液晶控制器的存在，單片機可直接與GXM12864相連，不必使用其他的接口芯片。由于單片機采用Atmel公司的AT89C2051,將液晶模塊作為存儲器的一部分，直接進行I/O操作。其工作原理圖見附錄2所示。2.5.4 記憶單元電路本設計的記憶單元利用單片機AT89C2051與24C01進行I2C通信，實現(xiàn)對某一地址內數(shù)據(jù)的讀/寫校驗操作。2.5.5 電磁閥控制電路的設計7。圖2.19 控制閥的關斷情況2.5.6 檢測模塊的設計檢測模塊主要對以下四種情況進行檢測 (1) 水表被拆卸

42、；(2) 電池欠壓或取出電池；(3) 有按鍵按下；(4) 有IC卡插入。當有以上四種情況之一時，外部中斷（P3.5）產生中斷。當產生中斷后，中斷程序馬上依次檢測P3.6口(F_KEY)、P3.2口(V_MONI)、P3.3口(OPEN_D)、P1.5口(SW_T)，以確認是哪種情況產生的中斷后作出相應處理。該電路由一個電壓檢測器HT7039、兩個與非門、一個或非門、一個常閉開關和一個常開開關組成。2.5.7 報警電路利用單片機輸出報警信號是很有用的。在控制系統(tǒng)中，當用戶消費的水量超出警戒值或設定值時，或者電池電壓不夠時，在這些情況下，由單片機P1.6端口輸出通過三極管驅動蜂鳴器，發(fā)出聲音信號用

43、于報警，提醒人們引起注意，2.5.8防拆電路在智能網(wǎng)絡水表的設計中，為了防止用戶拆卸水表，所以在電路中設計了防拆卸電路，在電路中加入一個按鍵，平時處于按下的狀態(tài)，當水表被拆卸時，這個按鍵彈起，這時水表關閉閥門，這樣大大增加了水表的安全系數(shù)。2.5.9復位電路復位的功能是保證單片機在任何情況下，都能夠正常工作。例如在單片機上電時，或是單片機的電源電壓偶然減少時，或是單片機受到電磁干擾使程序不能運行時，或是人工需要單片機復位時。2.5.10時鐘電路時間是智能水表計量系統(tǒng)檢控的一個重要數(shù)據(jù)，當表出現(xiàn)特殊情況時如：插卡，非法打開表蓋，閥門關閉和開啟等異常時刻時，實時時鐘芯片都能準確無誤的記錄下來，方便

44、日后的查詢；同時對我們設計多費率的水表，有效監(jiān)控水源的使用情況具有重要意義。本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司生產的低功耗時鐘芯片DS1302產生時間信號，DS1302 是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片。2.5.11信號處理模塊的設計由于WG系列韋根傳感器使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式（即對稱驅動方式），當水表葉輪轉動一周，觸發(fā)磁場極性變化一周，韋根傳感器輸出一對正負雙向脈沖電信號。當韋根傳感器輸出為正向脈沖時，NPN管導通，脈沖檢測信號W_IN輸出為高電平；當韋根傳感器輸出為負向脈沖時，NPN管截止，脈沖檢測信號W_IN輸出為低電平。即水表葉輪轉動一周，脈沖檢測信號W_IN存在一個由高到

45、低的跳變。由于我們設定外部中斷（P3.2）為跳變觸發(fā)方式，即電平發(fā)生由高到低的跳變時觸發(fā)。因此，水表葉輪轉動一周，外部中斷產生一次中斷5。第3章 智能水表的軟件設計本文在進行智能水表的軟件設計時，結合智能水表具備的功能，首先考慮了以下幾個問題：(1)程序承擔的任務：任何一個程序的設計，都有其具體的應用場合和明確的工藝要求，程序設計的首要任務就是確定程序承擔的任務；(2)程序的時序性：單片機是按時序運行的，所以程序設計要考慮到任務的執(zhí)行順序和時間要求；(3)程序的適應性：所謂適應性，就是要求設計出來的程序具有靈活性，主要考慮將來系統(tǒng)擴展時必要的修改，增加通用性；(4)程序的設計模式：程序的設計模

46、式直接影響著程序的編制、糾錯及測試的難易度。本文采用模塊化設計思想，將一個完整的程序分成若干個可以獨立完成某些任務的功能模塊，各模塊又分為若干子模塊，各子模塊之間相互獨立，又受主程序模塊的控制。使整個系統(tǒng)層次分明，邏輯清楚，便于程序的編制、調試、修改和查錯。利用模塊化技術，可以將錯誤局限在各個模塊內部而不影響整體，提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護性。在本次設計過程中，CPU平時處于低功耗模式，當有中斷發(fā)生時，喚醒CPU進行中斷處理，處理完成后又進入低功耗模式。當系統(tǒng)時鐘發(fā)生器基本功能建立后，CPU內狀態(tài)寄存器SR中的SCG1、SCG2、OSC OFF位是重要的低功耗控制位。這四個控制位可以由

47、軟件配置成6種工作模式：其中1種活動模式和5種低功耗模式。通過設置控制位AT89C2051可以從活動模式進入相應的低功耗模式，只要任意中斷被響應，上述中斷控制位就被壓入堆棧保存，中斷處理后，又可以恢復先前的工作方式。此外，在進行程序設計時，還應注意以下問題(1)用可計算的分支代替標志位測試產生的分支；(2)用快速查表代替冗長的軟件計算；(3)在冗長的軟件計算中使用單周期的CPU寄存器；(4)避免頻繁的子程序和函數(shù)調用15。根據(jù)智能網(wǎng)絡水表所要實現(xiàn)的功能，軟件組成主要包括：主程序設計、中斷服務程序、各子程序等組成。3.1 主程序的設計主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，各種情況的判斷如電壓情況、按鍵是否

48、按下、水量判斷等，在適當情況下還要進行顯示、關閉閥門等操作，平時處于睡眠狀態(tài)。當表內剩余水量小于5 m3時，閥門暫時關閉以代替蜂鳴器發(fā)出提示報警，以提醒用戶剩余水量不多，請速購水；當表內剩余水量為0 m316-18.在軟件設計中，采用中斷方式是降低功耗的重要手段。由于平時智能水表處于低功耗模式，當水表進行采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)通信等工作時，進入中斷程序進行處理。當中斷處理完成后，重新進入到低功耗模式。在本次設計中，中斷服務程序包括水表計量中斷、干擾中斷、欠壓中斷、拆除中斷、通信中斷等。中斷服務程序的流程圖如圖3.2所示。圖3.2 中斷程序流程圖 外部中斷0服務程序外部中斷0子程序也即水表脈沖計量程序，

49、它主要是對用戶水量進行處理。當用戶在進行用水操作時，由流量傳感器產生的脈沖信號使進入中斷響應程序。根據(jù)機械水表的測量原理，水的流量與水表齒輪的轉速可以近似成一定的線性關系。顯然，水表齒輪所轉的圈數(shù)與傳感器產生的脈沖信號是一一對應的關系。根據(jù)這一原理，我們可確定流量的計算公式:(3.1)在式(3.1)中，Q為流量，單位為m3；K為基表系數(shù)，單位為m3r；N為轉數(shù)，單位為r。在這里，由于K（基表系數(shù)）是一個常數(shù)。因此，Q與N是一一對應關系。我們采用了6位數(shù)據(jù)顯示，其中只含有一位小數(shù)。當Q為0.1m3時，由于K已知，N即可以求出。在本系統(tǒng)編程中，我們設定M為測得脈沖數(shù)，N為Q為0.1m3時對應的轉數(shù)

50、值，“剩余水量-1,用水總量+1”中的“1”m3的水量3。其具體流程圖如圖3.3所示。圖3.3 外部中斷服務程序在上述程序設計中，當剩余水量小于5噸時，閥門亦將關閉，而不是進行報警提示，當再次刷卡時閥門再次打開，其目的在于避免采用報警信號方式當報警發(fā)出時用戶不在家接收不到報警信號而報警器處于工作當中，以關閉閥門來進行報警提示代替純報警信號將更有效地達到預警效果，不但避免了突然斷水對用戶帶來的不便，而且降低了水表功耗，此外還提高了供水部門的管理效率。此處中，當插入IC卡時，水表液晶顯示中將顯示用水余額等信息，提示用戶盡快購水。 外部中斷1服務程序以下四種情況均可以使產生中斷：(1) 水表被拆卸；

51、(2) 電池欠壓或取出電池；(3) 有按鍵按下；(4) 有IC卡插入。當產生中斷后，中斷程序馬上依次檢測P3.6口、P3.2口、P3.3口、P1.5口（原理圖見總電路圖中檢測模塊），以確認是哪種情況產生的中斷后作出相應處理。其具體流程圖如圖3.4所示。子程序3.3 IC卡的讀寫軟件設計系統(tǒng)軟件設計的流程應為確認有卡插入后，延時，待IC卡供電電路穩(wěn)定，讀IC卡標志位，并與系統(tǒng)中保存的標志比較，確認后，讀數(shù)據(jù)區(qū)。為提高可靠性，IC卡中的數(shù)據(jù)在兩個不連續(xù)區(qū)作備份，第二組數(shù)據(jù)作校驗。為防止有損壞的字節(jié)和其它因素影響數(shù)據(jù)不可靠，建議將每次寫入的數(shù)據(jù)再讀出比較，判斷寫入的數(shù)據(jù)是否正確，從而達到保證對IC書

52、寫操作的無誤。下面詳細地介紹了它的工作原理。 SDA和SCL信號SDA和SCL雙向總線采用I2C-bus(inter-intergrad circuit bus)匯流總線技術，所有的控制命令和數(shù)據(jù)傳輸均由這兩條雙向總線執(zhí)行，采用SDA和SCL，兩條總線就可實現(xiàn)對E2PROM進行讀寫，并且在讀寫過程中其信息傳遞的波特率可以從0到100kbps，其數(shù)據(jù)傳輸及時鐘脈沖時序圖如圖3.5所示。IC卡的讀寫其實也就是對IC卡片內E2PROM進行讀寫。所以在AT24C01系列IC卡的應用中，與邏輯控制有關的引出端線只有2條：SCL和SDA。所有的地址、數(shù)據(jù)及讀/寫控制命令等信號均從SDA端輸入/輸出。為了區(qū)

53、分SDA線上的數(shù)據(jù)、地址、操作命令以及各種狀態(tài)的“開始”與“結束”，卡片內設計了多個邏輯控制單元。其中，啟動與停止邏輯單元產生控制讀/寫操作的“開始”和“停止”標志信號。“開始”狀態(tài)：當SCL處于高電平時，SDA從高電平轉向低電平，即產生“開始”標志信號；“停止”狀態(tài)：當SCL處于高電平時，SDA從低電平轉向高電平，即產生“停止”標志信號，如圖3.6所示。SDA和SCL通常各自通過一個電阻拉到高電平。當SCL為高電平時，對應的SDA上的數(shù)據(jù)有效；而當SCL為低電平時，允許SDA上的數(shù)據(jù)變化。數(shù)據(jù)輸入/輸出應該應答邏輯單元產生數(shù)據(jù)輸入/輸出操作應答信號。操作時所有的地址和數(shù)據(jù)均為8位碼串行輸入/

54、輸出于卡片。卡片每收到一個8位碼長的地址碼或數(shù)據(jù)字后，都以置SDA線為低電平方式“確認”應答信號。其波形如圖3.7所示。 IC卡的寫操作在器件地址碼之后，緊跟著的是字節(jié)地址碼。地址碼長度為8位。時序中的數(shù)據(jù)為寫字節(jié)時，由IC卡讀/寫器中的單片機在SDA發(fā)送一個8位碼長的數(shù)據(jù)；卡片每收到一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，都要通過SDA回送一個“確認”信號（ACK）。寫操作時序如圖3.8所示。 IC卡的讀操作讀操作有3種：立即地址讀、隨機地址讀及順序地址讀；立即地址讀：如果最后1次操作的地址在n，則現(xiàn)行地址為n+1。其時序如圖3.9中的第2部分；隨機地址讀：從選定的地址單元開始讀，時序如圖所示。時序中器件地址和字地

55、址概念同寫操作，不同的是，IC卡讀/寫器中的單片機在給出數(shù)據(jù)字地址碼之后，不發(fā)任何數(shù)據(jù)字，而是在卡片發(fā)出“確認”應答之后，又發(fā)出一個“開始”狀態(tài)，進入“立即地址讀”操作；單片機讀入1個數(shù)據(jù)后，使SDA處于高電平，隨后產生一個“停止”狀態(tài)，結束本次操作。順序地址讀 ：可以從“立即地址讀”和“隨機地址讀”開始。當IC卡讀/寫器中的單片機收到第1個數(shù)據(jù)字后，不發(fā)“停止”狀態(tài)，而是回答一個“確認”信號。一旦卡片收到單片機發(fā)出的“確認”信號，則將卡片內地址計數(shù)器的地址自動加1，并將此地址單元中的數(shù)據(jù)從SDA線上串行輸出。只要單片機收到數(shù)據(jù)字后回答“確認”信號，順序讀操作就繼續(xù)進行，直到單片機送出“停止”

56、信號為止。在本設計的軟件編程中，我們采用了隨機地址讀和順序地址讀兩種操作方式。 IC卡芯片的控制字節(jié)和器件尋址控制字節(jié)的的配置如表3.1與圖3.10所示。控制字節(jié)是跟隨在主器件發(fā)出的開始條件后面，器件首先接收到的字節(jié)?？刂谱止?jié)的前四位由4位控制碼組成，當控制碼為1010時，表示對IC卡的和寫操作。操作控制碼塊選擇讀/寫（R/）讀1010快地址1寫1010塊地址0由于對IC卡而言，A2，A1，A0地址線均為0；因此，綜合上面所敘：寫地址為0A0H，讀地址為0A1H2 10。 IC卡處理程序流程圖IC卡的處理程序由外部中斷觸發(fā)產生的（如圖3.4所示）。該程序首先判斷是管理卡還是用戶卡，再做出相應的處理。如果是管理卡，則進行清除不良記錄；如果是用戶卡，則必須先核對用戶名和密碼是否正確，再進行IC卡的讀寫操作與開閥處理。在本設計中，我們是通過比較IC卡與片外數(shù)據(jù)存儲器E2PROM兩者對應的用戶名信息單元和密碼存儲單元的內容是否相同來實現(xiàn)的。圖3.11 IC卡處理程序流程圖3.4 片外數(shù)據(jù)存儲器讀寫軟件設計片外數(shù)據(jù)存儲器E2PROM讀寫的目的主要是掉電中斷程序使CPU在檢測到電池失壓后，將RAM區(qū)的所有數(shù)據(jù)寫入E2