硬件——基于单片机的智能水表的设计.doc

重庆交通大学（重庆通信学院办学点）毕业设计论文题目：基于单片机的智能水表的设计专业：电气工程及其自动化姓名：学号：指导老师：刘安才二一一年五月I摘要为适应国家用水制度的改革，研究和利用现代化智能技术对自来水实行自动控制，减轻供水管理部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少每月抄表、收费所带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，用现代科学技术手段改变自来水管理体制的落后现状，势在必行。基于单片机的智能水表不但可以提高供水部门的工作效率，而且在技术上为节约用水、合理用水创造了条件，由于这些特点，智能水表得到了越来越广泛的应用。本论文主要设计研究基于单片机的IC卡智能水表电路，其主要功能是以AT89C2051单片机为核心，实现IC卡的读写，液晶显示的控制，电磁阀的控制，脉冲的提取，同时具有安全保护电路、记忆单元电路、通信接口电路，完成整个水表信号的读、写处理，监控水表工作的功能。本文对每个模块逐一进行了研究，全面详细地论述了硬件电路的设计流程，对本设计中非接触式IC卡读写电路模块、液晶显示电路模块和读写电路模块等工作原理及功能进行了详细了说明。关键词：单片机；IC卡；液晶显示；记忆模块IIAbstractInordertoadaptthereformofthenationsystemofwatersupply,studyingandmakinguseofthemodernintelligencetechniquetorealizetheautomaticsupervisionofthewatersupply,lighteningthefundspressurebecauseof“supplywaterfirstbehindcharge”ofthedepartmentsupplyingwater,reducingthetroubleanddisputeofcopyingtheformandchargingmonthly,usingthemodernsciencetechniquechangethecurrentadministrationstructureofusingwaterandwatersupplyindustryisimperativeunderthesituation.Theapplicationofintelligentwatermeternotonlyimprovesworkefficiencyofintelligentwatermeternotonlyimprovesworkefficiencyofthedepartmentsupplyingwaterandrealizesusingwaterelectronicallybutalsocreatesaconditionforusingwaterfrugallyandrationally.Becauseofthesecharactetistics,intelligentwatermeterobtainedmoreandmorewidespreadapplication.Inthispaper,themaindesignbasedonsingle-chippre-chargestheICcardwatermetersystemhardwarecircuitdesign,itsmainfunctionisbasedonAT89C2051single-chipmicrocomputerasthecore,therealizationofICcardreader,LCDdisplaycontrol,thecontrolsolenoidvalve,pulseextraction,atthesametimesecurityprotectioncircuit,memorycellcircuit,communicationinterfacecircuit,thesignalmetertocompletethereading,writingandprocessing,monitoringtheworkfunctionofwatermeters.Inthispaper,onebyoneforeachmodulestudied.Fulldetailofthehardwarecircuitdesignflow,forthedesignoftheCentralAfricancontactlessICcardreadercircuitmodule,liquidcrystaldisplaycircuitmoduleandcircuitmodule,suchasreadingandwritingH6152workingprincipleandfunctionaredescribedindetail.Keywords:SCM；ICCard；Liquidcrystaldisplay；Memorymodules基于单片机的智能水表的设计1目录摘要.IAbstract.II目录.1第1章绪论.11.1课题背景及意义.11.2传统水表.21.2.1传统水表的主要结构.21.2.2传统水表的主要特点.21.3智能水表.21.3.1智能水表的特点.31.3.2国内外智能水表的发展现状及发展趋势.4第2章智能水表的硬件设计.62.1设计思想.62.1.1方案比较.62.1.2方案选择.82.2智能水表的工作原理.82.3智能水表的硬件结构.92.3智能水表各模块芯片及器件的选型.102.3.1微处理器的选择.102.3.2传感器的选择.132.3.3记忆单元组成的选择.172.3.4控制阀门的选择.192.3.5IC卡的选择.202.4各模块硬件电路设计.212.4.1IC卡读写电路.212.4.2液晶显示电路.272.4.3电源模块.282.4.4单片机模块.302.4.5记忆单元电路.302.4.6电磁阀控制电路的设计.312.4.7电源的设计.332.4.8检测模块的设计.352.4.9报警电路.362.4.10防拆电路.372.4.11复位电路.372.4.12时钟电路.382.4.13信号处理模块的设计.392.4.14其它模块电路.40第3章智能水表的软件设计.41基于单片机的智能水表的设计2第4章关于智能水表的节能及安全问题.434.1IC卡智能水表的低功耗问题.434.2低功耗解决方案.434.3IC卡智能水表的安全性问题.444.4安全性问题解决方案.444.5对水表的物理性攻击的防范办法.45第5章结论.46参考文献.47谢辞.48附录.491.相关电路图.492.相关程序.512.1报警程序.512.2蜂鸣器程序.522.3时钟程序.523.protel电气原理图设计软件介绍.543.1protel电路板设计软件.553.2原理图的绘制.563.3PCB图的绘制.564.外文资料翻译AT89C2051单片机简介.59基于单片机的智能水表的设计1第1章绪论1.1课题背景及意义随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象日益严重，尤其是与人类生存嘻嘻相关的水资源日益缺乏。水是宝贵的环境资源，也是我国可持续发展战略的重要物质基础。但是，我国是世界上人均水资源拥有量是分贫乏的国家之一，节约和保护水资源是我国当前一项十分重要的战略措施。节约水资源包括两个方面的措施，一是大力推广应用节水新技术；二是加强用水的科学管理，在某种意义上来说，加强用水科学管理是当前的首要任务。要加强用水的科学管理，最重要的是加速研究开发科学先进、应用方便的节水科学管理仪表以及这种仪表的普及应用。因此研制一种低功耗、计量精确方便的智能水表显得极为重要。长期以来，我国城镇居民所使用的水表普遍是普通机械旋翼湿式水表，这种水表价格低廉，性能比较稳定，但是还采用人工抄表、按户收费的模式。此方式存在着工作量大，收费周期长，收费困难，效率低下等缺点。随着我国信息产业的飞速发展，金卡工程的全面实施，实现自来水收费管理的电子化、信息化及网络化已成为可能。水表系统的智能化可以大大提高供水管理部门的工作效率、节约费用，用以改善供水设施，提高居民饮水质量；同时还能为加强自来水使用的监督管理提供手段，从而在技术上为节约用水合理用水创造条件。微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表机构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，智能化仪表在测量过程自动化。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高。我国目前智能水表新产品开发基本上是借鉴国外先进模式，因为国外在此方面的研究设计起步较早。例如ABB公司的KENT水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时间及各户用水量，建有机械式与电子式读数功能，而且还配有IBMPC兼容机接口，可以进行电话通信；德国Sameco公司的新型水表可显示上一年与本年度用水量以及日期与时间等，并开发电卡式水表；此外，日本、以色列等国也相继推出自己的新产品。国内的一些企业也对多种智能化水表系统作了研究，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产。从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展目标来看，我国的传统水表必须进行改进，才能适应社会和经济的发展。基于单片机的智能水表的设计21.2传统水表传统水表的发展经历了漫长年代，它涉及社会生活的各个方面。它对改善人类生活、促进社会发展和科技进步起到了无法估量的作用。直到现在在很多领域还能继续发挥作用。1.2.1传统水表的主要结构传统水表主要结构由硬件构成，以相对固定形式确定下来，所实现的功能较单一。只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能，用户在使用过程中无法对其功能进行改变。它一般具有输入信号接口、内部处理电路和实时显示三部分。对于一些仪表功能如自凋零、自校准、自动调节量程等的设置是由用户在仪表设备面板上手工完成。1.2.2传统水表的主要特点传统水表的主要特点是自成体系，自我包容，用户无法更改。传统水表功能单一，只具流量采集和机械指针显示用水量的功能。同时，一台普通传统水表具有相对独立性，不能与其他水表设备进行通信，而只能用于现场测量，测量结果不能处理、存储、显示，局限性很大。另外，传统水表无法升级换代，而且开发周期长、经费投入大。随着科技水平不断发展，人们对传统水表提出以下几方面的要求：测量精度高、功能强、可靠性好，测量全能自动化、智能化，小型化、使用灵活方便、升级方便，同时还能进行测量数据的处理、存储和显示，具有和其他设备进行数据通讯等功能。这些新的要求不仅促使着传统水表不断地改进和发展，也孕育着新一代水表智能水表的产生。1.3智能水表随着为电子技术的不断发展，集成了处理器、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片单片机出现了。智能水表是一种以单片机为主体，结合计算机技术与测量控制技术，利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。智能水表是除了可对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。智能水表除了可对水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行自动控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。出于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费