IC卡智能水表的设计doc

1、宁波理工学院 检测技术与仪表实验课程设计题 目 IC卡智能水表的设计 姓 名 徐烨苗 王建彬 陈继扬 学 号 3090433004 3090433027 3090433008 专业班级 09自动化1班 任课教师 钟伟红 分 院 信息科学与工程分院 完成日期 2011年12月20日 1 / 15摘 要本文设计了一种新型的基于PIC16F84 单片机IC 卡水表控制系统，给出了其硬件电路及相关的软件控制流程。该水表控制系统具有低功耗、高安全性，有着良好的市场前景。关键词：IC卡；水表；低功耗设计目 录摘 要2关键词：IC卡；水表；低功耗设计目 录21引言41.1课题的背景和意义41.1本论文主要工

2、作42总体设计方案52.1系统结构52.2元件介绍53各模块介绍63.1硬件电路设计63.1.1主系统63.1.2电源设计73.1.3液晶显示接口73.1.4 PIC16F84 单片机83.1.5 IC卡及读写电路83.2软件流程84低功耗性10参考文献 12附录 13-1引言1.1课题的背景和意义长期以来，自来水用户的用水量管理依靠人工抄表。然后由收费员到各家收费或各用户去银行交费。这种传统的收取水费的做法需要的工作人员多，费时、费力、效率低，常常出现用户欠费、迟缴或漏缴水费等问题。采用IC卡智能水表后可以改变自来水收费及管理的现状，达到下列管理目标：（1）智能水表代替传统水表，用IC卡实现

3、预付费，实现“先付费后用水”、持卡结算的理想管理模式，从根本上杜绝欠缴、迟缴、漏缴水费的现象，使自来水公司应收费用及时到位。（2）建立自来水公司计算机信息管理网络系统，实现对自来水供应、自来水用户及自来水公司员工的科学化管理；建立完善的财务核算管理，使自来水公司的日常工作和管理流程化、自动化、科学化，提高自来水公司的服务质量和竞争力。（3）减轻工作人员的劳动强度，消灭(减少)现金交易。减少人为差错和杜绝贪污案件的发生。（4）提供方便的统计查询功能，便于全面、及时地了解情况为决策提供依据。IC卡水表系统是由IC卡水表、通用IC卡及计算机收费管理网络组成，起核心是IC卡水表。1.2本论文主要工作随

4、着现代微电子技术的迅速发展以及单片机技术的日趋成熟，在新型水表的开发设计中使用微电子技术，以单片机为处理核心实现流量数据的采集与累加已经成为一种趋势。普遍的设计思想为：将机械信号转化电子信号，通过数据采集接口传递到单片机控制系统。目前国内生产的IC 卡水表中所使用的远传干式水表是仿制或购买国外的远传水表，其整套系统结构复杂，零件数目多。用水的计量仍然采用传统机械式水表的计量方法，表的测量精度仍由机械部分保证，表的标定过程工作量大，计量精度的提高困难，没有发挥IC 卡水表的微处理器的作用。现有的IC 卡水表从可靠、实用、成本控制等几方面综合考虑，一般都采用普通的干电池作为供电的电源，但是普通的干

5、电池电量有限，因此，如何解决系统的功耗问题，降低系统的整体功耗，是系统得以真正实用的关键问题。由于IC 卡水表系统直接安装在用户家中，因此存在各种电磁干扰。同时，系统本身也有执行机构电磁阀，本身就是很大的电磁干扰源，所以，如何提高系统的抗干扰能力，包括软件和硬件抗干扰措施，使系统可靠、安全，是整个IC卡水表系统设计中所要重点考虑的问题之一。2总体设计方案2.1系统结构IC 卡水表为旋翼式冷水水表，主要由计量机构、电磁阀控制机构、能量转换装置（传感器装置）、标定装置及带IC卡接口的智能卡控制器五部分组成，其结构组成示意图如图1。 标定装置光电传感器计量装置IC卡接口单片机干弹簧管数据存储器霍尔传

6、感器电磁阀门显示器接口电路1图1 终端系统结构2.2元件介绍计量装置由表壳、滤水网、叶轮盒、叶轮、叶轮轴和一对行星齿轮组成。表壳既是水的掩体，又是水表的母体，水表的各部分安装在表壳内，表壳保护着水表各部分的运动。进出口两端的管接头或法兰与管道相连接，进出口的口径就是水表的口径，表壳要有较高的耐压和抗拉强度。滤水网安装在水表进口端叶轮盒的外部，被测水由进口端通过滤水网滤水后，才能进入叶轮盒，滤水网用于消除水中的杂质和泥沙，避免水表发生故障与损坏。叶轮是水表的敏感元件，把水的动能变为转速，叶轮安装在叶轮盒的上部分的叶轮轴上，翼式叶轮为直板型。叶轮盒的作用是保护叶轮转动。行星齿轮的作用是将较高的叶轮

7、转速作一个很大的减速，使能量转换装置能够将此转速变为电信号传输到单片机进行处理。叶轮轴上安装有叶轮，且装有行星齿轮，用于传递叶轮转速给能量转换装置。能量转换装置即电输出处理装置（干簧管传感器），实现用水量的累计计量。干簧管传感器作为电输出处理，装置干簧管是一种磁敏的特殊开关。它的两个触点由特殊材料制成，被封装在真空的玻璃管里。只要用磁铁接近它，干簧管两个节点就会吸合在一起，使电路导通。在水表中加装干簧管传感器，利用干簧管的簧片在磁铁的循环作用下循环开闭，从而输出计量脉冲信号，将用水量转换为电信号传输给单片机，进行处理并经显示器显示。电磁阀自动控制部分由一个自行设计研制的新型电磁阀门和一个用于检

8、测的阀门开关状态的霍尔传感器组成。主要完成水流的通和断的控制，并通过霍尔传感器检测通断状态。带IC卡接口的智能卡控制器主要由单片机、IC卡接口装置、数据存储器和显示器等单片机外围芯片组成，是使整个水表有效工作的核心控制部分。标定装置由光传感器、标定控制部分及其相应软件组成，用于在水表出厂前，对水表进行非线性误差校正，获得每只水表的修正参数，以提高水表计量精度，其中，光传感器用于标定时精确地测量转速。3各模块介绍3.1硬件电路设计3.1.1主系统根据设计方案，设计的主系统电路原理如图2 所示。由电路图2可以看出，系统有这样一些功能模块组成：微处理器、IC 卡接口、液晶显示接口、流量检测接口、电磁

9、阀控制接口及其他辅助电路。所有模块的设计均考虑了低功耗的要求，其中电磁阀的工作电压为6V；而其他部分的工作电压为3V。系统时钟采用阻容方式，其中电阻为100K，电容为100pF，时钟频率约为72KHz。图2 主系统电路图3.1.2电源设计电源采用交/直流供电方式，可以由家用交流电转换直流后供电，充分利用交流电的优势，不会出现因为电池用久了，其电压降低，无法满足系统供电需要；当出现用电故障或停电后，可以由电池盒内的干电池供电，不会造成因为停电而引起停水。这种交流与直流相互供电的方式相得益彰。如图3 所示采用市电和电瓶双重供电, 由NE555 、三极管等组成对电瓶电压检测及充电电路。当市电正常时,

10、由市电经整流、滤波、稳压后给单片机系统和电磁阀提供+ 5V、+ 12V 及+ 24V 电源;选择合适的R5 、R6 及稳压管参数,当电瓶电压低于22V 时,555 输出高电平,使三极管导通,给电瓶充电,当电瓶电压高于26V 时,555 输出低电平,三极管截止停止充电,保证电瓶电压维持在一定范围。当市电停电时,电瓶自动续接供电,保证用户用水的持续性。 图3 电源电路图3.1.3液晶显示接口 液晶显示器为专用定制，采用3线串行方式与微处理器接口，接插口为CZ3。其中CE 为片选信号，WR为显示数据写入控制信号，均为低电平有效；DATA为串行数据信号。主要显示内容有当前剩水量（1位小数）、脉冲状态、

11、电池状态及阀门状态。由于串口线的驱动能力有限，所以所有的液晶接口均通过小功率三极管9014驱动。显示电路采用二线制串行接口液晶显示模块LCM0826A ,其为水表专用,可显示剩余购水量和“拔卡”、换电池”、“请购水”、“错误信息”等汉字信息。 3.1.4 PIC16F84 单片机 为了降低整个水表的功耗1，微机处理器选用低功耗芯片PIC16F84。该芯片工作于休闲状态时，耗电量仅为uA级。另外采用FLASH EEPROM 的串行存储芯片24C02作为数据存储器。 3.1.5 IC卡及读写电路 IC 卡由于具有存储量大、数据保密性好、抗干扰能力强、操作速度快等突出优点,近年来在世界范围内得到广泛

12、应用。本水表采用SIEMENS公司的加密IC 卡SLE4442 作为传递用水信息的媒介,可以可靠存储用户密码、购水量、用水记录等关键数据,单片机通过IC 卡读写电路完成对IC卡信息的读写2。 3.2软件流程IC卡智能水表软件设计的关键是看门狗的初始化、进入睡眠及其唤醒等处理部分。从功能来看，有这样一些模块：IC卡的接口模块（包括IC卡有效性判断、读/写及IC卡的解密与加密）、阀门控制模块、流量脉冲、用水处理模块及显示模块。NNNNNYYYYYYY关阀程序提醒程序卡处理程序关阀程序显示程序关阀程序SLEEP睡眠处理报警提示余量为零？余量3吨？扣水处理信号有效？有卡插入？电池盒打开？电压过低？系统

13、初始化开始有计量信号？NN图4 主程序流程图卡有效？卡插入NN比较次数n>=3？YN输入密码密码正确？YY此卡内容已读/写？Y读/写IC卡内容数据解/加密退出IC卡图5 卡处理程序流程图4低功耗性本IC卡水表系统的低功耗设计主要从一下几个方面来考虑和设计的。 （1）. 选择低功耗电磁阀电磁阀是IC 卡智能水表的重要部件，我们采用的新型双稳态自吸电磁阀MP15A-5V，电源电压低。正常供水情况下，电磁阀处于常开状态，驱动机构不消耗电能，只有当购买的吨位数用完时，电磁阀关闭并自锁与常闭状态。它具有启动水压低，防堵性能好及关闭可靠等特点。水表工作压力在15100m内开/关阀门自如，可适用与管网

14、直接供水和水箱供水的楼层（含顶层）。（2）. 选择低功耗器件除选用低功耗的微处理器外，其他器件也必须时低功耗型，如CMOS器件，而且参数选用也必须注意低功耗。采用低压差电源稳压芯片；采用液晶显示作为接口；采用液晶显示相关内容，并且平时处于关闭状态；设置相应的控制按钮，控制按钮由防水盖控制，用户需要查询时，打开防水盖，按钮闭合，才显示所剩余的水量信息3。本系统的设计还考虑了一些细节问题。例如，在芯片进入低功耗睡眠模式（SLEPPMODE）后，其振荡脚将处于浮态，这将使芯片的睡眠功耗上升，比原手册中的高了10uA，为此，在振荡脚OSC1 和地（GND）之间加一10M 的电阻，可防止OSC1 进入浮

15、态，而且不会影响正常振荡。（3）. 选择低的工作电压和低的工作频率随着半导体技术的不断进步，集成电路的电源成下降趋势。现在许多的CMOS 电路都提供低电压设计。常用5V 的CMOS 器件大多都提供3V 的使用电压。低电压不仅便于使用电池，也可以降低电流功耗。在便携式 设备设计中，为了降低功耗，大量使用各种低电压器件。PIC16F84-04P 的最大时钟频率为4MHz。降低时钟频率，可节约能源，并使PIC执行速度减慢。当时钟频率为30kHz 时，只耗电0.1mA。（4）. 看门狗定时器（ WDT）的应用4预分频器分配给WDT，CLR WDT和SLEEP指令在清WDT的同时清“0”预分频器，则可以防止它计时溢出而产生RESET动作。利用WDT可以检测系统运行情况。当正常运行时，WDT应在溢出前由CLR WDT清零；而一旦系统进入不正常状态运行时，WDT 会溢出，产生复位动作。WDT 周期与供电电源电压、工作温度有关，并且由于制造过程不同，各个单片机也有所不同。5总结与展望本文基于PIC16F84 设计了新型IC 卡智能水表，此水表有低功耗性，高安全性，抗干扰性，且制造成本低，系统稳定，采用交/直流供电方式。