IC卡刷水系统项目设计方案

1 刷水系统 项目设计方案 第一章 引 言 题背景与来源 伴随着城乡建设的发展，城市日常使用的水、电、气、暖表的管理和收费出现的问题也越来越突出，基于自来水网系统的改造、生活小区的建造设计和实行“一户一表”工程的要求，本作品设计一种基于单片机的 1。 对于旧式传统水表的各种缺陷进行完善，各个城市上出现的各种水表本文进行了介绍，在收集、查阅了大量的国内外资料后，设计出一种低耗能的智能水表仪，这种水表以 司设计的芯片为 用户所使用水的数量进行采集、计算、存储等，有效的改善了传统旧时水表众多缺陷。该智能水表系统功能完善、技术先进、经济实用。 题意义 及到生活的各个方面，它改善了我们的生活。随着人类文明的发展，人们对生活的质量要求越来越高，人类生活离不开水，一个完善的用水系统可为人们节省很多的水，省去很多的缴费工作。当今社会信息传输技术的发展迅速，各种各样信息实现了智能化， 决供水公司的各种繁琐工作，比如人工抄表、人工统计数据等工作。我国人口众多，人口分布不均匀，主要是集中在城市，而我国的水资源主 要集中在南方地区及沿海，北方地区水资源十分短缺。水资源的浪费、供水公司的低成为阻碍我国前进的障碍。必须加快解决水资源问题的脚步，节约用水、多次利用是解决问题的重要措施。把基于 的刷水系统技术运用在水资源的管理上具有很大的意义。使水资源得到更加合理的利用，节约更多的水资源。把传感器与单片机相结合在一起，集合了计量、测控、抄读系统是设计的主要方向，也就是所说的 刷水系统。实现水资源得到合理的利用。对于旧式机械水表而言， 如精确的计费，安全防盗的优点 2。 2 能水表发展 历程和研究现状 在我国智能水表市场还未得到发展，因此潜力是非常的巨大的，与电表行业类似。近十多年以来，我国大力支持 系统的发展，把大量的电表商进行商业改造，改造成 满足市场对 当前形势看，为了社会的发展水表必须加快脚步、大规模更新、升级。其原因为：一是国家出台的政策表示，我国城市用水制度必须使用新出台的政策 每个阶段的收费标准是不一样的，水的收费单价随着用水量上涨，能达到节水的目的。二是发展 刷水系统的技术已经成熟，可以在市场上大力的生产。三是城市的 发展使得水资源越来越紧张，采取更方便、更节约的计费方式迫在眉睫 4。 从全国来讲，水资源是短缺、且分布不均，南部地区多于北部地区，东部地区多于西部地区。水资源的缺乏会给社会带来许多的问题，人民生活基本用水的不到满足的话会更加的引起社会动荡，给社会的发展带来很大的障碍，影响中国经济发展。基于目前的种种原因导致了水价的大幅上涨，为了节省，公民不得不提高节水意识。为了缓解缺水的状况，有关联合决定要在全国实行阶梯方式收取水费。阶梯方式收取水费意思是指对居民用水情况进行分段，而没段的收取费用是不同的。 1 立方米的 水，用水越多单价便越高，类似一个直线函数。 为了确保水资源充分的供应，满足市民的需求，采用阶梯水价的手段作为基本的收费方式。但许多方面的的技术达不到指标而得不到实行，比如水流量的检测与计算。一直以来，业主与供水公司的交流都是甚少的，业主只了解水的价钱，而没有机会去了解用水的量；企业的任务也就是没个月的记录水表，计算费用。按照这旧式的人工记录方式，供水公司难以适应阶梯收费的工作量，因此，阶梯水价长时间的得不到执行。供水公司的大量工作不能完成是限制的条件之一，另外一个限制条件是供水公司未能即时即地的按时统计 ，影响了整个工作的进度。根据调查，目前水表的安装都是按照一户一个水表的方案进行实施。要改变这种实施方案还存在不少的难度，因为有许多的旧房是不适宜改装的，这也大大的限制了阶梯水价的进度。目前的水量计算都是慢的，有的一个月计量一次，但是有的却是两个月甚至三个月计量一次。实际的情况完全的突出了人工入户抄表影响了水计量的效率、减慢了社会的发展脚步。水量计量的落后大大的制约了阶梯水价方案的实施。要改变这种状况，加快阶梯水价方案的实施，运用 智能水表是可行有效的方案。 能刷水系统表是集成了集成微电技术、高灵敏度 环境传感技术、集成电路技术。这种 多功能刷水系统不仅能够对用水量进行统计，而且还能根据单价进行价钱的结算，与数据的发送。对于用水量系统可自动的把数据进行记录 ，记录的位置是整个存储器，当需要调查数据是可登陆系统进行调查数据，如果客户需要了解数据也可进行查看，此系统带有液晶显示的功能，用户每个月所使用的水量可以在上面显示，水量的显示是累计方式。水费的总计也可在水表上查看，方便用户能够实时 3 的了解自己的用水量。用户实时的了解自己消费情况有便于用户自行的控制消费用水。该水表系统还可对用水量进行设定，即设定每个月 的用水量，列如设定每个月用水量的上限是 50 立方米的水，当使用的水达到上限值，则总阀门关闭，如果用户仍需要水则需人工进行开启。该系统具备日用水量上限报警，每日用水量达到使用的上限则自动报警一分钟提醒用户。系统自备有水费计算功能，公司可根据实际情况对水价进行设置，在设置了水价，知道了用水量后系统会进行计算得出费用。用户没办法对水价进行修改。同时系统能把用水数据存储到存储器的功能。由于各种繁琐的工作，比如数据的抄写，费用的接受，都有水表系统进行完成，所以大大的减少了供水公司的工作量，为公司节省劳动成本，提高工作效 率。对于用户缴费可自行到营业所进行交费，大大的方便了用户，节省了时间成本。目前市场上实现阶梯收费的方式有很多，各有各的优点缺点，但弃了他们的缺点。很多实践已经证明系统的可行性。一方面以电表行业为参照， 大的方便了用户，不仅在缴费、数据统计上省下了很多的工作，对于工作的效率更是大大的提高，因此 电表证明在技术上是完全成熟的，二方面， 深的改变着市民用电的意识，对于这种习惯，同样可促进市民对 智能水表的进行接 受，更容易让市民适应。三方面，在实现了阶梯收费的要求下，为自来水公司省下劳动成本，提高工作效率 10。 尽管有不少的人对智能水表的技术实现有质疑，但已经有少许的公司已经设计出了方案。在这几年内，北京、深圳、天津、南京、广州、沈阳、上海等城市都已经陆陆续续的对建筑进行 家号召节水行动的情况下，许多企业事业单位，为了响应号召，节省成本，节约用水，都在进行了改造。在市场的需求下，许多的公司都投身其中。 4 第二章 系统概述 统设计总方案选择 系统初步设计图如图 2图 2系统初步设计图 统可行设计方案对比选择 系统主要电路方案如下。 方案一：采用 列的 8 位 采用 用 艺具有低损耗、高性能的特点，有 8K 的程序存储器、 4 个 8 位的双向输入输出口、 256字节的数据存储器 3。此 能强大，内部资源丰富，但该 数据存储器太少，如果该 9。 压检测电路 脉冲采集电路 液晶显示电路 阀门控制电路 蜂鸣器报警电路 防拆电路 红外遥控电路 5 方案二：使用 列 列 列 比，内部资源大体上是一致的， 且具有 8 路 10位 4个定时器，具备 1 根据需求， 列 部的数据存储器太过于少， 列 较大的于设计的需求，选择方案二中 显示模块方案 方案一： ，此液晶能显示阿拉伯数字和字母，不具备显示汉字功能，能显示 2行 16列的数据。 动程序简单。 方案二： 晶 ,它具有显示阿拉伯数字、汉字、图片、表格等特点，可调背光，驱动程序简单，数据传输方式可选择串行或者并行。 结合现实情况，智能水表所要现实的内容有阿拉伯数字、汉字、表格，所以选择 12864液晶屏作为显示。 统设计硬件组成 基于 片机最小系统、12864液晶显示、 阀门控制电路、脉冲采取电路和防拆电路以及红外遥控器电路。系统框图如图 2 统设计的功能介绍及操作说明 本系统的特点是：所用芯片少，设计简单，但是功能强大，与市场上的 水表相比，本设计不仅具有其最基本的优点外，还实现了充值、扣款、查询 信息等功能 5。 对于功能的实现，本系统是采用红外遥控器实现切换各个功能的实现，并用它来充值、扣款、控制刷水系统。同时用 12864显示屏来显示信息，我们可以从显示屏上看到有关 息 6。 6 第三章 硬件组成及设计 硬件电路主要部分是 小系统、 模块、 12864 显示、水阀门开关以及红外线发送接收电路等组成。 本章对设计和结构图进行详细的分析说明，重点讲述 7、红外遥控器模块电路、阀门控制模块电路、电压检测电路等电路和涉及到的一些芯片详细资料。下面内容将会对整个设计进行详细介绍。 控系统模块设计电路图 主控系统的设计主要有以下部分：复位电路、外围模块接口、串行下载电路、按键电路等。整个 系统电路图设计得简单明了，每个元器件都物尽其用，不使用多余的元器件，简化电路布局，达到高效合理目的。显示模块采用 12864 液晶， 12864 液晶既能显示字母还能显示中文，而且控制简单，价格便宜，同时兼备了串行传输和并行传输功能。设计电路图如图 3 A/D)R)0)1)2)2(8)9)10)11)12)13)14)15)3 45 67 89 1012345678123456783 45 67 89 10 3V+5 3 4 5 6 7 8 912345678+5小系统电路. 图 3控系统模块设计电路 7 以下将介绍本模块的主要电路及芯片。 引脚如 3所示，以下是对芯片的简单介绍。图 3装 计生产商是 司，内核属于 51 内核的增强版，有精简的指令集，运行稳定、耗能低。 1、 8051增强型内核，单时钟 /机器周期 2、工作电压 、 1280字节 、通用 I/双向口 /弱上拉，推挽 /强上拉，输入 /高阻，开漏 每个 I/0、有 6、看门狗 7、内部集成 用复位电路 8、外部掉电检测电路 9、时钟源：外部高精度晶体 /时钟，支持 8到 2410、 4个 16位定时器， 16位定时器 1 11、 3个时钟输出口 12、外部中断 I/路 13、 2路 4、 A/10 位 8路， 15、通用全双工异步串行口 16、双串口， 7、工作温度范围： 5 8 2单片机的 1口具有端口复用功能， 通的能外，还可配置成 换的功能，共有 8 路， 换器的最高精度是 10 位，转换速率可达 250 该单片机 类型的比较器与 D/最高位开始逐次比较，多次比较后，使数字量逐次逼近模拟量对应值，同时具有功耗低，转换速度快等优点。 模数转换器（ 应的 1存器中的对应位置置位，设置为模拟功能的输入端口。 能按键电路 功能按键电路在系统中起到手动切换充值、扣款等调整。考虑到本设计中需要的按键操作很多，单片机的 I/O 口 不能满足，所以选择了红外遥控器键盘。 在市场上，最为普遍的通信遥控手段是红外线遥控。红外线遥控具有很多的优点，例如耗能低、占用空间小、成本低、设计简单等，因而得以广泛的应用到电视机、录像机、空调、电风扇等家用电器上。工业中，在辐射、高压、粉尘、有毒气体等恶劣环境下，红外线不受影响，能有效地隔离电气干扰。 红外线方面主要由红外线的发送器和红外接收头组成。发射部分主要采用的是专用的红外发送芯片；接收部分由解码电路、转换放大器、解调红外接收遥 控发射器及其编码 头。 用于红外发送的芯片主要分为两大类 ，运用 得 比较广泛 的 解码 相对简易 的 是以成 的红外线 发射电路 。 编码原理 为， 当按下按键后，有遥控码发出， 遥控码编译成红外线的亮灭， 所 以 按 下不同的 键 就会产生不同的红外波形 。遥控码有 如 下特征 ： 采用脉宽调制的串行码， 是以 脉宽为 秒 、间隔 周期为 示 0； 而 1的组合是 脉宽 秒 、周期为 1 在解码这一过程中，最主要的内容是识别高低电平的时间，因为不同的电平时间代表的数据是不一样的，一个“ 0”，一个是“ 1” ， “0” 的高电平时间 为 “1” 的高电平时间 为 以 计算高电平的时间可辨别 “0” 和 “1” 。 在程序编写时，先让 电平过后开始 记高电平的时间 ， 判断高电平的时间，在低电平过后高电平时间 0”，时间在 1”。 接收器及解码 ：接收器使用的是 一体化红外线接收器 ， 一体化红外线接收器 集成了红外线接收和放大，不需外接元件， 当 一体化红外线接收器 接收到信号后直接就在引脚输出二进制数据 ，一体化红外线接收器 的另一个优点是体积小，大概与 三极管 体积相同 ，适 用于各种小家电、小器件等领域 。 9 C 卡接口电路 在 1、制造代号和发行商代号的识别： 水表应对该卡是否是本发行商所发行的卡进行识别，如不是，应发出警告，并拒绝以后的操作。 2、密码核对：核对密码错误时，将禁止任何对卡的写操作。 3、应用数据区 (计费区 )：若干簧管传感器每产生三个脉冲，都将应用数据区的数值减少相应的数量， 当应用数据区的余额不足时，微处理器能检测到这一信号，关闭阀门。但是此 方法存在一个缺点，即当用户将 然会切断供水，这可能会给用户带来一些 不便。为此，在 将 插入水表后，水表立即将卡上所存数量全部移到表内的数 据存储器中，并将卡内的数据应用区全部刷成 0。此时，就可将 从表中拔出，用户可在适当的时候提前持卡到发行处付费，进行储备，以保证不间断供水。而且 利于延长卡的使用寿命 8。 综述，该 智能水表系统具有防拆装、可存储信息、防复制和耗能少的低成本 在本文中选用的 ，它接口电路图如图 3 12345678制阀门电路 在智能水表中，阀门是一个重要的部件，阀门作用是控制水的开关，一般家用阀门采用的是人工动手进行关闭和开启，而本设计采用的是电磁式开关，通过电压去控制阀门的开启或关闭，因此必须考虑到耗能的问题，耗电越大成本越大，所以在挑选时需格外的注意。由于 智能水表的特性，要求长时间的稳定工作，所以阀门选择要尽量的低耗电。 10 在选用阀门时不仅要考虑阀门本身的成本、性能和功能，还要考虑水质的问题。综合后，在设计中采用电磁阀为水表的控制阀门。电路图如图 3门控制电路 压检测电路 掉电检测电路是用来防止没有电源供电时立即存储数据的功能。 一款 8位的模数转换芯片，该芯片的优点是转化速度快，精确度足够，控制简单特别是外围器件很少，便于电路的设计，而且它一共有 8路 换器 。 原理图如图 3示 22324压检测电路 警电路 在控制系统中，当使用的水量超过设定的值时，或者电压不足的情况下时，由单片机通过 出报警信号，如图 3 1 图 3警电路 据采集电路 水表系统采 集用户用水量的办法就是通过水流量传感器采集水量的， 水流量传感器基本构造是转子和 霍尔传感器。 将 它 装置 在进水 的 端 口 ，检测进水 的速度 ，水 流 过水流转子， 水流量驱动 磁性转子转动 ，水的流速 变化 驱动 磁性转子转动 跟着 变化，霍尔传感器输出脉冲信号， 根据脉冲的数量 判断水量的 数据 。 如图 3123流量传感器接口图 2864 液晶模块 本设计采用 12864作为数据的显示，顾名思义 12864液晶的意思是有 128*64 个点，其中还分为 带中文字库 和不带字库。该款芯片同时兼容了 4 位 /8 位并行 传输和 2 线或3 线串行 传输。模块接口如图 3 2864液晶接口图 12 第四章 软件设计 件设计思想和组成 本文在进行 刷水系统的软件设计时，结合它所具备的功能，首先考虑了以下几个问题： 1、程序主要任务：每个程序都有其设计的目的，只有在满足了主要任务的前提下，才有后续的设计，因此每个程序都有它具体的应用场合。 2、程序有序性：单片机执行程序时都是往下执行的，因此在设计程序时，有主意每个语句的位置，每个函数的位置也必须注意。 3、程序易读性：所 谓易读性，就是编写出来的程序不仅只有自己能读懂，另外一个人看时也要很容易的就看明白，这样有便于其他人了解程序 15。 此外，在编写程序时，要注意一些问题 ，如下： 1、要习惯给重要的函数或者语句写上注释； 2、规范代码排列； 程序流程图 主程序主要内容是完成对 进行初始化，初始化中断，初始化 12864 液晶等，其流程图如图 4 图 4程序流程图 开始 外部中断初始化 显示开机画面和主菜单画面 等待外部中断触发 13 C 卡的读流程图 在使用 先要对 始化主要有四个步骤： 寻卡 防冲突 选卡 读 /写卡 。如图 4图 4读 /写过程中，先发寻卡命令 0收 的类型代码，这时可以显示卡号了，然后再把卡片的类型代码发给 ，等待防冲突和选卡是否成功？如果成功，则可以读取 先读卡器通过线圈发出激励信号，该激励信号是一段具有一定频率的波形，当读卡器感应到 后，在同频的电磁波的共振下，根据共振的频率得出 D，根据 14。 开始 寻卡？ 防冲突 选卡 读 /写卡 14 2864 显示流程图 图： 42864初始化流程图 显示在本设计起到人机交换的效果，我们可以从显示出来的信息，就可以很容易知道程序正在执行的操作。 外遥控流程图 红外遥控器在本设计中，是用来选择执行相应的功能，比较重要的一点，也是一个难点。红外初始化流程图如图 4开始 选择基本指令集 开显示 清除显示 N Y N Y N 开始 等待 号 延时 9收集四组数据 接收时间是否正确 红外编码处理 Y 15 图： 4控器初始化流程图 水流程图 刷水是本系统一个重点，涉及到水流量传感器、 门等的应用。等待按键按下 时，这时程序就跳到刷水系统了。可以在里面设计水的单价， 放上去后是否开阀门都是有遥控器控制的，开阀门后，单片机用外部中断 1来检测是否有电平变化来检测脉冲。最后显示用了多少水和水费是多少。它的流程图如图 4图 4水流程图 完成到这里 然还有很多功能没有完善。 开始 设置单价 开阀门 计算脉冲 显示用水信息 16 第五章 系统测试与分析 计特点 于进行电子产品的电路板设计， 完成整个电子产品设计过程中物理结构的设计。 户提供了一个完整的电路板设计环境，方便高效。不仅既可以用它进行单纯的手工设计，而且可以许多电气原理设计软件包构成集成化的、全自动的、从构思到产品的设计。 设计特点： 1、与电气原理设计系统的动态连接 2、良好的开放性 3、强大的设计自动化功能 4、强大而又灵活的编辑功能 5、面向生产工艺的设计功能 6、完备的输出系统 因为 职能刷水系统是一个庞大复杂的系统，所用的元器件各种各 样、类型较多。所以对 原理图进行分类。 原理图分为五大模块： (1) (2) 最小系统；(3) 控制阀门模块； (4)显示模块； (5) 遥控器接收模块； (6)掉电检测电路； 绘制原理图时注意以下几点： 为了便于观察原理图，简化原理图，对于没有使用的引脚不需要画出，把多余的引脚进行隐藏。 这样使原理图界面更加简洁清晰，还可节省空间， (未用引脚可以在图纸空白处标注 )。为了便于绘制版图，原理图中芯片管脚进行了合理的排放，没有按部就班按照元器件的引脚一一对应排列。 根据原理图到处 。 的布 置是相对繁琐的工作。相比于绘制原理图，绘制 制 一般的输入接口要尽量的放置在外边，对于强电和弱电要进行电路的隔离，所有的按键不允许放在元器件密集的地方，要放置在便于手指按下的地方。因此，绘制 时，必须严格按照元器件的外形尺寸进行排放绘制。 画 据原理图中元器件的外形封装添加相符合的封装，如果软件没自带有相对应的封装那就先建立封装库、建立新元器件。如果没有元器件的封装资料，而只有实物，那必须自行选择测量工具，用于测量芯片的引脚的间 距和尺寸、长短等各种参数。如果已经有文档介绍元器件的封装参数，则根据文档介绍自行绘制封装。 智能 17 1、可以充值、扣款，查询卡的信息。 2、具有自动报警功能 ，比如电源不足时，蜂鸣器发出声音提醒。 3、具有自主保护功能 如果水表被拆卸，或遭到破坏，水表自动保护系统将启动自动关闭阀门。 4、断电保护功能 ，由于 以进行掉电保护 块的调试 硬件设计完成后 ,接下来工作就是程序的编写与调试。在程序编写过程中，为 了规范程序的书写，而且考虑到本设计的模块比较多，如果只是用一个 件来编写则程序会相当繁杂，并且不方便错误的检查，所以本设计程序运用了多个 样不仅大大的美化了界面，更加方便了观察，容易让人理解。实现的功能展示如下图所示 1 进入主菜单界面 图 5菜单的界面 2 实现读取 18 图 53 对 图 5值 4 对 19 图 5款 5 图 5水 20 第六章 结束语 经过这几个月努力，在 同学的热心帮助和老师的耐心指导下，如期的完成了设计任务。 经过此次作品设计，不仅让我了解了自己在大学期间所学的知识，还让我更加了解了自己的缺陷，也为我今后的学习制定了方向。在作品的设计制作过程中让我了解到了读写、红外遥控器、 知识。通过自己亲自动手去实践，明白了有些知识和理论是有些差距的，增加了自己的经验，培养了动手能力。 21 参考文献 1 康华光 M高等教育出版社， 2006:4362 谭浩强 M清华大学出 版社 ,2005:13 陈海宴 M北京航空航天大学出版社 ,2013:14 郝桂青 ,李健飞 J. 仪器仪表用户 5 余勇兵 ,钟健 J. 山西建筑 6 陈义平 片机的智能 J. 现代电子技术 7 邵行菊 , 童孝波 ,李志明 J. 自动化与仪器仪表 8 李跃辉 . 射频卡收费终端原理与开发设计 J. 农业网络信息 19 马颖 J. 电子设计工程 510 郭兰兰 影响水流量标准装置性能的关键问题研究 D. 山东大学 311 李娜 ; 迟优利 J. 实验科学与技术 812 马颖 基于 J. 电子设计工程 113 V. V. M. G. G. on a . 94100 2014:14214 徐化冰 J. 电子制作 415 岳佳欣 关于 J. 网络安全技术与应用 1 22 致谢 台下十年功，台上三分钟，经过这几个月的努力，本论文快到收尾工作。在此之前，要先感谢我的导师。在开始的几天，也是确定论文、选题的时候，由于本人知识水平、能力水平有限，有很多的地方时不懂的，没有任何的方向，后来在老师的细心指导、牵引下 ，慢慢的有了头绪、确定了方向、确定了题目。在确定了题目后，才是工作的真正开始。在论文撰写的时候，在遇到了不懂的、不理解的东西时，老师不厌其烦的给予指导，给予鼓励。经过整个论文的起始到结束，深深感受到了老师对本人的关心，对我细心的教导指引，同时对于自己的缺点，老师也给予了提醒，使得我能得以及时的改变、矫正，吸取教训，为以后做事、做人指引方向。 另外，我要感谢同学、朋友对我的关心，在我遇到困难时，给予我帮助。在我繁忙工作时，给予的关心。让我深刻体会到了同学们对我的关心，让我知道在遇到困难时不能随意的放弃，因为 大家的关心让我明白不能让大家失望、不能让大家觉得我是一个一点点挫折就能打败的人。还感谢学校给我提供了良好的学习环境、动作操作的设备，没有学校提供的环境和设备，我就无法按要求完成任务。 同时，我还要感谢那些曾经给过我帮助的朋友、老师、同学。谢谢你们默默的关心和帮助。 23 附录 1（原理图、 、实物图） 1、主控板原理图及 A/D)R)0)1)2)2(8)9)10)11)12)13)14)15)3 45 67 89 1012345678123456783 45 67 89 10 3V+5 3 4 5 6 7 8 912345678+52232425示电路时钟电路报警电路路外扩引脚电路下载电路接口电路52 最小系统电路10:主控板原理图 3029282726252423222120191817161514131211109875 4300123457891453211212211232141 32122 141235212 1211 21086 54 32 19720 19 18 16 15 14 13 12 11 310 9 8 7 6 5 4 2 11787654321876543218765432135678124321212875631410987654321121 2 31 2 312121212121 21 2121 21 21 21229876543145632115161718192021232425272814131