基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计[附程序+图].doc

摘 要 。 本文完成了系统的硬件电路设计和软件设计。硬件电路采用模块化设计，包括用 水量检测电路、IC 卡接口电路、电磁阀驱动电路、报警电路、LED 显示电路等，详细 分析了各模块的工作原理；系统软件采用汇编语言编制，给出了具体的程序流程图。 系统具有自动供停水、插卡智能识别、身份验证、掉电保护、LED 显示、电磁阀 门智能开关控制、防干扰、防拆卸等功能。 关键词：单片机；韦根传感器；IC 卡；智能水表；低功耗 Abstract For a very long time, the management of used water of water user relies on man-made style, that need operators to arrive at users home to collect fees or users reach appointed place to hand in fees by themselves. This traditional style has lots of disadvantages such as needing many operators, time consuming and low efficiency. Further more problems like arrears, dragging on water fees etc. always appear. In order to solve these problems, this paper designs an intelligent IC card water meter control system based on the single-chip computer. The core of the system is a single-chip microcomputer AT89C2051, the wiegand sensor is used to measure water consumption, the managements of water purchasing and consumption are realized by IC cards writing, reading and encryption technology. This paper has finished the systematic hardware circuits design and software design. Hardware circuit adopts module design, including water flow measuring circuit, IC card interface circuit, electromagnetic valve urge circuit, warning circuit, LED display circuit, etc. The working principles of every module are analyzed in details. The software of the system is finished in assembler language, the flow charts are provided. The system has many functions such as supplying or cutting off water automatically, intelligent recognition of IC card and users identity verifying, power-fail protection, LED display, intelligent switch control of electromagnetism valve etc. It also can prevent the system from disturbance and disassembling. Keywords： Single-chip computer；Wiegand sensor；IC card；Intelligent water meter； low power consumption 第 1 章 绪 论 本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。对当前水资源形势、 传统水表和 IC 卡智能水表的特点及其水表的未来发展趋势作了概况。另外，简要说明 了本文所做的工作。 1.1 本研究课题的背景及意义 环境与发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题，保护环境是全人类的共同任 务。水资源作为生态环境中的重要资源，是人类生活的生产中不可取代的资源，对一 个国家的生存和发展也是极为重要的。水资源是一切生命的源泉，是人类不可缺少的 物质条件，没有水人类就不能生存，没有水人类赖以自下而上的物质生产就不能发展。 由于历史的原因，我国大部分城市居民使用自来水，都是在区域性水站供水基础 上，逐步发展成为以单位住宅区或以楼栋、单元为一户由自来水公司抄表收费的。目 前，这种经营方式已越来越不适应社会主义市场经济发展的要求，成为人民物资生活 迅速提高和供水企业落后的经营方式之间产生的主要矛盾。 随着社会经济的发展和人们生活水平的日益提高，智能化电子产品已逐步深入家 庭，我们提出了 IC 卡智能水表的方案。 IC 卡智能水表是一种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。这与传统水表一般只具有流 量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是一个很大的进步。IC 卡智能水表除了可 对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制，同时可以 进行用水数据存储的功能。由于其数据传递和交易结算通过 IC 卡进行，因而可以实现 由工作人员上门操表收费到用户自己去营业所交费的转变。IC 卡交易系统还具有交易 方便，计算准确，可利用银行进行结算的特点。 IC 卡智能水表及其管理系统的出现，将从根本上解决了已上问题。采用 IC 卡智能 水表进行交易结算，不但实现了用水收费的电子化，而且还改变了先用水后收费的不 合理状况，使的供水部门能预先收取部分费用，有利于公用事业的发展。IC 卡智能水 表具有成本低、可靠性高、使用寿命长及安全性好等优点，可提高居民用水收费的管 理水平，确保供水部门能及时收取水费。因此，IC 卡智能水表成为相关科研单位关注 的重点，具有很好的经济效益与社会效益1 2。 1.2 本研究课题的发展趋势 随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化 将是一个必然的发展方向。这不仅是中国的一种趋势，也将成为世界性的趋势。而在 近十年里，单体式智能 IC 卡类仪表又将会是发展主流。 从理论上说，网络式智能仪表系统应当是更好的一种计量管理模式，并且是最终 发展方向。但是目前，由于网络式智能仪表系统的建立条件不成熟，且没有相关系统 相配合，所以，单独在一个部门大规模推动建立网络式智能仪表系统的优点显现不出 来。而且，仅仅为了提取用水信息就要构建一个信息网络，从经济角度讲也不合算。 那么，现在普遍采用的单体式智能仪表模式与将来的网络化管理模式是否会发生 冲突呢，我的看法是不会，相反，还会促进网络化管理模式的形成。因为，单体式智 能仪表模式与将来的网络模式并不矛盾。因为不管什么网络模式，最终必须要有智能 终端与其进行联结。现在采用的单体式智能仪表将来就可以作为网络管理系统的智能 仪表终端。所以，它们不是一种冲突关系，而是一种相承关系。如果现在就能充分意 识到这一点，并寻找合理的技术方案，在将来实现网络化时就会占有主动的地位。 根据以上的分析，我认为，现在采用的单体式智能仪表发展模式是合理的，是适 合现时需求并具有主流特征的。当然，在密集度较高的建筑群里采用的一线四表控制 系统也是值得推广和具有合理发展前景的。 为了推动 IC 卡智能水表的发展，全国有许多研究机构投入力量对 IC 卡类智能产 品进行了开发研究，很多自来水公司也积极参与了此项开发工作并成功的开发出了自 己的产品。从理论角度看，IC 卡智能水表已经进入了成熟期。但是，为什么现在 IC 卡 智能水表的推动工作还很困难呢？这不难理解。因为从实际情况看，现在的 IC 卡智能 水表确实还存在着许多影响其大规模推广使用的问题。这些问题集中起来主要是 1. 价 格太高；2. 质量不可靠；3. 存在安全隐患。 随着科学技术的不断发展， IC 卡智能水表将会不断发展完善。比如，现在这种在 老式水表上取信号的模式，将会由先进的水流量信号提取装置代替，机械计量和机械 显示部分会被淘汰，而表和阀将会集中在一体等等。总的说来，IC 卡智能水表是一种 先进的计量仪表，对这种先进仪表的大规模推广使用将会有力促进中国供用水管理的 现代化进程。中国在这个方面的超前发展会使这种计量模式得到优先完善，并有可能 成为中国的一个有竞争力的产品出口到其它国家23。 1.3 本文的工作 详细分析课题任务，对 IC 卡智能水表的发展现状进行分析，并对现代传感器技术、 IC 卡技术和智能水表控制的原理进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务 的要求设计出实现控制任务的硬件结构及其原理图和相关软件程序，并进行访真调试。 下面对本设计的主要研究工作做个简述。 1. 根据设计要求，提出几种方案，对它们进行了全面的论证； 2. 根据系统需要，合理选择微处理器，并且详细地阐述了它的基本功能特性； 3. 介绍了相关现代传感技术，选择出信号采集的最佳方案； 4. 根据低功耗要求，对电磁阀的选择与设计进行了深入的研究； 5. 详细分析了 E2PROM 的工作原理； 6. 对 IC 卡技术做了简明扼要的分析，并对其软件的读写原理进行了详细的讨论； 7. 应用 LED 显示技术，可随时查询累计用水总量、可用水量； 8. 改进了普遍应用电源方案，详细地介绍了超级电容技术及其在本设计中的应用； 9. 对整个系统的软、硬件进行了深入的分析，并且绘制了相关硬件电路图、软件 流程图，还编写了相关软件程序。 第 2 章 设计思想与方案论证 本章对智能水表的设计思想做了详细的介绍，并在设计思想的基础上提出了三种 智能水表的设计方案，还针对它们各自的工作原理和优缺点进行了简要分析。最终确 定为采用基于 AT89C2051 单片机的 IC 卡智能水表方案。 2.1 设计思想 智能水表区别于传统的人工抄表就是应该具有一定的智能控制功能。针对目前供 水部门与用户的实际情况，本设计对智能水表应该具有的功能提出了以下设计思想： 1. 统计功能：当用户插入有效卡时，将购买水量与剩余水量自动相加，并且存入 E2PROM 以防丢失；当用户用水时，将剩余水量与用水量 自动相减，并且存入 E2PROM 以防丢失。 2. 自动供停水功能：当剩余水量为 0 时，自动关闭阀门；购水后，阀门开启。 3. 显示功能：采用 6 位 LED 显示，可随时查询累计用水总量及可用剩余水量。 4. 报警功能：当剩余水量减少到一定量时，报警提示用户购水。 5. 掉电自动保护数据功能：掉电后，数据依然可以被保存。当恢复供电后，数据 自动恢复。 6. 一户一卡的功能：通过设立用户信息和用户校验码的方式实现一户一卡。即一 个水表只能使用一个用户专用卡，插入其他卡片无效。 7. 欠电自动关闭系统的功能：当电池电压或电池容量掉到规定数值后，意味着电 池可能已经快没有电了，此时，水表应会自动将阀门关闭并使系统处于休眠状态，并 报警提示。 8. 防拆卸功能：在表体和接头管件上设置铅封口并可进行防伪铅封处理，以防止 随意拆卸水表的行为。即使被拆卸后，单片机立即关闭阀门，以防偷水。 2.2 方案比较 针对上述设计思想，提出了三种智能水表的设计方案。下面对它们的工作原理及 其优缺点进行了简要地分析。 1. 方案一：脉冲发讯集中抄收式智能水表系统 工作原理：由表具不断发出脉冲信号，经采集器对脉冲信号进行采集、累加、存 储和数据上传。 优点：发讯式集抄系统目前在国内已普遍采推广应用方便,价格较低，只要生产厂 商、系统集商严格把好每一环节的质量关，且发讯不随时间产生疲劳损伤，此系统不 失为一种可供选择的、适于一定历史时期的过渡产品。 缺点：(1) 初始化及维护工作量大；(2) 磁铁强磁场干扰；(3) 电能耗费。 2. 方案二：基于 CAN 总线的智能水表自动抄收系统 工作原理：自动抄收系统主要由小区管理中心计算机(主控机)、水表数据采集器、 采集服务器、中继站等几个部分组成，是一种智能化多用户能耗集中自动抄收系统。 其原理是将原能耗计量表的流量转换为脉冲信号，经信号传输线至系统总线，由接口 电路通过有线传输或主机直接抄读，最后经微机管理，实现耗能数据的自动处理。 优点：CAN 现场总线的方式来传送数据，以克服市场已有传送方式所存在的不足 之处，其传送方式可实现 10 公里范围的小区抄收工作，同时性能比同类系统稳定可靠。 采用点对点、一点对多点、全局广播等几种方式，数据收发灵活，可实现全分布式多 机系统，且无主从机之分，便于实现设备异常主动报警。节点故障自动关闭，不影响 网络性能，提高了系统的稳定性，且不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，方便了系 统的调试和维护。 缺点：前期经济投入太多，需要大量的专业网络维护人员，维护工作量大。设计 过于复杂，太难，且不容易实现4。 3. 方案三：基于 89C2051 单片机的 IC 卡智能水表系统 工作原理：以接触 IC 卡或非接触射频卡作为媒介，将各种信息输入表中控制系统 来自动开关阀门(供水或停水)，由用户到自来水公司网点先预购买水量，再将用水量通 过 IC 卡输入表中控制系统，等水量用尽即自动关阀并中断水的供应，报警器在设定水 量用完之前会自动报警以提醒用户购水，达到“先买水、后用水”的目的。 优点：在用户不缴费的情况下可自动断水，有效控制收费单位的资金回笼，不需 要人工上门抄表、收费，减少抄表员。 缺点：(1) 电磁阀在长期开启状态下由于水垢和水中杂质而影响阀门关闭，使用户 在不缴费的情况下继续用水，而收费单位还一无所知，一旦发现也无法向用户追缴多 用水费；(2) IC 卡表也是由发讯脉冲进行累加计量，如果人为强磁干扰或强电瞬间电击， 也会造成芯片损坏，从而无法计量；(3) 锂电池在长期使用中是否能达到设计年限还有 待考证，到期后由谁负责更换是个问题。 随着微电子技术、现代传感器技术的快速发展，以上该方案的缺点我们通过可行 的具体方案基本可以解决了。该方案所设计的 IC 卡智能水表主要由开关阀门控制模块、 流量采样模块、微处理器、电源模块、IC 卡读写模块、数据存储器模块、显示模块等 组成2。 2.3 方案选择 从投入成本来看，方案二需要建立一整套的网络系统，所需设备多，前期所需经 济投入最大，方案一次之，方案三最低。 从设计的难易程度来看，方案三融合了微电子技术、现代传感器技术、IC 卡技术 等，这些技术都已经相当成熟，最容易实现，方案二最难，方案一次之。 从维护成本来看，方案二是由一个专用的网络系统组建而成，需要专业的网络技 术维护人员，它的维护成本最高，方案一次之，方案三最低。 从长期效益来看，随着技术的成熟，社会各行各业网络化进程的加速，方案二必 定是今后的发展趋势，它所达到的效益最佳，方案三次之，方案一最差。 综合考虑以上三种方案，根据现在的各种实际情况、现有技术水平和设计要求， 我们选择了第三种方案基于 89C2051 单片机的 IC 卡智能水表系统来进行设计。 第 3 章 IC 卡智能水表的硬件设计 本章是本文的核心内容，主要介绍的是系统硬件部分的设计。我们采用了模块化 的设计方法，针对系统的工作原理和各个硬件模块的原理和电路进行了具体的介绍。 还对各种器件的选择（如微处理器、传感器等）做了详细的分析。 3.1 主系统的构成 根据设计要求，所要设计的系统除了解决最基本的正常供水还应具有一定的智能 功能。主系统的框架图如图3.1所示。由图中可以看出，系统由这样一些功能模块组成： 微处理器、流量传感器、信号处理模块、IC卡接口电路、E2PROM数据存储电路、显示 电路、报警电路、电源模块、电磁阀驱动电路以及其他辅助电路。所有模块的设计均 考虑了低功耗的要求，本系统采用外接3节5号电池供电，内部采用超级电容作为备用。 系统时钟采用外接晶振方式，约为6MHz。 电源模块 流量传感器 显示/报警电路 IC卡接口电路 片外EEPROM微处理器驱动电路 供给用户进水 电磁阀 信号处理模块 图 3.1 主系统框图 IC卡智能水表工作原理：首先由用户购买IC卡（即用户卡） ，并携IC卡至收费工作 站交费购水，工作人员将购买水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表，卡表内 单片机识别IC卡密码并确认无误后，将卡中购买水量与表内剩余水量相加后，写入卡 表内存储器，同时必须将IC卡内购水值清零。当用户用水时，由流量传感器采进来的 信号以脉冲形式触发单片机的外部中断，换醒单片机，进行用水处理。0INT 用户在用水过程中，卡表内剩余水量相应减少。当剩余水量低于一定量，如 5m3，卡表报警提示用户购水。当 E2PROM 中存储的水量用完时，单片机自动关闭电 磁阀。用户只有重新购水，才能使电磁阀打开。此外，在发生人为故意破坏时，阀门 也会关闭2。 3.2 微处理器 微处理器是本设计中的核心器件。我们一般都选用单片机来进行控制。下面给出 了对它的选型与功能介绍。 3.2.1 单片机的选型 单片机的选型从以下几个方面考虑： 1. 单片机的系统适应性 适应性指单片机能否完成应用系统的控制功能，它主要从以下几个方面体现。 (1) 单片机的 CPU 是否有合适的处理能力。 (2) 单片机是否有系统所需要的 I/O 端口数。 (3) 单片机是否含有系统所需的中断源和定时器。 (4) 单片机片内是否有系统所需的外接口。 (5) 单片机的极限性能是否能够满足要求。 2. 单片机的市场供应情况 3. 单片机的可开发性 本设计系统至少需要14个I/O端口数，其中需要2个外部中断源，一个全双工串行 通信口，需要2K字节可重擦写程序存储器。 结合上述选型依据，虽然其通用的80C51系列的单片机具有电源电压适应范围宽、 抗干扰能力和驱动能力强、价格便宜等特点。然而对本设计来说，根据其系统所要应 用的需要：主要是其应用的引脚、应用所需要的容量以及在制作过程中所要考虑的体 积、价格及供应等因素。显然AT89C2051单片满足I/O端口数、所需要的容量等要求。 AT89C2051单片机与80C51单片机相比具有体积小、价格低等优点。同时AT89C2051单 片机和80C51单片机是完全兼容的，它与80C51的显著区别在于它内部有一个闪存。另 外考虑到在调试过程中实验器材的现实情况，本设计系统将选用AT89C2051单片机作 为主控芯片。 3.2.2 单片机 AT89C2051 简介 AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（Flash）和128bytes的随机存取数据存储器 （RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储的技术生产，兼容标准 MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。 功能特性概述： AT89C2051提供以下标准功能：2K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15 个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构，一个全双工串行通信口， 内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051克将至0HZ的静态 逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空 闲方式停止CPU的工作，定时/计数器，串行通信口及 中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容， 但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一 个硬件复位。 图 3.2 是 AT89C2051 的引脚结构图，有双列直插 封装（DIP）方式和方行封装方式。 3.2.3 晶振与复位电路的设计 单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片处通过 XTAL1、XTAL2 引脚接入 定时控制单元（晶体振荡和电容） ，即可构成一个稳定的自激振荡器。 振荡器的工作频率一般在 1.212MHz 之间，当然在一般情况下频率越快越好。 可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性。一般采用石英晶振作定时控制元件； 在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振；有时也可以引入外部时脉信号。 C1、C2 虽然没有严格要求，但电容的大小影响振荡器的振荡的稳定性和起振的快 速性。在设计电路板时，晶振，电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:18-May-2006Sheet of File:C:Documents and Settingsbodes业业MyDesign1.DdbDrawn By: VPP/Rst 1 P3.0/RxD 2 P3.1/TxD 3 XTAL 1 4 XTAL 2 5 P3.2 6 P3.3 7 P3.4 8 P3.5 9 GND 10 P3.7 11 P1.0 12 P1.1 13 P1.2 14 P1.3 15 P1.4 16 P1.5 17 P1.6 18 P1.7 19 VCC 20 U11 AT89C2051 图 3.2 AT89C2051 的引脚图 振荡器振荡的稳定性。 在本设计中，我们采用的外接晶振频率约 6MHz，因此机器周期约 2s。 RESET 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续 24 个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。如使用频率为 6MHZ 的晶振，则复位信号 持续时间应超过 4s 才能完成复位操作。产生复位信号的电路图如下所示5。 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:18-May-2006Sheet of File:C:Documents and Settingsbodes业业MyDesign1.DdbDrawn By: VCC Y1 6MHz C3 30pF C4 30pF R15 1K C2 10uF R16 8.2K S3 SW-PB RESET VCC GND XTAL 1 XTAL 2 AT89C2051 图 3.3 复位电路和时钟电路 3.3 传感器的选择 转化基于传统水表流量检测原理，在本设计中采用将传统的机械转动计量方式转 化为电脉冲信号的方案。因此，需要找到一种可以将机械位移为电脉冲信号的传感器。 3.3.1 霍尔接近开关传感器 集成式霍尔开关传感器是基于霍尔效应原理，当霍尔效应片垂直于磁场时，对霍 尔效应片施加控制电流时，在垂直于电流和磁场方向上就产生电动势，称之为霍尔电 动势。由霍尔片和处理电路构成了集成化霍尔开关传感器，其基本原理是将由霍尔效 应片所产生的电动势由内部差分放大器进行放大，然后被送往施密特触发器。当外加 磁场的强度小于霍尔开关的磁场工作强度时，差分放大器的输出电压不足以开启施密 特触发器，霍尔开关处于关闭状态。当外加磁场的强度大于霍尔开关的磁场工作强度 时，差分放大器的输出电压达到或大于施密特触发器的开启电压阈值，霍尔开关处于 开启状态。 集成式霍尔开关传感器的主要优点是：可靠性强、抗干扰性能好、温度特性优良、 电源电压范围宽、输出电流能力强、兼容性好、能与 CMOS 集成电路直接接口，动作 响应时间短以及体积小巧、寿命长和使用方便等。 但是，从对上述对霍尔开关传感器的原理描述中可以看出，霍尔开关传感器中必 须对霍尔效应片输入控制电流、同时其内部还有差分放大器等具有较大功耗的器件， 典型的集成式霍尔开关传感器耗电为 mA 级，因此，霍尔开关传感器不适合应用在本 低功耗设计中。 3.3.2 光电检测传感器 当光照射在半导体材料的 PN 结上时 PN 结的两侧将产生光生电动势，如外部用导 线连接，将有光电流流过，通常的光电检测传感器都是基于这一原理。 目前的光电检测传感器就是利用上述原理，以光电二极管为例，把发光二极管和 光电二极管相对放置便组成了光电检测电路，当被检测物体通过二者之间时，由于光 电二极管所接受的光的强度发生变化，其产生的光电动势也发生变化，将这种变化进 行放大和处理，就能产生反映有无物体通过二者之间的电压脉冲信号。 然而，由于在此结构中必须用到发光二极管（对于不需要发光二极管的光电检测 传感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到环境光线变化的影响，可靠性和检测精 确度较低） ，因此，其功耗电也较高，不宜用在本低功耗设计中。 3.3.3 Wiegand(韦根)传感器 1. Wiegand 传感器组成 Wiegand 传感器由三部分组成：(1)Wiegand 线；(2)检测线圈，将其缠绕在 Wiegand 线上，或放置在 Wiegand 线附近；(3)磁铁。常用结构示意如图 3.4 所示。 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 (a)(b)(c)(d) 1Wiegand线；检测线圈；磁铁 图 3.4 Wiegand 传感器组成 2. Wiegand 传感器工作原理 Wiegand 线是由一根铁磁材料制成的永磁体， 由外壳和内芯组成，如图 3.5 所示。在强磁场的作 用下，内芯与外壳有相同的磁极性。将 Wiegand 线 放在与线芯极性相反的外部弱磁场附近，能使线芯 的极性发生改变，线放在与线芯极性相反的外部弱磁场附近，能使线芯的极性发生改 变，而外壳的极性不变。随着外磁场强度的增加，外壳的极性也随之发生变化，这样 置于 Wiegand 线附近的线圈就能检测出极性的转换，并产生电压脉冲输出。通常 Wiegand 线与检测线圈是装配在一起构成 Wiegand 组件。 3. Wiegand 传感器工作方式 根据 Wiegand 线外部磁场引入的方式不同，Wiegand 传感器有两种驱动方式：非 对称驱动方式和对称驱动方式。非对称驱动方式开始把 Wiegand 组件置于一种称为渗 透磁场的强磁场中，此时 Wiegand 线的外壳和内芯按同一方向极化，如图 3.6(a) 所示； 再把组件置于一种称为复位磁场的弱磁场中，此时内芯的极性反向,而外壳的极性不变， 如图 3.6(b) 所示；然后把组件置于渗透磁场中，Wiegand 线内芯与外壳的极性又恢复 到图 3.6(a)的情况，由于 Wiegand 线中磁场的变化，导致在检测线圈中一个周期内产生 单一方向的电压脉冲，如图 3.6(c)所示。 内芯 外壳 图.5 Wiegand丝结构 (a) (b) (c) 图 3.6 非对称驱动方式 在对称驱动方式中，采用两块磁场强度大小相等但极性相反的磁铁，一块磁铁首 先将 Wiegand 线的外壳和内芯按同一方向进行渗透，如图 3.7(a)所示；再将 Wiegand 线切换到第二块磁铁，在这过程中，首先线芯的极性改变，如图 3.7(b)所示；然后外壳 的极性发生改变，这一作用在检测线圈中产生一个方向的电压脉冲输出，如图 3.7(c) 所示；接着，再将 Wiegand 线转回到第一块磁铁，首先内芯的极性改变为起始的极性， 如图 3.7(d) 所示；其次外壳的极性也随之改变为起始的极性，这一过程产生相反方向 的电压脉冲输出如图 3.7(e) 所示6。 (a) (c) (d) (e) (b) 图 3.7 对称驱动方式 4. WG 系列韦根传感器原理及其特点 WG 系列韦根传感器是利用韦根效应制成的一种新型磁敏传感器。其工作原理是 传感器中磁性双稳态功能合金材料在外磁场的激励下，磁化方向瞬间发生翻转，从而 在检测线圈中感生出电信号，实现磁电转换。 它具有以下特点： (1) 传感器工作时无须使用外加电源，适用于微功耗仪表，如电子水表、电子气表 和其它智能型仪表。 (2) 使用双磁极交替触发工作方式，触发磁场极性变化一周，传感器输出一对正负 双向脉冲电信号，信号周期为磁场交变周期。 (3) 输出信号幅值与磁场的变化速度无关，可实现“零速”传感。 (4) 无触点、耐腐蚀、防水，寿命长。 (5) 利用电话线、同轴线可实现电信号远传。 由于 WG 系列韦根传感器具有以上的众多的特点，特别是其几乎不需要外界能量 的输入。因此，选择它作为本低功耗设计的传感器。在这里，我们选择了南京艾驰电 子科技有限公司的 WG 系列韦根传感器产品，其型号为 WG101。具体使用方法为：在 水表的计量齿轮上安装小磁钢，当用户用水，齿轮转动，小磁钢将会转过 Wiegand 丝 传感器，这时传感器产生一个高电平脉冲信号，经过整形、放大处理后输入至单片机 进行计数计量。选择此传感器作输入信号测量的传感器，既满足了准确计量的基本要 求，又满足了低功耗设计的需要，是本低功耗设计的重要组成部分。 3.4 信号处理模块的设计 WG 系列 WG101 韦根传感器所产生的正向脉冲信号一般为 1V2V 之间。为了保 证系统能更加稳定的工作，必须对传感器所产生的脉冲信号进行放大、整形处理。我 们采用下面的一个简单电路（如图 3.8 所示）可以很好的达到脉冲信号的放大、整形作 用。经过处理后的电平信号，送单片机的外部中断（P3.2）进行计数处理。当计0INT 满 N（N 表示为设定的转数值） ，用水总量加 1，剩余水量减 1（“1”在本设计中代表 0.1m3的水） 。 由于 WG 系列韦根传感器使用双磁极交替触发工作方式（即对称驱动方式） ，当水 表叶轮转动一周，触发磁场极性变化一周，韦根传感器输出一对正负双向脉冲电信号。 当韦根传感器输出为正向脉冲时，NPN 管导通，脉冲检测信号 W_IN 输出为高电平； 当韦根传感器输出为负向脉冲时，NPN 管截止，脉冲检测信号 W_IN 输出为低电平。 即水表叶轮转动一周，脉冲检测信号 W_IN 存在一个由高到低的跳变。由于我们设定 外部中断（P3.2）为跳变触发方式，即电平发生由高到低的跳变时触发。因此，0INT 水表叶轮转动一周，外部中断产生一次中断5。0INT 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:18-May-2006Sheet of File:C:Documents and Settingsbodes业业MyDesign1.DdbDrawn By: R12 10k Q3 NPN 12 U6A 7404 VCC 业业业业业业业业业 R13 200 W_IN(P3.2) 图 3.8 信号处理电路图 3.5 电磁阀的选择与设计 对于水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开/关状态。目前可控制的阀门主 要是电磁阀，但常规的电磁阀是靠电的通/断来控制阀门的开/关的，即要让阀门一直关 着，就必须一直通电，因此耗电较大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必须对现 有电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门的开/关控制由电脉冲来实 现。使得对阀门开/关只需瞬时供电，从而减少耗电量。在这里我们选择：执行机构采 用继电器HRS2H-S-DC3V，驱动带自锁的脉冲电磁阀MP15A-3V，两者仅需+3V电源供 电。正常供水情况下，电磁阀自锁于常开状态，驱动机构不消耗电能，只有当购买的 吨位数用完时，才由固态继电器驱动电磁阀关闭开关，并自锁于常闭状态，重新购水 插卡后，再次送电开启。 当水量为零时，控制阀自动关闭，水路即被切断，此时用户须重新持卡购水。在 正常情况下控制阀处于接通状态，只有当特殊事件发生时，控制阀才从接通状态变为 关闭状态。三种事件状态下控制阀的通断情况如图3.9所示7。 表内水量用完电池欠压水表盒打开 或触发 关闭控制阀 电路控制 图 3.9 控制阀的关断情况 值得注意的是，由于继电器和脉冲开关电磁阀都是较大容量的感性负载，因而在 切断这些感性负载时，会产生很大的电流和电压变化率，从而形成瞬变噪声干扰，成 为系统中电磁干扰的主要原因，引外，继电器通断所造成的电火花和很强的电弧也产 生了很大的电磁干扰。因此，在系统中必须设计相应的抗干扰电路来消除此电磁干扰， 本系统所采用的抗干扰措施主要有以下两点： 1. 采用光电耦合器进行隔离(如图 3.10 所示) 当 P1.1 输出为高电平时候 NPN 管 Q1 导通，在光电耦合器 SW-GD（型号为 4N25）中的发光二级管发光，三级管导通。此时，电阻 R10 上就存在一个高电平使 NPN 管 Q1 导通。继电器即得电产生动作。D1 为续流保护的作用。 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:7-Jun-2006 Sheet of File:F:业业业业.DdbDrawn By: FA R9 300 R10 1K U4 SW-GD KA1 KA1 D1 DIODE R11 业业业业 VCC Q1 NPN FAM R8 1K 图 3.10 光电耦合器隔离电路 从图 3.10 中可以看出，单片机控制的 I/O 口和继电器控制端口之间用光电耦合器 进行了隔离，这样，由于继电器通断所造成的电火花和电弧就不会影响到单片机系统 了8。 2. 在电磁阀供电端跨接压敏电阻抗干扰 压敏电阻是一种非线性电阻性元件，它对外加的电压十分敏感，外加电压的微小 变动，其阻值会发生明显的变化，因此电压的微增量可引起大的电流增量。 压敏电阻又分为碳化硅压敏电阻、硅压敏电阻、锗压敏电阻以及氧化锌压敏电阻， 其中较为常用的是氧化锌（ZnO）压敏电阻，其电气性能如图 3.11 所示。 0 V I ZnO压敏电阻 线性电阻 图 3.11 氧化锌压敏电阻的电气性能 从图 3.11 中可以看出。压敏电阻具有类似稳压管的非线性特性，在一般工作电压 （外加电压低于临界电压值）下，压敏电阻呈高阻状态，仅有 uA 数量级的漏电流流过 压敏电阻，相当于开路状态。当有电压（当电压达到临界值以上）时，压敏电阻即迅 速变为低阻抗（响应时间为毫微秒数量级） ，电流急剧上升，电阻急剧下降，过电压以 过电电流的形式被压敏电阻吸收掉，相当于过电压部分被短路。当浪涌过电压过后， 电路电压恢复到正常工作电压，压敏电阻又恢复到高阻状态。可以利用压敏电阻的上 述特性来吸收各种干扰过电压。由于 ZnO 压敏电阻特性曲线较陡，具有漏电流很小、 平均功耗小、温升小、通流容量大、伏安特性对称、电压范围宽、体积小等优点，可 广泛用于直流和交流回路中吸收不同极性的过电压。 在本设计中的具体使用方法为将压敏电阻并联到电磁阀的供电电压上，这样，电 磁阀开关所产生的浪涌过电压就被压敏电阻所吸收了。压敏电阻的使用大大降低了电 磁阀开关所造成的电磁干扰对单片机系统的影响。 3.6 片外数据存储器的设计 在系统的设计过程中，考虑到智能水表在使用过程中可能出现失电的情况。当这 种情况发生时，系统应该保存失电前的一些数据。比如，存储用户设定的水量系数 N（转/吨） ，累计用水总量和剩余水量等。而这些数据如果存储在单片机的数据存储器 中，单片机失电重启动后存储的相关数据已经消失了。为了完成此功能，必须在单片 机外部加一个 E2PROM，完成这些数据的存储。本设计系统中加入了 I2C 总线的 E2PROM。 I2C 总线简介：I2C 总线由 PHILIPS 提出，是一种用于 IC 器件之间连接的二线制 总线。它通过 SDA（串行数据线）及 SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件 之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、LCD 驱动器还是 键盘接口。采用 I2C 总线标准的单片机或 IC 器件，其内部不仅有 I2C 接口电路，而且 将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少 了器件片选线的连接 。 其协议定义的 I2C 总线数据格式如下： 开始7/10 器件地址R/WACKSUBADDACKDATAACK 停止 AT24C01 是美国 ATMEL 公司的低功耗 CMOS 串行 E2PROM，它是内含 1288 位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V） 、擦写次数多（大于 10000 次） 、写入速度 快（小于 10ms）等特点2 9。在系统中，用 AT24C01 存储用户的设定水量转数 N、水 表检测脉冲数 M、累计用水总量和剩余水量等。当系统断电以后，系统将把有用的信 息保存在 AT24C01 中，使其不被丢失。其实际电路连接图如图 3.12 所示：电阻 R24、R25 为上拉电阻。由于我们只用一片 E2PROM，所以 A2=A1=A0=0。它的工作原 理我们将在第四章详细介绍。 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:29-May-2006Sheet of File:F:业业MyDesign1.DdbDrawn By: R25 20K R24 20K VCC E_SDA(P1.3) E_SCL(P1.2) SDA 1 SCL 2 WP 3 GND 4 A0 5 A1 6 A2 7 VCC 8 U13 AT24C01 图 3.12 AT24C01 与单片机接口电路 3.7 IC 卡及其接口电路的设计卡及其接口电路的设计 下面简要介绍 AT24C0X 系列的 IC 卡的基本特性与引脚功能，并分析 AT24C0X 与 AT89C205l 单片机的在本设计中的具体接法。 3.7.1 基于 AT24C0X 系列的 IC 卡 AT24C0X 系列 IC 卡是美国 ATMEL 公司生产的存储式 IC 卡。产品型号有 AT24C01/ 02/04/08/16/32/64，存储容量分别为 1kbits/2 kbits /4 kbits /8 kbits /16 kbits /32 kbits /64 kbits；2.55V 低电压供电；双线串行接口；双向数据传送；支持 ISO/IEC7816-3 同步 协议；写/擦除次数1 000 000 次；数据保存期100 年。它是目前国内使用最多的 IC 卡之一。 AT24C0X 系列 IC 卡的引出端符合 ISO/IEC7816-2 标准。C1：VCC，工作电压； C3：SCL（CLK），串行时钟；C5：GND；C7：SDA（I/O），串行数据（输入/输出） ；C2，C6：NC，未接。IC 卡引脚如图 3.13 所示，其中引脚 T，P 为微动开关的两触 点。此微动开关在无 IC 卡状态时，处于断开状态；有卡插入时，IC 卡卡座上的微动开 关动合，因此，此开关往往是用来判断是否插 IC 卡的传感器件2。 VCC RST SCL TP SDA NC GND 图 3.13 IC 卡示意图 3.7.2 IC 卡的接口电路的设计 24系列为低功耗COMS E2PROM 器件，使用单+5v电源，电源电压范围为 2.56V， 内有高压泵电路，写入、擦除操作由内部定时器自动完成，具有擦除/写入周期10万次 寿命和数据安全保存100年的有效期，二线串行接口，和各类微处理器接口十分简单等 特点。本设计的AT89C205l单片机与IC卡240X接口如图3.14所示。图中IC-CARD为标 准IC卡座，其T、P端用作到位检测开关,将T端连接89C2051的外中断输入脚P3.3()。1INT 由于引脚T，P为微动开关的两触点，所以，当有IC卡插入时，微动开关闭合，P1.5脚 电平被拉低，单片机通过判读P1.5脚，做好读卡准备，无卡时，P1.5脚为高。 P1.6、P1.7用作数据线(SDA)和时钟线(SCL)，用软件模拟时序的方法来实现对IC卡的读 写。当有IC卡插入时，P1.5脚电平被拉低，单片机通过判读P1.5脚，做好读卡准备，无 卡时，P1.5脚为高。R19、R20、R21为限流电阻2 10。 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:18-May-2006Sheet of File:C:Documents and Settingsbodes业业MyDesign1.DdbDrawn By: R19 20K R22 51 R20 20K C60.1uF VCC IC_SDA(P1.7) IC_SCL (P1.6) SW_T (P1.5) VCC 1 NC 7 SDA 2 SCL 3 GND 6 T 4 P 5 RST 8 U13 IC-CA RD R23 51 R21 5.1K 图 3.14 IC 卡接口电路 3.8 人机交互接口的设计人机交互接口的设计 人机互交接口包括了报警电路与显示电路的设计。下面具体给出了在本设计中采 用的报警电路和显示电路，并分析了它们的工作原理。另外，还对显示电路在本系统 中应用的显示原理进行了详细的分析。 3.8.1 报警电路的设计 根据系统需要，我们设计了一个报警电路。当剩余水量不足、电池欠压等情况下， 都需要报警。本报警电路很简单，我们采用 1 个 NPN 型三级管，1 个蜂鸣器和 1 个电 阻组成。如下图 3.15 所示，当 P1.4 输出一个高电平时，NPN 型三级管 Q4 导通，蜂鸣 器马上得电发声，产生报警11。 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:18-May-2006Sheet of File:C:Documents and Settingsbodes业业MyDesign1.DdbDrawn By: R18 100 R17 10K VCC LS1 SPEAKER Q4 NPNSPK(P1.4) 图 3.15 报警电路 3.8.2 显示电路的设计 显示电路作为水表的输出接口，显示剩余水量、用水总量等信息。它们的有效工 作时间都比较短。用户看完后，没有必要让它一直显示；为此，可水表上装一个开关 按钮提供信号。即按一下按钮时，水表开始显示剩余水量；再次按下按钮时，水表显 示用水总量；再次按下按钮时，水表显示关闭。如显示 10s 后，按钮没有动作，亦使 它们停止工作，从而达到节电的目的。 在小型的控制系统中，通常用LED数码管作为显示器件。LED数码管的显示方式 通常可分为2种：静态方式和动态方式。静态显示方式的优点是亮度高、没有闪动、稳 定，缺点是功耗大、占PCB面积大、成本高。为了在人机对话设计中降低硬件成本， 节约单片机的I/O口资源，我们采用将通过串行动态扫描，即位码和段码交替发送的方 式设计了一种新颖的显示模块，经调试，效果良好。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:25-May-2