毕业设计(论文)开题报告-基于PIC16F84单片机的IC卡智能水表的设计.doc

毕业设计(论文)开题报告题目： 基于PIC16F84单片机的IC卡 智能水表的设计 课 题 类 别： 设计 R 论文学 生 姓 名： 学 号： 班 级： 专业（全称）： 电子信息工程指 导 教 师： 2012 年 4月一、本课题设计（研究）的目的： 为了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监控，使用智能水表代替传统水表，用IC卡实现预付费，可以实现以下目标：（1）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，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，其核心是IC卡水表。通过推广这项新技术，可以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节水的首要任务。而研究一种低功耗、计量精确方便的智能水表显得极为重要，对推动节约用水的发展有着重要意义。二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）：研究现状：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。水表在各种流量计中属于结构简单、应用最广泛的流量仪表，也是最重要的法制计量仪表。按最新的国际标准和国际建议，水表是按其使用用途来定义和划分的，即任何用于测量封闭管道中可饮用冷水的具有累积流量显示的流量仪表都为水表，这当中既包括了我们通常概念中的旋翼式水表、螺翼式水表、活塞式水表等基于机械原理工作的流量计，也有基于电子或电磁原理工作的流量计，如电磁流量计、超声流量计等。另外带电子装置水表是一种在机械式水表上添加了各种辅助装置的水表，以满足管理和控制的需要，如各类预付费水表和电子远传水表。总体而言，水表的内涵比以前大大丰富了。在实际工作中，随着电子技术的发展和成熟，电子类水表和带电子装置水表正发挥越来越大的作用。水资源的商品化、“一户一表”工程的发展、阶梯式水价等节水政策的实施需求更促进了这类水表的发展。水表测量的对象是水，水在各种流体介质中是变化相对稳定的介质，其粘度、密度、清洁程度、压力、温度等在额定工作条件范围内是比较理想的和稳定的。但因为流量计量的动态特性、供水过程中水压脉动和含气量变化以及各种安装条件，仍会对水表的工作产生很大的影响。虽然近年来流量测量技术及仪表比以往的选择面宽了许多，但还有许多不尽人意之处。我们所选用的水表除要适应所使用的条件并符合法制计量要求之外，还要考虑很多其它因素，如流量范围、灵敏度、压力损失、安装防护要求、价格等，电子水表和带电子装置水表还要考虑抗干扰等电磁环境因素。因此，为了适应不同的介质条件、不同的环境条件，不同的使用要求，各种水表应运而生。可以说只要有一个新的技术发展起来，就会有人尝试着将它应用到流量计量当中去，也就可能应用到水表中去。每一种水表都会有其最适用的场所，在市场经济浪潮中显示出顽强生命力。但由于这些水表在性能上的差别细微或需要认真地分析其特点，实际上在很多情况下都没有将它们使用到它们最适合的场所或调整最佳的使用状态，导致计量不准确、容易损坏等等。因此，客观公正地描述各种水表（或相同用途的流量计）的特点，正确地选用水表是水表制造商和水司用户所要关注的。现阶段，在国内的各种民用水表中，旋翼式湿式水表以其结构简单、计量稳定、价格低廉在国内得到广泛的应用。液封式计数器的广泛采用克服了较早湿式水表产品的度盘容易因管道水质积垢而污损缺点，解决了水表清晰抄读的问题，得到了广泛的应用。行业里普遍认为液封式水表是目前较适合国内管材和水质的水表。尽管八位指针式的C型表从指示方式上比其它型式显得不方便和落伍，甚至行业人士呼吁淘汰C型表，但目前似乎还有不少市场。全国经济发展、生活水平不平衡自然是一个重要原因。与国外水表外壳采用的铜材料不同，国内民用水表大部分为铁壳水表，行业人士也曾提议逐步淘汰，但在现有国情下还难以实施，这也是卫生技术要求暂时不能写入行业标准居民饮用水计量仪表安全规则的主要原因。 我国水表生产厂众多，但规模大多偏小，与国外水表生产厂家相比在规模和技术方面存在着较大的差距。英国肯特公司、德国迈内克公司和瑞纳公司、法国爱拓利公司、意大利迈特姆里那等都是国际上较有名的水表公司，在世界各地拥有大量分支机构,他们控制着世界水表市场。 在发达国家，由于管道直饮水较普遍，容积活塞式水表成为主要采用的产品，计量等级普遍为C级。旋翼液封式水表和单流式水表也不少，单流束水表还具有材料节省、结构小巧的优点。总体来说，国外的民用水表产品注重高计量等级和使用寿命。 国外水表产品的优势更多体现在大口径水表产品上，其制造工艺精致，并在一些产品上采用叶轮平衡技术，使得产品测量范围大（可达到计量等级C级）、安装方式适应性好（可以水平、垂直或倾斜），并可选配远传装置满足检定或抄读的需求，产品执行EEC标准，在流量测量能力方面优于以前版本的国际标准ISO4064。 近年来随着能源和水资源的全球性匮乏，随着南水北调等国家重点工程的启动，随着法制计量的不断完善，全社会对水计量的要求越来越高。因此，研究和探索满足新形势下适合我国各种使用条件的水表或流量计，并扩大其流量测量范围、延长水表的工作寿命、提高仪表智能化程度等已成为水表行业研究人员不懈的追求。发展趋势：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调零、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。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。随着现代通信技术、控制技术、网络技术的发展，现在的智能建筑和智能小区很多已经实现了楼宇自动化，例如：宽带上网、防盗、防火联网报警等，同时耗能计量表出户集中抄表、自动收费、联网管理己成为现代智能建筑和智能小区的必备条件。而对于传统水表来说，还存在以下弊端：(1)抄表工作劳动强度大、效率低；(2)管理费用高；(3)干扰居民生活，入户抄表难度大；(4)计量不准，有时会出现错记、漏记现象；(5)存在某些安全隐患。因此，传统水表已经无法满足现代社会发展的需要，更不能满足居民对用水服务的需求。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。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：智能水表代替传统水表，用IC卡实现预付费，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；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；减轻工作人员的劳动强度，减少现金交易，减少人为差错和杜绝贪污案件的发生；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，其核心是IC卡水表。三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）：重点：（1） 电源电压检测电路的设计；（2） 智能IC卡的分析比较与选择过程（3） 系统的稳定性与可靠性设计；难点：（1） 智能卡式水表控制系统软件部分看门狗的初始化、进入睡眠及其唤醒等处理的设计；（2） 智能卡式水表控制系统硬件部分接口电路包括IC卡接口、液晶显示接口、ISP接口、电磁阀驱动接口的设计。总体方案设计：1 IC卡智能水表的功能作为供水计量、自动计费的IC卡智能水表应具有以下功能。1） 根据所购水量，自动执行供、停水2） 具有自动报警功能3） 可随时提供累计用水量、本月用水量和可用水量4） 可对购水量进行累计5） 具有自动保护功能6） 断电保护功能7） 加密功能2 硬件方面，IC卡智能水表原理框图如图1所示：图1 IC卡智能水表原理框图(1)微处理器 采用Microchip 公司的低功耗芯片PIC16F84。该芯片工作于休闲状态是，耗电量仅为微安级。另外，采用FLASH EEPROM 的串行存储器芯片93C46作为数据存储器。93C46是一个串行EEPROM，占用体积小，功耗低，且操作简单，主要用来存放IC卡识别字、发行码及用水计量等数据，以作为水表识别与计量的依据。(2)阀门 对水表而言，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，即要让阀门一直开着，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，必须对现有的电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门开/关由电脉冲来实现。使得对阀门开/关只需瞬时供电从而减少耗电量。(3)流量传感器 流量传感器是水表中的传感器部分，是实现正确计量的基础。考虑到现有的模拟式水表中，旋翼式水表结构简单，测量范围宽，灵敏度高，外形尺寸小，精确度已被广大用户所接受；因此本水表的流量传感器还是基于模拟水表的旋翼式结构，而通过在叶轮上安装磁钢与微型干簧管等机构，将叶轮的旋转转换成电信号，以实现频率脉冲计数，进而实现水流量的计量。其耗电小，并保持了原有的结构简单、精确度高的优点。(4)IC卡读/写器 IC卡读/写器是IC卡水表的输入接口。当IC卡插入读/写器时，首先读入的是卡中的密码，以判断此IC卡的合法性；水表在判断了卡的合法性后，读入所购水量并和水表内剩余水量累加，同时将卡上购水量单元清零；回写水表上用水量、剩余水量等信息，以便下次购水时自来水公司读取，实现水表信息的回馈功能。(5)显示器 液晶显示器作为水表的输出接口，显示剩余水量、电池状态及开关状态等信息。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，可利用水表上的防水盖提供信号。即当盖子打开时，使它们进入工作状态；而当盖子盖上时，是它们停止工作，从而达到节电的目的。(6)供电电源 供电系统采用交/直流电源，平时水表由交流电通过表内的小型变压器输出供电，而备用电池处于充电状态，一旦停电，水表就由内部备用电池供电。3 软件方面。IC卡只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。从功能看，有这样一些模块：IC卡的接口模块（包括IC卡的有效性判断、读/写及IC卡的解密与加密）、阀门控制模块、流量脉冲、用水量处理模块及显示模块。其框图如下所示。图2 软件流程图四、设计（研究）进度计划：4-6周: 熟悉课题，查阅、整理参考文献和资料，完成开题报告，提出设计思路、方案优化7-8周: 系统软硬件设计9-10周：系统硬件实现11-12周：系统软件程序设计12-13周：软硬件改进、完善14-15周：绘制设计图纸、撰写设计论文17周：毕业答辩五、参考文献：1 江志红.AVR单片机系统开发实用案例精选M. 北航出版社.2 何立民.MCS51系列单片机应用系统设计. 北航出版社.3 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践. 北航出版社,2007. 4 中国电子学会敏感技术分会、北京电子学会编.传感器与执行器大全. 电子工业出版社.5 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例. 北京：中国电力出版社,05. 6 沈德金.MCS51系列单片机接口电路与应用程序实例. 北航出版社.7 刘建辉.单片机智能控制技术. 国防工业出版社,2007.4.8 王福瑞.单片微机测控系统设计大全. 北航出版社.9 组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选. 北理出版社.10 高鹏.Protel99入门与提高. 人民邮电出版社.11 何立民.MCS51系列单片机应用系统设计. 北航出版社.12 You Zhi,Chen Shu-zhen. Serial Communication Application Based On MCU AT89C52 and RF Reader IC of Smart IC Card. College of Electronic Information, Wuhan University.13 You Zhi,Chen Shu-zhen,Huang Ji-wu. Serial Peripheral Interface Communication Between MCU EM78P447A and RF Reader IC MF RC530. Wuha