单机片在IC卡计费水表中的设计与应用毕业论文.doc

郑州职业技术学院 毕业设计（论文）单机片在IC卡计费水表中的设计与应用毕业论文 目 录摘要 I绪论（1）1 系统概述（2）1.1 系统结构 （2）1.2 系统工作原理（3）1.3 系统功能特点（4）2 系统单元电路硬件设计（5）2.1 信号采集电路的设计（5）2.1.1 信号采集电路的构成（6） 2.1.2 信号采集电路的设计（7）2.1.3 处理环节信号（9）2.2 电源系统的设计（9）2.2.1 本电源的功能（9）2.2.2 电源系统的工作原理（10） 2.3 电磁阀驱动电路的设计（13）2.5 显示单元的设计（13）2.6 主控芯片的选取极其功能介绍（14） 结论（17）参考文献（18）致谢（19） 郑州职业技术学院 毕业设计（论文） 绪论背景介绍 水是宝贵的资源,也是我国可持续发展的重要物资。但是我国是世界上人均水资源拥有量十分贫乏的国家之一，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；二是加强水的科学管理。在某种意义上来说，加强节水科学管理是当前的首要任务。要加强节水的科学管理，首先要把节水科学管理纳入法制化管理的轨道；其次是要加速研究开发科技先进、应用方便的节水科学管理仪表；第三要加快节水科学管理仪表推广的步伐。因此IC卡计费水表的研制有着重要的现实意义。IC卡水表简介智能IC卡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。智能IC卡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，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。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。水表由市电供电，一旦发生停电，水表就有内部备用电池供电，水表继续正常工作、供水。1 系统概述1.1.系统结构框图本水表的总体设计方案为：上位机与下位机通信工作，上位机主要包括主控芯片89C51、“看门狗”电路、显示单元LCD、声光报警电路以及IC卡座，安装于用户的控制室；下位机主要包括主控芯片89C51，“看门狗”电路、原基水表、信号采集电路以及电磁阀驱动电路，安装于工作室。系统结构框图如图2.1所示，其中电源系统未体现在此框图中。图2.1 系统结构框图 （1）原机表：通过传感器产生水量消耗脉冲信号，提供给下位机CPU计费。（2）下位机CPU：接收水量消耗脉冲并减数、并控制电磁阀的开闭、与上位机进行串行通信。（3）电磁阀：IC卡水表的执行机构，接收下位机CPU的控制信号，控制管路的通断（4）“看门狗”电路：复位控制、“看门狗”、电压检测。（5）上位机CPU：通过IC卡读写器对IC卡进行读写，将显示信息送给LCD液晶显示器，并与上位机进行串行通信。（6）LCD液晶显示器：接收上位机CPU的数据、信号，显示用户剩余水量、报警信号、阀门状态等信息。（7）报警电路：当用户所剩水量达到所设定的下限值时，上位机的扬声器便会语音报警提示用户购买水量。（8）IC卡座：配合IC卡工作的接口设备IFD（inter face device），用来联接IC卡和上位机CPU，使上位机CPU能从IC卡中读取或向IC卡写入有关信息。在读卡之前通过单片机程序进行密码核对，卡读之后将卡清零。（9）IC卡：存储拥护标识号等个人信息，存储所购得的水量，插卡后将将所存水量信息通过IC卡读写器传送给水表CPU的数据存储器。1.2工作原理由原基表（1）通过传感器取出表脉冲信号，通过信号传输线将表的脉冲信号传送到下位机CPU（2）进行计数、运算、数据存储，并通过远传线（上、下位机通信线路）将数据信息传输给上位机CPU（5），进而由（LCD）液晶显示器（6）显示剩余水量或剩余金额。用户所购买的水量以IC卡（9）为载体，将IC卡插入IC卡读写器（8）内，在核对密码正确之后，由上位机自动识别所购水量值，并同表内剩余水量自动累加后由LCD液晶显示器（6）显示出可用水量值，并通过通远传线（通信线路）将累加后所得的可用水量传送给下位机CPU（2），下位机CPU（2）与由原基表（1）取来的脉冲信号进行运算并记录再将运算结果传送给上位机的LCD液晶显示器。当用户表内的剩余水量达到所设定的下限值时，上位机的声光报警电路则会通过蜂鸣器与发光二极管进行声光报警，提示用户去购买水量。如果表内剩余水量达到零时，下位机CPU（2）会自动控制电磁阀（3）关闭，停止供水。直至用户重新购买水量，并将新购水量的IC卡（9）插入IC卡读写器（8）后，便会自动开启电磁阀（3），重新恢复供水。1.3本产品（IC卡水表）的功能特点 本水表集供水计量、自动计费等功能于一体，其主要功能如下：（1）自动累加：新够买水量同表内剩余水量自动累加。（2）自动报警：由供水管理部门设定下限，当用户所剩水量达到设定的下限值时，该表可自动进行声光报警，提示用户购买水量。（3）自动断水与恢复：当剩余水量为零时自动关闭阀门，停止供水；直到重新购买水量充值后的IC卡插入上位机IC卡读写器后，自动开启阀门。当阀门由于其它原因（详见3.3 电磁阀驱动电路的设计与实现.）而自动关阀时，在干扰、故障排除后，系统仍然可以自动开阀，恢复供水。（4）交、直流双重供电：交流220停电时，自动表内的备用电池可用72小时，如果超过72小时，则自动关闭阀门停止供水。（5）显示切换：LCD可显示剩余水量和该剩余水量所折合的人民币数。（6）备用电池具有自动“充电”、“停充” 功能：当电池电压达到额定值（+12V）时，停止充电，以涓涓细流放电；当电池电压下降到所设定的下限值（本电池设定为10V）时以下时，电池电压达电池开始自动充电，直至充到额定值时，自动“停充”。（7）采用2组干簧管传感器采集流量信号，信号采集电路具有防磁功能、断线保护功能。（8）执行器选用双稳态电磁阀，阀门处于开启状态时无需维持电流，具有很好的节能效果。二、系统单元电路硬件设计2.1信号采集电路的设计信号采集传感器是将水表计量信号采集、传送给水表下位机计数的装置。在单片机系统中，信号采集电路，计数器和程序实际上构成了一个完整的流量计。其中，系统计量的准确性主要取决于信号采集电路及信号信号采集精度。在IC卡水表系统中，信号采集的准确可靠是整个系统运行准确可靠的基本保证。2.1.1信号采集电路的构成通常的IC卡水表的信号采集方案为：在原基表的基础上安装流量传感器，以达到采集流量信号的目的。本水表的信号采集电路由原基表与传感器组成。1.原基表的选取湿式水表：湿式水表稳定可靠，价格低廉，但用于预收费控制作为计量基表必须解决数据采集过程中存在的问题。 干式水表：采用磁铁隔离方式，因此计量信号采集非常容易，比较适合作为预付费控制计量基表。但是，水表内的磁体容易受到外界强磁场的干扰和自然退磁产生严重的计量误差，甚至不转，所以本设计水表选用带防磁罩的干式水表。 2.传感器的选取这个环节主要是通过传感器将齿轮的传动量转换为脉冲信号输出。目前检测流量的常用传感器主要有如下三种：光电传感器：光电传感器属于非接触传感器，可以进行隔离和密封，但是光电器件的电流消耗大，不适合以电池为动力（掉电保护时起用）的预付费水表作为计量信号的采集。 霍尔传感器：霍尔传感器属于磁性传感器，其原理是磁铁与磁敏半导体器件相互作用产生脉冲输出的。为抵抗干扰，半导体输出端增加比较器，因此消耗电流较大，一般不宜作为预付费水表计量信号的数据采集。干簧管传感器：相对于“湿簧管”，是舌簧继电器的一种。舌簧继电器的核心元件是舌簧管，它本身就是一种磁敏元件，在舌簧管里的簧片质量很轻，管外有微弱磁场就能使它闭合或断开，是一种很灵敏的磁敏开关，因此常用于计量信号采集，舌簧继电器有着以下优点： （1）可动作部分质量小，动作快，一般吸合与释放时间都在0.52s以内。（2）接触电阻小而断开电阻大，接触时仅为50200m，断开时在10M以上。（3）接点与外界隔绝，有效的防止了外部有害物质对接点的腐蚀。另外，虽然干簧管的机械触点有疲劳寿命的问题，但质量较好的高性能触点干簧管寿命可达108次，大大高于水表的使用寿命。目前用干簧管传感器的生产厂家普遍对干簧管进行灵敏感和触点导通检测，检测后其性能较为稳定。 所以由干簧管传感组成的水表系统比较省电，成本也较低。同时电源本身不产生或接受干扰，比较其它传感器所组成的水表系统而言，系统的准确率较好，运行成本较低廉。而霍乐元件与光电管考虑用交流电虽然无触点，但都需要供电，这使得整个系统供电问题变得较为突出，不仅要，还要考虑后备电源，所以在安装后的运行成本比较高，且其运行可靠性受电源影响大。由此可见，虽然干簧管价格较高（运行成本低）、寿命较短（足够用）、但其可靠性、安全性，节能效果是较好的，随着科学技术的发展，这种信号采集方式是可以成为主流方案的。综合考虑以上因素，结合本设计的实际特点，由于水表内压力较大，信号采集难度较大，加之考虑到节能因素，综合权衡各传感器的利弊，本设计在干式水表的基础上，采用干簧管方式，并为防止外部磁铁干扰，采用2组干簧管进行防护。2.1.2信号采集电路的设计1.本信号采集电路的功能（1）能够准确采集流量信号并将其转换为脉冲信号传送给CPU计数。（2）具有防磁功能，当外部有强磁场干扰时，能发给CPU相应信号，取消此次脉冲计数，如果CPU连续5次检测到有强磁干扰时，。（3）具有断线保护功能，当信号传送线DX断线时，CPU能够及时发现并发出关阀的控制信号，关阀停水。2.信号采集电路的硬件设计 本设计信号采集电路的设计方案为：以原干式水表（原基表）为基础，充分发挥机械水表稳定、可靠性的优点，将干簧管固定在原基表的叶轮附近，当贴在叶轮上的小磁钢转过干簧管时，产生一个脉冲信号，经施密特反相触发器倒相整形，送到下位机CPU的端产生一次耗水量计数中断。由于干簧管对外部强磁场作用比较敏感，系统为了防止外部强磁场的干扰，采用了2组干簧管进行防护。信号采集电路原理图如图3.1所示。 图3.1 信号采集电路原理图3信号采集电路的工作原理（1）脉冲信号的采集与传送如图3.1所示，常闭干簧管1是用来采集传送流量信号的主干簧管，常开干簧管2作为防磁检测元件配合主干簧管1工作。当贴在叶轮上的小磁钢转过主干簧管1时，其常闭簧片断开，Ma1端由低电平跳变为高电平产生一个脉冲信号，经施密特反相触发器倒相整形，送给下位机CPU的端产生一次中断，然后CPU采取查询工作方式检测P20端的电平情况，当叶轮再转过半周接近干簧管2时，主干簧管1恢复为常闭状态，而干簧管2的常开簧片闭合，FC端由高电平降为低电平。这样，每当叶轮转动一周，Ma端由低电平变为高电平为一次，FC端由高电平变为低电平一次，只有这样，CPU才认定为一个有效的脉冲信号，进行计数处理。（2）防磁功能的实现当外部有强磁场干扰时，干簧管2常开簧片处于闭合状态，FC端因此将一直处于低电平状态；主干簧管1常闭簧片处于断开状态，Ma1端一直处于高电平状态，通过施密特反相触发器输出低电平给端产生中断，然后CPU将查询P20端的电平状态，如果其一直是低电平状态，而并非由高电平变化到低电平，则CPU将作出系统有外部强磁场干扰的判断，取消此次脉冲计数，保护了用户的权益。 （3）断线功能的实现正常情况下P21端（DX）将一直处于高电平状态，如果FC线被剪断，则P21将处于高阻抗状态，CPU采取查询工作方式检测P21端（DX）的电位并非高电平状态，将做出DX断线的判断，发出控制信号驱动电磁阀关阀。2.1.3信号信号处理环节 本设计选用抗干扰性较强、低功耗的CMOS集成施密特触发器CC40106进行脉冲信号变换、整形以及鉴幅处理，即将主干簧管发出的脉冲信号经过施密特触发器CC40106倒相整形，传送给下位机，利用其中断功能进行计数运算处理。2.2电源系统硬件设计2.2.1电源系统的功能本电源的主要功能有以下几个方面：（1）为系统提供+5V的电源。（2）交、直流两用，以适应没有交流电源（220V）场合的紧急需要。（3）电池具有自动“充电”、“停充”的功能，即当电池电压达到额定值（+12V）时，停止充电；当电池电压下降到所设定的下限值（本电池设定为10V）时，电池电压达电池开始自动充电，直至到额定值时，自动停止充电。（4）交流正常供电时，电池进行“充电”或者“停充”（以涓涓细流放电）。（5）交流停电时，系统自动启用电池供电，同时电源系统通过交流掉电检测电路发出相应信号， CPU开始计时，当电池供电超过72小时时，CPU将控制电磁阀关阀，停止供水。如果在72小时交流电恢复供电时，系统将自动启用交流电，CPU计时取消，同时电池转为“充电”、“停充”的工作状态。电源系统原理图如图3.3所示。 图 3.2 电源系统原理图 2.2.2电源系统的工作原理（1）如图3.2所示，当交流电（220V）正常时，其经过变压器为整个单片机系统提供14V电压后，经D4、三端稳压器7805为系统提供+5V电源。交流变压器参数为220V/14V，20W，变压器的选取与设计在本设计中略去，下面主要介绍上述5种功能的实现。（2）本设计中E的额定电压取+12V。当交流电正常时，由于D3管处于反向截止状态，电池E将不对系统供电，而处于 “充电”或者“停充”状态。（3）当交流电断电时，备用电池E将通过D3、三端稳压器7805继续为系统提供+5V电源。（4）电池自动“充电”、“停充”功能的实现。电池电压自动检测及充电电路原理图如图3.3。 图 3.3 电池电压自动检测及充电电路如图3.3所示，由CB555、三极管、光电耦合器等组成对电池电压自动检测及充电电路。具体性能指标如下：当E10V时，电池“充电”10V E12V时，“停充”12V E 10V时，保持“停充”状态当E10V时，电池“充电”，系统按此规律循环对电池进行“充电”、“停充”。 VI1、VI2分别为555的两个输入端，3引脚为输出端。当555输出高电平时，触发光电耦合器导通，继而Q5导通，电池开始充电；当555输出低电平时，光电耦合器截止，继而Q5截止，电池停止充电。调节RP1、RP2，使得当E=12V，VI1=10/3V；当E=10时，VI2=5/3V。具体工作过程如下：E10 VI110/3V VI25/3V 555输出高电平 电池“充电”10E12 VI15/3V 555保持输出高电平 电池“充电”E12 VI110/3V VI25/3V 555输出低电平 电池“停充”10E12 VI110/3V VI25/3V 555保持输出低电平 电池“停充”E10 VI110/3V VI25/3V 555输出高电平 电池“充电”系统依此规律既可循环地对电池进行“充电”、“停充”。当RP1、RP2、R11、R12取得大电阻值时，即可使得电池在“停充”时以涓涓细流放电，本设计中取RP1=500K+100K；RP2=260K+100K。（5）二极管D2、D3、D4的作用是防止系统供电时电流回流。（6）电容C6、C9用于输入线上的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，本设计取值0.33F；C7、C10用于消除输出电压中的高频噪声，取值1F；电容C9、C11用于稳压、滤波。D5起保护7805的作用，防止断电时C7向7805的输出端放电。（7）交流电掉电检测功能的实现。当系统由于交流断电而启用电池时，本电源系统将通过交流掉电检测电路发出交流断电信号给CPU，通知CPU交流断电使其执行相应的掉电保护程序。如图3.4所示，交流掉电检测电路由A741组成的单限电压比较器、稳压二极管、施密特反向触发器组成： 图3.4 交流电掉电检测电路由图3.4可知，比较器的门限值为=（-R14/R13）*（1-1）当 时，比较器输出电压=-。在本设计中，取R13=5K，R14=10K，=-5V（由三端稳压器7905提供），因此可得=10V。取分压电阻R11=20K，R12=100K，当交流电正常时，交流检测输入端接入14V电源，此时，比较器输出低电平。当交流掉电时，输入端接入电池E（12V），此时 ，比较器输出端=+，经过74HC14输出低电平给产生中断，CPU开始计时，若72小时后交流电仍没有恢复，则CPU发出相应的控制信号关阀停止供水。若72小时之内交流电得以恢复，则CPU自动取消计时。2.3电磁阀驱动电路的设计对于水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开关状态。本设计中，IC卡计费水表的执行机构采用双稳态电磁阀，通过改变双稳态电磁阀线圈的脉冲电流方向就可以实现电磁阀的开与关，这种阀的最大特点就是维持阀的开通与关断都不需要维持电流，因此具有十分好的节能效果，只需在动作时给阀控制线圈一相应的脉冲电流之后，电磁阀自身就可以动作，并且依靠电磁力产生自锁维持其开或关的状态。当用户有剩余水量时，电磁阀保持开启状态。当出现以下情形之一时，系统将发出相应的控制信号可靠地关阀停止供水：（a）表内剩余水量为零（直到用户将交费充值后的卡插入卡座后，阀门将自动开启）；（b）当交流启用备用电源达72小时；（c）远传线断线；（d）外界强磁场干扰。2.4声光报警电路的设计当用户表内的剩余水量达到所设定的下限值时（本设计取0.5t），上位机的声光报警电路则会通过蜂鸣器与发光二极管进行声光报警，提示用户去购买水量。2.5 显示器单元设计2.5.1显示器的选取智能仪表一般都有显示器件，本设计中，IC卡水表通过显示器件可以显示用户的剩余水量与所折合的人民币数，使用户及时掌握自己的用水情况，以便计划（节约）用水与及时交纳水费。目前国内外使用较多显示器有三种：一种是用LED显示器；一种是LCD液晶显示器；还有一种是CRT。 CRT显示器一般情况下不适合应用于袖珍机器和仪表的显示。原因如下：（1）CRT显示器属于模拟设备，由于其采用的是电子枪成像，必然要一定的距离让电子加速，所以其体积必然不可能太小，就算采用了短管结构，其体积也很“硕大”，而液晶显示器由于其技术优势，其外形都很薄；（2）传统的CRT显示器由于需要高压驱动，其耗电量也是巨大，大约200W左右，而液晶显示器相对来说，功耗仅为40W左右，大约是传统显示器的五分之一左右。LED显示器件的工作电压低、功耗较小，工作温度范围宽，寿命长、成本低，机械强度高，亮度中等，易于与TTL数字逻辑电路连接。但是由于其体积相对较大，不适于本设计研制的IC卡水表，LCD更适合于本设计的实际情况，这是因为：LCD具有耗电低（比LED低得多，用电池就可以长期工作）、驱动电压低（比LED还低），结构空间小而有效面积大，体薄物清等优点，十分适合于袖珍机器和仪表的数字显示，为智能化仪器设计提供了良好条件。结合IC卡计费水表的实际情况，最终确定选取LCD作为显示器。2.5.2系统显示功能的实现HT1621与单片机的连线很简单，如图2.2所示，在本设计中HT1621与89C51只有3条管脚相连，即其DATA、分别与89C51的、相连。为片选断，低电平有效。为写信号输入端，出现上升沿时，数据通过数据线被锁进HT1621。89C51通过DATA管脚将剩余水量数据传给HT1621，然后由HT1621驱动LCD显示用户所剩余的水量。用户可以通过按纽K来切换LCD显示剩余水量以及剩余水量所折合的人民币数。2.6主控芯片的选取极其功能介绍选取控制芯片（CPU），必须既能满足功能要求，又能符合简化外围电路、降低整表成本，因此，合理的选取CPU是一个关键问题。在选择单片机系统的CPU时，主要应考虑以下因素：（1）功能.IC卡水表系统对运算速度的要求并不太高，只要能完成对信号的准确处理并能可靠地输出相应的控制信号，既只要能对用水情况进行相对准确的计量和及时供水、断水。（2）有利于简化外围电路。（3）低功耗。（4）价格因素。综合考虑以上因素，结合本设计的具体情况，最终确定选取ATMEL公司生产，低功耗、高性能的COMS8位单片机89C51为整个系统的控制芯片,内含4K字节的EEPROM，便于设计中反复调试，也可以减少外围接口芯片数目，使系统的结构紧凑。结 论IC卡水表的设计与实现，具有很好的经济效益与社会效益，本文提出的IC卡水表设计方法，同样对IC卡电表与煤气表的设计有参考作用。本文所设计的IC卡水表在实现IC卡水表基本功能基础上，又有着自己显著的特点：（1）信号采集电路采用2组干簧管进行信号采集。（2）备用电池有自动“充电”、