基于单片机的水表智能系统设计.doc

0 前言长期以来，我国城镇居民所使用的水表普遍是普通机械旋翼湿式水表，这种水表价格低廉，性能比较稳定，但是还采用人工抄表、按户收费的模式。此方式存在着工作量大，收费周期长，收费困难，效率低下等缺点。随着我国信息产业的飞速发展，金卡工程的全面实施，实现自来水收费管理的电子化、信息化及网络化已成为可能。水表系统的智能化可以大大提高供水管理部门的工作效率、节约费用，用以改善供水设施，提高居民饮水质量；同事还能为加强自来水使用的监督管理提供手段，从而在技术上为节约用水合理用水创造条件。随着为电子技术的不断发展，集成了处理器、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片单片机出现了。智能水表是一种以单片机为主体，结合计算机技术与测量控制技术，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。智能水表除了可对水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行自动控制，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。出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抄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，可以利用银行进行结算的特点。智能水表是一种可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。1 水表的发展1.1 传统水表传统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。1.1.1传统水表的主要结构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凋零、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。1.1.2 传统水表的主要特点传统水表的主要特点是自成体系，自我包容，用户无法更改。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。1.2智能水表随着为电子技术的不断发展，集成了处理器、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片单片机出现了。智能水表是一种以单片机为主体，结合计算机技术与测量控制技术，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。智能水表除了可对水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行自动控制，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。出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抄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，可以利用银行进行结算的特点。1.2.1 图例及介绍IC射频卡卡式水表智能水表系统实物图用途：用于供水方对流经自来水管道饮用水的用户进行先付费再用水，它的应用将彻底改变传统的自来水抄表收费计量方式。特点：1、预付费功能，先付费，后使用 2、阶梯水价，一卡多表 3、机械读表与电子读数的双重现实功能 4、独特的电池保护功能 5、性能稳定，适用范围广 6、功耗低，使用时间长使用原理：射频卡水表是一种以无线方式传送数据的集成电路卡片（射频卡）为载体的预付费水表。用户将水费交给管理部门，管理部门将购水量写入射频卡中，用户将射频卡中信息输入水表后，水表将自动开阀供水，在用户用水过程中，水表中的MCU自动核减剩余量，所购水量用尽后，水表将自动关阀断水，用户需重新购水后才能再次开阀供水。使用条件：水温40（热水表90） 水压1MPa最大允许误差：在从包括最小流量（Q1）在内到不包括分界流量（Q2）的低区中的最大允许误差为5%，在包括分界流量（Q2）在内到包括过载流量（Q4）的高区中的最大允许误差为2%1.2.2 与传统水表相比，智能水表有以下特点： 1对供水部门来说，可以实现先交费再供水的用水模式。这是大家都普遍认可的一个优点。这对解决水费托拖欠这个过去难以解决的问题会有帮助。供水部门推行IC卡水表的经验表明，人们普遍接受这一模式，供水部门不仅解决了拖欠交费的老大难问题，还可以提前收到资金。对用户来说，由于水费的支出在总支出中占得比重很小，这种改变，对用户来说，只是把水费的交付时间提前了一段时间，所以，用户并不敏感。但对供水部门来说，这种变化则是不能小看的。随着水资源的紧张和水的商品属性逐步被社会认可，水的交易将会逐渐采用一般商品的交易模式，显然，先交费后用水，是更合理的一种交易模式。2改变了入户抄表收费的模式。这种模式改变的意义是巨大的。由于城市规模不断扩大和居民户数快速增加，供水部门抄表和收费的工作量将不断加大。沿用传统的上门抄表模式，将很难适应这种变化。而现在由于各种原因的影响，人工入户抄表的效率已经在逐渐下降并且是这种模式的成本不断增加。解决这个问题，可以采用多种途径，但依靠技术进步来解决这个问题，应当是更值得提倡的方式。显然，采用智能IC卡水表及其管理系统，将可以从根本上改变由供水部门派人去千家万户抄表收费的模式。只要供水部门合理设置交费机构，基本上不会给用户带来麻烦。如果得到金融系统的配合，还可以减少布点的成本。因此大规模采用智能IC卡水表技术对降低供水部门的管理成本是会有显著帮助的。而使用IC卡进行交易结算，用户可以自主决定交费时间和数量，增大了用户的自主性。特别是随着人们家庭安全意识和隐私意识的增强，入户抄表和上面收费等随意进入私人住户的做法将逐渐不受欢迎甚至受到抵制，这是一个必须给予重视的社会发展趋势。而使用智能IC卡进行交易结算，将可以有效解决这个会带来很多社会隐患的问题。3可以有效解决一些技术难题。比如,随着水资源的紧张，将会逐步实行超计划水价甚至阶梯式水价等较为复杂的用水管理模式。这些，将对供水交易提出较高的技术要求。采用普遍水表和人工抄表的模式，是难以解决这些技术问题的，而采用智能IC卡水表，将很容易解决这些问题。4随着科学技术的发展，供水行业也需要逐步实现用高科技手段进行供水管理。采用传统水表，这个跨越式很难完成的，而采用智能IC卡水表，将为运用计算机技术进行现代化管理奠定一个技术基础。5当然，使用智能IC卡水表还有其他优点，比如可以有效解决尽量扯皮、用水纠纷，贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。6与远传抄表系统相比，智能IC卡水表具有使用和维护成本很低，没有布线h逐渐被社会所接受并成为一种基本配置。1.3 国内外智能水表的发展现状及发展趋势目前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表的智能卡式水表系统方面的研究开发，如宁波水表厂、上海自来水公司水表厂等都在相继开发远传水表，由于智能网络远传水表系统需要配套远传通信网络支持，其初期投资大，因此只适用于在一些新建住宅小区组成相对独立的小网，所以目前尚未大量投入市场；而后者采用先付费后用水的管理模式，在当前收费困难、人工抄表效率低下的情况下，更能获得供水管理部门的青睐。1.智能网络远传水表系统就目前来讲，智能网络远传水表又可分为分线制集中抄表方式和总线制智能抄表方式。（1）分线制集中抄表方式各种分线制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定时顺序采集来自多路分户线的水表信号，并进行数据处理、存储。各采集器之间采用总线制连接，最后连接到计算机。其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器。分线制集中抄表模式单纯从技术上讲较成熟，也节约成本（多户表共享一个采集器），但从实际情况看，分线制集中抄表模式存在如下缺点：1）由于每次水表的计量信号是通过分户线穿越较长距离到达采集器，中途任何一个环节出现疏漏都将使采集器采集不到数据，而且铺设分户线不仅使安装任务繁重，也存在许多隐患：短线、断线等。错综复杂的线路更使得维护工作困难重重。2）采集器均安装于现场，需专业人员调试系统并定期巡视维护，专业队伍日益“壮大”，维护费用也相应剧增。3）分线制集中抄表模式的风险不仅仅是各表风险的简单累加。如果采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集器上的所有户表数据丢失，集中抄表的风险无法有效分散，与测控系统强调的集中管理、分散控制的分布式设计思想相违背。（2）总线制智能抄表方式总线制智能水表由于采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，本表的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能水表本身完成，手抄器或电脑不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。另外因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保存（仅影响本表数据的读出），也不影响其它水表数据的读出，即使本次读数时该表总线出现故障，只需重新挂接好总线，无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。但由于单表内设置单片机和后备电源，成本较高，推广普及较慢。由于各表输出的总线只需挂接，可以减少分线制抄表方式大量烦琐的布线、系统调试任务以及后期使用过程中线路、系统维护等繁重劳动强度，也方便高层次设计如网络结构的设计、与其他系统（如安防、照明、空调、消防）共享开放式网络的设计，进而为用户提供完善、综合的配套服务。2.智能卡式水表系统智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展、单个智能卡及刷卡机性能价格比日益提高的特定时期应运而生的。主要有智能卡式水表、智能卡、读卡器、收费管理信息系统等组成。用户须在供水部门指定售卡点预购水后刷卡方能使用。它具有限量用水、解决用水收费纠纷的功能，这是其它抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能卡水表如同普通水表，无需铺设管线及线路维护，安装方便、维护简单；另外，智能卡水表自带数据采集模块、电源部分、电磁阀（电动阀）控制，由智能卡读入预购水量等信息，使用简单，动作可靠；并且它的前期投资费用低，因此正日益受到供水管理部门的青睐当前国内外水表的技术、工艺都在不断更新，逐步向下面几个方面发展：（1）远传户外抄读和计算机物业管理相结合。远传水表、集中抄读系统和二次仪表相配套的水表有广阔的发展前景。（2）卡、卡（智能卡式）水表和代码式水表将成为主流产品。这类水表适用于“先付费后用水”条件下的管理系统。我国当前水费收费难，不少地区和城市水费欠账的现象很多，如天津市一年可达1000万元。为了改变这个局面，自来水公司都欢迎采用这种结构的水表，所以国内有数十家企业在试制这种水表。（3）特种水表的发展，如热量表（或热能表）、污水表、特大流量计量水表（1米以上）的使用也是当今国内外水表的发展趋势。热量表是热水表的升级，用热量表计量替代热水表计量更为科学、合理。现在工业发达国家已批量生产，而大多数国家尚在研制中。国内外智能建筑的智能化正在逐步提升，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。2 智能水表总体设计2.1 智能水表的功能作为供水计量、自动计费的IC卡智能水表应该具有以下功能：1.根据所购水量，自动执行供、停水 当用户将购得的水卡（IC卡）插入水表时，表内系统在确认该卡有效后，自动打开阀门，进行正常供水。一旦用水量达到所购买水量，水表将自动关闭阀门，切断供水。2.具有自动报警功能 为方便于用户及时购买水卡，当用水量剩下最后一定量时，水表开始通过指示灯闪烁等方式发出报警信号，提醒用户应该及时购买水。3.可随时累计用水量、本月用水量和可用水量，通过水表显示器显示 为了方便于用户及时掌握用水情况，用户可以通过水表的液晶显示屏，查看累计用水量、本月用水量以及可用水量（水卡内还剩余水量）。4.采用动态加密算法，保证卡上数据安全性 对IC卡及卡表内信息进行加密，作到一卡一表，使系统不易被仿制和非法使用。5.有自动保护功能 当水表擅自拆卸时，表内自动保护系统将自动关闭阀门，停止供水并记录拆卸时间，以供查备。6.可对购水量进行累计 当用户插入购买水后的IC 卡时，水表将自动把水表结余水量与本次购买水量进行累计。7.断电保护功能 IC卡水表采用电池供电，水表的水量等重要信息参数均存储在EEPROM芯片里，其数据可保存多年以上，因此具有掉电保护功能，维护用户和自来水公司的利益。2.2 智能水表方案设计本水表电路的硬件设计原则是在低功耗的前提下，实现多功能，组成框图如图2.1 所示。系统硬件电路由 IC卡读写电路、液晶显示控制电路、电磁阀控制电路、脉冲提取电路、安全保护电路、记忆单元电路、通信接口电路组成，以AT89C51为核心控制芯片，完成整个水表信号的读、写处理，监控水表工作的功能。该CPU芯片内置4K的程序存储器，有32个多功能的I/O口，具有多个可编程的中断I/O口和数据串行通信口。并且，该芯片功耗低，特别适用于水表控制线路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地读取IC卡的数据，并控制电磁阀和液晶显示器的工作，同时还可以将水表的数据存入E2ROM进行永久保存并可通过串口送至表外的数据终端，大大地提高了该水表的智能化的功能。本水表采用电池供电。AT89C51脉冲提取电路电磁阀控制电路安全保护电路IC卡读写电路IC卡读写电路液晶显示电路通信接口电路记忆单元电路IC卡座通信插座去脉冲电磁阀来自水量传感器图2-1 IC卡智能水表原理框图1.微处理器采用AT89C51 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。详细介绍见本章第二节。本系统设计中单片机时钟电路采用晶振12MHz，复位采用按键电平复位电路。2.水表的供电电源电路 为确保水表系统在意外断电时不使数据丢失，因此供电系统采用交/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.电磁阀门 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。4.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。5.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。6.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2.3智能水表的低功耗、可靠性与抗干扰性设计2.3.1 系统的低功耗设计本IC卡水表作为家庭用表，采用了交/直流两种供电方式，但在以下两种情况下，必须采用直流供电：（1）在停电的情况下；（2）某些场合无法采用交流供电的情况下。水表的直流供电必须采用电池或内置电池，而电池的容量又非常有限，因此水表的功耗问题设计也是尤为重要。1.选择低功耗微处理器 AT89C51单片机是目前简单易用且低功耗特性好的兼容 51 语言的中小型单片机，其具有两种低功耗模式，即空闲和掉电模式。在空闲模式下，振荡器继续运行，时钟信号继续提供给中断逻辑、串行口、定时器，程序停止执行；掉电模式下，保留寄存器和 RAM 的内容，冻结振荡器，终止芯片的其它功能。并且这两种省电模式的切换方式非常简单，只要在单片机的 PCON 寄存器的 IDL 位置位即可进入空闲模式，同样对 PD 位置位进入掉电模式。在本系统中，单片机通常工作在具有更低功耗的掉电模式下，此时芯片功耗仅和芯片供电电源有关。2.选择低功耗电动阀 阀门是IC卡智能水表的重要器件，本系统中采用的是电动球阀，它对工作电压要求不高，在3V电压下也能正常工作，而且工作时电流仅50mA，可以直接驱动。正常供水情况下，电动阀处于常开状态，驱动机构不消耗电能；当购买的水量用完时，电磁阀关闭并自锁于常闭状态。3.选择低功耗器件 要降低系统功耗，其他的器件也必须为低功耗型，如选用 COMS（Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物半导体）器件，CMOS 器件，它最大的优点是微功耗（静态功耗几乎为零），其次是输出逻辑电平范围大，因而抗干扰能力强，同时它的工作温度范围也很宽。器件参数的选用也注意低功耗。包括：（1）采用低压差的电源稳压芯片；（2）采用液晶显示相关信息，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，接通液晶电源显示所需信息； （3）软件设计时尽量使单片机处在低功耗的掉电模式下，并配合外部电路降低系统功耗。充分利用 单片机的中断功能，来减少 CPU 的运行时间。单片机通常处于掉电模式下，当有水流计量中断、插卡中断、磁干扰输入中断、报警中断或欠压中断输入时，才唤醒，执行相应的中断程序。2.3.2 系统的可靠性设计为了提高本设计系统的可靠性，减少系统运行中的故障和寿命期内的失效率，在本课题的相关模块设计中，主要着重考虑了以下几点：（1）在满足性能设计要求的基础上，尽可能简化硬件电路，选用标准化器件。在选择功率器件时采用较高的安全系数，进行软件优化和固化，从而提高各模块部件的互换性、可靠性和可修复性。比如在本控制系统中，在选择电动阀门控制电路器件时，考虑到在阀门启动瞬间，电流比较大，有可能损坏器件，因此，选择了功率比较大的三极管。（2）对IC卡信息的加密和解密设计。在本智能水表系统中采用普通的24C01系列的IC卡，因此，对IC卡信息的加密和解密是决定IC卡安全可靠的关键，在设计中占有重要地位，具体办法是：用户卡在每次购买水时，均由上位机根据剩余水量等信息随机生成3B的密码因子存入IC卡，依次对IC卡进行动态加密；卡表内的加密和解密程序读取IC卡信息后，进行逆向处理，达到解密的目的，然后对数据进行相应处理。采用这种方法后，可有效防止IC卡的非法复制与数据非法修改，保证IC卡的安全性。2.3.3 系统的抗干扰性设计抗干扰设计，其实是系统可靠性设计中的一部分，是从系统偶然出错的角度进行分析。在一般的控制系统中，干扰窜入的渠道有三种：空间干扰（场干扰），通过电磁波窜入系统；过程通道干扰，干扰通过与主机相连的前向通道、后向通道以及与主机相连的相互通道进入；电源干扰。下面就本系统中所采取的抗干扰措施作简要介绍：（1）由于本系统中的基表计数机构与测量机构经磁耦合传动，采用干簧管水量计量发讯。为防止用户采用电磁干扰来进行偷水、窃水活动，另外增加了一个防人为电磁干扰的措施，即和计量发讯干簧管并排再放置一干簧管，但它的触动开关值比发讯干簧管稍高，因此，当用户用电磁进行干扰时，只要磁力高过一定限值，防电磁干扰的干簧管闭合，单片机检测到此信号即可进行相应操作，有效防止人为的电磁干扰现象。（2）电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电系统的电源上。电路中微控制器的复位线，中断线，以及其它一些控制线最容易受外界噪声的干扰。即使是电池供电的系统，电池本身也有高频噪声，干扰系统的运行。因此消除电源干扰是保证系统可靠运行的重要一步。在此，主要是在电路板的电源和地之间并接去耦电容，即 10F 的电解电容和一个 0.1F 的电容，来消除电源干扰。在要求电源质量不是很高的智能水表系统中，取得了比较好的效果。（3）电路板是电路系统中器件、信号线、电源线的高度集合体，电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大，所以印刷电路板设计决不仅仅是器件、线路的简单布局安排，还必须符合抗干扰的设计原则。通常有下述的抗干扰措施。1）去耦电容的配置在电路板的各个关键部位配置去耦电容是电路板设计的常规做法，在此采用如下几种方法：a、电源输入端跨接 10F 的电解电容器和一个 0.1F 的陶瓷电容器；b、为每个集成电路芯片都安置一个 0.01F 的陶瓷电容器。这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz20MHz 范围内阻抗小于 1 欧姆，而且漏电流很小；c、电容引线尽量短，特别是高频旁路电容不用引线。2）电源线和地线布置根据电流的大小，加粗相关导线，并使电源线和地线的走向和数据的传递方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。接地线尽量加粗，如果地线比较窄，接地电位则随着电流的变化而变化，致使微控制器的定时信号电平不稳，抗干扰性能变坏。因此，尽量将地线加粗，使它能通过三倍于电路板上的允许电流。3 智能水表的系统硬件设计3.1AT89C51单片机简介3.1.1 89C51单片机的基本组成在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，即89C51单片机芯片内包括：（1）一个8位的微处理器（CPU）。（2）片内256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。（3）片内4KB程序存储器Flash ROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。（4）4个8位并行I/O端口P0-P3,每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。（5）两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式。（6）具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。（7）一个全双工UART的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。（9）具有节电工作方式，即休闲方式和掉电方式。以上各个部分通过片内八位数据总线相连接。3.1.2 89C51单片机引脚及其功能如图3.1所示为单片机AT89C51的引脚图。图3.1 单片机AT89C51的引脚图（1）XTAL1（19脚）：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。（2）XTAL2（18脚）：振荡器反相放大器的输出端。（3）RST（9脚）：复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。（4）P0口（3932脚）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。（5）P3口（1017脚）：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O多功能口。P3口输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。当CPU不对P3口进行SFR寻址访问时，即用作第二功能输出/输入线时，由内部硬件使锁存器Q置1。整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码陈列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 表3.1 P3口与第二功能表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD (串行输出口)P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时器/计数器0）P3.5T1（定时器/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）3.2 IC卡读写电路3.2.1 Mifare 1射频IC卡Mifare 1射频IC卡的核心是Philips公司制造的Mifare 1 IC S50系列微晶片，其内部包括1KB高速EEPROM、数字控制模块和一个高效率射频天线模块。卡片本身不带电池供电，工作时将卡片放在读写器的有效工作区域，卡片读写器的天线发送无线电载波信号耦合到卡片上的天线提供电源能量，其电压可达2V以上，足以满足卡片上的IC电路供电需要。在信道保证和数据完整性方面，Mifare 1标准还提供了信道检测、存储数据冗余校验、三次传递认证以及防冲突机制等功能，保证了数据交换过程的安全。Mifare 1射频IC卡的主要性能指标如下。（1）1KB的EEPROM，分为16个扇区，每个扇区分为4块，每块16B，以块为存取单位。（2）每个扇区有独立的一组（2个）密码及存取权限设置。（3）每张卡有唯一的32位序列号。（4）具有防冲突机制、支持多卡操作。（5）无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通信逻辑电路。（6）数据可保存10年，可反复写10万次。（7）工作频率为13.56MHZ。（8）106kbps 的快速数据传输速率。（9）读写距离最大可达10cm（取决于天线设计）。（10）工作温度范围：-20- +50。C。Mifare 1射频卡包含了两个部分：RF射频接口电路和数字电路部分。（1）RF射频接口电路在RF射频接口电路中，主要包括波形转换模块和POR模块。波形转换模块可将卡片读写器上的13.56MHZ的无线电调制频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。POR模块主要是对卡片上的各个电路进行POWER-ON-RESET（上电复位），使各电路同步启动工作。（2）数字电路部分模块ATR模块：Answer to Request (“请求之应答”)当一张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出REQUEST all（或REQUEST std）命令后，卡片的ATR将启动，将卡片Block 0 中的卡片类型（TagType）号共2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行第一步的ATR工作，读写器对卡片的其他操作（Read/Write等）将不会进行。Anticollision模块：防止（卡片）重叠功能 如果有多张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，AntiCollision模块的防重叠功能将被启动工作，在程序员控制下的卡片读写器会与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于Mifare 1卡片每一张都具有唯一的系列号，决不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列号来识别、区分已选的卡片。卡片读写器中的MCM中的Anticollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。Anticollision模块（防重叠功能）启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号Serial Number。序列号Serial Number存储在卡片的Block 0中，共有5个字节，实际有用的为4个字节，另一个字节为序列号Serial Number的校验字节。Select Application 模块：主要用于卡片的选择当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行“SELECT”操作。以使卡片真正地被选中。被选中的卡片将卡片上存储在BLOCK 0 中的卡片的容量“SIZE”字节传送给读写器。当读写器收到这一字节后，可以对卡片进行深一步的操作，例如，可以进行密码验证等等。认证及存取控制模块在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的Read/Write操作。Mifare 1 卡片上有16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“一卡通”形式来应用。控制及算术运算单元这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的“头脑”。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤。同时它还对各种收/发的数据进行算术运算处理，递增/递减处理，CRC运算处理，等等。是卡片中内建的中央微处理机（MCU)单元。RAM/ROM 单元RAM主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时的存储。如果某些数据需要存储到EEPROM，则由控制及算术运算单元取出送到EEPROM存储器中；如果某些数据需要传送给读写器，则由控制及算术运算单元取出，经过RF射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读写器。RAM中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）将被清除。同时，ROM中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令控制，使卡片能有条不紊地与卡片的读写器进行数据通信。数据加密单元 该单元完成对数据的加密处理及密码保护。存储器及其接口电路该单元主要用于存储数据。EEPROM中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）仍将被保持，用户所要存储的数据被存放在该单元中。Mifare 1卡片中的这一单元容量为8196bit（1Kbyte），分为16个扇区，64个块。11 10 H201014x20 13.2.2 H6152读写模块图3.2 H6152基本结构示意图H6152的基本结构如图3.1所示。图中，对外通信的接口为J3和J4。J3口共有7针，包括RS-232/422的接口引脚和读写器模块的电源端，接地端，具体的功能定义如下：（1）引脚1：保留引脚（2）引脚 2：5V电源脚（3）引脚 3：接地端（4）引脚 4：A路串行接收RxD（RS-232/422）（5）引脚 5：A路串行发送TxD（RS-232/422）（6）引脚 6：B路串行接收RxD（RS-422）（7）引脚 7：B路串行发送TxD（RS-422）J4口为4针接口，提供电源和操作状态的LED灯指示信号，具体的定义如下：（1）引脚1：读过程LED指示的正端。（2）引脚2：读过程LED指示的负端。（3）引脚3：供电LED指示的正端。（4）引脚4：供电LED指示的负端。H6152读写模块操作简单方便，读写过程稳定有效。它集成了PCB板载天线电路和RS-232/422接口的集成读写模块，还提供了RS-232/422接口与TTL接口的转换电路。H6152需外界+5V电源供电。主要性能指标如下：（1）工作频率：13.56MHz。（2）串行通信波特率：9600bps、19200bps、38400bps和57600bps4种可选。（3）接口：RS-232/422/485。（4）天线输出阻抗：50K欧姆。（5）天线尺寸：45mm70mm。（6）电源电压：+5V。（7）电流供应：80mA。（8）工作温度：-40+85.（9）最大读写距离：50mm。3.2.3 IC卡读写电路的原理及说明单片机AT89C51串口电平转换电路IC卡读写器报警电路Mifare1射频卡IC卡应用系统的硬件设计结构框图如图3.2所示，总体原理图见附录1。单片机AT89C51是本设计的核心器件，它主要完成了对射频卡（MIFARE 1卡）的读写操作。H6152读写器对射频卡进行读写后通过串口电平转换电路将RS232电平转换为单片机所识别的TTL电平，从而达到了使用AT89C51单片机来控制射频卡的读写过程。图3.3硬件设计结构框图硬件电路由单片机模块、串口电平转换模块和H6152读写模块3部分电路组成，其工作原理分别如图3.4、图3.5、图3.6所示。图3.4 单片机模块图3.5 串口电平转换模块图3.6H6152读写模块U1为单片机芯片AT89C51，其P1.0脚为单片机对H6152的控制输出，它控制H6152的工作状态，该引脚为高电平时，H6152停止工作；P1.1脚为单片机对蜂鸣器的控制输出，为低电平时，蜂鸣器发出蜂鸣声。XTAL0 和 XTAL1 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，则XTAL1不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。本设计的外部时钟电路是将XTAL0(18脚)和XTAL1(19)脚分别对接外部晶体和微调电容的两端所构成。另外单片机中还带有复位端，为了安全方便，单片机采用了上电自动复位和手动复位两种。图7中的U3为H6152的对外接口，1-7脚对应H6152板上的J3的1-7针，8-11脚对应H6152板上的J4的1-4针。L1为双色发光二极管，它表示当前H6152的工作状态。串口电平转换电路采用Maxim公司的MAX3232实现。MAX3232将单片机的TTL电平转为RS-232，然后与H6152的RS-232接口直接相连。RS-232C是数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口标准，是在微机接口应用中常用的一种串行通信总线标准，全称为EIA-RS-232C标准（Electoronic Industrial Associate Recommended Standard-232C）。RS-232C标准的信号线共25根，其中只定义了22根。这22根信号线又分为主、辅两个信道，大多数微机串行通信系统中都只使用主信道的信号线。在通信中，即便是只使用主信道，也并非主信道的所有信号都要连接，一般情况下只需使用其中的9根信号线，这就是为什么在微机的机箱上串行通信接口（如COM1、COM2）只有9根的原因。RS-232C串行通信接口标准中，对于发送端，规定5V15V表示逻辑“1”（MARK信号），用5V15V表示逻辑“0”（SPACE信号），内阻为几百欧姆，可以带2500pF的电容负载。负载开路时电压不得超过25V。对于接收端，电压低于3V表示逻辑“1”，高于3V表示逻辑“0”。 设计中单片机选用ATMEL公司的芯片AT89C51，它可以完全满足设计的功能要求。3.3 液晶显示电路3.3.1 液晶显示模块 液晶显示模块选用图形液晶显示模块GXM12864，它内含KS0108B/HD61202控制器，是一种采用低功耗CMOS技术实现的点阵图形LCD模块，有8位的微处理器接口，通过内部的12864位映射DDRAM实现128点64点大小的平板显示。该液晶显示模块使用KS0108B作为列驱动器，同时使用KS0107B作为行驱动器。KS0107B不与CPU发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号，比较简单。液晶显示模块GXM12864的工作原理图如图3.7所示。图3.7 液晶显示模块GXM12864的工作原理图电位器R15的作用是调节提供给驱动器的供压，从而调节液晶显示的对比度。RST是复位脚，接高电平Vout1。数据线DB0DB7和单片机的P0口相连，控制线D/I、R/W和片选线/CSA、/CSB分别与单片机P2口的6、5、1、0脚相连，使能线与P2.3相连。在进行液晶显示模块的硬件调试时务必注意正确的接线，尤其是正负电源的接线不能有错，否则会烧坏电路上的芯片。为避免液晶模块的损坏，在加液晶驱动电压V0/VEE时需要比加逻辑电压VDD滞后50ms；在关电时，液晶驱动电压V0/VEE需要比逻辑电压VDD提前50ms关断。GXM12864的引脚定义如表3.2所示。表3.2GXM12864的引脚定义引脚名称引脚定义/CSA、/CSB片选1、2VSS数字地VDD逻辑电源+5VV0对比度调节D/I指令数据通道R/W读/写选择E使能信号、高电平有效DB0-DB78位数据线RST复位信号VEE液晶驱动电源A、K背光正电源端、背光接地端3.3.2 电源模块在一般情况下，液晶器件的驱动需要两种不同的电源电压，一种是+5V(工作电压)，另一种是-10V(背景光对比度调节电压)。所以，使用液晶模块时，需要设计专门的液晶电源电路。液晶电源电路的作用就是将电压转换成这两种电压信号输出，为液晶显示模块提供工作电压。本设计中系统采用电池供电，其输入电压为+3V，所以电源部分的设计要求为+3V输入，+5V和-10V双电压输出。MAX1677是双电压输出升压DC-DC变换器，它是一种专门为LCD提供电源的芯片，可以产生两种可调电压输出。其输入电压范围（0.7-5.5V）较大，可以依据不同系统提供的安装电池的空间和所需的不同电池电压与容量，灵活的选择电池的种类。电源模块电路如图3.8所示。图中，MAX1677的输入电压Vin=3V，输出两路电压Vout1和Vout2，分别是+5V和-10V，+5V为系统电源，而-10V作为液晶显示模块的背光电源。图3.8 电源模块电路电路中的其他器件说明如下。L1、L2为CoilCraft的DO1608C-103表贴磁芯电感，电感值为10Uh。D1、D2是反相耐压大于16V的肖特基二极管，也可选用具有相同耐压参数的其他型号二极管。电阻R11和R12的比值决定了主输出电压值Vout（对应图中的Vout1）需满足下面的公式： R11=R12*Vout/1.25-1 （R12的取值范围为10-200千欧姆）电阻R14和R13的比值决定了LCD对比度输出的电压值VLCD(对应图中的Vout2)需满足下面的公式： R14=R13*|VLCD|/1.25（V） （R14的取值范围为500-2000千欧姆）电阻R8和R7的比值决定了系统欠电压监测的门槛电压值VTRIP需满足下面的公式：R8=R7*VTRIP/0.614-1 (R7130千欧姆)当电池正常时，电池电压过低，输出引脚LBO输出保持高电平；一旦电池电压低于门槛电压，LBO引脚输出为低电平。如果不是用欠电压监测的话，只需要将第三引脚（LBI）接地即可。在原理图中，Vin为电源电路的输入端，连接两节1.5V的电池形成便携式仪表的电源；Vout1连接MAX1677的第16引脚，输出+5V的电压，作为系统的电源电压；Vout2连接MAX1677的10引脚，输出-10V的电压，作为液晶显示模块的背光电源电压。3.3.3 单片机模块由于内部液晶控制器的存在，单片机可直接与GXM12864相连，不必使用其他的接口芯片。由于单片机采用Atmel公司的AT89C51,将液晶模块作为存储器的一部分，直接进行I/O操作。AT89C51的P0口直接与液晶模块的数据总线DB0DB7相连；P2口的0、1、3、5、6引脚分别和液晶模块的/CSB、/CSA、E、R/W、D/I相连，在单片机程序执行过程中，对它们作相应的控制。3.4 记忆单元电路3.4.1 I2C总线简介I2C总线，是Inter Integrated Circuit Bus的缩写，即“内部集成电路总线”。I2C总线是Philips公司推出的一种双向二线制总线。目前，Philips公司和其他集成电路制造商推出了很多基于I2C总线的外围器件。I2C总线包括一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）。协议允许总线接入多个器件，并支持多主工作。总线中的器件既可以作为主控器也可以作为被控器，既可以是发送器也可以是接收器。总线按照一定的通信协议进行数据交换。在每次数据交换开始，作为主控器的器件需要通过总线竞争获得主控权，并启动一次数据交换。一个典型的I2C总线标准的IC