重硬件——基于单片机的智能水表的设计毕业设计.doc

重硬件基于单片机的智能水表的设计毕业设计目 录摘 要IAbstractII目 录1第1章 绪论11.1课题背景及意义11.2 传统水表21.2.1 传统水表的主要结构21.2.2 传统水表的主要特点21.3 智能水表21.3.1 智能水表的特点31.3.2 国内外智能水表的发展现状及发展趋势4第2章 智能水表的硬件设计62.1设计思想62.1.1 方案比较62.1.2 方案选择82.2智能水表的工作原理82.3智能水表的硬件结构92.3智能水表各模块芯片及器件的选型102.3.1微处理器的选择102.3.2传感器的选择132.3.3记忆单元组成的选择172.3.4控制阀门的选择192.3.5 IC卡的选择202.4各模块硬件电路设计212.4.1 IC卡读写电路212.4.2 液晶显示电路272.4.3 电源模块282.4.4 单片机模块302.4.5 记忆单元电路302.4.6 电磁阀控制电路的设计312.4.7 电源的设计332.4.8 检测模块的设计352.4.9 报警电路362.4.10防拆电路372.4.11复位电路372.4.12时钟电路382.4.13信号处理模块的设计392.4.14其它模块电路40第3章 智能水表的软件设计41第4章 关于智能水表的节能及安全问题434.1 IC卡智能水表的低功耗问题434.2 低功耗解决方案434.3 IC卡智能水表的安全性问题444.4 安全性问题解决方案444.5对水表的物理性攻击的防范办法45第5章 结 论46参考文献47谢 辞48附录491.相关电路图492.相关程序512.1报警程序512.2蜂鸣器程序522.3时钟程序523.protel电气原理图设计软件介绍543.1 protel电路板设计软件553.2 原理图的绘制563.3 PCB图的绘制564.外文资料翻译AT89C2051单片机简介59第1章 绪论1.1课题背景及意义随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象日益严重，尤其是与人类生存嘻嘻相关的水资源日益缺乏。水是宝贵的环境资源，也是我国可持续发展战略的重要物质基础。但是，我国是世界上人均水资源拥有量是分贫乏的国家之一，节约和保护水资源是我国当前一项十分重要的战略措施。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的首要任务。要加强用水的科学管理，最重要的是加速研究开发科学先进、应用方便的节水科学管理仪表以及这种仪表的普及应用。因此研制一种低功耗、计量精确方便的智能水表显得极为重要。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；同时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。微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表机构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，智能化仪表在测量过程自动化。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高。我国目前智能水表新产品开发基本上是借鉴国外先进模式，因为国外在此方面的研究设计起步较早。例如ABB公司的KENT水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时间及各户用水量，建有机械式与电子式读数功能，而且还配有IBM PC兼容机接口，可以进行电话通信；德国Sameco公司的新型水表可显示上一年与本年度用水量以及日期与时间等，并开发电卡式水表；此外，日本、以色列等国也相继推出自己的新产品。国内的一些企业也对多种智能化水表系统作了研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并未投入大批量生产。从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展目标来看，我国的传统水表必须进行改进，才能适应社会和经济的发展。1.2 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。1.2.1 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。1.2.2 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。1.3 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。智能水表是除了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。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。1.3.1 智能水表的特点与传统水表相比，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的比重很小，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这种模式的成本在不断增加。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，入户抄表和上门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。采用普通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，这个跨越是很难完成的，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，没有布线造成的混乱和高故障率等问题。智能IC卡水表的以上优点，将会使智能IC卡水表逐渐被社会所接受并成为一种基本配置。1.3.2 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：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。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。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所有数据丢失，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死相违背。（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，水表的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能水表本身完场，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（仅影响水表数据的读出），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、卡式智能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。主要由智能卡式水表、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，购水后刷卡方能使用。它具有有限用水量、解决用水收费纠纷的功能，这是其他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，因此日益受到供水管理部门的青睐。根据我国金卡工程的长远发展建设来看，单纯地将普通机械式水表转化成机械式+电子式固然已迈出了重要的一步，但是还不够完善，因为水表的计量预收费及管理自动化将是大势所趋。未来信息技术的发展必将朝着网络化的方向发展，作为楼宇自动化发展的方向的一个重要方面|智能化水表系统。因此如何设计合适的平台，将自动抄表系统、远程监控报警系统、家居安防系统等无“缝隙”地与数据网及控制网连接起来，开发出能体现优良的综合性、互操作性、方便实际现场安装维护的一体化智能系统将成为今后一段时期内的热点。第2章 智能水表的硬件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。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。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E2PROM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。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。2.1.1 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AT89C2051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。2.1.2 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。2.2智能水表的工作原理智能水表以单片机为主体，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。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。智能水表以AT89C2051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。智能水表工作时，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。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。智能水表的主系统框图如图2.1所示。图2.1 主系统框图2.3智能水表的硬件结构系统硬件电路由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AT89C2051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。其硬件结构框图如图2.2所示。IC卡座通信插座去脉冲电磁阀来自水量传感器CPU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卡读写电路显示/报警电路通信接口电路记忆单元电路电源模块图2.2 硬件结构框图2.3智能水表各模块芯片及器件的选型2.3.1微处理器的选择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。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。（1）AT89C51单片机简介1.AT89C51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。2. AT89C51单片机引脚及其功能如图2.3所示为单片机AT89C51的引脚图。图2.3 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。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）表2.1 P3口与第二功能表（2）AT89C2051单片机简介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。1.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2.4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。图2.4 AT89C2051的引脚图2.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。图2.5 复位电路和时钟电路结合上述选型依据，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。2.3.2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。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。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. 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2.6所示。图2.6 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2.7(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2.7(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2.7(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2.7(c)所示。图2.7 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2.8(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2.8(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2.8(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3.8(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2.8(e) 所示6。图2.8 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。2.3.3记忆单元组成的选择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器件，其内部不仅有I2C接口电路，还可将内部各单元电路划分成若干相对独立的模块，它只有二根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。CPU可以通过指令对各功能模块进行控制，各种被控制电路均并联在这条总线上，所以每个电路和模块都有唯一的地址。在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器）。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量（数据）两部分。地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。I2C总线接口电路如图2.9所示。图2.9 I2C总线接口电路I2C总线的器件分为主器件和从器件。主器件的功能是启动在总线上传送数据，并产生时钟脉冲，以允许与被寻址的器件进行数据传送。被寻址的器件，称为从器件。一般来讲，任何器件均可以称为从器件，只有单片机才能称为主器件。主、从器件对偶出现，工作在接收还是发送数据方式，由器件的功能和数据传送方向所决定。传统的单片机串行接口的发送和接收一般都分别各用一条线，而I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其工作于发送或接收方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器，而当其从主线上接收信息时，又成为接收器。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I2C总线的控制完全由挂在总线上的主器件送出地址和数据决定，在总线上，既没有中心机也没有优先级。总线上主和从（即发送和接收）的关系取决于此时数据传送的方向。SDA和SCL都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到电源端。连接总线器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能，当总线空闲时，两根线都是高电平。I2C总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kb/s，在快速模式下可达400kb/s，在高速模式下可达3.4Mb/s。连接到总线的接口数量只由总线电容是400pF的限制决定。2. AT24C01简介AT24C01是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V）、擦写次数多（大于10 000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。AT24C01中带有片内寻址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的操作。所有字节都以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8字节的数据。图2.10为AT24C01的引脚图。各引脚功能如下：图2.10 AT24C01的引脚图SCL:串行时钟。在该引脚的上升沿时，系统将数据输入到每个EEPROM器件，在下降沿时输出。SDA：串行数据。该引脚为开漏极驱动，可双向传送数据。A0A2:器件/页面寻址。为器件地址输入端。Wp：硬件写保护。当该引脚为高电平时禁止写入，为低电平时可正常读/写数据。Vcc：电源。一般输入+5V电压。Vss：接地。经过分析和比较，本设计的记忆单元中采用I2C总线接口，存储单元采用AT24C01以满足本设计的要求。2.3.4控制阀门的选择智能水表中，控制阀门也是关键的部分，要求压力损失小、体积小、功耗低，达到国家建设部颁布的水表行业标准要求。由于智能水表只能采用电池供电，而且要求长期稳定工作。如果阀门功耗大，只能采用大容量电池，不仅增加了成本，而且智能水表体积也必须增大，并且电池瞬间供电能力有限，功耗大到一定程度增加电池容量也不能解决问题。智能化水表中的控制阀门有很多种，有电磁阀、普通球阀、先导阀、电动阀等。(1)普通球阀：功耗大，难以达到行业标准。(2)先导阀：先导阀门是利用阀门进出口压力差通过导阀放大来控制主阀开关动 作由主阀、导阀、电机、减速器、阀芯等组成，这种阀门的优点是先导阀的阀门开启和关闭的主要驱动力来源于管道内介质的压力，因此阀门开、关所需起动力矩及工作力矩很小，类似晶体管放大原理或杠杆原理，它的阀瓣是橡胶的，属软密封，留有一定压量，因此密封性好，先导阀安装简单，功耗低，但是压力损失大，先导阀小孔 易被杂物堵塞造成阀门失效，而且结构较复杂，同时成本稍高。(3)电动阀：主要有电动球阀、电动陶瓷阀、电动先导阀等。(4)电磁阀：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。2.3.5 IC卡的选择由于水表中采用IC卡存储用户所购买的用水量等信息，如果IC卡一旦被非法复制、伪造，必将给供水管理造成巨大的损失。在IC卡水表中所涉及的区域及完成的功能有：(1)制造代号和发行商代号的识别：IC卡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 IC卡从水表中拔出去交费更新时，必然会切断供水，这可能会给用户带来一些不便。为此，在 IC卡水表中增加了数据存储器 EPROM，当将 IC卡插入水表后，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 IC卡从表中拔出，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IC卡不需长期插在水表中，有利于延长卡的使用寿命。综合以上叙述，本智能水表系统中选用一种带有加密功能、能防伪造、防复制且价格较低并且能够重复使用的IC卡。本设计中选用的SLE4442卡是由SIMENSE公司设计生产的逻辑加密芯片，具有2K的存储容量和完全独立的可编程加密代码存储器（PSC），内部电压提升电路保证了芯片能够以单+5V电压供电，较大的存储容量能够满足通常应用领域的各种要求。SLE4442卡，以其优良的性能价格比，近年来在中国被广泛应用于医疗、交通、企业管理以及水、电、气、商业预收费等领域中11。该芯片特点：（1）用多存储器结构。（2）2线连接协议，串行接口满足ISO7816同步传送协议。（3）芯片采用NMOS工艺技术，每字节的擦除/写入编程时间为2.5MS。（4）存储器具有至少100000次的擦除/写入周期，数据保持时间至少为10年。（5）按字节写保护最低32个地址 （字节0-31）具有不可逆性。2.4各模块硬件电路设计2.4.1 IC卡读写电路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，