智能水表的设计与实现.doc

摘 要长期以来，自来水用户的用水量管理依靠人工抄表，由收费员到各家收费或各用户去银行交费。这种传统收取水费的做法需要的工作人员多，费时、费力、效率低，且常常出现用户欠费、迟缴或漏缴水费等问题，这给自来水公司和用户都带来很多的不方便与矛盾。基于单片机的IC卡智能水表不但可以提高供水部门的工作效率，而且在技术上为节约用水、合理用水创造了条件。由于这些特点，基于单片机的IC智能水表得到了越来越广泛的应用。本论文主要设计基于单片机的IC卡智能水表电路。系统包括以下几个功能模块：供电电源、流量传感器、IC卡读/写器、LCD显示模块、防拆电路、报警电路、主控芯片选用单片机AT89S51。智能水表作为一种顺应自来水行业发展需要的产品，它的出现极大的改善了传统管理模式下存在的抄表难、收费难等问题，改变了现有的用水机制，增强了人们的节水意识，实现了供水管理部门高效管理自动化。关键词：智能IC卡，读卡器，AT89S51，LCDABSTRACTFor a long time, the administration of the tap water scalar for the users has been relied on the copy of the water meter. With this method the toll collectors should drop in for the charge or the users consign to the bank themselves. This traditional method of the tap water charge needs a lot of workers. Whats more, the efficiency of this way is very low and it often engenders arrearage and evasion of the charge, which causes incovenience and conflict to both the users and the waterworks. The application of intelligent water meter not only improves work efficiency of the department supplying water, and realizes using water electronically but also creates a condition for using water frugally and rationally. Because of these characteristics, intelligent water meter obtained more and more widespread application.In this paper, the main design based on single-chip pre-charges the IC card water meter system hardware circuit design. The system concludes the following functional modules: power supply, flux sensor、IC card reader、LCD show module 、alarm circuit、tamper circuit, and the microcontroller AT89S51 as its master CMOS chip.As the product to conform the development of the tap water industry, intelligent water meter greatly decrease the difficulty in charge and the copy of the water meter. Whats more, it can change the current water mechanism, enhance the sense of saving water, and realize the automation in the water supply departments management.KEYWORDS: intelligent IC card, card reader, AT89S51, LCD目 录前 言1第1章 绪论51.1 传统水表51.1.1 传统水表的主要结构51.1.2 传统水表的特点51.2 智能水表61.2.1 智能水表介绍61.2.2 智能水表与传统水表的区别61.3 IC卡智能水表及其分类71.3.1 IC卡水表的概念71.3.2 IC卡智能水表分类8第2章 智能水表总体设计92.1 智能水表结构92.1.1 硬件部分92.1.2 软件部分102.2 AT89S51单片机性能介绍112.2.1 AT89S51的主要性能参数112.2.2 AT89S51的引脚功能及结构特框图122.2.3 AT89S51单片机的振荡器特性152.3 智能水表的功能152.4 系统的低功耗设计16第3章 智能水表各模块设计183.1 IC卡读写电路183.1.1 IC卡的基本概念183.1.2 IC卡及卡座的选用183.1.3 24C01工作原理及工作特性193.1.4 读写器的硬件设计193.2 电源电路213.2.1 MAX639转换器213.2.2 电源电路工作原理213.3 阀门控制电路223.4 流量计量模块电路223.4.1 流量计量原理223.4.2 流量计量模块原理图243.5 防拆电路253.6 LCD显示电路253.7 报警电路273.8 系统的安全性问题及其解决方案283.8.1 水表的安全性问题283.8.2 安全性问题的解决方案28第4章 系统各模块软件设计304.1 系统软件开发调试环境304.2 系统主程序流程图304.2.1 各模块程序流程图304.2.2 系统主程序314.3 系统各模块软件设计324.3.1 初始化模块324.3.2 水量计量模块334.3.3 IC卡处理模块344.3.4 LCD显示模块子程序344.3.5 阀门模块364.4 电源电压检测子程序36第5章 结论37参考文献39致 谢40附录 智能水表系统原理图41西安工程大学本科毕业设计（论文）前 言随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象日益严重，尤其是与人类生存息息相关的水资源。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。我国是世界上人均水资源拥有量贫乏的国家之一，节约和保护水资源是我国一项重要的战略措施。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，实现自来水收费管理的电子化、信息化、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并有助于节约费用、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，就组成了新一代“智能化仪表”，智能化仪表在测量过程使用自动化技术。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，兼有机械式与电子式读数功能，而且还配有IBMPC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，并开发了电卡式水表；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。目前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表和智能卡式水表系统方面的研究开发。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，因此只适用于一些新建住宅小区，在小区内组成相对独立的小网；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由于总线制智能水表采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，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。但由于是单表内设置单片机和后备电源，因而成本较高，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）IC卡、TM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。为了改变这个局面，自来水公司都乐意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，减少人为差错杜绝水贪污案件的发生。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。本次毕业设计以一种智能卡式水表为研究对象，它结合了控制技术、计算机技术、流体计量学等多方面技术，是一种跨专业的电子信息化系统。主要解决计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠性和稳定性、系统易用性和安全性等方面问题。为此，本课题将着重完成以下工作：1.智能卡的比较分析选择；2.智能卡式水表控制系统硬件部分的设计；3.智能卡式水表控制系统软件部分的设计；第1章 绪论1.1 传统水表传统水表的发展经历了漫长的年代，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。直到现在它很多领域还能继续发挥着作用。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。1.1.2 传统水表的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1.2.1 智能水表介绍随着微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。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，可以利用银行卡进行结算的特点。1.2.2 智能水表与传统水表的区别与传统水表相比，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有很大帮助。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，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。随着城市规模不断扩大、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有显著帮助。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处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给社会带来很多隐患的问题。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利用高科技手段对供水进行管理。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，比如可以有效解决用水纠纷，贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。6与远程抄表系统相比，智能IC卡水表使用和维护成本低，而且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 IC卡智能水表及其分类1.3.1 IC卡水表的概念IC卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、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，可利用银行卡进行结算的特点。1.3.2 IC卡智能水表分类IC卡智能水表是以带有民信装置的水表为计量基表，以IC卡为媒体，加装控制器和电控阀门所组成的一种具有预付费功能的水量计量仪表。从控制阀的结构分类，有电磁阀式卡表和电机阀式卡表；从卡的形式分类，有TM卡水表和IC卡水表。电磁阀式卡表是相对成熟的IC卡水表，它最大的优点是能耗低，可靠性高；最大的缺点是对水质要求高，水中泥沙和异物会影响电磁阀的可靠性。电机阀式卡表是近几年才出现的一种卡表。这种卡表的优点是对水质要求不高；缺点是能耗较大，可靠性差，阀门结构复杂。TM卡水表是IC卡水表中的一种。TM卡的优点是保密性好，体积小；缺点是通用性差，随着卡的技术的发展，被淘汰的风险大。IC卡水表是现时使用最广的卡表。IC卡通用性好，卡的来源广，和金融系统的电子货币卡较容易对接。第2章 智能水表总体设计2.1 智能水表结构智能水表的外观与一般水表的外观基本相似，其安装过程也基本相同。智能水表的使用很简单，从用户的角度讲就是把IC卡向水表里插一下。IC卡水表的工作过程一般如下：将含有金额的IC卡插入水表的IC卡读写器，经微机模块下载和识别金额后，阀门开启，用户可以正常用水。用户用水过程中，水量采集装置开始对用水量进行采集，转换成所需的电子信号供给微机模块进行计量，并在LCD模块上显示出来。当用户的剩余金额下降到一定数值时，微机模块进行声音报警，提示用户应该持卡去交费处购水。如果超过用水金额，微机模块会自动将阀门关闭，切断供水。直至用户插入已经交费的IC卡，微机模块将重新判断卡上余额是否为正值，若为正值，开启阀门，继续为用户供水，否则继续保持关阀状态。智能水表本质上是一种微机自检系统，由硬件和软件两部分组成。2.1.1 硬件部分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。系统硬件电路由阀门、流量传感器、微处理器、IC卡读/写器、显示器及电源等组成。以AT89S51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。图2-1 IC卡智能水表原理框图1.微处理器采用AT89S51 AT89S51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。本系统设计中单片机时钟电路采用12MHz晶振。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.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。2.1.2 软件部分软件部分主要包括监控程序和接口程序两大部分。监控程序主要用于监控仪表的显示器，完成显示处理后数据的任务。接口程序主要完成数据采集、数据存储、数据通信等任务。2.2 AT89S51单片机性能介绍AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它即可在线编程（ISP）又可用传统方法进行编程，集通用8位处理器于单片芯中，功能强大。AT89S51单片机可提供于许多高性价比的应用场合，灵活应用于各种控制领域。功能特性概述：AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至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，但允许RAM，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。2.2.1 AT89S51的主要性能参数与MCS-51产品指令系统完全兼容；4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器；1000次擦写周期；4.05.5V的工作电压范围；全静态工作模式：0Hz33MHz；三级程序加密锁；1288字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；全双工串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式；中断可从空闲模唤醒系统；看门狗（WDT）及双数据指针；掉电标识和快速编程特性；灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）2.2.2 AT89S51的引脚功能及结构特框图1.芯片引脚设置 a) DIP b) QFP图2-2 芯片的两种方式封装图AT89S51有40引脚双列直插（DIP）和44引脚（QFP）两种封装形式，如图2-2所示。引脚功能说明：VCC：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：Pl是内部自带上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。端口引脚第二功能：P1.5MOSI（用于ISP编程）；P1.6MISO（用于ISP编程）；P1.7SCK（用于ISP编程）。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRi指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/0 口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表2-1 P3口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/计数器 0 外部输入）P3.5T1（定时/计数器 1 外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）RST：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。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP。XTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.2.3 AT89S51单片机的振荡器特性AT89S51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容Cl、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF10F。2.3 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，当剩余水量不多时，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.可随时将累计用水量、本月用水量、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卡水表采用交/直流供电，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。2.4 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。为此本次设计主要采取了以下方法。1.选择低功耗微处理器 AT89S51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，其具有三种低功耗模式，即运行、空闲和掉电。在空闲模式下，除CPU处于休眠状态外其余硬件全部处于活动状态，芯片中程序未涉及到的数据存储器和特殊功能寄存器中的数据都将保持原值。空闲模式可由中断或者硬件复位唤醒；掉电模式下，保留寄存器和RAM的内容，外部晶振停振，定时器、串口全部停止工作，只有外部中断继续工作，空闲模式也可由中断或者硬件复位唤醒。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：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、报警中断或欠压中断输入时，才唤醒，执行相应的中断程序。第3章 智能水表各模块设计3.1 IC卡读写电路3.1.1 IC卡的基本概念IC卡又称集成电路卡，是随着半导体技术和存储器容量的要求日益提高应运而生的。它将具有加密、存储、处理能力的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，并封装成卡的形式，其外形与覆盖磁条的磁卡相似。开发IC卡技术的目的是实现现金支付和存兑的电子化、减少现金流通量、实现电子商务、实现公用事业预付费管理等。IC卡芯片具有存储数据和改写数据的能力，IC卡存储器中的内容可以根据需要有条件的供给外部读取，或供内部信息处理和判断用。根据IC卡内部所镶嵌的集成电路的不同，可将IC卡分为存储卡、逻辑加密卡、CPU卡等。3.1.2 IC卡及卡座的选用目前，在IC卡上应用得最多的为带加密运算的微控制器（MPU+CPU）如：飞利浦公司的83C852等。不带加密运算的微控制器（CPU） 逻辑控制、管理等功能如：日立公司的H8系列等。对于IC卡电路，逻辑加密存储卡极难买到，而且其加密、解密过程过于复杂，非有专业知识较难实现；CPU卡，虽然电路简单，成本亦不高，但是IC卡的内部数据处理过程较复杂，设计无需采用该类IC卡；射频CPU卡由于电路复杂，成本较高，调试困难。根据设计的特点和比较各种方案的可行度等因素，决定在设计中采用非加密存储器卡，具体型号是ATMEL公司的AT24C01A。要将IC卡可靠的接入电路，必然少不了IC卡和适配插座-IC卡座，它是构成IC卡与IC卡接口设备间的物理连接的部件。各厂家为迎合各类不同的使用需要，推出了多种多样的IC卡卡座，可以从触点的接触方式、卡的进退形式、外行尺寸和适用于特殊场合等方面进行区分，综合考虑适用、价格等因素，选择了按触点的接触方式区分的滑触式结构卡座KZ-B04（常开常闭型）。3.1.3 24C01工作原理及工作特性24C01的特点是单相电源供电，工作电压范围宽：2.5-5.5V；低功耗CMOS技术（100KHZ，2.5V和400KHZ，5V兼容），自定时写周期（包含自动擦除），页面写周期的典型值为2ns，具有硬件写保护。图3-1 24C01结构和引脚图24C01的结构和引脚如图3-1。其中，SCL为串行时钟端；SDA是串行数据端；WP为写保护，当WP为高电平存储器只读，当WP为低电平时存储器可读可写；A0、A1、A2是片选或块选。SDA为漏极开漏端，需外接上拉电阻到VCC。数据的结构为X8位。信号为电平触发，而非边沿触发。自动擦除（逻辑“1”）在每一个写周期内完成。24C01采用I2C规程，运用主从双向通信。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件可工作与接收器和发送器状态。总线必须有主器件控制，主器件产生串行时钟（SCL），控制总线的传送方向，并产生开始和停止条件。串行E2PROM为从器件。无论主控制器，还是从控制器，接收一个字后必须发出一个确认信号ACK。开始和停止位控制总线有效。操作在开始位控制下开始，再停止位控制下结束。开始位SCL为低，SDA为下降沿。停止位SCL为高，SDA为上升沿。当SCL为高时，数据稳定有效，在SCL脉冲的低电平期间数据SDA改变，变为所传输的数据位。对每一个SCL脉冲，只能传送一位数据。3.1.4 读写器的硬件设计IC卡读写模块为主控电路与IC卡的逻辑接口电路，它首先应能实现对IC卡的供电，并满足不带电插拔的要求（若带电插拔，有可能会给IC卡带来损伤，甚至损坏IC卡），这可以通过硬件和软件两方面来实现。如图3-1所示，当有IC卡插入时，ICKEY端口经过适当延时（10ms左右）发出一低电平发送至CPU的INT0，此时软件控制P1.4口输出低电平信号，通过小功率三极管9012控制系统的+5V电源切入，相同的，在软件设计时，当对IC卡的读写完成后，及时让ICKEY端口发出高电平，切断IC卡的供电电源，以便IC卡拔出。a）IC卡座部分连线b）单片机部分连线图3-2 IC卡读写电路原理图3.2 电源电路智能水表系统功能要求分析，系统采用交直流供电，选用高效率DC/DC转换器MAX639等构成。电源电路应包括电源稳压和电源检测两部分，原理图如图3-3所示。图3-3 电源模块原理图3.2.1 MAX639转换器MAX639 是MAXIM 公司生产的高效率、低功耗DC/DC转换器芯片。该芯片具有以下特点:(1) 转换效率高(90%以上)； (2) 输入电压范围宽(4V11.5V)；(3) 静态电流低(10uA)； (4) 输出电流最大可达225mA；(5) 有电源电压降低检测及休眠功能；(6) 3V或编程输出。3.2.2 电源电路工作原理图3-3中，220V交流电源经降压、整流、滤波、7806稳压后输出6V直流工作电压。6V电压一方面给电磁阀门供电，另一方面提供给MAX639进行DC/DC转换形成5V工作电压。在220V交流电源停止供电的情况下，由电池E1供电。MAX639的VFB接地，VOUT固定输电压5V，R3、C4、D3提供上电SHUTDOWN功能，以防止上电时电源的冲击对电路造成损坏。6V通过R1，R2分压后输入MAX639的低电压检测引脚LBI，作为电源电压降低检测信号。当LBI低于1.28V时，其LBO引脚输出0.4V的低电平信号，此信号可作为89S51的定时计数器0的有效中断请求信号(P3.4输入)；89S51响应中断后进行相应的处理，以避免IC卡表出错或被袭击。3.3 阀门控制电路在本系统中由单片机的P1.0和P1.1来控制电磁阀F1送水、停水。当P1.1为低电平时，继电器J1线圈得电触电吸合，电磁阀打开；当为P1.0低电平时，双稳态电磁阀失电关闭。D10、D11为续流二极管，保护其它元器件，确保其不被损坏，阀门控制电路原理图见图3-4。图3-4 阀门控制电路原理图3.4 流量计量模块电路3.4.1 流量计量原理智能水表的传感器主要是用来进行能量转换，即在普通机械旋翼式水表的转盘上加装传感器，将机械装盘转动计数转换成电信号输出给控制微处理器计数，从基本原理上大致可分为以下4种：1）干簧管传感器：在机械水表中加装干簧管和磁铁。利用干簧管的簧片在磁铁的循环作用下循环开闭，从而输出计量脉冲信号。2）霍尔传感器：在机械水表中加装霍尔元件和磁铁。构成基于磁电转换技术的传感器。安装在计数盘位上的磁铁随着计数转盘运转每经过霍尔元件一次，即由霍尔元件输出一个计数脉冲。霍尔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。霍尔开关传感器不适合应用在本低功耗设计中，原因在于，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。3）光电传感器：在机械水表的转盘处安装一个光电转换器。在转盘上有一条沟槽，转盘每转一圈。沟槽经过光束时转换器完成一次光