493 基于单片机的IC卡智能水表设计【毕业论文+CAD图纸】【机械全套资料】
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I 目 录 摘 要 . 1 . 2 第 1章 绪论 . 3 . 3 统水表 . 4 统水表的主要结构 . 4 统水表的主要特点 . 4 能水表 . 4 能水表的特点 . 5 内外智能水表的发 展现状及发展趋势 . 6 第 2章 智能水表的组成和单片机的选择 . 7 . 7 . 8 9 片机的基本 组 成 . 8 9片机引脚及其功能 . 9 第 3章 系统各模块硬件电路设计 . 10 . 10 射频 . 10 6152 读写模块 . 13 . 13 晶显示电路 . 16 晶显示模块 . 16 源模块 . 18 片机模块 . 20 忆单元电路 . 20 2. 20 . 22 件原理图 . 22 磁阀控制电路 . 23 它模块电路 . 24 第 4章 系统各模块软件设计 . 25 . 25 6152 内部寄存器 . 25 6152 通信协议与控制命令 . 27 . 31 晶显示电路软件设计 . 32 . 32 流程图及部分程序 . 34 忆单元电路软件设计 . 36 5 章 结论 . 37 参考文献 . 38 谢 辞 . 39 附录：电路图 . 40 1 基于单片机的 智能水表设计 摘 要 为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控制，减轻供水管理部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少每月抄表、收费所 带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，用现代科学技术手段改变自来水管理体制的落后现状，势在必行。基于单片机的 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 能水表得到了越来越广泛的应用。 本论文主要设计研究 基于单片机的 智能水表 电路 ，其主要功能是以 现 的读写，液晶显示的控制，电磁阀的控制，脉冲的提取，同时具有安全保护电路、记忆单元电路、通信接口电路，完成整个水表信号的读、写处理，监控水表工作的功能。本文 对每个模块逐一进行了研究， 全面详细地论述了硬件电路的设计流程，对本设计中 读写电路模块、 液晶显示 电路模块和 写电路模块等工作原理及功能进行了详细了说明。 关键词： 单片机； ；液晶显示；记忆模块 2 C n n to of of of to of of“of of of is of of of a of In on C is as C at to of In by of of C as 6152 in 3 第 1 章 绪论 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。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是分重要的战略措施。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。 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坟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 司的 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 容机接口，可以进行电话通信；德国 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。 4 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。 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。 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 。 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 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 5 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 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。 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。 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 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 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 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 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 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 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。 6 采用传统水表，这个跨越式很难完成的，而采用智能 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 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 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 水表的以上优点，将会使智能 水表逐渐被社会所接受并成为一种基本配置。 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： 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。 7 （ 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、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 智能水表的组成和单片机的选择 能水表系统硬件组成 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 8 所示。系统硬件电路由 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 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 片内置 4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 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 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。 图 件总体框图 片机简介 9 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 89片机芯片内包括： （ 1）一个 8 位的微处理器（ 。 （ 2）片内 256 字节数据存储器 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 4序存储器 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 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 串行 I/O 口，用于实现单片机之间或单片机与 之间的串行通信。 冲提取电路 电磁阀控制电路 安全保护电路 读写电路 读写电路 液晶显示电路 通信接口电路 记忆单元电路 通信插座 去脉冲 电磁阀 来自水量 传感器 9 （ 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。 9片机引脚及其功能 如图 示为单片机 引脚图。 图 片机 引脚图 （ 1） 19 脚）：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 （ 2） 18脚）：振荡器反相放大器的输出端。 （ 3） 9脚）：复位输入， 当振荡器工作时， （ 4） 39 32脚）： 位准双向 I/为漏极开路的输出端口，每位能驱动 8个 先向口锁存器写入全 1，此时 作为高阻抗输入。 （ 5） 10 17脚）： 位双向 I/个 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 上拉电阻输出电流。当 3口进行 用作第二功能输出 /输入线时，由内部硬件使锁存器 。 整个 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 0完成。在芯片擦除操作中，代码陈列全被写“ 1”且在任何非空 10 存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外， 有稳态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， 止工作。但 时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 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 口与第二功能表 端口引脚 第二功能 行输入口） 串行输出口 ) 中断 0） 中断 1） 0（定时器 /计数器 0） 1（定时器 /计数器 1） R（外部数据存储器写选通） D（外部数据存储器读选通） 第 3 章 系统各模块硬件电路设计 C 卡读写电路 射频 射频 的核心是 司制造的 50 系列微晶片，其内部包括 1速 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 信道保证和数据完整性方面， 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。 射频 的主要性能指标 如下。 11 （ 1） 1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 （ 8） 106快速数据传输速率。 （ 9）读写距离最大可达 10决于天线设计）。 （ 10）工作温度范围： 50。 C。 射频卡包含了两个部分： （ 1） 在 要包括波形转换模块和 形转换模块可将卡片读写器上的 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。 电复位），使各电路同步启动工作。 （ 2）数字电路部分模块 “请求之应答” ) 当一张 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 令后，卡片的 卡片 中的卡片类型（ 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 写器对卡片的其他操作（ 不会进行。 止（卡片）重叠功能 如果有多张 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 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。 12 重叠功能）启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号 列号 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 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“ 作。以使卡片真正地被选中。 被选中的 卡片将卡片上存储在 中的卡片的容量“ 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 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， 等。是卡片中内建的中央微处理机（ 元。 元 运算的结果进行暂时的存储。如果某些数据需要存储到 由控制及算术运算单元取出送到 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 处理，通过卡片上的天线传送给卡片读写器。 片离开读写器天线的有效工作范围内）将被清除。同时， 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。 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。 13 1卡片中的这一单元容量为 81961分为 16个扇区， 64个块。 6152 读写模块 图 6152基本结构示意图 写模块操作简单方便，读写过程稳定有效。它集成了 载天线电路和 22 接口的集成读写模块，还提供了 22 接口与 6152 需外界 +5V 电源供电。主要性能指标如下： （ 1）工作频率： （ 2）串行通信波特率： 96001920038400 57600可选。 （ 3）接口： 22/485。 （ 4）天线输出阻抗： 50K 欧姆。 （ 5）天线尺寸： 4570 （ 6）电源电压： +5V。 （ 7）电流供应： 80 （ 8）工作温度： +85 . （ 9）最大读写距离： 50 应用系统的硬件设计结构框图如图 示，总体原理图见附录 1。单片机本设计的核心器件，它主要完成了对射频卡（ 卡）的读写操作。11 10 0 1 14 写器对射频卡进行读写后通过串口电平转 换电路将 232 电平转换为单片机所识别的 平，从而达到了使用 片机来控制射频卡的读写过程。 图 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 写模块 3 部分电路组成，其工作原理分别如图 示。 图 片机模块 单片机 口电平 转换电路 报警电路 频卡 15 图 口电平转换模块 图 6152 读写模块 6152的控制输出，它控制 引脚为高电平时， 止工作； 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。 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 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 8 脚 )和 9)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 16 和手动复位两种。 图 7 中的 对外接口， 1对应 上的 1， 8对应 上的 1。 双色发光二极管，它表示当前 串口电平转换电路采用 司的 现。 单片机的 后与 口直接相连。 数据终端设备（ 数据通信设备（ 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 准（ 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
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