智能水量表自供电系统设计与研究.docx

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智能水量表自供电系统设计与研究

摘要

伴随着能源需求的持续增长，国家提倡创建高效节约型社会，能源的充分利用就显得尤为重要。

以往的智能水表解决了传统的人工抄表方式，杜绝了水表的漏抄、少抄、欠费等种种弊端，而本课题提出智能水表的自供电模式，在节能的同时进而实现了能源的有效利用。

在整个系统硬件上，设计了以Atmeage16L为中央处理器的一系列低功耗外围电路，包括直流发电机电路、升压和稳压电路、蓄电池充电电路、电源电压检测电路、流量检测电路、LCD显示电路等。

在保证外围电路完成各自功能的同时，通过自供电技术和单片机外围电路的各种优化设计，实现了系统电源有效利用，而且增强了硬件平台的抗干扰能力。

关键词：

智能水表ATmeage16L低功耗自供电技术

ABSTRACT

Withcontinuousgrowthoftheenergydemanding,thecountryadvocatestocreateefficientconservation-orientedsociety,thefulluseofenergybecomesmoreimportant.ThepastIntelligentWater-metersolvethetraditionalmanualmeter-readingmethods,andpreventthewatermetersismissedandlesscopied,oweafeeandotherdefects,AndthispapersuggeststheIntelligentWater-meterself-poweredmode,achievesenergyconservationandtheeffectiveuseofenergy.

Intheentirehardwaresystem,thepaperdesignedaseriesoflow-powerexternalcircuitwiththeAtmeage16Lcentralprocessingunit，IncludingtheDCgeneratorcircuit,andtheboostcircuitsandtheregulatorscircuit,thechargingcircuitforbattery,thedetectioncircuitforthevoltageofpowersupply,thetrafficdetectioncircuit,LCDdisplaycircuit,andsoon.Ensuringtheexternalcircuitcompletedrespectivefunctions,withself-poweredtechnologyandtheexternalcircuitoftheSCMdesign,itachievedtheeffectiveuseofthepowersystem,andenhancedtheanti-jammingcapabilitiesofthehardwareplatform.

Keywords:

IntelligentWater-meterATmeage16LLow-powerSelf-powered

technology

第一章绪论

本章主要介绍智能水表在国内外发展的情况,在当前社会背景下,智能水表的重要意义和发展趋势,以及本课题研究的意义和主要内容。

1.1引言

伴随着国家提出建设高效节约型社会的口号，能源的有效利就显得尤为重要，而智能IC卡水表将会在节水和环境保护方面做出重要的贡献。

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。

它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、可利用银行进行结算等特点。

在水价较低、水表总量相对较少的时后，多户共用一个水表分摊交费已经出现了很多纠纷，而且在自来水公司抄表收费方面，也是存在着很大的劳动量等问题。

随着居民总量的提高、用水量的提高、水价的提高，抄表收费问题和矛盾日渐突出。

智能IC卡水表取代以往老式的机械式水表，使收费更合理，用经济的杠杆来实现大家节约用水，而自供电技术的支持，又是从节电的方面考虑，从而实现真正意义上的节能环保。

目前，我国的水资源问题十分严峻，从长远来看，搞好水资源的管理具有重大而深远的意义。

随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象也日益严重，尤其是与人类生存息息相关的水资源。

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技先进、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。

在水资源的使用当中，多年来一直采取由查表人员入户查表收费的方式，但是由于城市人口稠密，住宅分散，高层居民住宅不断增加，人工抄表收费的方法不仅劳动强度大而且还存在着入户难、管理费用高、安全性等问题，成为水费收缴难的一个重要原因，同时这种模式在计算机技术、自动化技术、信息管理系统飞速发展和迅速普及的今天，显得极为原始。

我国自来水行业也一直在致力于解决这个问题。

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，提高居民饮用水质量；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。

我国科技工作者经过不懈努力，于九十年代末研制出的IC卡（智能卡）式预付费水表为我国自来水行业管理水平的提高提供了可靠的保障，成为自来水实现自动化管理的理想产品，并显示出良好的发展前景。

IC卡式预付费水表是把以大规模集成电路技术为基础的IC卡与高精度的阀门式数字水表相接合的新型智能式水表，用户使用时，持IC智能电子卡到自来水供应部门所设的IC卡式水表收费站按自己的需要交款购买一定数量的水，即“先买水，后用水”，这就从根本上解决了困扰自来水行业多年的收水费难的问题，同时该表还具有随时查询购水量、自动监控、抗干扰性强、电路简单、成本低，可靠性高等多种功能。

另外，IC卡式水表对于节水管理也有一定的意义，据不完全统计，使用一年以上的用户，平均节水达到20%。

综合考虑我国自来水行业的现状和IC卡式预付费水表的特点，可以得出这样的结论，即该产品在相当长的时间内市场发展前景十分广阔，是一个具有规模经济效益的行业产品。

IC卡式智能水表水费收缴管理信息系统就是为水费收缴管理部门及其下属各收费站研制开发的针对IC卡式水表用户的水费计费、收缴、查询、票据处理以及为管理者提供的用水监管和决策分析的完整、准确的管理系统。

该系统的使用不仅使整个收费过程自动的进行，节省了大量的人力劳动，同时为广大用户提供了强大的查询功能，方便、快捷；另一方面，完善了水表和用户信息的管理，使水表和用户的资料的管理制度化并为管理者的决策提供了可靠的依据。

1.2智能水表的国内外发展状况及关键技术

“金卡工程”的广泛实施，使IC卡在非金融领域的应用更加广泛，它可以实现收费管理的现代化取得良好的经济效益和社会效益。

在厂矿企业用水大户、居民小区采用预付费IC卡水表，将彻底改变自来水公司水费的收缴方式，由过去繁琐的人工抄表、手工计价，转变为公司、厂矿、居民等用户持卡购水消费方式，进而实现水费收缴管理微机化，大大降低自来水公司管理部门的营运成本，对用户而言可免去每月应付上门抄表的麻烦。

同时，IC卡自来水表的广泛使用，可以改变过去用水无度的现状，保障水资源有计划地使用，避免水资源的浪费，对我们这个淡水资源缺乏的国家来说意义重大。

国内智能水表的发展现状：

我国目前的智能化水表新产品开发基本上是借鉴国外的先进模式，因为国外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，而且还配备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的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。

本课题就是在综合了国内外水表的发展现况和未来趋势的情况下提出的。

国外智能IC卡水表的发展：

法国是IC卡的诞生地，它是推出IC卡最早和使用IC卡最多的国家，也是生产厂商最多技术水平领先的国家，在金融财务领域使用IC卡为全球之冠，仅1989年就达近500万张，几乎占全球该领域IC卡用量的1/10。

该国生产IC卡的厂商很多，比较著名的有Gemplus、SAGEM、Bull、CKD公司等，现以Gemplus公司为例，该公司是世界上最大IC卡制造商之一，也是世界IC卡技术和应用领域的开拓者和领导者，在公用电话、移动通信、电子钱包、信用卡、收费电视、医疗保险、门禁识别、交通管理等应用领域均处于世界领先地位，目前月产量已超过3000万张，卡种近60种，行销近70个国家，几乎占全世界市场的50%，而且年年还在创新，发展新品种，该公司在世界各地设立了不少分支机构，提供多种技术服务。

日本在法国人发明IC卡的同年，也推出了IC卡，卡片上有一个或多芯片，能产生特殊信号。

此卡很快进入市场并推广应用，1984年IC卡首先用于银行的资产管理，1985年用于医疗卫生健康管理系统，1986年销售IC卡近25万张，1989年销售IC卡约100万张，1995年增至200万张，1997年成倍增长，IC卡制造厂商越来越多，除官方外，仅地方公司就有Fujistu.Qmron.Toshiba.TopPanvrinting，easiomieroea记等，为夺取IC卡市场优势，日本政府和地方都积极参与IC卡的研制、发行及应用推广工作，使IC卡产业的各个环节都得到顺利发展。

美国在磁卡研制的应用方面居世界之冠，网络通信又很发达，为了保护已有的设备投资，不急于用IC卡来取代磁卡，因此IC卡的应用方面不如法国和日本，但在安全技术等领域的研究方面先于其他各国。

近几年，生产厂商越来越多，以DATACard公司为例，它是世界有名IC卡及系统服务公司之一，该公司生产的IC卡销售90多个国家和地区，很快使其IC卡产业超过法国和日本，而居领导地位。

据不完全统计，美国用于军事方面的多功能IC卡达500多万张，用于银行业务的卡达400多万张，用于医疗保健方面IC卡近20万张等。

可见，美国IC卡市场在军用与银行业务万面远远超过其它应用领域，所以美国在IC卡技术及其安全可靠性方面，很快会在全球范围内处于领导地位，对法国和日本IC卡产业的冲击将越来越大。

智能化水表系统作为一种民用的高科技项目。

在计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠性、收费管理信息系统的易用性和安全性等方面必然要有较高的要求。

就本课题所研究的智能卡式水表系统来讲，主要解决以下几个方面的关键技术问题。

1直流发电机发电电路

系统根据自来水管的口径和水流的大小及快慢，要选择一款性价比合适，而且能为系统发电的直流电机，当水流冲击叶片时候要有合适的电流和电压，以供后面的电路来处理和使用。

2升压电路稳压电路

当直流发电机被水流冲击后，直流发电机就有电流产生，此时的电压不能直接向系统供电，必须经过升压和稳压电路处理后才可以向系统供电。

3电压监测电路

系统采用桥式电路进行电压实时监测，当系统电压正常时，输出为高电平;当系统电压低于保护值时，变为低电平，单片机检测到该信号后，即控制液晶显示模块显示欠压，并同时伴有蜂鸣器的蜂鸣声，以提醒用户更换电池。

4电源保护电路

为有效保护系统电源，本电路可对电池盒位置进行高灵敏度检测。

当电池盒被拉开时，保护电路输出低电平，单片机检测到该信号后，即控制阀门关断。

直到电池安装好并将电池盒推入表内正常位置时，单片机才会再次控制阀门重新开阀供水。

5液晶显示及声光报警电路

液晶显示电路采用12864LCD通信模块制作，可显示电压正常、电压欠压、水量、关阀、无效卡等信息状态及其任意组合，报警电路采用高响蜂鸣器，由单片机控制发出报警。

基于以上对控制策略的分析与研究，本系统是一个要求高速、高效、高可靠性的控制系统。

要由一个能满足这些条件的控制器来控制系统的正常运行，并希望其价位适宜，这样才能更好的使研究成果向产品化发展。

因此，单片机的选型十分重要。

第二章AVR单片机的原理及应用

2.1微处理器的介绍及选择

单片机又称微控制器（microcontroller），是指在同一块集成电路中集成CPU,

因其主要用于控制，所以又称微控制器（MCU）。

它在一块芯片上集成了一台微型计算机必需的基本功能部件，包括中央处理器（CPU）、只读寄存器（CROM）、输入输出口（I/0口），可编程定时器/计数器等。

单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点，它的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的功能，现在都可通过软件来完成。

从1974年美国仙童公司生产出第一块单片机开始，在短短几十年中，单片机发展迅速，由4位、8位一直到16位单片机，目前32位的超大规模集成电路单片机（T414）也已面世，同时性能也不断提高。

目前单片机已成为工控领域、军事领域及日常生活中最广泛使用的控制系统。

自从1976年Intel公司推出MCS-48系列单片机以来，单片机技术得到了迅速的推广，已被广泛用于军事、工业、通讯、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提高，而电路设计更简单、故障率低、可靠性高且成本低廉。

除了应用范围的扩大之外，随着产品智能化的需要和微电子技术的不断进步，单片机本身的发展也愈加迅速，目前己有上百家厂商生产几千种型号的单片机。

跟在Intel公司之后进入单片机竞争市场的公司GeneralInstruments，NationalSemiconductor,Motorola，Philips/Signetics，Zilog，AMD，Hitachi，Toshiba，Microchip和Atmel，以及其他一些公司。

目前，单片机正向着高速度、低功耗、低成本、多档次、使用方便及外围接口丰富等方向发展。

单片机选型

单片机是系统硬件设计的核心，不仅如此，它也直接决定着软件设计中的开发语言、开发工具的选择，进而影响到开发的难易性、开发周期。

单片机已有30多年的发展历史了，目前已有上百家厂商生产几千种型号的单片机。

对单片机选型的依据一般是：

CPU的处理速度、可用的片内外设的数量、功耗、价格、开发工具等。

本次设计采用的是美国ATMEL公司的ATmegal6单片机。

2.1.1AVR单片机的简介

高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。

早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采用较高分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。

ATMEL公司推出的AVR单片机，彻底打破这种就设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集（RISC），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。

当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。

ATMEL公司也是FLASH内存技术开发的世界领头人。

FLASH是一种具有非易失性（nonvolatile）但可以重复编程的存储器，由于它能提供嵌入式系统编程的解决方案，所以大大推进了ATMEL在微控制器领域中的发展。

90年代初，ATMEL率先把MCS-51内核与其FLASH技术相结合，推出了轰动业界的AT89系列单片机。

至今ATMEL在MCS-51市场上仍占据主要份额。

1997年，ATMEL挪威设计中心的A先生与V先生出于市场需求的考虑，充分发挥其FLASH技术优势，推出了全新配置的精简指令集（RISC）单片机，简称AVR。

几年来，AVR单片机已形成系列产品，其ATtiny,AT90与ATmega分别对应为低、中、高档产品。

ATmega系列是ATMEL公司2002年推出的新款，它针对无需太多外围引脚、需要大量运算、程序代码较长、功能较复杂的应用，具有较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路；它不但具有以上所述AVR单片机的共性，还具有很多的增强功能，比如它内置硬件乘法器，一条乘法指令只需两个时钟周期。

最近，伴随着ATmega系列单片机不断降价，和同类产品相比，它所具有的性价比显而易见。

这些特点使得ATmega系列单片机在国内外工业控制领域得到广泛的应用。

在AVR大家庭中尤为突出的是一款新型AVR高档单片机ATmega16。

2.1.2AVR单片机的优点

ATMEL在设计AVR系列单片机时吸取PIC及8051单片机的优点，并作了重大改进，有如下优点：

1）AVR单片机吸收了DSP双总线的特点，运用Harvard体系结构（具有预取指令功能），这使得大多数指令可以在一个处理器时钟周期内完成。

如果使用MIPS（MillionsofInstructionsPerSecond,每秒所执行的百万条指令数）来衡量计算速度，一个8MHz时钟频率的AVR处理器的数据吞吐率可达8MIPS，相当于32MHz的PIC处理器（内部对输入时钟进行4分频），相当于96MHz的标准8051（内部对输入时钟进行12分频）。

可以说，它是8位单片机中第一种真正的RISC单片机。

2）程序存储器由可擦写1000次以上的FLASH构成，并具有较大容量可擦写100000次以上的EEPROM，便于多次更改程序而不必浪费单片机或电路板。

3）AVR程序的写入可以使用万用编程器，也支持ISP（InSystemProgramming，在线编程）功能。

也就是说可以直接在电路板上进行程序的修改，方便程序的升级。

4）工业级产品。

具有（吸入电流）20mA或40mA（单一输出）大电流，可直接驱动LED或继电器；具有看门狗定时器（WDT），防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。

5）并行I/0口的输入输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗输入相似外，也可设定类似8051系列内部上拉电阻作输入端的功能，以满足各种应用特性所需，AVR是真正的I/0口，能正确反映I/0口的输入/输出真实情况。

6）像8051一样，不同中断向量的入口地址不同，可快速响应，而不会像PIC一样，所有的中断都在同一向量地址，需要以程序判别后才可响应。

7）AVR单片机有内置的POR（上电复位）和BOD（电源电压检测），只要在复位端接一个上拉电阻就可以了，不必使用外部复位。

8）计数器/定时器：

有8位和16位，可作比较器、计数器外部中断和PWM用于控制输出。

9）进入门槛低。

对于经济条件有限又想学习单片机的初学者来讲，这是一个绝佳的学习机会。

我们可以自己动手做ISP下载线（最简单的并行下载线仅需4个电阻），利用FLASH程序存储器可多次擦写的特点，再加上ATMEL提供的汇编和仿真软件，这样就可以代替昂贵的硬件仿真器来开发AVR单片机了。

10）低功耗。

AVR单片机采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造，并且具有6种睡眠模式，结合AVRRISC核心结构的发展，能在对功耗要求很低的情况下提供令人惊讶的功能。

AVR单片机，特别是ATmega系列所具有的这些优异特征使设计者可以使用最少的外围元件完成复杂的系统功能，从而简化了硬件电路的设计，提高了硬件电路的可靠性。

2.3ATmeage16单片机的应用

ATmega16，是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

RISC是相对于CISC（复杂指令集计算机）而言的。

RISC并非只是简单地去少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。

RISC优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；并固定指令长度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运算速度。

由于ATmegal6单片机采用RISC的这种结构使它可以具备1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16单片机的Flash程序存储器空间可以分成两段：

引导程序段（Bootprogramsection）和应用程序段（Applicationprogramsection）。

两个段的读写保护可以分别通过设置对应的锁定位（Lockbits）来实现。

在引导程序段内驻留的引导程序中，可以使用SPM指令，实现对应用程序段的写操作（实现在应用自编程IAP功能，使系统能够自己更新系统程序）。

ATmegal6有如下特点：

16k字节的可在线编程FLASH（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM,1k字节SRAM，32个通用I/0口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数（T/C），片内/外中断，可编程串行USART（通用同步/异步收发器），有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAMT/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑止模式时终止CPU和处理异步定时器与ADC以外所有I/0模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

ATmegal6是以ATMEL高密度非易失性存储器技术生产的。

片内ISPFLASH允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通过编程器进行编程，也可以通过允许于AVR内核之中的引导程序进行编程。

引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用FLASH储存区。

在更新应用FLASH储存区时引导FLASH的程序继续允许，实现了RWWCReadWhileWrite，在写时读）操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的FLASH集成在一个芯片内，ATmegal6成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

ATmegal6具有一整套的编程与系统开发工具，包括：

C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器及评估板。

2.3ATmeage16单片机电路图设计

ATmeage16单片机采用外部石英晶体振荡电路，为40脚的双列直插封装模式。