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ic卡智能水表

摘要

长期以来，自来水用户的用水量管理依靠人工抄表，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、迟缴和漏缴水费等问题，基于单片机的IC智能水表得到了越来越广泛的应用。

本系统以AT89C2051单片机为核心部件，通过韦根传感器检测用水量，运用IC卡读写及加密技术，实现购水与用水量管理。

本文完成了系统的硬件电路设计。

硬件电路采用模块化设计，包括信号处理模块、IC卡接口电路、电磁阀驱动电路、报警电路、数码显示电路等。

信号处理模块是对传感器产生的电信号进行处理送给单片机；IC卡接口电路是由单片机控制来对IC卡进行读写操作；电磁阀驱动电路采用光电耦合器进行隔离；报警电路是当剩余水量不足和电池欠压等情况下产生报警；显示电路作为水表的输出接口，显示剩余水量、用水总量等信息。

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：

单片机；韦根传感器；IC卡；智能水表；低功耗

Abstract

Foralongtime,theadministrationofthetapwaterscalarfortheusershasbeenreliedonthecopyofthewatermeter.Thetraditionalmethodofthetapwaterchargeneedsalotofworkers,time-consuming,thehardsledding,theefficiencyarelow,alsoappearstheusermoneyowedfrequently,lategivesandleaksgivesquestionsandsoonwaterfee,obtainedthemoreandmorewidespreadapplicationbasedonthemonolithicintegratedcircuitICintelligencewatermeter.

ThesystemtakeAT89C2051monolithicintegratedcircuitasthecorepart,throughtheWeirootsensorexaminationwaterconsumption,utilizestheICcardread-writeandtheencryptiontechnology,therealitypurchasesforcashthewaterandthewaterconsumptionmanagement.Thisarticlehascompletedthesystemhardwarecircuitdesign.Thehardwareelectriccircuitusesthemodulardesign,includingthesignalprocessingmodule,theICcardconnectionelectriccircuit,thesolenoidvalveactuatestheelectriccircuit,thealarmcircuit,thenumericalcodedisplaycircuitandsoon.Thesignalprocessingmoduleistheelectricalsignalwhichproducestothesensorcarriesonprocessingtogivethemonolithicintegratedcircuit;TheICcardconnectionelectriccircuitiscontrolsbythemonolithicintegratedcircuitcarriesontheread-writeoperationtotheICcard;Thesolenoidvalveactuatestheelectriccircuittousethephotoelectricitycouplertocarryontheisolation;Thealarmcircuitiswhenthesurpluswatervolumeinsufficiencyandthebatteryowepressandsooninthesituationstoproducereporttothepolice;Thedisplaycircuittakesthewatermetertheoutputconnection,informationsandsoondemonstrationsurpluswatervolume,waterusedtotalquantity.

Astheproducttoconformthedevelopmentofthetapwaterindustry,intelligentwatermetergreatlydecreasethedifficultyinchargeandthecopyofthewatermeter.What’smore,itcanchangethecurrentwatermechanism,enhancethesenseofsavingwater,andrealizetheautomationinthewatersupplydepartment’smanagement.

Keywords：

Single-chipcomputer；Wiegandsensor；ICcard；Intelligentwater

meter；lowpowerconsumption

目录

第1章绪论1

1.1本研究课题的背景及意义1

1.2本研究课题的发展趋势2

1.3本文的工作3

第2章整体方案设计4

2.1设计要求4

2.2方案比较4

2.3方案选择6

2.4系统总体方案的设计6

第3章单元硬件电路的设计8

3.1微处理器8

3.1.1单片机AT89C2051简介8

3.1.2晶振与复位电路的设计8

3.2传感器的选择9

3.2.1霍尔开关传感器9

3.2.2光电检测传感器错误！

未定义书签。

3.2.3Wiegand（韦根）传感器10

3.3信号处理模块的设计11

3.4电磁阀的选择与设计12

3.5片外数据存储器的设计14

3.6IC卡及其接口电路的设计15

3.6.1基于AT24C0X系列的IC卡15

3.6.2IC卡的接口电路的设计16

3.7报警电路的设计17

3.8显示电路的设计18

3.9电源的设计19

3.10检测模块的设计20

第4章IC卡智能水表的软件设计21

4.1主程序的设计21

4.2水表脉冲计量程序21

4.3外部中断程序24

4.4IC卡的读写软件设计25

4.4.1SDA和SCL信号26

4.4.2IC卡的写操作27

4.4.3IC卡的读操作28

4.4.4IC卡芯片的控制字节和器件寻址28

4.4.5IC卡处理程序流程图29

4.5片外数据存储器读写软件设计29

4.6显示子程序30

第5章PCB的制作32

第6章结论35

参考文献36

致谢38

附录Ⅰ39

附录Ⅱ46

附录Ⅲ47

附录IV58

第1章绪论

本研究课题的背景及意义

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。

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。

本研究课题的发展趋势

随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化将是一个必然的发展方向。

这不仅是中国的一种趋势，也将成为世界性的趋势。

而在近十年里，单体式智能IC卡类仪表又将会是发展主流。

从理论上说，网络式智能仪表系统应当是更好的一种计量管理模式，并且是最终发展方向。

但是目前，由于网络式智能仪表系统的建立条件不成熟，且没有相关系统相配合，所以，单独在一个部门大规模推动建立网络式智能仪表系统的优点显现不出来。

而且，仅仅为了提取用水信息就要构建一个信息网络，从经济角度讲也不合算。

　　建立网络式智能仪表信息系统的理想模式应当是，由公共网络部门建立起社会化的网络系统，而要使用这个网络的具体部门只要向其进行申请，将自己行业的智能计量终端挂接上去就可以了。

同时，这种网络式智能仪表管理系统又与个人金融网络系统结合使用。

这种网络系统，应当才是好的和有效率的网络系统。

显然，整个社会现在正在努力推进着网络化的工作，在可以预见的时间里，这种把千家万户连接起来的网络系统就会逐步形成。

所以，既然整个社会正在进行着这种工作，那么，每个部门为了自己行业的一种特别目的去建立自己单独的网络，显然将与这种可以面向社会提供各种接入服务的网络系统相冲突，并且根本不可能有经济优势，既然这样，现在进行的小行业小区域组网工作就是一种浪费，而且对解决供水部门的管理问题并没有什么根本性的帮助。

那么，现在普遍采用的单体式智能仪表模式与将来的网络化管理模式是否会发生冲突呢，我的看法是不会，相反，还会促进网络化管理模式的形成。

因为，单体式智能仪表模式与将来的网络模式并不矛盾。

因为不管什么网络模式，最终必须要有智能终端与其进行联结。

现在采用的单体式智能仪表将来就可以作为网络管理系统的智能仪表终端。

所以，它们不是一种冲突关系，而是一种相承关系。

如果现在就能充分意识到这一点，并寻找合理的技术方案，在将来实现网络化时就会占有主动的地位。

　　根据以上的分析，我认为，现在采用的单体式智能仪表发展模式是合理的，是适合现时需求并具有主流特征的。

当然，在密集度较高的建筑群里采用的一线四表控制系统也是值得推广和具有合理发展前景的。

为了推动IC卡智能水表的发展，全国有许多研究机构投入力量对IC卡类智能产品进行了开发研究，很多自来水公司也积极参与了此项开发工作并成功的开发出了自己的产品。

从理论角度看，IC卡智能水表已经进入了成熟期。

但是，为什么现在IC卡智能水表的推动工作还很困难呢？

这不难理解。

因为从实际情况看，现在的IC卡智能水表确实还存在着许多影响其大规模推广使用的问题。

这些问题集中起来主要是

（1）价格太高；

（2）质量不可靠；（3）存在安全隐患。

随着科学技术的不断发展，IC卡智能水表将会不断发展完善。

比如，现在这种在老式水表上取信号的模式，将会由先进的水流量信号提取装置代替，机械计量和机械显示部分会被淘汰，而表和阀将会集中在一体等等。

总的说来，IC卡智能水表是一种先进的计量仪表，对这种先进仪表的大规模推广使用将会有力促进中国供用水管理的现代化进程。

中国在这个方面的超前发展会使这种计量模式得到优先完善，并有可能成为中国的一个有竞争力的产品出口到其它国家。

本文的工作

详细分析课题任务，对IC卡智能水表的发展现状进行分析，并对现代传感器技术、IC卡技术和智能水表控制的原理进行了深入的研究，并将其综合。

然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件结构及其原理图和相关软件程序。

下面对本设计的主要研究工作做个简述。

1.根据设计要求，提出几种方案，对它们进行了全面的论证；

2.根据系统需要，合理选择微处理器，并且详细地阐述了它的基本功能特性；

3.介绍了相关现代传感技术，选择出信号采集的最佳方案；

4.根据低功耗要求，对电磁阀的选择与设计进行了深入的研究；

5.详细分析了E2PROM的工作原理；

6.对IC卡技术做了简明扼要的分析，并对其软件的读写原理进行了详细的讨论；

7.应用数码管显示技术，可随时查询累计用水总量、可用水量；

8.改进了普遍应用电源方案；

9.对整个系统的硬件进行了深入的分析，并且绘制了相关硬件电路图。

第2章整体方案设计

2.1设计要求

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.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E2PROM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。

3.方案三：

基于89C2051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。

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。

2.3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。

2.4系统总体方案的设计

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。

系统硬件电路由电磁阀、流量传感器、微处理器、IC卡读/写器、显示器及电源等组成。

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。

供给用户

进水

流量传感器

电磁阀

IC卡接口电路

信号处理模块

驱动电路

显示/报警电路

微处理器

片外E2PROM

电源模块

图2.1整体框图

IC卡智能水表工作原理：

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。

第3章单元硬件电路的设计

微处理器

单片机AT89C2051简介

AT89C2051是由美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，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。

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和片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C2051克将至0Hz的静态逻辑操作，并且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，串行通信口以及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但是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3.1AT89C2051的引脚图

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），就能构成一个稳定的自激振荡器。

振荡器的工作频率一般在1.2至12MHz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地实时性。

一般采用石英晶振做定时控制元件；在不需要高精度参考时钟的时候，也可以用电感代替晶振；有时可以引入外部时脉信号。

C1、C2虽然没有严格要求，但是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的频率约为6MHz，因此机器周期约2μs。

RESET引脚是复位信号输入端。

复位信号是高电平有效，它的有效时间应持续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超过4μs才能完成复位操作。

图3.2　复位电路和时钟电路

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转换为电脉冲信号的传感器。

霍尔开关传感器

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的时候，在垂直于电