1 引言
隨著社會科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,，資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重,，尤其是與人類生存息息相關(guān)的水資源。隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,，實(shí)現(xiàn)自來水收費(fèi)管理的電子化,、信息化及網(wǎng)絡(luò)化已成為可能。水表系統(tǒng)的智能化可以大大提高供水管理部門的工作效率,，節(jié)約費(fèi)用,，用以改善供水設(shè)施，提高居民飲用水質(zhì)量,。本文以一種智能卡式水表控制系統(tǒng)為研究對象，它結(jié)合了控制技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面技術(shù),，是一種跨專業(yè)的電子信息化系統(tǒng)。
2 智能水表控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
智能水表控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)水表的自動(dòng)計(jì)量水流量,、讀寫TM卡,、控制閥門、顯示報(bào)警等功能,?？刂葡到y(tǒng)電路由低功耗單片機(jī)、流量計(jì),、E2PROM存儲電路,、TM卡讀寫電路、LCD顯示控制電路,、閥門控制檢測電路,、電壓檢測電路等組成。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,。
圖1 智能水表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
當(dāng)用戶將含有購水量等信息的TM卡插入水表上卡座內(nèi)時(shí),，控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通供水通道。用戶每用一個(gè)計(jì)量單位（10升）,，計(jì)量電路便發(fā)出一組計(jì)量脈沖序列,，該脈沖序列如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效，即可從已購水量中減去一個(gè)計(jì)量單位,。當(dāng)剩余水量達(dá)到報(bào)警值時(shí),，液晶漢字顯示“請購水”,；當(dāng)水量為零時(shí)，控制閥自動(dòng)關(guān)閉,，水路即被切斷,，此時(shí)用戶須重新持卡購水。在正常情況下,，控制閥處于接通狀態(tài),，只有當(dāng)特殊事件發(fā)生時(shí)控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。
3 智能水表控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
TM卡水表控制系統(tǒng)由低功耗單片機(jī),、流量計(jì)量電路,、E2PROM存儲電路、TM卡讀寫電路,、LCD顯示控制電路,、閥門控制檢測電路、電壓檢測電路,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成,。
1、單片機(jī)
作為TM卡水表控制系統(tǒng)核心部件的微控制器采用PHILIPS 51LPC系列中的P87LPC764單片機(jī),。這種單片機(jī)運(yùn)行速度快,、編程靈活、低功耗,，自帶4K字節(jié)OTP程序存儲器,、128字節(jié)的RAM，32字節(jié)用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設(shè)置參數(shù),，并且具有豐富的I/O功能和較強(qiáng)的中斷能力,，能夠很好地滿足TM卡水表控制系統(tǒng)高集成度、低成本,、低功耗的要求,。
2、E2PROM存儲電路
在智能卡水表控制系統(tǒng)中,，信息的存儲是非常重要的方面,。因此，在本控制系統(tǒng)中,，存儲器采用2K容量的串行CMOS E2PROM--CAT24WC02,，它是低電壓（1.8～6V）、低功耗,、長壽命（一百萬次編程和擦除周期）的器件,，采用I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用方便,。用來存儲總購水量,、總用水量,、上次購水量、卡號,、水表狀態(tài)等信息,。接口電路如圖2所示。
圖2 I2C器件接口電路
3,、TM卡讀寫電路
信息的載體--TM卡,，采用單總線協(xié)議通訊，所有的讀寫操作均經(jīng)一信號線（總線）和地線完成,，所以讀寫電路極簡單,。在次不做詳細(xì)闡述。
4,、LCD顯示控制電路
LCD驅(qū)動(dòng)器采用HT1621,，它是128點(diǎn)、內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動(dòng)器,，特有的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場合,，用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條。在本設(shè)計(jì)中,，采用電阻和PNP三極管來控制HT1621的電源,，降低功耗，延長LCD的使用壽命,。LCD平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)有TM卡插入,、并確認(rèn)有效卡或有其它狀況時(shí),，LCD開啟并顯示本次購水、已用水量,、可用水量,、閥門狀態(tài)等信息。
5,、水量計(jì)量電路
水表的基表采用符合ISO4064B標(biāo)準(zhǔn)的單流旋翼式冷水水表,，技術(shù)參數(shù)如表1所示。該表計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)與測量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動(dòng),，采用干簧管水量計(jì)量發(fā)訊,，每流經(jīng)10升水時(shí)產(chǎn)生一脈沖；表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置,，具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力,。水量計(jì)量脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機(jī)，每輸入一個(gè)脈沖,，在存儲器中減去相應(yīng)水量,。
表1單流旋翼式冷水水表技術(shù)參數(shù)
摘要： 隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,，金卡工程的全面實(shí)施，自來水收費(fèi)管理也必將朝著電子化,、信息化方向發(fā)展,。本文以TM卡式智能水表控制系統(tǒng)為研究對象，詳細(xì)論述了TM卡水表的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),，系統(tǒng)地介紹了基于單片機(jī)的TM卡水表控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn),，采用軟硬件結(jié)合的技術(shù)，提出了系統(tǒng)的抗干擾措施,。
1 引言
隨著社會科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,，資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重，尤其是與人類生存息息相關(guān)的水資源,。隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,，實(shí)現(xiàn)自來水收費(fèi)管理的電子化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化已成為可能,。水表系統(tǒng)的智能化可以大大提高供水管理部門的工作效率,，節(jié)約費(fèi)用，用以改善供水設(shè)施,，提高居民飲用水質(zhì)量,。本文以一種智能卡式水表控制系統(tǒng)為研究對象，它結(jié)合了控制技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面技術(shù),，是一種跨專業(yè)的電子信息化系統(tǒng)。
2 智能水表控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
智能水表控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)水表的自動(dòng)計(jì)量水流量,、讀寫TM卡,、控制閥門、顯示報(bào)警等功能,?？刂葡到y(tǒng)電路由低功耗單片機(jī)、流量計(jì),、E2PROM存儲電路,、TM卡讀寫電路、LCD顯示控制電路,、閥門控制檢測電路,、電壓檢測電路等組成。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,。
圖1 智能水表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
當(dāng)用戶將含有購水量等信息的TM卡插入水表上卡座內(nèi)時(shí),，控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通供水通道。用戶每用一個(gè)計(jì)量單位（10升），計(jì)量電路便發(fā)出一組計(jì)量脈沖序列,，該脈沖序列如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效,，即可從已購水量中減去一個(gè)計(jì)量單位。當(dāng)剩余水量達(dá)到報(bào)警值時(shí),，液晶漢字顯示“請購水”,；當(dāng)水量為零時(shí)，控制閥自動(dòng)關(guān)閉,，水路即被切斷,，此時(shí)用戶須重新持卡購水。在正常情況下,，控制閥處于接通狀態(tài),，只有當(dāng)特殊事件發(fā)生時(shí)控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。
3 智能水表控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
TM卡水表控制系統(tǒng)由低功耗單片機(jī),、流量計(jì)量電路,、E2PROM存儲電路、TM卡讀寫電路,、LCD顯示控制電路,、閥門控制檢測電路、電壓檢測電路,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成,。
1、單片機(jī)
作為TM卡水表控制系統(tǒng)核心部件的微控制器采用PHILIPS 51LPC系列中的P87LPC764單片機(jī),。這種單片機(jī)運(yùn)行速度快,、編程靈活、低功耗,，自帶4K字節(jié)OTP程序存儲器,、128字節(jié)的RAM，32字節(jié)用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設(shè)置參數(shù),，并且具有豐富的I/O功能和較強(qiáng)的中斷能力，能夠很好地滿足TM卡水表控制系統(tǒng)高集成度,、低成本,、低功耗的要求。
2,、E2PROM存儲電路
在智能卡水表控制系統(tǒng)中,，信息的存儲是非常重要的方面。因此,，在本控制系統(tǒng)中,，存儲器采用2K容量的串行CMOS E2PROM--CAT24WC02，它是低電壓（1.8～6V）,、低功耗,、長壽命（一百萬次編程和擦除周期）的器件,，采用I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用方便,。用來存儲總購水量,、總用水量、上次購水量,、卡號,、水表狀態(tài)等信息。接口電路如圖2所示,。
圖2 I2C器件接口電路
3,、TM卡讀寫電路
信息的載體--TM卡，采用單總線協(xié)議通訊,，所有的讀寫操作均經(jīng)一信號線（總線）和地線完成,，所以讀寫電路極簡單。在次不做詳細(xì)闡述,。
4,、LCD顯示控制電路
LCD驅(qū)動(dòng)器采用HT1621，它是128點(diǎn),、內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動(dòng)器,，特有的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場合，用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條,。在本設(shè)計(jì)中,，采用電阻和PNP三極管來控制HT1621的電源，降低功耗,，延長LCD的使用壽命,。LCD平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)有TM卡插入,、并確認(rèn)有效卡或有其它狀況時(shí),，LCD開啟并顯示本次購水、已用水量,、可用水量,、閥門狀態(tài)等信息。
5,、水量計(jì)量電路
水表的基表采用符合ISO4064B標(biāo)準(zhǔn)的單流旋翼式冷水水表,，技術(shù)參數(shù)如表1所示。該表計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)與測量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動(dòng),，采用干簧管水量計(jì)量發(fā)訊,，每流經(jīng)10升水時(shí)產(chǎn)生一脈沖；表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置，具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力,。水量計(jì)量脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機(jī),，每輸入一個(gè)脈沖，在存儲器中減去相應(yīng)水量,。
表1單流旋翼式冷水水表技術(shù)參數(shù)
6,、閥門控制檢測電路
閥門控制是水表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感部分，關(guān)啟閥門的可靠性差,，將會給供水部門帶來很大的問題,。因此，我們自行設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)巧妙,、關(guān)閉可靠,、DC2.6-3.6V控制的電動(dòng)陶瓷閥門，有效地解決閥門關(guān)閉不可靠問題,。如圖3所示為電動(dòng)閥門的正反控制電路,，當(dāng)正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時(shí),，閥門開啟,；反之，閥門閉合,。當(dāng)單片機(jī)P1.6口輸入低電平,、P1.7口輸入高電平時(shí)，三極管Q3,、Q5,、Q6導(dǎo)通，Q2,、Q4,、Q7截止，故正向端（ON）輸出高電平,，反向端（OFF）輸出低電平,，開啟閥門，開啟到位時(shí),，由單片機(jī)P1.5口輸入檢測信號,，動(dòng)作停止；反之,，三極管Q2,、Q4,、Q7導(dǎo)通,，Q3、Q5、Q6截止,，正向端輸出低電平,，反向端輸出高電平，關(guān)閉閥門,，同樣由單片機(jī)P1.6口輸入關(guān)閉到位檢測信號,。
圖3 電動(dòng)閥門的控制電路
7、電源電壓檢測電路
為提高水表運(yùn)行的可靠性和安全性,，采用分級電源電壓實(shí)時(shí)檢測,，電壓實(shí)時(shí)檢測芯片采用RH5VL28和RH5VL30。當(dāng)電源電壓正常時(shí),，芯片的Vout腳為高電平,；當(dāng)電源電壓小于3.0V時(shí)，RH5VL30的Vout腳輸出低電平,，單片機(jī)檢測到該信號后,，控制液晶顯示模塊顯示欠壓，并關(guān)閥警告,，提示用戶更換電池,；當(dāng)電源電壓小于2.8V時(shí)，RH5VL28的Vout腳輸出低電平,，單片機(jī)檢測到該信號后,，徹底關(guān)閥，直到用戶更換完電池,。
8,、電源及實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
單片機(jī)系統(tǒng)功耗的高低往往和電源電壓的大小成正比，因此在以電池供電的系統(tǒng)中,，在滿足性能要求的前提下,，盡可能選擇低的供電電壓。為此,，我們采用武漢力興公司ER14505型DC3.6V/2.0Ah一次性鋰-亞硫酰氯電池作為系統(tǒng)電源,，以充分利用單片機(jī)和外圍器件的低電壓、低功耗特性,。
在ＴＭ卡式水表的實(shí)際應(yīng)用中,，用戶因某些原因可能長期不使用。因此,，電池在長時(shí)間微電流放電（相當(dāng)于儲存時(shí)的自放電）后,，內(nèi)阻將上升，電池的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)能力下降,，極有可能影響電控閥門的動(dòng)作或者產(chǎn)生欠壓,，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。但同時(shí)，電池可能還有足夠的容量使用,，如果因此而更換電池又將增加水表的使用成本,。為解決這個(gè)問題，我們在控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)時(shí)鐘電路,，每隔一個(gè)月的時(shí)間,，時(shí)鐘芯片（PCF8563）產(chǎn)生中斷，單片機(jī)接受后,，控制閥門開啟,、關(guān)閉，使電池定時(shí)產(chǎn)生比較大電流的放電,，降低電池內(nèi)阻,，改善電池的性能，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、可靠性以及免維護(hù)性,。
4 智能水表控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
如果說硬件電路是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)的話，那么控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂,?？刂栖浖脑O(shè)計(jì)的好壞，直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的性能,。在本系統(tǒng)中,，考慮到P87LPC764單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲器的大小，運(yùn)行速度以及程序的易讀性,、可維護(hù)性等,，采用了51匯編語言編寫、模塊化的方法編制,。
TM卡水表控制系統(tǒng)的軟件主要由主程序,、中斷服務(wù)程序、子程序等組成,。主程序主要是單片機(jī)及接口芯片的初試化,、自檢、進(jìn)入掉電狀態(tài)等,；中斷服務(wù)程序包括水量計(jì)量中斷,、插卡中斷、磁干擾輸入中斷,、欠壓中斷和月報(bào)警中斷等,；子程序主要有LCD顯示，存儲器的讀寫和延時(shí)程序等,。整個(gè)水表控制系統(tǒng)平時(shí)處在掉電狀態(tài)下,，當(dāng)有外部中斷信號時(shí),，才從睡眠中喚醒，執(zhí)行程序,。如圖4是控制系統(tǒng)主程序流程。P87LPC764單片機(jī)具有較強(qiáng)的中斷功能,，四個(gè)優(yōu)先級別的中斷結(jié)構(gòu),，最多可支持11個(gè)中斷源。在本控制系統(tǒng)中,，考慮到單片機(jī)平時(shí)都是在掉電模式下,，因此，系統(tǒng)所應(yīng)用的中斷類型應(yīng)該具有把P87LPC764單片機(jī)喚醒的能力,。為此,，控制系統(tǒng)中所用到的中斷都采用了P87LPC764中很簡便的、具有喚醒功能的KBI中斷,，并對每個(gè)中斷源設(shè)定了優(yōu)先級,，比如水量計(jì)量中斷優(yōu)先級設(shè)置為最高等。
圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖
5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)
1,、為防止用戶采用電磁干擾來進(jìn)行偷水,、竊水的活動(dòng)，另外增加了一個(gè)防人為電磁干擾的措施,。即和計(jì)量發(fā)訊干簧管并排再放置一干簧管,，但它的觸動(dòng)開關(guān)值比發(fā)訊干簧管稍高，因此,，當(dāng)用戶用電磁進(jìn)行干擾時(shí),，只要磁力高過一定限值，防電磁干擾的干簧管閉合,，單片機(jī)檢測到此信號即可進(jìn)行相應(yīng)操作,，有效防止人為的電磁干擾現(xiàn)象。
2,、在電路板的電源和地之間并接去耦電容,，即10μF的電解電容和一個(gè)0.1μF的電容，來消除電源干擾,。在要求電源質(zhì)量不是很高的智能水表系統(tǒng)中,，取得了比較好的效果。
3,、電路板是電路系統(tǒng)中器件,、信號線、電源線的高度集合體,，電路板設(shè)計(jì)的好壞對抗干擾能力影響很大,，所以印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)必須符合抗干擾的設(shè)計(jì)原則,。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
本文主要介紹了TM卡水表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)動(dòng)作可靠,、計(jì)量精確,、抗干擾能力強(qiáng)、能耗低,；收費(fèi)管理系統(tǒng)界面友好,，數(shù)據(jù)安全，簡單易用,，工作效率大大提高,。
參考文獻(xiàn)：
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