1 引言
隨著社會(huì)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(lèi)生存息息相關(guān)的水資源。隨著我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自來(lái)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(mén)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(duì)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(zhuān)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(xiě)TM卡、控制閥門(mén)、顯示報(bào)警等功能。控制系統(tǒng)電路由低功耗單片機(jī)、流量計(jì)、E2PROM存儲(chǔ)電路、TM卡讀寫(xiě)電路、LCD顯示控制電路、閥門(mén)控制檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)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(hù)將含有購(gòu)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(kāi)通供水通道。用戶(hù)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(gòu)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(qǐng)購(gòu)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(hù)須重新持卡購(gòu)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(chǔ)電路、TM卡讀寫(xiě)電路、LCD顯示控制電路、閥門(mén)控制檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成。
1、單片機(jī)
作為T(mén)M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(chǔ)器、128字節(jié)的RAM，32字節(jié)用戶(hù)代碼區(qū)可用來(lái)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(mǎn)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(chǔ)電路
在智能卡水表控制系統(tǒng)中，信息的存儲(chǔ)是非常重要的方面。因此，在本控制系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器采用2K容量的串行CMOS E2PROM--CAT24WC02，它是低電壓（1.8～6V）、低功耗、長(zhǎng)壽命（一百萬(wàn)次編程和擦除周期）的器件，采用I2C總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用方便。用來(lái)存儲(chǔ)總購(gòu)水量、總用水量、上次購(gòu)水量、卡號(hào)、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(xiě)電路
信息的載體--TM卡，采用單總線(xiàn)協(xié)議通訊，所有的讀寫(xiě)操作均經(jīng)一信號(hào)線(xiàn)（總線(xiàn)）和地線(xiàn)完成，所以讀寫(xiě)電路極簡(jiǎn)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(chǎng)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(lái)控制HT1621的電源，降低功耗，延長(zhǎng)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(kāi)啟并顯示本次購(gòu)水、已用水量、可用水量、閥門(mén)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(cè)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(guò)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(chǔ)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(guó)信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，金卡工程的全面實(shí)施，自來(lái)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(duì)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(huì)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(lèi)生存息息相關(guān)的水資源。隨著我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自來(lái)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(mén)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(duì)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(zhuān)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(xiě)TM卡、控制閥門(mén)、顯示報(bào)警等功能。控制系統(tǒng)電路由低功耗單片機(jī)、流量計(jì)、E2PROM存儲(chǔ)電路、TM卡讀寫(xiě)電路、LCD顯示控制電路、閥門(mén)控制檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)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(hù)將含有購(gòu)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(kāi)通供水通道。用戶(hù)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(gòu)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(qǐng)購(gòu)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(hù)須重新持卡購(gòu)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(chǔ)電路、TM卡讀寫(xiě)電路、LCD顯示控制電路、閥門(mén)控制檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成。
1、單片機(jī)
作為T(mén)M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(chǔ)器、128字節(jié)的RAM，32字節(jié)用戶(hù)代碼區(qū)可用來(lái)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(mǎn)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(chǔ)電路
在智能卡水表控制系統(tǒng)中，信息的存儲(chǔ)是非常重要的方面。因此，在本控制系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器采用2K容量的串行CMOS E2PROM--CAT24WC02，它是低電壓（1.8～6V）、低功耗、長(zhǎng)壽命（一百萬(wàn)次編程和擦除周期）的器件，采用I2C總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用方便。用來(lái)存儲(chǔ)總購(gòu)水量、總用水量、上次購(gòu)水量、卡號(hào)、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(xiě)電路
信息的載體--TM卡，采用單總線(xiàn)協(xié)議通訊，所有的讀寫(xiě)操作均經(jīng)一信號(hào)線(xiàn)（總線(xiàn)）和地線(xiàn)完成，所以讀寫(xiě)電路極簡(jiǎn)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(chǎng)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(lái)控制HT1621的電源，降低功耗，延長(zhǎng)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(kāi)啟并顯示本次購(gòu)水、已用水量、可用水量、閥門(mén)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(cè)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(guò)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(chǔ)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(mén)控制檢測(cè)電路
閥門(mén)控制是水表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感部分，關(guān)啟閥門(mén)的可靠性差，將會(huì)給供水部門(mén)帶來(lái)很大的問(wèn)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(mén)，有效地解決閥門(mén)關(guān)閉不可靠問(wèn)題。如圖3所示為電動(dòng)閥門(mén)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(mén)開(kāi)啟；反之，閥門(mén)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(kāi)啟閥門(mén)，開(kāi)啟到位時(shí)，由單片機(jī)P1.5口輸入檢測(cè)信號(hào)，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(mén)，同樣由單片機(jī)P1.6口輸入關(guān)閉到位檢測(cè)信號(hào)。
圖3 電動(dòng)閥門(mén)的控制電路
7、電源電壓檢測(cè)電路
為提高水表運(yùn)行的可靠性和安全性，采用分級(jí)電源電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)，電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)到該信號(hào)后，控制液晶顯示模塊顯示欠壓，并關(guān)閥警告，提示用戶(hù)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(cè)到該信號(hào)后，徹底關(guān)閥，直到用戶(hù)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(mǎn)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(hù)因某些原因可能長(zhǎng)期不使用。因此，電池在長(zhǎng)時(shí)間微電流放電（相當(dāng)于儲(chǔ)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(mén)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(wèn)題，我們?cè)诳刂葡到y(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(mén)開(kāi)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(shuō)硬件電路是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)的話(huà)，那么控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂。控制軟件的設(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(chǔ)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(yǔ)言編寫(xiě)、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(chǔ)器的讀寫(xiě)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(hào)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(jí)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(lèi)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(jiǎn)便的、具有喚醒功能的KBI中斷，并對(duì)每個(gè)中斷源設(shè)定了優(yōu)先級(jí)，比如水量計(jì)量中斷優(yōu)先級(jí)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(hù)采用電磁干擾來(lái)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(kāi)關(guān)值比發(fā)訊干簧管稍高，因此，當(dāng)用戶(hù)用電磁進(jìn)行干擾時(shí)，只要磁力高過(guò)一定限值，防電磁干擾的干簧管閉合，單片機(jī)檢測(cè)到此信號(hào)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(lái)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(hào)線(xiàn)、電源線(xiàn)的高度集合體，電路板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)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(jiǎn)單易用，工作效率大大提高。
參考文獻(xiàn)：
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