基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计方案

基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计方案
1文献综述
1.1课题的背景及意义
环境与发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题，保护环境是全人类的共同任务。

水资源作为生态环境中的重要资源，是人类生活的生产中不可取代的资源，对一个国家的生存和发展也是极为重要的。

水资源是一切生命的源泉，是人类不可缺少的物质条件，没有水人类就不能生存，没有水人类赖以自下而上的物质生产就不能发展。

IC卡智能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。

这与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是一个很大的进步。

IC卡智能水表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，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操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的特点[1]。

IC卡智能水表及其管理系统的出现，将从根本上解决了已上问题。

采用IC卡智能水表进行交易结算，不但实现了用水收费的电子化，而且还改变了先用水后收费的不合理状况，使的供水部门能预先收取部分费用，有利于公用事业的发展。

IC卡智能水表具有成本低、可靠性高、使用寿命长及安全性好等优点，可提高居民用水收费的管理水平，确保供水部门能及时收取水费。

因此，IC卡智能水表成为相关科研单位关注的重点，具有很好的经济效益与社会效益[2]。

1.2 智能水表的发展趋势
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[3]。

1.3 本课题的研究工作
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，并进行访真调试。

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LED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，详细地介绍了超级电容技术及其在本设计中的应用；
(9) 对整个系统的软、硬件进行了深入的分析，并且绘制了相关硬件电路图、软件流程图，还编写了相关软件程序。

2 本论文的方案论证
2.1 设计方案
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。

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[4]。

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；(3) 锂电池在长期使用中是否能达到设计年限还有待考证，到期后由谁负责更换是个问题。

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]。

2.2 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。

3 IC卡智能水表的硬件设计
本章是本文的核心容，主要介绍的是系统硬件部分的设计，我们采用了模块化的设计方法，针对系统的工作原理和各个硬件模块的原理和电路进行了具体的介绍。

还对各种器件的选择（如微处理器、传感器等）做了详细的分析。

3.1 主系统的构成
根据设计要求，所要设计的系统除了解决最基本的正常供水还应具有一定的智能功能。

主系统的框架图如图3-1所示。

由图中可以看出，系统由这样一些功能模块组成：微处理器、流量传感器、信号处理模块、IC卡接口电路、E2PROM数据存储电路、显示电路、报警电路、电源模块、电磁阀驱动电路以及其他辅助电路。

所有模块的设计均考虑了低功耗的要求，本系统采用外接3节5号电池供电，部采用超级电容作为备用。

系统时钟采用外接晶振方式，约为6MHz。

图3-1 主系统框图
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，卡表单片机识别IC卡密码并确认无误后，将卡中购买水量与表剩余水量相加后，写入卡表存储器，同时必须将IC卡购水值清零。

当用户用水时，由流量传感器采进来的信号以脉冲形式触
INT，换醒单片机，进行用水处理。

发单片机的外部中断0
用户在用水过程中，卡表剩余水量相应减少。

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[2]。

3.2 微处理器
微处理器是本设计中的核心器件，我们一般都选用单片机来进行控制，下面给出了对它的选型与功能介绍。

3.2.1 单片机的选型
单片机的选型从以下几个方面考虑：
(1) 单片机的系统适应性
适应性指单片机能否完成应用系统的控制功能，它主要从以下几个方面体现。

①单片机的CPU是否有合适的处理能力。

②单片机是否有系统所需要的I/O端口数。

③单片机是否含有系统所需的中断源和定时器。

④单片机片是否有系统所需的外接口。

⑤单片机的极限性能是否能够满足要求。

（2）单片机的市场供应情况
（3）单片机的可开发性
3.2.2 单片机STC12C5A60S2简介
STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

1、增强型8051CPU，1T(1024G)，单时钟/机器周期
2、工作电压 5.5-3.5V
3、1280字节RAM
4、通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉
可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏
每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA
5、有EEPROM功能
6、看门狗
7、部集成MAX810专用复位电路
8、外部掉电检测电路
9、时钟源：外部高精度晶体/时钟，部R/C振荡器
常温下部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11~17MHz
3.3V 单片机为：8~12MHz
10、4个16位定时器
两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1
11、3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
12、外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.3
13、PWM2路
14、A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S
15、通用全双工异步串行口(UART)
16、双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3
17、工作围：-40~85
18、封装：LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC
管脚说明
P0.0~P0.7 P0：P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。

当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，部有弱上拉
电阻，无需外接上拉电阻。

当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0~A7，数据线D0~D7
P1.0/ADC0/CLKOUT2
标准IO口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出
P1.1/ADC1
P1.2/ADC2/ECI/RxD2
标准IO口、ADC输入通道2、PCA计数器的外部脉冲输入脚，第二串口数据接收端
P1.3/ADC3/CCP0/TxD2
外部信号捕获，高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端
P1.4/ADC4/CCP1/SS非
SPI同步串行接口的从机选择信号
P1.5/ADC5/MOSI
SPI同步串行接口的主出从入(主器件的输入和从器件的输出)
P1.6/ADC7/SCLK
SPI同步串行接口的主入从出
P2.0~P2.7
P2口部有上拉电阻，既可作为输入输出口(8位准双向口)，也可作为高8位地址总线使用。

P3.0/RxD
标准IO口、串口1数据接收端
P3.1/INT0非
外部中断0，下降沿中断或低电平中断
P3.3/INT1
P3.4/T0/INT非/CLKOUT0
定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出
A/D转换器的结构
STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz(25万次/秒)。

8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。

上电复位后P1口为弱上拉型IO口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。

单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。

该单片机的ADC是逐次比较型ADC。

主次比较型ADC由一个比较器和D/A
转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位(MSB)开始，顺序地对每一输入电压与置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。

逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。

需作为AD使用的口先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’，将相应的口设置为模拟功能。

STC12C5A60引脚图如图图3-2
图3-2 STC12C5A60S2单片机的引脚图
3.2.3 晶振与复位电路的设计
单片机部带有时钟电路，因此，只需要在片处通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控
电源电压围宽、输出电流能力强、兼容性好、能与CMOS集成电路直接接口，动作响应时间短以及体积小巧、寿命长和使用方便等。

但是，从对上述对霍尔开关传感器的原理描述中可以看出，霍尔开关传感器中必须对霍尔效应片输入控制电流、同时其部还有差分放大器等具有较大功耗的器件，典型的集成式霍尔开关传感器耗电为mA级，因此，霍尔开关传感器不适合应用在本低功耗设计中。

3.3.2 光电检测传感器
当光照射在半导体材料的PN结上时PN结的两侧将产生光生电动势，如外部用导线连接，将有光电流流过，通常的光电检测传感器都是基于这一原理。

目前的光电检测传感器就是利用上述原理，以光电二极管为例，把发光二极管和光电二极管相对放置便组成了光电检测电路，当被检测物体通过二者之间时，由于光电二极管所接受的光的强度发生变化，其产生的光电动势也发生变化，将这种变化进行放大和处理，就能产生反映有无物体通过二者之间的电压脉冲信号。

然而，由于在此结构中必须用到发光二极管（对于不需要发光二极管的光电检测传感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到环境光线变化的影响，可靠性和检测精确度较低），因此，其功耗电也较高，不宜用在本低功耗设计中。

3.3.3 Wiegand(韦根)传感器
(1) Wiegand传感器组成
Wiegand传感器由三部分组成：(1)Wiegand线；(2)检测线圈，将其缠绕在Wiegand 线上，或放置在Wiegand线附近；(3)磁铁。

常用结构示意如图3-4所示。

图3-4 Wiegand传感器组成
(2) Wiegand传感器工作方式
根据Wiegand线外部磁场引入的方式不同，Wiegand传感器有两种驱动方式：非对
称驱动方式和对称驱动方式。

非对称驱动方式开始把Wiegand组件置于一种称为渗透磁场的强磁场中，此时Wiegand线的外壳和芯按同一方向极化，如图3-5 a) 所示；再把组件置于一种称为复位磁场的弱磁场中，此时芯的极性反向,而外壳的极性不变，如图3-5 b) 所示；然后把组件置于渗透磁场中，Wiegand线芯与外壳的极性又恢复到图3-5 a)的情况，由于Wiegand线中磁场的变化，导致在检测线圈中一个周期产生单一方向的电压脉冲，如图3-5 c)所示。

图3-5 非对称驱动方式
在对称驱动方式中，采用两块磁场强度大小相等但极性相反的磁铁，一块磁铁首先将Wiegand线的外壳和芯按同一方向进行渗透，如图3-6 a)所示；再将Wiegand线切换到第二块磁铁，在这过程中，首先线芯的极性改变，如图3-6 b)所示；然后外壳的极性发生改变，这一作用在检测线圈中产生一个方向的电压脉冲输出，如图3-6 c) 所示；接着，再将Wiegand线转回到第一块磁铁，首先芯的极性改变为起始的极性，如图3-6 d) 所示；其次外壳的极性也随之改变为起始的极性，这一过程产生相反方向的电压脉冲输出如图3-6 e) 所示[6]。

图3-6 对称驱动方式
(3) WG系列韦根传感器原理及其特点
WG系列韦根传感器是利用韦根效应制成的一种新型磁敏传感器。

其工作原理是传感器中磁性双稳态功能合金材料在外磁场的激励下，磁化方向瞬间发生翻转，从而在检测线圈中感生出电信号，实现磁电转换。

它具有以下特点：
①传感器工作时无须使用外加电源，适用于微功耗仪表，如电子水表、电子气表和其它智能型仪表。

②使用双磁极交替触发工作方式，触发磁场极性变化一周，传感器输出一对正负双向脉冲电信号，信号周期为磁场交变周期。

③输出信号幅值与磁场的变化速度无关，可实现“零速”传感。

④无触点、耐腐蚀、防水，寿命长。

⑤利用线、同轴线可实现电信号远传。

由于WG系列韦根传感器具有以上的众多的特点，特别是其几乎不需要外界能量的输入。

因此，选择它作为本低功耗设计的传感器。

在这里，我们选择了艾驰电子科技的WG系列韦根传感器产品，其型号为WG101。

具体使用方法为：在水表的计量齿轮上安装小磁钢，当用户用水，齿轮转动，小磁钢将会转过Wiegand丝传感器，这时传感器产生一个高电平脉冲信号，经过整形、放大处理后输入至单片机进行计数计量。

选择此传感
3.5 电磁阀的选择与设计
对于水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开/关状态。

目前可控制的阀门主要是电磁阀，但常规的电磁阀是靠电的通/断来控制阀门的开/关的，即要让阀门一直关着，就必须一直通电，因此耗电较大，不符合本水表低功耗的要求。

因此，必须对现有电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门的开/关控制由电脉冲来实现。

使得对阀门开/关只需瞬时供电，从而减少耗电量。

在这里我们选择：执行机构采用继电器HRS2H-S-DC3V，驱动带自锁的脉冲电磁阀MP15A-3V，两者仅需+3V电源供电。

正常供水情况下，电磁阀自锁于常开状态，驱动机构不消耗电能，只有当购买的吨位数用完时，才由固态继电器驱动电磁阀关闭开关，并自锁于常闭状态，重新购水插卡后，再次送电开启。

当水量为零时，控制阀自动关闭，水路即被切断，此时用户须重新持卡购水。

在正常情况下控制阀处于接通状态，只有当特殊事件发生时，控制阀才从接通状态变为关闭状态。

三种事件状态下控制阀的通断情况如图3-8所示[7]。

图3-8 控制阀的关断情况
值得注意的是，由于继电器和脉冲开关电磁阀都是较大容量的感性负载，因而在切断这些感性负载时，会产生很大的电流和电压变化率，从而形成瞬变噪声干扰，成为系统中电磁干扰的主要原因，引外，继电器通断所造成的电火花和很强的电弧也产生了很大的电磁干扰。

因此，在系统中必须设计相应的抗干扰电路来消除此电磁干扰，本系统所采用的抗干扰措施主要有以下两点：
图3-10 氧化锌压敏电阻的电气性能
压敏电阻，相当于开路状态。

当有电压（当电压达到临界值以上）时，压敏电阻即迅速变为低阻抗（响应时间为毫微秒数量级），电流急剧上升，电阻急剧下降，过电压以过电电流的形式被压敏电阻吸收掉，相当于过电压部分被短路。

当浪涌过电压过后，电路电压恢复到正常工作电压，压敏电阻又恢复到高阻状态。

可以利用压敏电阻的上述特性来吸收各种干扰过电压。

由于ZnO压敏电阻特性曲线较陡，具有漏电流很小、平均功耗小、温升小、通流容量大、伏安特性对称、电压围宽、体积小等优点，可广泛用于直流和交流回路中吸收不同极性的过电压。

在本设计中的具体使用方法为将压敏电阻并联到电磁阀的供电电压上，这样，电磁阀开关所产生的浪涌过电压就被压敏电阻所吸收了。

压敏电阻的使用大大降低了电磁阀开关所造成的电磁干扰对单片机系统的影响。

3.6 片外数据存储器的设计
在系统的设计过程中，考虑到智能水表在使用过程中可能出现失电的情况。

当这种情况发生时，系统应该保存失电前的一些数据。

比如，存储用户设定的水量系数N（转/吨），累计用水总量和剩余水量等。

而这些数据如果存储在单片机的数据存储器中，单片机失电重启动后存储的相关数据已经消失了。

为了完成此功能，必须在单片机外部加一个E2PROM，完成这些数据的存储，本设计系统中加入了I2C总线的E2PROM。

I2C总线简介：I2C总线由PHILIPS提出，是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。

它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接
）
02/04/08/16/32/64，存储容量分别为1kbits/2 kbits /4 kbits /8 kbits /16 kbits /32 kbits /64 kbits；2.5～5V低电压供电；双线串行接口；双向数据传送；支持ISO/IEC7816-3同步协议；写/擦除次数＞1 000 000次；数据保存期＞100年。

它是目前国使用最多的IC卡之一。

AT24C0X系列IC卡的引出端符合ISO/IEC7816-2标准。

C1：VCC，工作电压；C3：SCL（CLK），串行时钟；C5：GND；C7：SDA（I/O），串行数据（输入/输出）；C2，C6：NC，未接。

IC卡引脚如图3-12所示，其中引脚T，P为微动开关的两触点。

此微动开关在无IC卡状态时，处于断开状态；有卡插入时，IC卡卡座上的微动开关动合，因此，此开关往往是用来判断是否插IC卡的传感器件[2]。

图3-12 IC卡示意图
3.7.2 IC卡的接口电路的设计
24系列为低功耗COMS E2PROM 器件，使用单+5v电源，电源电压围为2.5～6V，
有高压泵电路，写入、擦除操作由部定时器自动完成，具有擦除/写入周期10万次寿命和数据安全保存100年的有效期，二线串行接口，和各类微处理器接口十分简单等特点。

本设计的AT89C205l单片机与IC卡240X接口如图3-13所示。

图中IC-CARD为标准IC卡座，
INT)。

由于引脚其T、P端用作到位检测开关,将T端连接89C2051的外中断输入脚P3.3(1
T，P为微动开关的两触点，所以，当有IC卡插入时，微动开关闭合，P1.5脚电平被拉低，单片机通过判读P1.5脚，做好读卡准备，无卡时，P1.5脚为高。

P1.6、P1.7用作数据线(SDA)和时钟线(SCL)，用软件模拟时序的方法来实现对IC卡的读写。

当有IC卡插入时，P1.5脚电平被拉低，单片机通过判读P1.5脚，做好读卡准备，无卡时，P1.5脚为高，R19、R20、R21为限流电阻[10]。