智能水表的设计与实现

西安工程大学本科毕业设计（论文）
摘要
长期以来，自来水用户的用水量管理依靠人工抄表，由收费员到各家收费或各用户去银行交费。

这种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、迟缴或漏缴水费等问题，这给自来水公司和用户都带来很多的不方便与矛盾。

基于单片机的IC卡智能水表不但可以提高供水部门的工作效率，而且在技术上为节约用水、合理用水创造了条件。

由于这些特点，基于单片机的IC智能水表得到了越来越广泛的应用。

本论文主要设计基于单片机的IC卡智能水表电路。

系统包括以下几个功能模块：供电电源、流量传感器、IC卡读/写器、LCD显示模块、防拆电路、报警电路、主控芯片选用单片机AT89S51。

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：智能IC卡，读卡器，AT89S51，LCD
ABSTRACT
For a long time, the administration of the tap water scalar for the users has been relied on the copy of the water meter. With this method the toll collectors should drop in for the charge or the users consign to the bank themselves. This traditional method of the tap water charge needs a lot of workers. What’s more, the efficiency of this way is very low and it often engenders arrearage and evasion of the charge, which causes incovenience and conflict to both the users and the waterworks. The application of intelligent water meter not only improves work efficiency of the department supplying water, and realizes using water electronically but also creates a condition for using water frugally and rationally. Because of these characteristics, intelligent water meter obtained more and more widespread application.
In this paper, the main design based on single-chip pre-charges the IC card water meter system hardware circuit design. The system concludes the following functional modules: power supply, flux sensor、IC card reader、LCD show module、alarm circuit、tamper circuit, and the microcontroller AT89S51 as its master CMOS chip.
As the product to conform the development of the tap water industry, intelligent water meter greatly decrease the difficulty in charge and the copy of the water meter. What’s more, it can change the current water mechanism, enhance the sense of saving water, and realize the automation in the water supply department’s management.
KEYWORDS: i ntelligent IC card, card reader, AT89S51, LCD
目录
前言 (1)
第1章绪论 (5)
1.1 传统水表 (5)
1.1.1 传统水表的主要结构 (5)
1.1.2 传统水表的特点 (5)
1.2 智能水表 (6)
1.2.1 智能水表介绍 (6)
1.2.2 智能水表与传统水表的区别 (6)
1.3 IC卡智能水表及其分类 (7)
1.3.1 IC卡水表的概念 (7)
1.3.2 IC卡智能水表分类 (8)
第2章智能水表总体设计 (9)
2.1 智能水表结构 (9)
2.1.1 硬件部分 (9)
2.1.2 软件部分 (10)
2.2 AT89S51单片机性能介绍 (11)
2.2.1 AT89S51的主要性能参数 (11)
2.2.2 AT89S51的引脚功能及结构特框图 (12)
2.2.3 AT89S51单片机的振荡器特性 (15)
2.3 智能水表的功能 (15)
2.4 系统的低功耗设计 (16)
第3章智能水表各模块设计 (18)
3.1 IC卡读写电路 (18)
3.1.1 IC卡的基本概念 (18)
3.1.2 IC卡及卡座的选用 (18)
3.1.3 24C01工作原理及工作特性 (19)
3.1.4 读写器的硬件设计 (19)
3.2 电源电路 (21)
3.2.1 MAX639转换器 (21)
3.2.2 电源电路工作原理 (21)
3.3 阀门控制电路 (22)
3.4 流量计量模块电路 (22)
3.4.1 流量计量原理 (22)
3.4.2 流量计量模块原理图 (24)
3.5 防拆电路 (25)
3.6 LCD显示电路 (25)
3.7 报警电路 (27)
3.8 系统的安全性问题及其解决方案 (28)
3.8.1 水表的安全性问题 (28)
3.8.2 安全性问题的解决方案 (28)
第4章系统各模块软件设计 (30)
4.1 系统软件开发调试环境 (30)
4.2 系统主程序流程图 (30)
4.2.1 各模块程序流程图 (30)
4.2.2 系统主程序 (31)
4.3 系统各模块软件设计 (32)
4.3.1 初始化模块 (32)
4.3.2 水量计量模块 (33)
4.3.3 IC卡处理模块 (34)
4.3.4 LCD显示模块子程序 (34)
4.3.5 阀门模块 (36)
4.4 电源电压检测子程序 (36)
第5章结论 (37)
参考文献 (39)
致谢 (40)
附录智能水表系统原理图 (41)
前言
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。

我国是世界上人均水资源拥有量贫乏的国家之一，节约和保护水资源是我国一项重要的战略措施。

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，实现自来水收费管理的电子化、信息化、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并有助于节约费用、改善供水设施、提高居民饮水质量；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。

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，就组成了新一代“智能化仪表”，智能化仪表在测量过程使用自动化技术。

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发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，兼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，并开发了电卡式水表；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。

目前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表和智能卡式水表系统方面的研究开发。

由于智能网络远传水表系统需要配套远传通信网络支持，其初期投资大，因此只适用于一些新建住宅小区，在小区内组成相对独立的小网；而后者采用先付费后用水的管理模式，在当前收费困难、人工抄表效率低下的情况下，更能获得供水管理部门的青睐。

1.智能网络远传水表系统
就目前来讲，智能网络远传水表又可分为分线制集中抄表方式和总线制智能抄表方式。

（1）分线制集中抄表方式
各种分线制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定时顺序采集来自多路分户线的水表信号，并进行数据处理、存储。

各采集器之间采用总线制连接，最后连接到计算机。

其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器。

分线制集中抄表模式从技术上讲较成熟，也节约成本（多户表共享一个采集器），但从实际情况看，分线制集中抄表模式存在如下缺点：
1）由于每次水表的计量信号是通过分户线穿越较长距离到达采集器，中途任何一个环节出现疏漏都将使采集器采集不到数据，而且铺设分户线不仅使安装任务繁重，也存在许多隐患：短线、断线等。

错综复杂的线路更使得维护工作困难重重。

2）采集器均安装于现场，需专业人员调试系统并定期巡视维护，专业队伍日益“壮大”，维护费用也相应剧增。

3）分线制集中抄表模式的风险不仅仅是各表风险的简单累加。

如果采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集器上的所有户表数据丢失，集中抄表的风险无法有效分散，与测控系统强调的集中管理、分散控制的分布式设计思想相违背。

（2）总线制智能抄表方式
由于总线制智能水表采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，表的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能水表本身完成，手抄器或电脑不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。

另外因智能水表引出的总线通/断不影响单表数据采集和保存（仅影响本表数据的读出），也不影响其它水表数据的读出，即使本次读数时该表总线出现故障，只需重新挂接好总线，无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。

但由于是单表内设置单片机和后备电源，因而成本较高，推广普及较慢。

由于各表输出的总线只需挂接，可以减少分线制抄表方式大量烦琐的布线、系统调试任务以及后期使用过程中线路、系统维护等繁重劳动强度，也方便高层次设计如网络结构的设计、与其他系统（如安防、照明、空调、消防）共享开放式网络的设计，进而为用户提供完善、综合的配套服务。

2.智能卡式水表系统
智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展、单个智能卡及刷卡机性能价格比日益提高的特定时期应运而生的。

主要有智能卡式水表、智能卡、读卡器、收费管理信息系统等组成。

用户须在供水部门指定售卡点预购水后刷卡方能使用。

它具有限量用水、解决用水收费纠纷的功能，这是其它抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能卡水表如同普通水表，无需铺设管线及线路维护，安装方便、维护简单；另外，智能卡水表自带数据采集模块、电源部分、电磁阀（电动阀）控制，由智能卡读入预购水量等信息，使用简单，动作可靠；并且它的前期投资费用低，因此正日益受到供水管理部门的青睐
当前国内外水表的技术、工艺都在不断更新，逐步向下面几个方面发展：1）远传户外抄读和计算机物业管理相结合。

远传水表、集中抄读系统和二次仪表相配套的水表有广阔的发展前景。

2）IC卡、TM卡（智能卡式）水表和代码式水表将成为主流产品。

这类水表适用于“先付费后用水”条件下的管理系统。

我国当前水费收费难，不少地区和城市水费欠账的现象很多。

为了改变这个局面，自来水公司都乐意采用这种结构的水表，所以国内有数十家企业在试制这种水表。

3）特种水表的发展，如热量表（或热能表）、污水表、特大流量计量水表（1米以上）的使用也是当今国内外水表的发展趋势。

热量表是热水表的升级，用热量表计量替代热水表计量更为科学、合理。

现在工业发达国家已批量生产，而大多数国家尚在研制中。

国内外智能建筑的智能化正在逐步提升，采用IC卡智能水表后，可以改变自来水收费及管理的现状，达到下列管理目标：
1）智能水表代替传统水表，用IC卡实现预付费，实现先付费后用水、持卡结算的理想管理模式，从根本上杜绝欠缴、迟缴、漏缴水费的现象，使自来水公司应收费用及时到位。

2）建立自来水公司计算机信息管理网络系统，实现对自来水供应、自来水用户及自来水公司员工的科学化管理；建立完善的财务核算管理，使自来水公司的日常工作和管理流程化、自动化、科学化，提高自来水公司的服务质量和竞争力。

3）减轻工作人员的劳动强度，消灭（减少）现金交易，减少人为差错杜绝水贪污案件的发生。

4）提供方便的统计查询功能，便于全面、及时地了解情况，为决策提供依据。

IC卡水表系统是由IC卡水表、通用IC卡及计算机收费管理网络组成，起核心是IC卡水表。

本次毕业设计以一种智能卡式水表为研究对象，它结合了控制技术、计算机技术、流体计量学等多方面技术，是一种跨专业的电子信息化系统。

主要解决计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠性和稳定性、系统易用性和安全性等方面问题。

为此，本课题将着重完成以下工作：
1.智能卡的比较分析选择；
2.智能卡式水表控制系统硬件部分的设计；
3.智能卡式水表控制系统软件部分的设计；
第1章绪论
1.1 传统水表
传统水表的发展经历了漫长的年代，它涉及社会生活的各个方面。

它对改善人类生活、促进社会发展和科技进步起到了无法估量的作用。

直到现在它很多领域还能继续发挥着作用。

1.1.1 传统水表的主要结构
传统水表主要结构由硬件构成，以相对固定形式确定下来，所实现的功能较单一。

只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能，用户在使用过程中无法对其功能进行改变。

它一般具有输入信号接口、内部处理电路和实时显示三部分。

对于一些仪表功能如自调零、自校准、自动调节量程等的设置是由用户在仪表设备面板上手工完成。

1.1.2 传统水表的特点
传统水表的主要特点是自成体系，自我包容，用户无法更改。

传统水表功能单一，只具流量采集和机械指针显示用水量的功能。

同时，一台普通传统水表具有相对独立性，不能与其他水表设备进行通信，而只能用于现场测量，测量结果不能处理、存储、显示，局限性很大。

另外，传统水表无法升级换代，而且开发周期长、经费投入大。

随着科技水平不断发展，人们对传统水表提出以下几方面的要求：测量精度高、功能强、可靠性好，测量全能自动化、智能化，小型化、使用灵活方便、升级方便，同时还能进行测量数据的处理、存储和显示，具有和其他设备进行数据通讯等功能。

这些新的要求不仅促使着传统水表不断地改进和发展，也孕育着新一代水表——智能水表的产生。

1.2 智能水表
1.2.1 智能水表介绍
随着微电子技术的不断发展，集成了处理器、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片——单片机出现了。

智能水表是一种以单片机为主体，结合计算机技术与测量控制技术，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。

智能水表除了可对水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行自动控制，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，可以利用银行卡进行结算的特点。

1.2.2 智能水表与传统水表的区别
与传统水表相比，智能水表有以下特点：
1．对供水部门来说，可以实现先交费再供水的用水模式。

这是大家都普遍认可的一个优点。

这对解决水费托拖欠这个过去难以解决的问题有很大帮助。

供水部门推行IC卡水表的经验表明，人们普遍接受这一模式，供水部门不仅解决了拖欠交费的老大难问题，还可以提前收到资金。

对用户来说，水费的支出在总支出中占得比重很小，这种改变，对用户来说，只是把水费的交付时间提前了一段时间，所以，用户并不敏感。

但对供水部门来说，这种变化则是不能小看的。

随着水资源的紧张和水的商品属性逐步被社会认可，水的交易将会逐渐采用一般商品的交易模式，显然，先交费后用水，是更合理的一种交易模式。

2．改变了入户抄表收费的模式。

这种模式改变的意义是巨大的。

随着城市规模不断扩大、居民户数快速增加，供水部门抄表和收费的工作量将不断加大，沿用传统的上门抄表模式，将很难适应这种变化。

而现在由于各种原因的影响，人工入户抄表的效率已经在逐渐下降并且这种模式的成本不断增加。

解决这个问题，可以采用多种途径，但依靠技术进步来解决这个问题，应当是更值得提倡的
方式。

显然，采用智能IC卡水表及其管理系统，将可以从根本上改变由供水部门派人去千家万户抄表收费的模式。

只要供水部门合理设置交费机构，基本上不会给用户带来麻烦。

如果得到金融系统的配合，还可以减少布点的成本。

因此大规模采用智能IC卡水表技术对降低供水部门的管理成本有显著帮助。

而使用IC 卡进行交易结算，用户可以自主决定交费时间和数量，增大了用户的自主性。

特别是随着人们家庭安全意识和隐私意识的增强，入户抄表和上门收费等随意进入私人住处的做法将逐渐不受欢迎甚至受到抵制，这是一个必须给予重视的发展趋势。

而使用智能IC卡进行交易结算，将可以有效解决这个会给社会带来很多隐患的问题。

3．可以有效解决一些技术难题。

比如，随着水资源的紧张，将会逐步实行超计划水价甚至阶梯式水价等较为复杂的用水管理模式。

这些，将对供水交易提出较高的技术要求。

采用普通水表和人工抄表的模式，是难以解决这些技术问题的，而采用智能IC卡水表，将很容易解决这些问题。

4．随着科学技术的发展，供水行业也需要逐步利用高科技手段对供水进行管理。

采用传统水表，这个跨越是很难完成的，而采用智能IC卡水表，将为运用计算机技术进行现代化管理奠定一个技术基础。

5．当然，使用智能IC卡水表还有其他优点，比如可以有效解决用水纠纷，贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。

6．与远程抄表系统相比，智能IC卡水表使用和维护成本低，而且没有布线造成的混乱和高故障率等问题。

智能IC卡水表的以上优点，将会使智能IC卡水表逐渐被社会所接受并成为一种基本配置。

1.3 IC卡智能水表及其分类
1.3.1 IC卡水表的概念
IC卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、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，
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，可利用银行卡进行结算的特点。

1.3.2 IC卡智能水表分类
IC卡智能水表是以带有民信装置的水表为计量基表，以IC卡为媒体，加装控制器和电控阀门所组成的一种具有预付费功能的水量计量仪表。

从控制阀的结构分类，有电磁阀式卡表和电机阀式卡表；从卡的形式分类，有TM卡水表和IC卡水表。

电磁阀式卡表是相对成熟的IC卡水表，它最大的优点是能耗低，可靠性高；最大的缺点是对水质要求高，水中泥沙和异物会影响电磁阀的可靠性。

电机阀式卡表是近几年才出现的一种卡表。

这种卡表的优点是对水质要求不高；缺点是能耗较大，可靠性差，阀门结构复杂。

TM卡水表是IC卡水表中的一种。

TM卡的优点是保密性好，体积小；缺点是通用性差，随着卡的技术的发展，被淘汰的风险大。

IC卡水表是现时使用最广的卡表。

IC卡通用性好，卡的来源广，和金融系统的电子货币卡较容易对接。

第2章智能水表总体设计
2.1 智能水表结构
智能水表的外观与一般水表的外观基本相似，其安装过程也基本相同。

智能水表的使用很简单，从用户的角度讲就是把IC卡向水表里插一下。

IC卡水表的工作过程一般如下：将含有金额的IC卡插入水表的IC卡读写器，经微机模块下载和识别金额后，阀门开启，用户可以正常用水。

用户用水过程中，水量采集装置开始对用水量进行采集，转换成所需的电子信号供给微机模块进行计量，并在LCD模块上显示出来。

当用户的剩余金额下降到一定数值时，微机模块进行声音报警，提示用户应该持卡去交费处购水。

如果超过用水金额，微机模块会自动将阀门关闭，切断供水。

直至用户插入已经交费的IC卡，微机模块将重新判断卡上余额是否为正值，若为正值，开启阀门，继续为用户供水，否则继续保持关阀状态。

智能水表本质上是一种微机自检系统，由硬件和软件两部分组成。

2.1.1 硬件部分
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。

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

以A T89S51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。

图2-1 IC卡智能水表原理框图
1.微处理器采用AT89S51AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

本系统设计中单片机时钟电路采用12MHz晶振。

2.水表的供电电源电路为确保水表系统在意外断电时不使数据丢失，因此供电系统采用交/直流电源，平时水表由交流电通过表内的小型变压器输出供电，而备用电池处于充电状态，一旦停电，水表就由内部备用电池供电。

3.阀门对水表而言，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，即要让阀门一直开着，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，必须对现有的电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门开/关由电脉冲来实现。

使得对阀门开/关只需瞬时供电从而减少耗电量。

4.流量传感器流量传感器是水表中的传感器部分，是实现正确计量的基础。

考虑到现有的模拟式水表中，旋翼式水表结构简单，测量范围宽，灵敏度高，外形尺寸小，精确度已被广大用户所接受；因此本水表的流量传感器还是基于模拟水表的旋翼式结构，而通过在叶轮上安装磁钢与微型干簧管等机构，将叶轮的旋转转换成电信号，以实现频率脉冲计数，进而实现水流量的计量。

其耗电小，并保持了原有的结构简单、精确度高的优点。

5.IC卡读/写器IC卡读/写器是IC卡水表的输入接口。

当IC卡插入读/写器时，首先读入的是卡中的密码，以判断此IC卡的合法性；水表在判断了卡的合法性后，读入所购水量并和水表内剩余水量累加，同时将卡上购水量单元清零；回写水表上用水量、剩余水量等信息，以便下次购水时自来水公司读取，实现水表信息的回馈功能。

6.显示器液晶显示器作为水表的输出接口，显示剩余水量、电池状态及开关状态等信息。

它们的有效工作时间都比较短。

用户看完后，没有必要让它一直显示；为此，可利用水表上的防水盖提供信号，即当盖子打开时，使它们进入工作状态；而当盖子盖上时，是它们停止工作，从而达到节电的目的。

2.1.2 软件部分
软件部分主要包括监控程序和接口程序两大部分。

监控程序主要用于监控仪。