硬件——基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì).doc

重慶交通大學(xué)（重慶通信學(xué)院辦學(xué)點(diǎn)）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目：基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì)專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：劉安才二一一年五月I摘要為適應(yīng)國家用水制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術(shù)對自來水實(shí)行自動控制，減輕供水管理部門因“先供水后收費(fèi)”造成的資金壓力，減少每月抄表、收費(fèi)所帶來的麻煩和因收費(fèi)問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段改變自來水管理體制的落后現(xiàn)狀，勢在必行?；趩纹瑱C(jī)的智能水表不但可以提高供水部門的工作效率，而且在技術(shù)上為節(jié)約用水、合理用水創(chuàng)造了條件，由于這些特點(diǎn)，智能水表得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本論文主要設(shè)計(jì)研究基于單片機(jī)的IC卡智能水表電路，其主要功能是以AT89C2051單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)IC卡的讀寫，液晶顯示的控制，電磁閥的控制，脈沖的提取，同時具有安全保護(hù)電路、記憶單元電路、通信接口電路，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。本文對每個模塊逐一進(jìn)行了研究，全面詳細(xì)地論述了硬件電路的設(shè)計(jì)流程，對本設(shè)計(jì)中非接觸式IC卡讀寫電路模塊、液晶顯示電路模塊和讀寫電路模塊等工作原理及功能進(jìn)行了詳細(xì)了說明。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；IC卡；液晶顯示；記憶模塊IIAbstractInordertoadaptthereformofthenationsystemofwatersupply,studyingandmakinguseofthemodernintelligencetechniquetorealizetheautomaticsupervisionofthewatersupply,lighteningthefundspressurebecauseof“supplywaterfirstbehindcharge”ofthedepartmentsupplyingwater,reducingthetroubleanddisputeofcopyingtheformandchargingmonthly,usingthemodernsciencetechniquechangethecurrentadministrationstructureofusingwaterandwatersupplyindustryisimperativeunderthesituation.Theapplicationofintelligentwatermeternotonlyimprovesworkefficiencyofintelligentwatermeternotonlyimprovesworkefficiencyofthedepartmentsupplyingwaterandrealizesusingwaterelectronicallybutalsocreatesaconditionforusingwaterfrugallyandrationally.Becauseofthesecharactetistics,intelligentwatermeterobtainedmoreandmorewidespreadapplication.Inthispaper,themaindesignbasedonsingle-chippre-chargestheICcardwatermetersystemhardwarecircuitdesign,itsmainfunctionisbasedonAT89C2051single-chipmicrocomputerasthecore,therealizationofICcardreader,LCDdisplaycontrol,thecontrolsolenoidvalve,pulseextraction,atthesametimesecurityprotectioncircuit,memorycellcircuit,communicationinterfacecircuit,thesignalmetertocompletethereading,writingandprocessing,monitoringtheworkfunctionofwatermeters.Inthispaper,onebyoneforeachmodulestudied.Fulldetailofthehardwarecircuitdesignflow,forthedesignoftheCentralAfricancontactlessICcardreadercircuitmodule,liquidcrystaldisplaycircuitmoduleandcircuitmodule,suchasreadingandwritingH6152workingprincipleandfunctionaredescribedindetail.Keywords:SCM；ICCard；Liquidcrystaldisplay；Memorymodules基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì)1目錄摘要.IAbstract.II目錄.1第1章緒論.11.1課題背景及意義.11.2傳統(tǒng)水表.21.2.1傳統(tǒng)水表的主要結(jié)構(gòu).21.2.2傳統(tǒng)水表的主要特點(diǎn).21.3智能水表.21.3.1智能水表的特點(diǎn).31.3.2國內(nèi)外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.4第2章智能水表的硬件設(shè)計(jì).62.1設(shè)計(jì)思想.62.1.1方案比較.62.1.2方案選擇.82.2智能水表的工作原理.82.3智能水表的硬件結(jié)構(gòu).92.3智能水表各模塊芯片及器件的選型.102.3.1微處理器的選擇.102.3.2傳感器的選擇.132.3.3記憶單元組成的選擇.172.3.4控制閥門的選擇.192.3.5IC卡的選擇.202.4各模塊硬件電路設(shè)計(jì).212.4.1IC卡讀寫電路.212.4.2液晶顯示電路.272.4.3電源模塊.282.4.4單片機(jī)模塊.302.4.5記憶單元電路.302.4.6電磁閥控制電路的設(shè)計(jì).312.4.7電源的設(shè)計(jì).332.4.8檢測模塊的設(shè)計(jì).352.4.9報(bào)警電路.362.4.10防拆電路.372.4.11復(fù)位電路.372.4.12時鐘電路.382.4.13信號處理模塊的設(shè)計(jì).392.4.14其它模塊電路.40第3章智能水表的軟件設(shè)計(jì).41基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì)2第4章關(guān)于智能水表的節(jié)能及安全問題.434.1IC卡智能水表的低功耗問題.434.2低功耗解決方案.434.3IC卡智能水表的安全性問題.444.4安全性問題解決方案.444.5對水表的物理性攻擊的防范辦法.45第5章結(jié)論.46參考文獻(xiàn).47謝辭.48附錄.491.相關(guān)電路圖.492.相關(guān)程序.512.1報(bào)警程序.512.2蜂鳴器程序.522.3時鐘程序.523.protel電氣原理圖設(shè)計(jì)軟件介紹.543.1protel電路板設(shè)計(jì)軟件.553.2原理圖的繪制.563.3PCB圖的繪制.564.外文資料翻譯AT89C2051單片機(jī)簡介.59基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì)1第1章緒論1.1課題背景及意義隨著社會科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重，尤其是與人類生存嘻嘻相關(guān)的水資源日益缺乏。水是寶貴的環(huán)境資源，也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。但是，我國是世界上人均水資源擁有量是分貧乏的國家之一，節(jié)約和保護(hù)水資源是我國當(dāng)前一項(xiàng)十分重要的戰(zhàn)略措施。節(jié)約水資源包括兩個方面的措施，一是大力推廣應(yīng)用節(jié)水新技術(shù)；二是加強(qiáng)用水的科學(xué)管理，在某種意義上來說，加強(qiáng)用水科學(xué)管理是當(dāng)前的首要任務(wù)。要加強(qiáng)用水的科學(xué)管理，最重要的是加速研究開發(fā)科學(xué)先進(jìn)、應(yīng)用方便的節(jié)水科學(xué)管理儀表以及這種儀表的普及應(yīng)用。因此研制一種低功耗、計(jì)量精確方便的智能水表顯得極為重要。長期以來，我國城鎮(zhèn)居民所使用的水表普遍是普通機(jī)械旋翼濕式水表，這種水表價(jià)格低廉，性能比較穩(wěn)定，但是還采用人工抄表、按戶收費(fèi)的模式。此方式存在著工作量大，收費(fèi)周期長，收費(fèi)困難，效率低下等缺點(diǎn)。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，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，提高居民飲水質(zhì)量；同時還能為加強(qiáng)自來水使用的監(jiān)督管理提供手段，從而在技術(shù)上為節(jié)約用水合理用水創(chuàng)造條件。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表機(jī)構(gòu)的根本性變革，以微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合，組成新一代“智能化儀表”，智能化儀表在測量過程自動化。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來越高。我國目前智能水表新產(chǎn)品開發(fā)基本上是借鑒國外先進(jìn)模式，因?yàn)閲庠诖朔矫娴难芯吭O(shè)計(jì)起步較早。例如ABB公司的KENT水表采用充電電池，具有按鍵讀數(shù)、可以顯示日期時間及各戶用水量，建有機(jī)械式與電子式讀數(shù)功能，而且還配有IBMPC兼容機(jī)接口，可以進(jìn)行電話通信；德國Sameco公司的新型水表可顯示上一年與本年度用水量以及日期與時間等，并開發(fā)電卡式水表；此外，日本、以色列等國也相繼推出自己的新產(chǎn)品。國內(nèi)的一些企業(yè)也對多種智能化水表系統(tǒng)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產(chǎn)。從國內(nèi)外水表行業(yè)的目前情況以及水資源的可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)來看，我國的傳統(tǒng)水表必須進(jìn)行改進(jìn)，才能適應(yīng)社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。基于單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì)21.2傳統(tǒng)水表傳統(tǒng)水表的發(fā)展經(jīng)歷了漫長年代，它涉及社會生活的各個方面。它對改善人類生活、促進(jìn)社會發(fā)展和科技進(jìn)步起到了無法估量的作用。直到現(xiàn)在在很多領(lǐng)域還能繼續(xù)發(fā)揮作用。1.2.1傳統(tǒng)水表的主要結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)水表主要結(jié)構(gòu)由硬件構(gòu)成，以相對固定形式確定下來，所實(shí)現(xiàn)的功能較單一。只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能，用戶在使用過程中無法對其功能進(jìn)行改變。它一般具有輸入信號接口、內(nèi)部處理電路和實(shí)時顯示三部分。對于一些儀表功能如自凋零、自校準(zhǔn)、自動調(diào)節(jié)量程等的設(shè)置是由用戶在儀表設(shè)備面板上手工完成。1.2.2傳統(tǒng)水表的主要特點(diǎn)傳統(tǒng)水表的主要特點(diǎn)是自成體系，自我包容，用戶無法更改。傳統(tǒng)水表功能單一，只具流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能。同時，一臺普通傳統(tǒng)水表具有相對獨(dú)立性，不能與其他水表設(shè)備進(jìn)行通信，而只能用于現(xiàn)場測量，測量結(jié)果不能處理、存儲、顯示，局限性很大。另外，傳統(tǒng)水表無法升級換代，而且開發(fā)周期長、經(jīng)費(fèi)投入大。隨著科技水平不斷發(fā)展，人們對傳統(tǒng)水表提出以下幾方面的要求：測量精度高、功能強(qiáng)、可靠性好，測量全能自動化、智能化，小型化、使用靈活方便、升級方便，同時還能進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示，具有和其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊等功能。這些新的要求不僅促使著傳統(tǒng)水表不斷地改進(jìn)和發(fā)展，也孕育著新一代水表智能水表的產(chǎn)生。1.3智能水表隨著為電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成了處理器、存儲器、定時器/計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、看門狗甚至A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片單片機(jī)出現(xiàn)