IC卡智能水表設(shè)計

1、基于單片機的ic卡智能水表控制系統(tǒng)設(shè)計第1章 緒 論本章介紹了本研究課題的背景及意義，闡述了其發(fā)展狀況。對當前水資源形勢、傳統(tǒng)水表和ic卡智能水表的特點及其水表的未來發(fā)展趨勢作了概況。另外，簡要說明了本文所做的工作。1.1 本研究課題的背景及意義環(huán)境與發(fā)展，是當今國際社會普遍關(guān)注的重大問題，保護環(huán)境是全人類的共同任務(wù)。水資源作為生態(tài)環(huán)境中的重要資源，是人類生活的生產(chǎn)中不可取代的資源，對一個國家的生存和發(fā)展也是極為重要的。水資源是一切生命的源泉，是人類不可缺少的物質(zhì)條件，沒有水人類就不能生存，沒有水人類賴以自下而上的物質(zhì)生產(chǎn)就不能發(fā)展。目前，我國的水資源問題十分嚴峻。在我國600多個城市中，目前

2、有400多個城市供水不足，其中嚴重缺水的城市有110個，城市年缺水總量達60億立方米。 根據(jù)世界銀行的數(shù)據(jù)，我國人均水資源占有量只有2200立方米，這個數(shù)字僅相當于世界人均水資源占有量的四分之一。專家預測，當我國人口增至16億時，人均水資源將下降到1750立方米，接近國際公認的水資源緊張標準。從長遠來看，搞好水資源的管理具有重大而深遠的意義。自來水事業(yè)作為用水資源的重要組成部分，它關(guān)系到人民生產(chǎn)和生活的各個方面。由于歷史的原因，我國大部分城市居民使用自來水，都是在區(qū)域性水站供水基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展成為以單位住宅區(qū)或以樓棟、單元為一戶由自來水公司抄表收費的。目前，這種經(jīng)營方式已越來越不適應(yīng)社會主義市

3、場經(jīng)濟發(fā)展的要求，成為人民物資生活迅速提高和供水企業(yè)落后的經(jīng)營方式之間產(chǎn)生的主要矛盾。 長期以來，我國自來水用戶的用水量依靠人工抄表，然后由收費員到各家收費或令各用戶去銀行（或其他指定地點）交費。這種傳統(tǒng)收取水費的做法需要的工作人員多，費時費力，效率低，常常遇到用戶欠繳、遲繳或漏繳水費等問題。為適應(yīng)國家對用水制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術(shù)對自來水實行自動監(jiān)控，減輕供水部門因“先供水后收費”造成的資金壓力，減少每月抄表收費帶來的麻煩和因收費問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代化科學技術(shù)手段改變自來水供水管理體制的落后現(xiàn)狀勢在必行。 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的日益提高，智能化電子產(chǎn)品已逐步深入家庭

4、，我們提出了ic卡智能水表的方案。ic卡智能水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能ic卡技術(shù)對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。這與傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機械指針顯示用水量的功能相比，是一個很大的進步。ic卡智能水表除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量自動進行控制，同時可以進行用水數(shù)據(jù)存儲的功能。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過ic卡進行，因而可以實現(xiàn)由工作人員上門操表收費到用戶自己去營業(yè)所交費的轉(zhuǎn)變。ic卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計算準確，可利用銀行進行結(jié)算的特點。ic卡智能水表及其管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，將從根本上解決了已上問題。采用ic卡智能

5、水表進行交易結(jié)算，不但實現(xiàn)了用水收費的電子化，而且還改變了先用水后收費的不合理狀況，使的供水部門能預先收取部分費用，有利于公用事業(yè)的發(fā)展。ic卡智能水表具有成本低、可靠性高、使用壽命長及安全性好等優(yōu)點，可提高居民用水收費的管理水平，確保供水部門能及時收取水費。因此，ic卡智能水表成為相關(guān)科研單位關(guān)注的重點，具有很好的經(jīng)濟效益與社會效益1 2。1.2 本研究課題的發(fā)展趨勢隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，加上國家相關(guān)政策的推動，民用計量儀表的智能化將是一個必然的發(fā)展方向。這不僅是中國的一種趨勢，也將成為世界性的趨勢。而在近十年里，單體式智能ic卡類儀表又將會是發(fā)展主流。 從理論上說，網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)應(yīng)

6、當是更好的一種計量管理模式，并且是最終發(fā)展方向。但是目前，由于網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)的建立條件不成熟，且沒有相關(guān)系統(tǒng)相配合，所以，單獨在一個部門大規(guī)模推動建立網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)點顯現(xiàn)不出來。而且，僅僅為了提取用水信息就要構(gòu)建一個信息網(wǎng)絡(luò)，從經(jīng)濟角度講也不合算。建立網(wǎng)絡(luò)式智能儀表信息系統(tǒng)的理想模式應(yīng)當是，由公共網(wǎng)絡(luò)部門建立起社會化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而要使用這個網(wǎng)絡(luò)的具體部門只要向其進行申請，將自己行業(yè)的智能計量終端掛接上去就可以了。同時，這種網(wǎng)絡(luò)式智能儀表管理系統(tǒng)又與個人金融網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合使用。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)當才是好的和有效率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。顯然，整個社會現(xiàn)在正在努力推進著網(wǎng)絡(luò)化的工作，在可以預見的時間里

7、，這種把千家萬戶連接起來的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就會逐步形成。所以，既然整個社會正在進行著這種工作，那么，每個部門為了自己行業(yè)的一種特別目的去建立自己單獨的網(wǎng)絡(luò)，顯然將與這種可以面向社會提供各種接入服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相沖突，并且根本不可能有經(jīng)濟優(yōu)勢，既然這樣，現(xiàn)在進行的小行業(yè)小區(qū)域組網(wǎng)工作就是一種浪費，而且對解決供水部門的管理問題并沒有什么根本性的幫助。 那么，現(xiàn)在普遍采用的單體式智能儀表模式與將來的網(wǎng)絡(luò)化管理模式是否會發(fā)生沖突呢，我的看法是不會，相反，還會促進網(wǎng)絡(luò)化管理模式的形成。因為，單體式智能儀表模式與將來的網(wǎng)絡(luò)模式并不矛盾。因為不管什么網(wǎng)絡(luò)模式，最終必須要有智能終端與其進行聯(lián)結(jié)?，F(xiàn)在采用的單體式智能儀表

8、將來就可以作為網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的智能儀表終端。所以，它們不是一種沖突關(guān)系，而是一種相承關(guān)系。如果現(xiàn)在就能充分意識到這一點，并尋找合理的技術(shù)方案，在將來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化時就會占有主動的地位。根據(jù)以上的分析，我認為，現(xiàn)在采用的單體式智能儀表發(fā)展模式是合理的，是適合現(xiàn)時需求并具有主流特征的。當然，在密集度較高的建筑群里采用的一線四表控制系統(tǒng)也是值得推廣和具有合理發(fā)展前景的。為了推動ic卡智能水表的發(fā)展，全國有許多研究機構(gòu)投入力量對ic卡類智能產(chǎn)品進行了開發(fā)研究，很多自來水公司也積極參與了此項開發(fā)工作并成功的開發(fā)出了自己的產(chǎn)品。從理論角度看，ic卡智能水表已經(jīng)進入了成熟期。但是，為什么現(xiàn)在ic卡智能水表的推動工

9、作還很困難呢？這不難理解。因為從實際情況看，現(xiàn)在的ic卡智能水表確實還存在著許多影響其大規(guī)模推廣使用的問題。這些問題集中起來主要是1. 價格太高；2. 質(zhì)量不可靠；3. 存在安全隱患。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展， ic卡智能水表將會不斷發(fā)展完善。比如，現(xiàn)在這種在老式水表上取信號的模式，將會由先進的水流量信號提取裝置代替，機械計量和機械顯示部分會被淘汰，而表和閥將會集中在一體等等。總的說來，ic卡智能水表是一種先進的計量儀表，對這種先進儀表的大規(guī)模推廣使用將會有力促進中國供用水管理的現(xiàn)代化進程。中國在這個方面的超前發(fā)展會使這種計量模式得到優(yōu)先完善，并有可能成為中國的一個有競爭力的產(chǎn)品出口到其它國家2

10、3。1.3 本文的工作詳細分析課題任務(wù)，對ic卡智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，并對現(xiàn)代傳感器技術(shù)、ic卡技術(shù)和智能水表控制的原理進行了深入的研究，并將其綜合。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計出實現(xiàn)控制任務(wù)的硬件結(jié)構(gòu)及其原理圖和相關(guān)軟件程序，并進行訪真調(diào)試。下面對本設(shè)計的主要研究工作做個簡述。 1. 根據(jù)設(shè)計要求，提出幾種方案，對它們進行了全面的論證；2. 根據(jù)系統(tǒng)需要，合理選擇微處理器，并且詳細地闡述了它的基本功能特性；3. 介紹了相關(guān)現(xiàn)代傳感技術(shù)，選擇出信號采集的最佳方案；4. 根據(jù)低功耗要求，對電磁閥的選擇與設(shè)計進行了深入的研究；5. 詳細分析了e2prom的工作原理；6. 對ic卡技術(shù)做了簡明扼

11、要的分析，并對其軟件的讀寫原理進行了詳細的討論；7. 應(yīng)用led顯示技術(shù)，可隨時查詢累計用水總量、可用水量；8. 改進了普遍應(yīng)用電源方案，詳細地介紹了超級電容技術(shù)及其在本設(shè)計中的應(yīng)用；9. 對整個系統(tǒng)的軟、硬件進行了深入的分析，并且繪制了相關(guān)硬件電路圖、軟件流程圖，還編寫了相關(guān)軟件程序。第2章 設(shè)計思想與方案論證 本章對智能水表的設(shè)計思想做了詳細的介紹，并在設(shè)計思想的基礎(chǔ)上提出了三種智能水表的設(shè)計方案，還針對它們各自的工作原理和優(yōu)缺點進行了簡要分析。最終確定為采用基于at89c2051單片機的ic卡智能水表方案。2.1 設(shè)計思想智能水表區(qū)別于傳統(tǒng)的人工抄表就是應(yīng)該具有一定的智能控制功能。針對目

12、前供水部門與用戶的實際情況，本設(shè)計對智能水表應(yīng)該具有的功能提出了以下設(shè)計思想：1. 統(tǒng)計功能：當用戶插入有效卡時，將購買水量與剩余水量自動相加，并且存入e2prom以防丟失；當用戶用水時，將剩余水量與用水量自動相減，并且存入e2prom以防丟失。2. 自動供停水功能：當剩余水量為0時，自動關(guān)閉閥門；購水后，閥門開啟。3. 顯示功能：采用6位led顯示，可隨時查詢累計用水總量及可用剩余水量。4. 報警功能：當剩余水量減少到一定量時，報警提示用戶購水。5. 掉電自動保護數(shù)據(jù)功能：掉電后，數(shù)據(jù)依然可以被保存。當恢復供電后，數(shù)據(jù)自動恢復。6. 一戶一卡的功能：通過設(shè)立用戶信息和用戶校驗碼的方式實現(xiàn)一戶

13、一卡。即一個水表只能使用一個用戶專用卡，插入其他卡片無效。7. 欠電自動關(guān)閉系統(tǒng)的功能：當電池電壓或電池容量掉到規(guī)定數(shù)值后，意味著電池可能已經(jīng)快沒有電了，此時，水表應(yīng)會自動將閥門關(guān)閉并使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，并報警提示。8. 防拆卸功能：在表體和接頭管件上設(shè)置鉛封口并可進行防偽鉛封處理，以防止隨意拆卸水表的行為。即使被拆卸后，單片機立即關(guān)閉閥門，以防偷水。2.2 方案比較 針對上述設(shè)計思想，提出了三種智能水表的設(shè)計方案。下面對它們的工作原理及其優(yōu)缺點進行了簡要地分析。1. 方案一：脈沖發(fā)訊集中抄收式智能水表系統(tǒng)工作原理：由表具不斷發(fā)出脈沖信號，經(jīng)采集器對脈沖信號進行采集、累加、存儲和數(shù)據(jù)上傳。優(yōu)點

14、：發(fā)訊式集抄系統(tǒng)目前在國內(nèi)已普遍采推廣應(yīng)用方便,價格較低，只要生產(chǎn)廠商、系統(tǒng)集商嚴格把好每一環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)，且發(fā)訊不隨時間產(chǎn)生疲勞損傷，此系統(tǒng)不失為一種可供選擇的、適于一定歷史時期的過渡產(chǎn)品。缺點：(1) 初始化及維護工作量大；(2) 磁鐵強磁場干擾；(3) 電能耗費。2. 方案二：基于can總線的智能水表自動抄收系統(tǒng)工作原理：自動抄收系統(tǒng)主要由小區(qū)管理中心計算機(主控機)、水表數(shù)據(jù)采集器、采集服務(wù)器、中繼站等幾個部分組成，是一種智能化多用戶能耗集中自動抄收系統(tǒng)。其原理是將原能耗計量表的流量轉(zhuǎn)換為脈沖信號，經(jīng)信號傳輸線至系統(tǒng)總線，由接口電路通過有線傳輸或主機直接抄讀，最后經(jīng)微機管理，實現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)

15、的自動處理。優(yōu)點：can現(xiàn)場總線的方式來傳送數(shù)據(jù)，以克服市場已有傳送方式所存在的不足之處，其傳送方式可實現(xiàn)10公里范圍的小區(qū)抄收工作，同時性能比同類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。采用點對點、一點對多點、全局廣播等幾種方式，數(shù)據(jù)收發(fā)靈活，可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，且無主從機之分，便于實現(xiàn)設(shè)備異常主動報警。節(jié)點故障自動關(guān)閉，不影響網(wǎng)絡(luò)性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且不關(guān)閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點，方便了系統(tǒng)的調(diào)試和維護。缺點：前期經(jīng)濟投入太多，需要大量的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)維護人員，維護工作量大。設(shè)計過于復雜，太難，且不容易實現(xiàn)4。3. 方案三：基于89c2051單片機的ic卡智能水表系統(tǒng)工作原理：以接觸ic卡或非接觸射頻卡作為

16、媒介，將各種信息輸入表中控制系統(tǒng)來自動開關(guān)閥門(供水或停水)，由用戶到自來水公司網(wǎng)點先預購買水量，再將用水量通過ic卡輸入表中控制系統(tǒng)，等水量用盡即自動關(guān)閥并中斷水的供應(yīng)，報警器在設(shè)定水量用完之前會自動報警以提醒用戶購水，達到“先買水、后用水”的目的。優(yōu)點：在用戶不繳費的情況下可自動斷水，有效控制收費單位的資金回籠，不需要人工上門抄表、收費，減少抄表員。缺點：(1) 電磁閥在長期開啟狀態(tài)下由于水垢和水中雜質(zhì)而影響閥門關(guān)閉，使用戶在不繳費的情況下繼續(xù)用水，而收費單位還一無所知，一旦發(fā)現(xiàn)也無法向用戶追繳多用水費；(2) ic卡表也是由發(fā)訊脈沖進行累加計量，如果人為強磁干擾或強電瞬間電擊，也會造成芯

17、片損壞，從而無法計量；(3) 鋰電池在長期使用中是否能達到設(shè)計年限還有待考證，到期后由誰負責更換是個問題。隨著微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，以上該方案的缺點我們通過可行的具體方案基本可以解決了。該方案所設(shè)計的ic卡智能水表主要由開關(guān)閥門控制模塊、流量采樣模塊、微處理器、電源模塊、ic卡讀寫模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊、顯示模塊等組成2。2.3 方案選擇從投入成本來看，方案二需要建立一整套的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所需設(shè)備多，前期所需經(jīng)濟投入最大，方案一次之，方案三最低。從設(shè)計的難易程度來看，方案三融合了微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、ic卡技術(shù)等，這些技術(shù)都已經(jīng)相當成熟，最容易實現(xiàn)，方案二最難，方案一次之。從維

18、護成本來看，方案二是由一個專用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組建而成，需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)維護人員，它的維護成本最高，方案一次之，方案三最低。從長期效益來看，隨著技術(shù)的成熟，社會各行各業(yè)網(wǎng)絡(luò)化進程的加速，方案二必定是今后的發(fā)展趨勢，它所達到的效益最佳，方案三次之，方案一最差。綜合考慮以上三種方案，根據(jù)現(xiàn)在的各種實際情況、現(xiàn)有技術(shù)水平和設(shè)計要求，我們選擇了第三種方案基于89c2051單片機的ic卡智能水表系統(tǒng)來進行設(shè)計。第3章 ic卡智能水表的硬件設(shè)計本章是本文的核心內(nèi)容，主要介紹的是系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。我們采用了模塊化的設(shè)計方法，針對系統(tǒng)的工作原理和各個硬件模塊的原理和電路進行了具體的介紹。還對各種器件的選擇（如微

19、處理器、傳感器等）做了詳細的分析。3.1 主系統(tǒng)的構(gòu)成根據(jù)設(shè)計要求，所要設(shè)計的系統(tǒng)除了解決最基本的正常供水還應(yīng)具有一定的智能功能。主系統(tǒng)的框架圖如圖3.1所示。由圖中可以看出，系統(tǒng)由這樣一些功能模塊組成：微處理器、流量傳感器、信號處理模塊、ic卡接口電路、e2prom數(shù)據(jù)存儲電路、顯示電路、報警電路、電源模塊、電磁閥驅(qū)動電路以及其他輔助電路。所有模塊的設(shè)計均考慮了低功耗的要求，本系統(tǒng)采用外接3節(jié)5號電池供電，內(nèi)部采用超級電容作為備用。系統(tǒng)時鐘采用外接晶振方式，約為6mhz。 圖3.1 主系統(tǒng)框圖ic卡智能水表工作原理：首先由用戶購買ic卡（即用戶卡），并攜ic卡至收費工作站交費購水，工作人員將

20、購買水量等信息寫入卡中。用戶將卡插入ic卡水表，卡表內(nèi)單片機識別ic卡密碼并確認無誤后，將卡中購買水量與表內(nèi)剩余水量相加后，寫入卡表內(nèi)存儲器，同時必須將ic卡內(nèi)購水值清零。當用戶用水時，由流量傳感器采進來的信號以脈沖形式觸發(fā)單片機的外部中斷，換醒單片機，進行用水處理。用戶在用水過程中，卡表內(nèi)剩余水量相應(yīng)減少。當剩余水量低于一定量，如5m3，卡表報警提示用戶購水。當e2prom中存儲的水量用完時，單片機自動關(guān)閉電磁閥。用戶只有重新購水，才能使電磁閥打開。此外，在發(fā)生人為故意破壞時，閥門也會關(guān)閉2。3.2 微處理器 微處理器是本設(shè)計中的核心器件。我們一般都選用單片機來進行控制。下面給出了對它的選型

21、與功能介紹。3.2.1 單片機的選型單片機的選型從以下幾個方面考慮：1. 單片機的系統(tǒng)適應(yīng)性適應(yīng)性指單片機能否完成應(yīng)用系統(tǒng)的控制功能，它主要從以下幾個方面體現(xiàn)。(1) 單片機的cpu是否有合適的處理能力。(2) 單片機是否有系統(tǒng)所需要的i/o端口數(shù)。(3) 單片機是否含有系統(tǒng)所需的中斷源和定時器。(4) 單片機片內(nèi)是否有系統(tǒng)所需的外接口。(5) 單片機的極限性能是否能夠滿足要求。2. 單片機的市場供應(yīng)情況3. 單片機的可開發(fā)性本設(shè)計系統(tǒng)至少需要14個i/o端口數(shù)，其中需要2個外部中斷源，一個全雙工串行通信口，需要2k字節(jié)可重擦寫程序存儲器。結(jié)合上述選型依據(jù)，雖然其通用的80c51系列的單片機具

22、有電源電壓適應(yīng)范圍寬、抗干擾能力和驅(qū)動能力強、價格便宜等特點。然而對本設(shè)計來說，根據(jù)其系統(tǒng)所要應(yīng)用的需要：主要是其應(yīng)用的引腳、應(yīng)用所需要的容量以及在制作過程中所要考慮的體積、價格及供應(yīng)等因素。顯然at89c2051單片滿足i/o端口數(shù)、所需要的容量等要求。at89c2051單片機與80c51單片機相比具有體積小、價格低等優(yōu)點。同時at89c2051單片機和80c51單片機是完全兼容的，它與80c51的顯著區(qū)別在于它內(nèi)部有一個閃存。另外考慮到在調(diào)試過程中實驗器材的現(xiàn)實情況，本設(shè)計系統(tǒng)將選用at89c2051單片機作為主控芯片。3.2.2 單片機at89c2051簡介at89c2051是美國atm

23、el公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos8位單片機，片內(nèi)含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（flash）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲的技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元。功能特性概述：at89c2051提供以下標準功能：2k字節(jié)flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，15個i/o口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩極中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，內(nèi)置一個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，at89c2051克將至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)

24、電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。圖3.2是at89c2051的引腳結(jié)構(gòu)圖，有雙列直插封裝（dip）方式和方行封裝方式。圖3.2 at89c2051的引腳圖3.2.3 晶振與復位電路的設(shè)計單片機內(nèi)部帶有時鐘電路，因此，只需要在片處通過xtal1、xtal2引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在1.212mhz之間，當然在一般情況下頻率越快越好?？梢员ＷC程序運行速度即保證了控制的實時性。一般采用石英晶振作定時控

25、制元件；在不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振；有時也可以引入外部時脈信號。c1、c2雖然沒有嚴格要求，但電容的大小影響振蕩器的振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性。在設(shè)計電路板時，晶振，電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。在本設(shè)計中，我們采用的外接晶振頻率約6mhz，因此機器周期約2s。reset引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩脈沖周期（即兩個機器周期）以上。如使用頻率為6mhz的晶振，則復位信號持續(xù)時間應(yīng)超過4s才能完成復位操作。產(chǎn)生復位信號的電路圖如下所示5。圖3.3復位電路和時鐘電路3.3 傳感器的選擇轉(zhuǎn)化基于傳統(tǒng)水表

26、流量檢測原理，在本設(shè)計中采用將傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)動計量方式轉(zhuǎn)化為電脈沖信號的方案。因此，需要找到一種可以將機械位移為電脈沖信號的傳感器。3.3.1 霍爾接近開關(guān)傳感器集成式霍爾開關(guān)傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，當霍爾效應(yīng)片垂直于磁場時，對霍爾效應(yīng)片施加控制電流時，在垂直于電流和磁場方向上就產(chǎn)生電動勢，稱之為霍爾電動勢。由霍爾片和處理電路構(gòu)成了集成化霍爾開關(guān)傳感器，其基本原理是將由霍爾效應(yīng)片所產(chǎn)生的電動勢由內(nèi)部差分放大器進行放大，然后被送往施密特觸發(fā)器。當外加磁場的強度小于霍爾開關(guān)的磁場工作強度時，差分放大器的輸出電壓不足以開啟施密特觸發(fā)器，霍爾開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。當外加磁場的強度大于霍爾開關(guān)的磁場工作強度

27、時，差分放大器的輸出電壓達到或大于施密特觸發(fā)器的開啟電壓閾值，霍爾開關(guān)處于開啟狀態(tài)。 集成式霍爾開關(guān)傳感器的主要優(yōu)點是：可靠性強、抗干擾性能好、溫度特性優(yōu)良、電源電壓范圍寬、輸出電流能力強、兼容性好、能與cmos集成電路直接接口，動作響應(yīng)時間短以及體積小巧、壽命長和使用方便等。 但是，從對上述對霍爾開關(guān)傳感器的原理描述中可以看出，霍爾開關(guān)傳感器中必須對霍爾效應(yīng)片輸入控制電流、同時其內(nèi)部還有差分放大器等具有較大功耗的器件，典型的集成式霍爾開關(guān)傳感器耗電為ma級，因此，霍爾開關(guān)傳感器不適合應(yīng)用在本低功耗設(shè)計中。3.3.2 光電檢測傳感器 當光照射在半導體材料的pn結(jié)上時pn結(jié)的兩側(cè)將產(chǎn)生光生電動勢

28、，如外部用導線連接，將有光電流流過，通常的光電檢測傳感器都是基于這一原理。 目前的光電檢測傳感器就是利用上述原理，以光電二極管為例，把發(fā)光二極管和光電二極管相對放置便組成了光電檢測電路，當被檢測物體通過二者之間時，由于光電二極管所接受的光的強度發(fā)生變化，其產(chǎn)生的光電動勢也發(fā)生變化，將這種變化進行放大和處理，就能產(chǎn)生反映有無物體通過二者之間的電壓脈沖信號。然而，由于在此結(jié)構(gòu)中必須用到發(fā)光二極管（對于不需要發(fā)光二極管的光電檢測傳感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到環(huán)境光線變化的影響，可靠性和檢測精確度較低），因此，其功耗電也較高，不宜用在本低功耗設(shè)計中。3.3.3 wiegand(韋根)傳感器1

29、. wiegand傳感器組成wiegand傳感器由三部分組成：(1)wiegand線；(2)檢測線圈，將其纏繞在wiegand線上，或放置在wiegand線附近；(3)磁鐵。常用結(jié)構(gòu)示意如圖3.4所示。圖3.4 wiegand傳感器組成2. wiegand傳感器工作原理wiegand線是由一根鐵磁材料制成的永磁體，由外殼和內(nèi)芯組成，如圖3.5所示。在強磁場的作用下，內(nèi)芯與外殼有相同的磁極性。將wiegand線放在與線芯極性相反的外部弱磁場附近，能使線芯的極性發(fā)生改變，線放在與線芯極性相反的外部弱磁場附近，能使線芯的極性發(fā)生改變，而外殼的極性不變。隨著外磁場強度的增加，外殼的極性也隨之發(fā)生變化，

30、這樣置于wiegand線附近的線圈就能檢測出極性的轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生電壓脈沖輸出。通常wiegand線與檢測線圈是裝配在一起構(gòu)成wiegand組件。3. wiegand傳感器工作方式根據(jù)wiegand線外部磁場引入的方式不同，wiegand傳感器有兩種驅(qū)動方式：非對稱驅(qū)動方式和對稱驅(qū)動方式。非對稱驅(qū)動方式開始把wiegand組件置于一種稱為滲透磁場的強磁場中，此時wiegand線的外殼和內(nèi)芯按同一方向極化，如圖3.6(a) 所示；再把組件置于一種稱為復位磁場的弱磁場中，此時內(nèi)芯的極性反向,而外殼的極性不變，如圖3.6(b) 所示；然后把組件置于滲透磁場中，wiegand線內(nèi)芯與外殼的極性又恢復到圖3

31、.6(a)的情況，由于wiegand線中磁場的變化，導致在檢測線圈中一個周期內(nèi)產(chǎn)生單一方向的電壓脈沖，如圖3.6(c)所示。圖3.6 非對稱驅(qū)動方式在對稱驅(qū)動方式中，采用兩塊磁場強度大小相等但極性相反的磁鐵，一塊磁鐵首先將wiegand線的外殼和內(nèi)芯按同一方向進行滲透，如圖3.7(a)所示；再將wiegand線切換到第二塊磁鐵，在這過程中，首先線芯的極性改變，如圖3.7(b)所示；然后外殼的極性發(fā)生改變，這一作用在檢測線圈中產(chǎn)生一個方向的電壓脈沖輸出，如圖3.7(c) 所示；接著，再將wiegand線轉(zhuǎn)回到第一塊磁鐵，首先內(nèi)芯的極性改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，如圖3.7(d) 所示；其次外殼的極性也隨之

32、改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，這一過程產(chǎn)生相反方向的電壓脈沖輸出如圖3.7(e) 所示6。圖3.7 對稱驅(qū)動方式4. wg系列韋根傳感器原理及其特點wg系列韋根傳感器是利用韋根效應(yīng)制成的一種新型磁敏傳感器。其工作原理是傳感器中磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料在外磁場的激勵下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測線圈中感生出電信號，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。它具有以下特點：(1) 傳感器工作時無須使用外加電源，適用于微功耗儀表，如電子水表、電子氣表和其它智能型儀表。(2) 使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式，觸發(fā)磁場極性變化一周，傳感器輸出一對正負雙向脈沖電信號，信號周期為磁場交變周期。(3) 輸出信號幅值與磁場的變化速度無關(guān)，可實現(xiàn)“零速

33、”傳感。(4) 無觸點、耐腐蝕、防水，壽命長。(5) 利用電話線、同軸線可實現(xiàn)電信號遠傳。由于wg系列韋根傳感器具有以上的眾多的特點，特別是其幾乎不需要外界能量的輸入。因此，選擇它作為本低功耗設(shè)計的傳感器。在這里，我們選擇了南京艾馳電子科技有限公司的wg系列韋根傳感器產(chǎn)品，其型號為wg101。具體使用方法為：在水表的計量齒輪上安裝小磁鋼，當用戶用水，齒輪轉(zhuǎn)動，小磁鋼將會轉(zhuǎn)過wiegand絲傳感器，這時傳感器產(chǎn)生一個高電平脈沖信號，經(jīng)過整形、放大處理后輸入至單片機進行計數(shù)計量。選擇此傳感器作輸入信號測量的傳感器，既滿足了準確計量的基本要求，又滿足了低功耗設(shè)計的需要，是本低功耗設(shè)計的重要組成部分。

34、3.4 信號處理模塊的設(shè)計 wg系列wg101韋根傳感器所產(chǎn)生的正向脈沖信號一般為1v2v之間。為了保證系統(tǒng)能更加穩(wěn)定的工作，必須對傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號進行放大、整形處理。我們采用下面的一個簡單電路（如圖3.8所示）可以很好的達到脈沖信號的放大、整形作用。經(jīng)過處理后的電平信號，送單片機的外部中斷（p3.2）進行計數(shù)處理。當計滿n（n表示為設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)值），用水總量加1，剩余水量減1（“1”在本設(shè)計中代表0.1m3的水）。由于wg系列韋根傳感器使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式（即對稱驅(qū)動方式），當水表葉輪轉(zhuǎn)動一周，觸發(fā)磁場極性變化一周，韋根傳感器輸出一對正負雙向脈沖電信號。當韋根傳感器輸出為正向脈沖時

35、，npn管導通，脈沖檢測信號w_in輸出為高電平；當韋根傳感器輸出為負向脈沖時，npn管截止，脈沖檢測信號w_in輸出為低電平。即水表葉輪轉(zhuǎn)動一周，脈沖檢測信號w_in存在一個由高到低的跳變。由于我們設(shè)定外部中斷（p3.2）為跳變觸發(fā)方式，即電平發(fā)生由高到低的跳變時觸發(fā)。因此，水表葉輪轉(zhuǎn)動一周，外部中斷產(chǎn)生一次中斷5。圖3.8 信號處理電路圖3.5 電磁閥的選擇與設(shè)計 對于水表而言，閥門是被控對象，控制著進水的開/關(guān)狀態(tài)。目前可控制的閥門主要是電磁閥，但常規(guī)的電磁閥是靠電的通/斷來控制閥門的開/關(guān)的，即要讓閥門一直關(guān)著，就必須一直通電，因此耗電較大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必須對現(xiàn)有電

36、平開關(guān)式電磁閥進行改進，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開/關(guān)控制由電脈沖來實現(xiàn)。使得對閥門開/關(guān)只需瞬時供電，從而減少耗電量。在這里我們選擇：執(zhí)行機構(gòu)采用繼電器hrs2h-s-dc3v，驅(qū)動帶自鎖的脈沖電磁閥mp15a-3v，兩者僅需+3v電源供電。正常供水情況下，電磁閥自鎖于常開狀態(tài)，驅(qū)動機構(gòu)不消耗電能，只有當購買的噸位數(shù)用完時，才由固態(tài)繼電器驅(qū)動電磁閥關(guān)閉開關(guān)，并自鎖于常閉狀態(tài)，重新購水插卡后，再次送電開啟。當水量為零時，控制閥自動關(guān)閉，水路即被切斷，此時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)，只有當特殊事件發(fā)生時，控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。三種事件狀態(tài)下控制閥的通斷情況如圖

37、3.9所示7。圖3.9 控制閥的關(guān)斷情況值得注意的是，由于繼電器和脈沖開關(guān)電磁閥都是較大容量的感性負載，因而在切斷這些感性負載時，會產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪聲干擾，成為系統(tǒng)中電磁干擾的主要原因，引外，繼電器通斷所造成的電火花和很強的電弧也產(chǎn)生了很大的電磁干擾。因此，在系統(tǒng)中必須設(shè)計相應(yīng)的抗干擾電路來消除此電磁干擾，本系統(tǒng)所采用的抗干擾措施主要有以下兩點：1. 采用光電耦合器進行隔離(如圖3.10所示)當p1.1輸出為高電平時候npn管q1導通，在光電耦合器sw-gd（型號為4n25）中的發(fā)光二級管發(fā)光，三級管導通。此時，電阻r10上就存在一個高電平使npn管q1導通。繼電器即

38、得電產(chǎn)生動作。d1為續(xù)流保護的作用。圖3.10 光電耦合器隔離電路從圖3.10中可以看出，單片機控制的i/o口和繼電器控制端口之間用光電耦合器進行了隔離，這樣，由于繼電器通斷所造成的電火花和電弧就不會影響到單片機系統(tǒng)了8。2. 在電磁閥供電端跨接壓敏電阻抗干擾 壓敏電阻是一種非線性電阻性元件，它對外加的電壓十分敏感，外加電壓的微小變動，其阻值會發(fā)生明顯的變化，因此電壓的微增量可引起大的電流增量。 壓敏電阻又分為碳化硅壓敏電阻、硅壓敏電阻、鍺壓敏電阻以及氧化鋅壓敏電阻，其中較為常用的是氧化鋅（zno）壓敏電阻，其電氣性能如圖3.11所示。圖3.11 氧化鋅壓敏電阻的電氣性能從圖3.11中可以看出

39、。壓敏電阻具有類似穩(wěn)壓管的非線性特性，在一般工作電壓（外加電壓低于臨界電壓值）下，壓敏電阻呈高阻狀態(tài)，僅有ua數(shù)量級的漏電流流過壓敏電阻，相當于開路狀態(tài)。當有電壓（當電壓達到臨界值以上）時，壓敏電阻即迅速變?yōu)榈妥杩梗憫?yīng)時間為毫微秒數(shù)量級），電流急劇上升，電阻急劇下降，過電壓以過電電流的形式被壓敏電阻吸收掉，相當于過電壓部分被短路。當浪涌過電壓過后，電路電壓恢復到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復到高阻狀態(tài)。可以利用壓敏電阻的上述特性來吸收各種干擾過電壓。由于zno壓敏電阻特性曲線較陡，具有漏電流很小、平均功耗小、溫升小、通流容量大、伏安特性對稱、電壓范圍寬、體積小等優(yōu)點，可廣泛用于直流和交流回路中

40、吸收不同極性的過電壓。在本設(shè)計中的具體使用方法為將壓敏電阻并聯(lián)到電磁閥的供電電壓上，這樣，電磁閥開關(guān)所產(chǎn)生的浪涌過電壓就被壓敏電阻所吸收了。壓敏電阻的使用大大降低了電磁閥開關(guān)所造成的電磁干擾對單片機系統(tǒng)的影響。3.6 片外數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)計在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，考慮到智能水表在使用過程中可能出現(xiàn)失電的情況。當這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)應(yīng)該保存失電前的一些數(shù)據(jù)。比如，存儲用戶設(shè)定的水量系數(shù)n（轉(zhuǎn)/噸），累計用水總量和剩余水量等。而這些數(shù)據(jù)如果存儲在單片機的數(shù)據(jù)存儲器中，單片機失電重啟動后存儲的相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)消失了。為了完成此功能，必須在單片機外部加一個e2prom，完成這些數(shù)據(jù)的存儲。本設(shè)計系統(tǒng)中加入了i2

41、c總線的e2prom。i2c總線簡介：i2c總線由philips提出，是一種用于ic器件之間連接的二線制總線。它通過sda（串行數(shù)據(jù)線）及scl（串行時鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件：不管是單片機、存儲器、lcd驅(qū)動器還是鍵盤接口。采用i2c總線標準的單片機或ic器件，其內(nèi)部不僅有i2c接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接 。其協(xié)議定義的i2c總線數(shù)據(jù)格式如下：開始7/10器件地址r/acksubaddackdataack停止at24c01是美國atmel公司的低功耗cmos串行e2pro

42、m，它是內(nèi)含1288位存儲空間，具有工作電壓寬（2.55.5v）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點2 9。在系統(tǒng)中，用at24c01存儲用戶的設(shè)定水量轉(zhuǎn)數(shù)n、水表檢測脈沖數(shù)m、累計用水總量和剩余水量等。當系統(tǒng)斷電以后，系統(tǒng)將把有用的信息保存在at24c01中，使其不被丟失。其實際電路連接圖如圖3.12所示：電阻r24、r25為上拉電阻。由于我們只用一片e2prom，所以a2=a1=a0=0。它的工作原理我們將在第四章詳細介紹。圖3.12at24c01與單片機接口電路3.7 ic卡及其接口電路的設(shè)計下面簡要介紹at24c0x系列的ic卡的基本特性與引腳功能，并分析

43、at24c0x與at89c205l單片機的在本設(shè)計中的具體接法。3.7.1 基于at24c0x系列的ic卡at24c0x系列ic卡是美國atmel公司生產(chǎn)的存儲式ic卡。產(chǎn)品型號有at24c01/02/04/08/16/32/64，存儲容量分別為1kbits/2 kbits /4 kbits /8 kbits /16 kbits /32 kbits /64 kbits；2.55v低電壓供電；雙線串行接口；雙向數(shù)據(jù)傳送；支持iso/iec7816-3同步協(xié)議；寫/擦除次數(shù)1 000 000次；數(shù)據(jù)保存期100年。它是目前國內(nèi)使用最多的ic卡之一。at24c0x系列ic卡的引出端符合iso/iec

44、7816-2標準。c1：vcc，工作電壓；c3：scl（clk），串行時鐘；c5：gnd；c7：sda（i/o），串行數(shù)據(jù)（輸入/輸出）；c2，c6：nc，未接。ic卡引腳如圖3.13所示，其中引腳t，p為微動開關(guān)的兩觸點。此微動開關(guān)在無ic卡狀態(tài)時，處于斷開狀態(tài)；有卡插入時，ic卡卡座上的微動開關(guān)動合，因此，此開關(guān)往往是用來判斷是否插ic卡的傳感器件2。圖3.13 ic卡示意圖3.7.2 ic卡的接口電路的設(shè)計24系列為低功耗coms e2prom 器件，使用單+5v電源，電源電壓范圍為2.56v，內(nèi)有高壓泵電路，寫入、擦除操作由內(nèi)部定時器自動完成，具有擦除/寫入周期10萬次壽命和數(shù)據(jù)安全保

45、存100年的有效期，二線串行接口，和各類微處理器接口十分簡單等特點。本設(shè)計的at89c205l單片機與ic卡240x接口如圖3.14所示。圖中ic-card為標準ic卡座，其t、p端用作到位檢測開關(guān),將t端連接89c2051的外中斷輸入腳p3.3()。由于引腳t，p為微動開關(guān)的兩觸點，所以，當有ic卡插入時，微動開關(guān)閉合，p1.5腳電平被拉低，單片機通過判讀p1.5腳，做好讀卡準備，無卡時，p1.5腳為高。p1.6、p1.7用作數(shù)據(jù)線(sda)和時鐘線(scl)，用軟件模擬時序的方法來實現(xiàn)對ic卡的讀寫。當有ic卡插入時，p1.5腳電平被拉低，單片機通過判讀p1.5腳，做好讀卡準備，無卡時，p

46、1.5腳為高。r19、r20、r21為限流電阻2 10。圖3.14 ic卡接口電路3.8 人機交互接口的設(shè)計人機互交接口包括了報警電路與顯示電路的設(shè)計。下面具體給出了在本設(shè)計中采用的報警電路和顯示電路，并分析了它們的工作原理。另外，還對顯示電路在本系統(tǒng)中應(yīng)用的顯示原理進行了詳細的分析。3.8.1 報警電路的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)需要，我們設(shè)計了一個報警電路。當剩余水量不足、電池欠壓等情況下，都需要報警。本報警電路很簡單，我們采用1個npn型三級管，1個蜂鳴器和1個電阻組成。如下圖3.15所示，當p1.4輸出一個高電平時，npn型三級管q4導通，蜂鳴器馬上得電發(fā)聲，產(chǎn)生報警11。圖3.15 報警電路3.8

47、.2 顯示電路的設(shè)計顯示電路作為水表的輸出接口，顯示剩余水量、用水總量等信息。它們的有效工作時間都比較短。用戶看完后，沒有必要讓它一直顯示；為此，可水表上裝一個開關(guān)按鈕提供信號。即按一下按鈕時，水表開始顯示剩余水量；再次按下按鈕時，水表顯示用水總量；再次按下按鈕時，水表顯示關(guān)閉。如顯示10s后，按鈕沒有動作，亦使它們停止工作，從而達到節(jié)電的目的。在小型的控制系統(tǒng)中，通常用led數(shù)碼管作為顯示器件。led數(shù)碼管的顯示方式通?？煞譃?種：靜態(tài)方式和動態(tài)方式。靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點是亮度高、沒有閃動、穩(wěn)定，缺點是功耗大、占pcb面積大、成本高。為了在人機對話設(shè)計中降低硬件成本，節(jié)約單片機的i/o口資源，

48、我們采用將通過串行動態(tài)掃描，即位碼和段碼交替發(fā)送的方式設(shè)計了一種新穎的顯示模塊，經(jīng)調(diào)試，效果良好。圖3.16 串口顯示電路圖顯示電路的具體電路如圖3.16所示。它由單片機at89c2051，2片74hc164，6個led數(shù)碼管，6個220歐姆左右的限流電阻組成。74hc164是8位串入并出移位寄存器。它的每一個輸出管腳具有+/-20ma的驅(qū)動能力。對于小型led數(shù)碼管，還要串聯(lián)200360的限流電阻。本設(shè)計提出的動態(tài)顯示電路采用2片74hc164，可以驅(qū)動18只共陰極數(shù)碼管，這里我們采用6位顯示。其中一片u3作為段碼驅(qū)動，另一片u1作為位碼驅(qū)動。2片74hc164采用級聯(lián)方式連接，只占用單片機

49、at89c2051的2個i/o端口。位碼驅(qū)動u1的數(shù)據(jù)輸入端口、時鐘輸入端口分別連接at89c2051的rxd和txd端口。段碼驅(qū)動u3的數(shù)據(jù)輸入端口、時鐘輸入端口分別連接位碼驅(qū)動u1的q7和at89c2051的txd端口。選擇at89c2051的串行口方式為0方式，即移位寄存器方式。如果要求在6位led數(shù)碼管的最低位顯示一個字符時，首先從dmbufer中取出要顯示的數(shù)，通過譯碼表譯出這個字符的段碼值并將段碼值寫入u3中。根據(jù)這個字符在led、顯示器的位置(這里為最低位)。確定它的位碼值是feh(1111 1110)將位碼值寫入wmbuffer中(注意：段碼驅(qū)動u3為高電平有效、位碼驅(qū)動u1為

50、低電平有效)。在顯示程序中，首先將位碼值寫入串行數(shù)據(jù)寄存器(sbuf)。在at89c2051txd端口的時鐘作用下，at89c2051rxd端口送出這個字符的位碼值到段碼驅(qū)動u3。當at89c2051送完一個字節(jié)的位碼值后，發(fā)送中斷標志位ti置位。檢測到ti=1后，清零ti，接著將段碼寫入sbuf，at89c2051再送段碼值到段碼驅(qū)動b，同時段碼驅(qū)動u3的位碼值被送入位碼驅(qū)動u1中，延時2ms，即可顯示這個字符了。如果要求在低二位顯示第2個字符，則wmbufer(1111 1110)不帶進位位左移一位(1111 1101)并送wmbufer。再通過譯碼表取得第2個字符的段碼值送入u3，重復上

51、述過程即可。以上過程循環(huán)n次，即可完成16位字符的顯示工作。在主程序中循環(huán)調(diào)用顯示程序，反復掃描led數(shù)碼管，使之達到近似靜態(tài)的顯示效果51213。3.9 電源的設(shè)計 電源是電路部分的動力源，象是飛機的發(fā)動機，人的心臟。電源的質(zhì)量如何直接決定電路是否能正常工作。在本設(shè)計中，我們采用的是外接3節(jié)5號電池供電。為了保證系統(tǒng)的正常工作及其安全性，我們設(shè)計了一套可行的電池能量檢測方案和備用電源方案。下面進行了詳細的介紹。3.9.1 電池能量的檢測如果想要做出合理的電源管理方案，就需要單片機能夠隨時檢測電路中電池的能量(具體表現(xiàn)是實際的電壓值)。但是在本設(shè)計中，單片機判別電池的能量，由于不用象手機那樣隨

52、時顯示電池的容量，根據(jù)水表的特殊性，只要檢測到一個固定值，給用戶一個報警提示就可以了，這個電量值的選擇需要滿足一個量，即讓用戶再有三天的余量，加上關(guān)閥電量就可以了。低電壓檢測對單片機系統(tǒng)來講是個十分重要的問題，它在某種程度上起到了保障系統(tǒng)可靠運行，避免數(shù)據(jù)出錯的作用，智能水表的設(shè)計中同樣如此。具體地講，應(yīng)該在系統(tǒng)掉電到一個門限電壓（該門限電壓應(yīng)高于cpu的最低運行電壓）時，通過相應(yīng)的電壓檢測電路把信號傳遞給cpu，cpu及時對系統(tǒng)進行軟件復位。電壓檢測器可以選用合泰公司的ht70xx系列產(chǎn)品，此產(chǎn)品價位較低，而且規(guī)格十分齊全。在這里我們選用芯片ht7039來監(jiān)視系統(tǒng)供電電平vcc，它對電壓變化

53、十分敏感，在vcc大于3.9v時，芯片輸出高電平，當vcc低于3.9v時，芯片輸出馬上變?yōu)榈碗娖?，從而可以迅速的判斷系統(tǒng)是否掉電。系統(tǒng)除了有靈敏的電源監(jiān)控之外，還可以采用3.6v的鋰電池作為后備電源來支持閥的動作，在正常工作時，鋰電池不參與供電，僅在掉電后提供閥工作的電源，以保證掉電后的一系列正常動作14。3.9.2 超級電容的應(yīng)用 傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開啟和關(guān)斷時，普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點是重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此，由于智能水表都沒有設(shè)計再充電電路，鋰電池使用到一定時間后，將無法為控制電路提供能量，不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表，這對于水表生產(chǎn)廠家

54、和自來水公司來說都是一件繁瑣的事情。更危險的是，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機的，如果不精確和及時的監(jiān)測電池電量，將無法可靠地關(guān)斷水閥，造成無法計費、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內(nèi)部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點，直接影響到它的推廣和使用。針對這一問題，水表生產(chǎn)廠家設(shè)計了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態(tài)時控制漏電流在10a以內(nèi)，保證電池可以連續(xù)使用5年以上，這對電路的設(shè)計和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設(shè)計難度和成品檢測的工序，如加上可靠的電池電量監(jiān)測電路，也會使成本增加。 為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問題，已有不少廠家嘗試了一種全新的方案，那就是用超級電容（super-capaci

55、tor）代替鋰電池應(yīng)用于智能水表。超級電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件，性能介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時也有電池的儲能特性，并且重復使用壽命長，放電時利用移動導體間的電子（而不依靠化學反應(yīng)）釋放電流，從而為設(shè)備提供電源，見圖3.17圖3.17 超級電容以美國庫柏（cooper）超級電容為例，與鋰離子電池進行比較，有如下一些明顯特性：1. 超低串聯(lián)等效電阻（esr），功率密度(power density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7f電容能釋放瞬間電流18a以上）為水表控制電機閥或電磁閥的可靠開啟提供了保障。2. 超長壽命，充放電大于

56、50萬次，是鋰離子電池的500倍，是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。3. 可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應(yīng)。4. 免維護，可密封。5. 溫度范圍寬-40+70，普通電池是-2060。 與內(nèi)裝鋰電池的智能水表相比，這種方案是用超級電容替換鋰電池封裝在水表中，同時外接干電池供電。平時干電池提供水表電路所需能量和對超級電容的充電，在需要開啟水閥時，由外接干電池提供能量將水閥開啟；在需要關(guān)斷水閥時，如果外接電池不能提供能量將水閥關(guān)斷，那么超級電容將在此刻提供能量來關(guān)斷水閥。如同一個儲水箱，平時將水存儲起來，在停水時才起作用。

57、圖3.18 超級電容的應(yīng)用電路圖3.18是應(yīng)用示意圖。正常情況下，電池通過電阻r14、二級管d1向負載和超級電容充電。電阻r14的作用是限制電流過大，因為超級電容內(nèi)阻很小，充電時電流較大可能造成電池損壞。二級管d1防止反向電流。當電池電壓過低，或突然斷電時（如取下電池），由超級電容繼續(xù)為電路提供電源，同時，超級電容存儲的能量足以關(guān)斷閥門。這種方案明顯優(yōu)于以前的設(shè)計，優(yōu)點如下：將電池從水表中分離出來，從而可以不考慮電池壽命對水表的影響，大大延長了水表的使用時間；另一方面，超級電容的大電流放電特性保障了水閥關(guān)斷的可靠性，在外接干電池電量不足時，仍能利用存儲在超級電容上的能量將水閥關(guān)斷；以前一味追求的漏電流指標，主要是為了保障電池的使用壽命，改用超級電容后，漏電流指標變得不再重要。如果電池電量不足，用戶可以隨時更換。這樣，不僅使電路設(shè)計簡化，減少產(chǎn)品的出廠檢驗工序，還使產(chǎn)品的成本降低15。 這種方案克服了現(xiàn)階段智能水表的缺點，為智能水表的發(fā)展找到了一條新的途徑。目前國內(nèi)已有多家水表生產(chǎn)廠應(yīng)用該方案，實踐證明，它是切實可行的。所以本