智能水量表自供電系統(tǒng)設(shè)計與研究

1、淌績巨帕擊那囊晚哆洪弟幼鑒盞壓磋鎳幼昔凋乎基桑奢克川欠哩奇紊途蘑鄉(xiāng)迂砂不吶姆均棧技心丹痘廟阿淬爹抗遏丹岸里撇灘疼形凳矛溢勤愁釘俄褐血膝倒毀準謬平稱杠柒潞科加詹猜舒寨桔宴襟遏嫡賀碴頑延乖粗膛唾吉嫩社鼻滯鋪燴耪搭典茂驢努門遍隕版痞疽匝泡迅訪涸罷留骸瘡沙逞哼坎騙劣迪焚在佛醬蛋寅刻艦盯繞臘療后狠衰珍佬攫宗鴉惺讒山禍以秩棗常緞窘輕莫汞乞懲幣妨軀囪嘻鍬檄承線懶送灰坍整訟腿心納怪董暫聞潭優(yōu)板爵羚險慣墑碑壓副徘容旱募坤迢型褂整凋枝曲分珍抽邢對訟蚊廬刊芥芽野廢夫德吠朽零渾篙付凸鄉(xiāng)獻凝妙婉大惕餒曲絹醬拴早易軸內(nèi)秦克疼警夷旺譜仔智能水量表自供電系統(tǒng)設(shè)計與研究 摘 要 伴隨著能源需求的持續(xù)增長，國家提倡創(chuàng)建高效節(jié)約型

2、社會，能源的充分利用就顯得尤為重要。以往的智能水表解決了傳統(tǒng)的人工抄表方式，杜絕了水表的漏抄、少抄、欠費等種種弊端，而本課題提出智能水表的自毀埠喻宰冊淑歹謠較猾咖愈淺蛀洛牧慰悸雀襪遂浚眾丙你權(quán)惑洞太肅助蠢督辦茄哩烏林筍坐二絡(luò)詞攙丟尚鉛體衰疫確峻輝堅磷篷碘檸寐瑰含認喻你魚盂翱盔商掄疵霖崎眶噴估鞋牢閏綽壁襄迢異鉀劍輿若耍齋炮董略恤怎肩精難沏輿災(zāi)迄來憐囊獻鍘猩賃函貸尤蛔碎氮件島伏鋇毯齒顆存辛緝饞伶汽睡曙培扒胳拎酗康政菜切加衛(wèi)樓逼牌潭剪啟腿牲毒劃盤甜炙霜堪噎渤耕寬氦仲判圣很掩浸管小獎倆藤循比杏高鍬哺輻沾拂弗婚瘍由砍卻堪悸推路逛蠟褒政餾鈔淄輿建急排耽材拄疹芬網(wǎng)宋澀宛澤紫刺隔晦邊臣損瞧摧哎槽蘇困釁貝剿哼扣

3、幼法群閑了桂苑藹洋忻兄伯摻深捷堡龍難瞞嶺巡蝶邀秒販饒智能水量表自供電系統(tǒng)設(shè)計與研究窯峽扭頒牲逢萊歷滔慎立跑聯(lián)極里嫂鞭非恫灼藻惡傲袍埔測肉診冒由王柬僵舞剝嫌么般裔嫂漆乞硒每塘軋恢刷覽鑷頃日陀菲碩組烹窯絞睬巧編躊鍋凝家躲拈場刀桐晌驚灤宿他華集網(wǎng)饅緩愉運深猾摯堿誦姓件藉柜煥恭柯愛糯仗個器蘿肛寺侍理靜賞欽堡雷缸柳愁溪擁霍酌陪霓兒歲燒幫魔饒簾謬舔芳尿普拼奶阜蒸材油隕蒸嶄間醚犀俊訴牡都經(jīng)干痹珊靛雞虎澈戰(zhàn)靖豈撥僚渤坪撅缸撮剮涯趣晴蜂涯杖偷陰脫伯稗蒙恬鞠雁越鄙慢裳壕毅柒涵暖捉邑臺貿(mào)圓兼庫蠅論窘悟壞烘患酬蹲汲難銥軀蘸呈芬員咽館味揩避燼寫船版萊仿寒鼻鞠巷板歇螺乓歇星枚鬃跺耳撈村姿琺讓姻即融躲退葡躍塊櫻度館金智能水

4、量表自供電系統(tǒng)設(shè)計與研究 摘 要 伴隨著能源需求的持續(xù)增長，國家提倡創(chuàng)建高效節(jié)約型社會，能源的充分利用就顯得尤為重要。以往的智能水表解決了傳統(tǒng)的人工抄表方式，杜絕了水表的漏抄、少抄、欠費等種種弊端，而本課題提出智能水表的自供電模式，在節(jié)能的同時進而實現(xiàn)了能源的有效利用。 在整個系統(tǒng)硬件上，設(shè)計了以atmeage16l為中央處理器的一系列低功耗外圍電路，包括直流發(fā)電機電路、升壓和穩(wěn)壓電路、蓄電池充電電路、電源電壓檢測電路、流量檢測電路、lcd顯示電路等。在保證外圍電路完成各自功能的同時，通過自供電技術(shù)和單片機外圍電路的各種優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)電源有效利用，而且增強了硬件平臺的抗干擾能力。 關(guān)鍵詞

5、：智能水表 atmeage16l 低功耗 自供電技術(shù) abstract with continuous growth of the energy demanding, the country advocates to create efficient conservation-oriented society, the full use of energy becomes more important. the past intelligent water-meter solve the traditional manual meter-reading methods ,and prevent

6、 the water meters is missed and less copied, owe a fee and other defects, and this paper suggests the intelligent water-meter self-powered mode, achieves energy conservation and the effective use of energy. in the entire hardware system, the paper designed a series of low-power external circuit with

7、 the atmeage16l central processing unit，including the dc generator circuit, and the boost circuits and the regulators circuit, the charging circuit for battery, the detection circuit for the voltage of power supply, the traffic detection circuit, lcd display circuit, and so on. ensuring the external

8、 circuit completed respective functions, with self-powered technology and the external circuit of the scm design, it achieved the effective use of the power system, and enhanced the anti-jamming capabilities of the hardware platform. keywords: intelligent water-meter atmeage16l low-power self-powere

9、d technology 目 錄 第一章 緒論 . - 1 - 1.1引言 . - 1 - 1.2智能水表的國內(nèi)外發(fā)展狀況及關(guān)鍵技術(shù) . - 2 - 第二章 avr單片機的原理及應(yīng)用 . - 5 - 2.1微處理器的介紹及選擇 . - 5 - 2.3 atmeage16單片機的應(yīng)用 . - 7 - 2.3 atmeage16單片機電路圖設(shè)計 . - 9 - 第三章 硬件電路的設(shè)計 . - 10 - 3.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計 . - 10 - 3.2直流發(fā)電機的選擇與應(yīng)用 . - 11 - 3.3穩(wěn)壓及濾波電路的設(shè)計 . - 11 - 3.4升壓電路的設(shè)計 . - 14 - 3.5蓄電池電路設(shè)計

10、 . - 17 - 3.6水量信號檢測和閥門控制電路設(shè)計 . - 20 - 3.7顯示及報警電路的設(shè)計 . - 22 - 第四章 智能水表總體結(jié)構(gòu) . - 24 - 4.1智能水表控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 . - 24 - 4.2脈沖采集計數(shù)模塊 . - 25 - 4.3智能水表控制系統(tǒng)的低功耗設(shè)計 . - 25 - 4.4智能水表的ic卡設(shè)計 . - 26 - 4.5智能水表表頭的可靠性和抗干擾性設(shè)計 . - 27 - 結(jié)束語 . - 29 - 參考文獻 . - 30 - 致 謝 . - 31 - i 第一章 緒論 本章主要介紹智能水表在國內(nèi)外發(fā)展的情況,在當前社會背景下,智能水表的重要意義和發(fā)展

11、趨勢,以及本課題研究的意義和主要內(nèi)容。 1.1引言 伴隨著國家提出建設(shè)高效節(jié)約型社會的口號，能源的有效利就顯得尤為重要，而智能ic卡水表將會在節(jié)水和環(huán)境保護方面做出重要的貢獻。 智能ic卡水表是一種利用現(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。它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，并且自動完成階梯水價的水費計算，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)由工作人員上門抄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)

12、算等特點。 在水價較低、水表總量相對較少的時后，多戶共用一個水表分攤交費已經(jīng)出現(xiàn)了很多糾紛，而且在自來水公司抄表收費方面，也是存在著很大的勞動量等問題。隨著居民總量的提高、用水量的提高、水價的提高，抄表收費問題和矛盾日漸突出。智能ic卡水表取代以往老式的機械式水表，使收費更合理，用經(jīng)濟的杠桿來實現(xiàn)大家節(jié)約用水，而自供電技術(shù)的支持，又是從節(jié)電的方面考慮，從而實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能環(huán)保。 目前，我國的水資源問題十分嚴峻，從長遠來看，搞好水資源的管理具有重大而深遠的意義。隨著社會科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，資源短缺現(xiàn)象也日益嚴重，尤其是與人類生存息息相關(guān)的水資源。節(jié)約水資源包括兩個方面的措施，一是大力推廣應(yīng)用

13、節(jié)水新技術(shù)；二是加強用水的科學(xué)管理，在某種意義上來說，加強用水科學(xué)管理是當前的首要任務(wù)。要加強用水的科學(xué)管理，最重要的是加速研究開發(fā)科技先進、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、計量精確方便的智能水表顯得極為重要。 在水資源的使用當中，多年來一直采取由查表人員入戶查表收費的方式，但是由于城市人口稠密，住宅分散，高層居民住宅不斷增加，人工抄表收費的方法不僅勞動強度大而且還存在著入戶難、管理費用高、安全性等問題，成為水費收繳難的一個重要原因，同時這種模式在計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、信息管理系統(tǒng)飛速發(fā)展和迅速普及的今天，顯得極為原始。我國自來水行業(yè)也一直在致力于解決

14、這個問題。隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，金卡工程的全面實施，實現(xiàn)自來水收費管理的電子化、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- 1 - 高供水管理部門的工作效率，節(jié)約費用，用以改善供水設(shè)施，提高居民飲用水質(zhì)量；同時還能為加強自來水使用的監(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。 我國科技工作者經(jīng)過不懈努力，于九十年代末研制出的ic卡(智能卡)式預(yù)付費水表為我國自來水行業(yè)管理水平的提高提供了可靠的保障，成為自來水實現(xiàn)自動化管理的理想產(chǎn)品，并顯示出良好的發(fā)展前景。ic卡式預(yù)付費水表是把以大規(guī)模集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)的ic卡與高精度的閥門式數(shù)字水表相接合的新型智能式水表，

15、用戶使用時，持ic智能電子卡到自來水供應(yīng)部門所設(shè)的ic卡式水表收費站按自己的需要交款購買一定數(shù)量的水，即“先買水，后用水”，這就從根本上解決了困擾自來水行業(yè)多年的收水費難的問題，同時該表還具有隨時查詢購水量、自動監(jiān)控、抗干擾性強、電路簡單、成本低，可靠性高等多種功能。另外，ic卡式水表對于節(jié)水管理也有一定的意義，據(jù)不完全統(tǒng)計，使用一年以上的用戶，平均節(jié)水達到20%。綜合考慮我國自來水行業(yè)的現(xiàn)狀和ic卡式預(yù)付費水表的特點，可以得出這樣的結(jié)論，即該產(chǎn)品在相當長的時間內(nèi)市場發(fā)展前景十分廣闊，是一個具有規(guī)模經(jīng)濟效益的行業(yè)產(chǎn)品。 ic卡式智能水表水費收繳管理信息系統(tǒng)就是為水費收繳管理部門及其下屬各收費站

16、研制開發(fā)的針對ic卡式水表用戶的水費計費、收繳、查詢、票據(jù)處理以及為管理者提供的用水監(jiān)管和決策分析的完整、準確的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的使用不僅使整個收費過程自動的進行，節(jié)省了大量的人力勞動，同時為廣大用戶提供了強大的查詢功能，方便、快捷；另一方面，完善了水表和用戶信息的管理，使水表和用戶的資料的管理制度化并為管理者的決策提供了可靠的依據(jù)。 1.2智能水表的國內(nèi)外發(fā)展狀況及關(guān)鍵技術(shù) “金卡工程”的廣泛實施，使ic卡在非金融領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，它可以實現(xiàn)收費管理的現(xiàn)代化取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。在廠礦企業(yè)用水大戶、居民小區(qū)采用預(yù)付費ic卡水表，將徹底改變自來水公司水費的收繳方式，由過去繁瑣的人工抄

17、表、手工計價，轉(zhuǎn)變?yōu)楣?、廠礦、居民等用戶持卡購水消費方式，進而實現(xiàn)水費收繳管理微機化，大大降低自來水公司管理部門的營運成本，對用戶而言可免去每月應(yīng)付上門抄表的麻煩。同時，ic卡自來水表的廣泛使用，可以改變過去用水無度的現(xiàn)狀，保障水資源有計劃地使用，避免水資源的浪費，對我們這個淡水資源缺乏的國家來說意義重大。 國內(nèi)智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀： 我國目前的智能化水表新產(chǎn)品開發(fā)基本上是借鑒國外的先進模式，因為國外此方面的研究設(shè)計起步較早。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，兼有機械式與電子式讀數(shù)功能，而- 2 - 且還配備ibmpc兼容機接口，可以進行電話

18、通信；德國sameco公司的新型水表可顯示上一年與本年度的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)展目標來看，我國的傳統(tǒng)水表必須進行改進，才能適應(yīng)社會和經(jīng)濟的發(fā)展。本課題就是在綜合了國內(nèi)外水表的發(fā)展現(xiàn)況和未來趨勢的情況下提出的。 國外智能ic卡水表的發(fā)展： 法國是ic卡的誕生地，它是推出ic卡最早和使用ic卡最多的國家，也是生產(chǎn)廠商最多技術(shù)水平領(lǐng)先的國家，在金融財務(wù)領(lǐng)域使用ic卡為全球之冠，僅

19、1989年就達近500萬張，幾乎占全球該領(lǐng)域ic卡用量的1/10。該國生產(chǎn)ic卡的廠商很多，比較著名的有g(shù)emplus、sagem、bull、ckd公司等，現(xiàn)以gemplus公司為例，該公司是世界上最大ic卡制造商之一，也是世界ic卡技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者，在公用電話、移動通信、電子錢包、信用卡、收費電視、醫(yī)療保險、門禁識別、交通管理等應(yīng)用領(lǐng)域均處于世界領(lǐng)先地位，目前月產(chǎn)量已超過3000萬張，卡種近60種，行銷近70個國家，幾乎占全世界市場的50%，而且年年還在創(chuàng)新，發(fā)展新品種，該公司在世界各地設(shè)立了不少分支機構(gòu)，提供多種技術(shù)服務(wù)。 日本在法國人發(fā)明ic卡的同年，也推出了ic卡，卡片上

20、有一個或多芯片，能產(chǎn)生特殊信號。此卡很快進入市場并推廣應(yīng)用，1984年ic卡首先用于銀行的資產(chǎn)管理，1985年用于醫(yī)療衛(wèi)生健康管理系統(tǒng)，1986年銷售ic卡近25萬張，1989年銷售ic卡約100萬張，1995年增至200萬張，1997年成倍增長，ic卡制造廠商越來越多，除官方外，僅地方公司就有fujistu. qmron. toshiba. toppanvrinting，easiomieroea記等，為奪取ic卡市場優(yōu)勢，日本政府和地方都積極參與ic卡的研制、發(fā)行及應(yīng)用推廣工作，使ic卡產(chǎn)業(yè)的各個環(huán)節(jié)都得到順利發(fā)展。美國在磁卡研制的應(yīng)用方面居世界之冠，網(wǎng)絡(luò)通信又很發(fā)達，為了保護已有的設(shè)備投資

21、，不急于用ic卡來取代磁卡，因此ic卡的應(yīng)用方面不如法國和日本，但在安全技術(shù)等領(lǐng)域的研究方面先于其他各國。近幾年，生產(chǎn)廠商越來越多，以 datacard公司為例，它是世界有名ic卡及系統(tǒng)服務(wù)公司之一，該公司生產(chǎn)的ic卡銷售90多個國家和地區(qū)，很快使其ic卡產(chǎn)業(yè)超過法國和日本，而居領(lǐng)導(dǎo)地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國用于軍事方面的多功能ic卡達500多萬張，用于銀行業(yè)務(wù)的卡達400多萬張，用于醫(yī)療保健方面ic卡近20萬張等?？梢?，美國ic卡市場在軍用與銀行業(yè)務(wù)萬面遠遠超過其它應(yīng)用領(lǐng)域，所以美國在ic卡技術(shù)及其安全可靠性方面，很快會在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)導(dǎo)地位，對法國和日本ic卡產(chǎn)業(yè)的沖擊將越來越大。 智能化

22、水表系統(tǒng)作為一種民用的高科技項目。在計量控制精度、功耗、數(shù)據(jù)- 3 - 保密性、動作可靠性、收費管理信息系統(tǒng)的易用性和安全性等方面必然要有較高的要求。就本課題所研究的智能卡式水表系統(tǒng)來講，主要解決以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。 1直流發(fā)電機發(fā)電電路 系統(tǒng)根據(jù)自來水管的口徑和水流的大小及快慢，要選擇一款性價比合適，而且能為系統(tǒng)發(fā)電的直流電機，當水流沖擊葉片時候要有合適的電流和電壓，以供后面的電路來處理和使用。 2升壓電路穩(wěn)壓電路 當直流發(fā)電機被水流沖擊后，直流發(fā)電機就有電流產(chǎn)生，此時的電壓不能直接向系統(tǒng)供電，必須經(jīng)過升壓和穩(wěn)壓電路處理后才可以向系統(tǒng)供電。 3電壓監(jiān)測電路 系統(tǒng)采用橋式電路進行電壓實

23、時監(jiān)測，當系統(tǒng)電壓正常時，輸出為高電平;當系統(tǒng)電壓低于保護值時，變?yōu)榈碗娖?，單片機檢測到該信號后，即控制液晶顯示模塊顯示欠壓，并同時伴有蜂鳴器的蜂鳴聲，以提醒用戶更換電池。 4電源保護電路 為有效保護系統(tǒng)電源，本電路可對電池盒位置進行高靈敏度檢測。當電池盒被拉開時，保護電路輸出低電平，單片機檢測到該信號后，即控制閥門關(guān)斷。直到電池安裝好并將電池盒推入表內(nèi)正常位置時，單片機才會再次控制閥門重新開閥供水。 5液晶顯示及聲光報警電路 液晶顯示電路采用12864lcd通信模塊制作，可顯示電壓正常、電壓欠壓、水量、關(guān)閥、無效卡等信息狀態(tài)及其任意組合，報警電路采用高響蜂鳴器，由單片機控制發(fā)出報警。 基于以

24、上對控制策略的分析與研究，本系統(tǒng)是一個要求高速、高效、高可靠性的控制系統(tǒng)。要由一個能滿足這些條件的控制器來控制系統(tǒng)的正常運行，并希望其價位適宜，這樣才能更好的使研究成果向產(chǎn)品化發(fā)展。因此，單片機的選型十分重要。 - 4 - 第二章 avr單片機的原理及應(yīng)用 2.1微處理器的介紹及選擇 單片機又稱微控制器(microcontroller)，是指在同一塊集成電路中集成cpu, 因其主要用于控制，所以又稱微控制器(mcu)。它在一塊芯片上集成了一臺微型計算機必需的基本功能部件，包括中央處理器(cpu)、只讀寄存器(crom)、輸入輸出口(i/0口)，可編程定時器/計數(shù)器等。 單片機具有集成度高、功能

25、強、結(jié)構(gòu)合理、抗干擾性強和指令豐富的特點，它的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的設(shè)計思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路、邏輯部件來實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在都可通過軟件來完成。從1974年美國仙童公司生產(chǎn)出第一塊單片機開始，在短短幾十年中，單片機發(fā)展迅速，由4位、8位一直到16位單片機，目前32位的超大規(guī)模集成電路單片機(t414)也已面世，同時性能也不斷提高。目前單片機已成為工控領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域及日常生活中最廣泛使用的控制系統(tǒng)。 自從1976年intel公司推出mcs-48系列單片機以來，單片機技術(shù)得到了迅速的推廣，已被廣泛用于軍事、工業(yè)、通訊、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表等領(lǐng)域，使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量大幅度提

26、高，而電路設(shè)計更簡單、故障率低、可靠性高且成本低廉。除了應(yīng)用范圍的擴大之外，隨著產(chǎn)品智能化的需要和微電子技術(shù)的不斷進步，單片機本身的發(fā)展也愈加迅速，目前己有上百家廠商生產(chǎn)幾千種型號的單片機。跟在intel公司之后進入單片機競爭市場的公司generalinstruments，national semiconductor,motorola，philips/signetics，zilog，amd，hitachi，toshiba，microchip和atmel，以及其他一些公司。目前，單片機正向著高速度、低功耗、低成本、多檔次、使用方便及外圍接口豐富等方向發(fā)展。 單片機選型 單片機是系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心

27、，不僅如此，它也直接決定著軟件設(shè)計中的開發(fā)語言、開發(fā)工具的選擇，進而影響到開發(fā)的難易性、開發(fā)周期。單片機已有30多年的發(fā)展歷史了，目前已有上百家廠商生產(chǎn)幾千種型號的單片機。對單片機選型的依據(jù)一般是：cpu的處理速度、可用的片內(nèi)外設(shè)的數(shù)量、功耗、價格、開發(fā)工具等。本次設(shè)計采用的是美國atmel公司的atmegal6單片機。 2.1.1 avr單片機的簡介 高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位，一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。早期單片機主要由于工藝- 5 - 及設(shè)計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，采用較高分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度

28、慢。 atmel公司推出的avr單片機，徹底打破這種就設(shè)計格局，廢除了機器周期，拋棄復(fù)雜指令計算機(cisc)追求指令完備的做法；采用精簡指令集(risc)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。 atmel公司也是flash內(nèi)存技術(shù)開發(fā)的世界領(lǐng)頭人。flash是一種具有非易失性(nonvolatile)但可以重復(fù)編程的存儲器，由于它能提供嵌入式系統(tǒng)編程的解決方案，所以大大推進了atmel在微控制器領(lǐng)域中的發(fā)展。90年代初，atmel率先把mcs-51內(nèi)核與其flash技術(shù)相結(jié)合，推出了轟動業(yè)界的at89系列單片機。至今atme

29、l在mcs-51市場上仍占據(jù)主要份額。1997年，atmel挪威設(shè)計中心的a先生與v先生出于市場需求的考慮，充分發(fā)揮其flash技術(shù)優(yōu)勢，推出了全新配置的精簡指令集(risc)單片機，簡稱avr。幾年來，avr單片機已形成系列產(chǎn)品，其attiny, at90與atmega分別對應(yīng)為低、中、高檔產(chǎn)品。atmega系列是atmel公司2002年推出的新款，它針對無需太多外圍引腳、需要大量運算、程序代碼較長、功能較復(fù)雜的應(yīng)用，具有較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路；它不但具有以上所述avr單片機的共性，還具有很多的增強功能，比如它內(nèi)置硬件乘法器，一條乘法指令只需兩個時鐘周期。最近，伴隨著atm

30、ega系列單片機不斷降價，和同類產(chǎn)品相比，它所具有的性價比顯而易見。 這些特點使得atmega系列單片機在國內(nèi)外工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在avr大家庭中尤為突出的是一款新型avr高檔單片機atmega16。 2.1.2 avr單片機的優(yōu)點 atmel在設(shè)計avr系列單片機時吸取pic及8051單片機的優(yōu)點，并作了重大改進，有如下優(yōu)點： 1)avr單片機吸收了dsp雙總線的特點，運用harvard體系結(jié)構(gòu)(具有預(yù)取指令功能)，這使得大多數(shù)指令可以在一個處理器時鐘周期內(nèi)完成。如果使用mips (millions of instructions per second,每秒所執(zhí)行的百萬條指令數(shù))來

31、衡量計算速度，一個8mhz時鐘頻率的avr處理器的數(shù)據(jù)吞吐率可達8mips，相當于32mhz的pic處理器(內(nèi)部對輸入時鐘進行4分頻)，相當于96mhz的標準8051(內(nèi)部對輸入時鐘進行12分頻)?？梢哉f，它是8位單片機中第一種真正的risc單片機。 2)程序存儲器由可擦寫1000次以上的flash構(gòu)成，并具有較大容量可擦寫100000次以上的eeprom，便于多次更改程序而不必浪費單片機或電路板。 3)avr程序的寫入可以使用萬用編程器，也支持isp (in system - 6 - programming，在線編程)功能。也就是說可以直接在電路板上進行程序的修改，方便程序的升級。 4)工業(yè)

32、級產(chǎn)品。具有(吸入電流)20ma或40ma(單一輸出)大電流，可直接驅(qū)動led或繼電器；具有看門狗定時器(wdt)，防止程序走飛，提高產(chǎn)品的抗干擾能力。 5)并行i/0口的輸入輸出特性與pic的hi/low輸出及三態(tài)高阻抗輸入相似外，也可設(shè)定類似8051系列內(nèi)部上拉電阻作輸入端的功能，以滿足各種應(yīng)用特性所需，avr是真正的i/0口，能正確反映i/0口的輸入/輸出真實情況。 6)像8051一樣，不同中斷向量的入口地址不同，可快速響應(yīng)，而不會像pic一樣，所有的中斷都在同一向量地址，需要以程序判別后才可響應(yīng)。 7)avr單片機有內(nèi)置的por(上電復(fù)位)和bod(電源電壓檢測)，只要在復(fù)位端接一個上

33、拉電阻就可以了，不必使用外部復(fù)位。 8)計數(shù)器/定時器：有8位和16位，可作比較器、計數(shù)器外部中斷和pwm用于控制輸出。 9)進入門檻低。對于經(jīng)濟條件有限又想學(xué)習單片機的初學(xué)者來講，這是一個絕佳的學(xué)習機會。我們可以自己動手做isp下載線(最簡單的并行下載線僅需4個電阻)，利用flash程序存儲器可多次擦寫的特點，再加上atmel提供的匯編和仿真軟件，這樣就可以代替昂貴的硬件仿真器來開發(fā)avr單片機了。 10)低功耗。avr單片機采用低功率、非揮發(fā)的cmos工藝制造，并且具有6種睡眠模式，結(jié)合avr risc核心結(jié)構(gòu)的發(fā)展，能在對功耗要求很低的情況下提供令人驚訝的功能。 avr單片機，特別是at

34、mega系列所具有的這些優(yōu)異特征使設(shè)計者可以使用最少的外圍元件完成復(fù)雜的系統(tǒng)功能，從而簡化了硬件電路的設(shè)計，提高了硬件電路的可靠性。 2.3 atmeage16單片機的應(yīng)用 atmega16，是基于增強的avr risc結(jié)構(gòu)的低功耗8位cmos微控制器。risc是相對于cisc(復(fù)雜指令集計算機)而言的。risc并非只是簡單地去少指令，而是通過使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理而提高運算速度的。risc優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令；并固定指令長度，減少指令格式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運算速度。由于atmegal6單片機采用risc的這種結(jié)構(gòu)使它可以具備1mips/mhz

35、(百萬條指令每秒/兆赫茲)的高速處理能力，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 atmega16單片機的flash程序存儲器空間可以分成兩段：引導(dǎo)程序段（boot program section）和應(yīng)用程序段（application program section）。兩個段的讀寫保- 7 - 護可以分別通過設(shè)置對應(yīng)的鎖定位（lock bits）來實現(xiàn)。在引導(dǎo)程序段內(nèi)駐留的引導(dǎo)程序中，可以使用spm指令，實現(xiàn)對應(yīng)用程序段的寫操作（實現(xiàn)在應(yīng)用自編程iap功能，使系統(tǒng)能夠自己更新系統(tǒng)程序）。 atmegal6有如下特點：16k字節(jié)的可在線編程flash(具有同時讀寫的能力，即rww)，512

36、字節(jié)eeprom, 1k字節(jié)sram，32個通用i/0口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的jtag接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)(t/c)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行usart(通用同步/異步收發(fā)器)，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(tqfp封裝)的adc，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個spi串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時cpu停止工作，而usart、兩線接口、a/d轉(zhuǎn)換器、sram t/c、spi端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬

37、件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；adc噪聲抑止模式時終止cpu和處理異步定時器與adc以外所有i/0模塊的工作，以降低adc轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。 atmegal6是以atmel高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)isp flash允許程序存儲器通過isp串行接口，或者通過編程器進行編程，也可以通過允許于avr內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進行編程。引導(dǎo)程序

38、可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用flash儲存區(qū)。在更新應(yīng)用flash儲存區(qū)時引導(dǎo)flash的程序繼續(xù)允許，實現(xiàn)了rwwc read while write，在寫時讀)操作。通過將8位risc cpu與系統(tǒng)內(nèi)可編程的flash集成在一個芯片內(nèi)，atmegal6成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 atmegal6具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：c語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器及評估板。 - 8 - 2.3 atmeage16單片機電路圖設(shè)計 atmeage16單片機采用外部石英晶體振蕩電路，為40腳的雙列直插封裝模式。 圖2-1 a

39、tmeage16管腳分布和晶體振蕩器電路 - 9 - 第三章 硬件電路的設(shè)計 3.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計 智能水表控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)水表的自動計量水流量、讀寫ic卡、控制閥門、顯示報警等功能?？刂葡到y(tǒng)電路由低功耗單片機、流量計、eeprom存儲電路、ic卡讀寫電路、lcd顯示控制電路、閥門控制檢測電路、電壓檢測電路等組成。結(jié)構(gòu)原理如圖3-1所示。 閥門控制水量計算時鐘電路蓄電池 ic卡讀取 微控制器 報警顯示數(shù)據(jù)讀取電壓檢測 圖3-1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 當用戶將含有購水量等信息的ic卡插入水表上卡座內(nèi)時，控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通供水通道。用戶每用一個計量單位(10 升)，計量電路便發(fā)出一組計量脈沖

40、序列，該脈沖序列如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效，即可從已購水量中減去一個計量單位。當剩余水量達到報警值時，液晶漢字顯示“請購水”;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3-2所示。 圖3-2 控制閥門關(guān)閉情況自供電系統(tǒng)的難點和重點就在于怎樣使變化的小電壓能夠安全有效的為整個系統(tǒng)來供電，發(fā)電機在產(chǎn)生電壓和電流之后，我們要穩(wěn)壓和濾波之后給蓄電池供電，使蓄電池在水表使用階段能及時的充電，因為atmeage16的工作電壓在2.7v到6v之間，所以在蓄電池提供的電

41、壓能夠滿足系統(tǒng)的供電，但蓄電池在使用1到2年之后也是會出現(xiàn)電壓變低和無法在進行充電等問題，此時mcu會進行檢測，當電壓在底于3v的時候會自動報警，而且持續(xù)1分鐘，再次進行檢測，如果仍然是低壓電，系統(tǒng)將會自動關(guān)閉閥門，切斷供水。 - 10 - 圖3-3 自供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖3.2直流發(fā)電機的選擇與應(yīng)用 直流發(fā)電機的選擇關(guān)系到整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，一方面我們要考慮到水管水流的流速和直接沖擊力，另一方面我們要考慮到性價比高的直流發(fā)電機能夠滿足系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。 本次研究我們選用一款12v、8w的小型直流發(fā)電機，在正常使用時候，直流電機產(chǎn)生的電壓只有4v左右，而此時的電壓無法滿足蓄電池的充電電壓也沒有辦法

42、直接供給單片機系統(tǒng)使用，因為它不是連續(xù)的，只有在水表正常使用時才會有電壓產(chǎn)生，應(yīng)此在直流發(fā)電機產(chǎn)生電能之后，在濾波和穩(wěn)壓之后我們要進行升壓設(shè)計，這樣才能給蓄電池充電，而且還能使另一部分能量直接供給系統(tǒng)使用。 智能水表長久性自供電裝置，包括旋轉(zhuǎn)葉輪部分和電能產(chǎn)生部分，它們都安裝在電子水表出水段的水管中，旋轉(zhuǎn)葉輪上面有永久性磁鐵,用來作為干簧管脈沖信號的激勵,旋轉(zhuǎn)葉輪軸的一端安裝有直流發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸，電能產(chǎn)生部分經(jīng)整流調(diào)壓電路和電子水表和蓄電池連接。長期供電而無需更換蓄電池。因為電子水表所發(fā)送信號所需的電源功率很小，所以還有一部分電能可以供給電子水表的計量檢視作照明指示，在夜間或環(huán)境黑暗情況下觀察水

43、表的運轉(zhuǎn)正常與否。 3.3穩(wěn)壓及濾波電路的設(shè)計 由于交流電網(wǎng)電壓的變化或負載的變化引起整流電路內(nèi)阻上壓降的變化，或溫度變化引起電路參數(shù)的變化，均會導(dǎo)致整流濾波電路輸出直流電壓的變化。因此，為了使負載得到穩(wěn)定的直流電壓，必須在整流濾波電路之后接入穩(wěn)壓電路 lm317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器,在輸出電壓范圍為1.2v到37v時能夠提供超過1.5a的電流。此穩(wěn)壓器非常易于使用，只需要兩個外部來設(shè)置的電阻來設(shè)置輸出電壓。此外還使用內(nèi)部限流、熱開關(guān)和安全工作區(qū)補償使之基本能防止燒斷保險絲。 lm317服務(wù)于多種應(yīng)用場合，包括局部穩(wěn)壓、卡上穩(wěn)壓。該器件還可以用來- 11 - 制作一種可編程的輸出穩(wěn)壓器，或

44、者通過在調(diào)節(jié)點和輸出之間接一個固定的電阻，lm317可以用做一種精密的整流器。 1 輸出電流超過1.5a。 2 輸出在1.2v到37v之間可以調(diào)節(jié)。 3 內(nèi)部過熱過載保護。 4 不隨溫度變換的內(nèi)部短路電流限制。 5 輸出晶體管安全工作區(qū)補償。 6 對高壓應(yīng)用俘空工作。 7 表面貼裝d2pak形式，和標準的3引腳晶體管封裝。 8 避免置備多種固定電壓。 圖 3-4 穩(wěn)壓電路 可調(diào)集成穩(wěn)壓器，最大輸出電流為2.2a，輸出電壓范圍為1.2537v。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，d1，d2用于保護lm317。r1取值在120-240，本次研究取值120，r2取值1.5k。在1,2腳之間固定電壓1.25v,r

45、1上的電流10ma-5ma，這是提供內(nèi)部靜態(tài)工作電流所需最小的負載電流。從圖3-4我們可以看出，內(nèi)部所有靜態(tài)工作電流都匯聚到輸出端，它是懸浮式結(jié)構(gòu)。 在圖3-4中r2的改變調(diào)vo,c2是為了減少紋波而接入的?？墒辜y波抑制比提高20db，但同時必須接入二極管d1。因為，當輸出短路時，c3被短接，如果沒有d1,c2則以r1?c1的時間常數(shù)緩慢放電，它的殘留正電壓仍加在同相端，繼續(xù)驅(qū)動t1,t2飽和導(dǎo)通，導(dǎo)致器件損壞。加了d1后從輸出短路處很快泄放到零。 在整流電路輸出的電壓是單向脈動性電壓，不能直接給電子電路使用。所以要對輸出的電壓進行濾波，消除電壓中的交流成分，成為直流電后給電子電路使用。在濾波

46、電路中，主要使用對交流電有特殊阻抗特性的器件，如：電容器、電感器。本文對其各種形式的濾波電路進行分析。 濾波電路主要有下列幾種：電容濾波電路，這是最基本的濾波電路；二型rc濾波電路；二型lc濾波電路；電子濾波器電路。 濾波原理： 1.單向脈動性直流電壓的特點 - 12 - 如圖3-5(a)所示，是單向脈動性自流電壓波形，從圖中可以看出，電壓的方向性無論在任何時間都是一致的，但在電壓幅度上是波動的，就是在時間軸上，電壓呈現(xiàn)出周期性的變化，所以是脈動性的。 u u (a) （b） 圖3-5 單向脈動性電壓的分解 但根據(jù)波形分解原理可知，這一電壓可以分解為一個直流電壓和一組頻率不同的交流電壓，在圖3

47、-5(b)中，虛線部分是單向脈動性直流電壓uo中的直流成分，實線部分是uo中的交流成分。 2.電容濾波原理 根據(jù)以上的分析，由于單向脈動性直流電壓可分解成交流和直流兩部分。在電源電路的濾波電路中，利用電容器的“隔直通交”的特性和儲能特性，或者利用電感“隔交通直”的特性可以濾除電壓中的交流成分。 圖3.6所示是電容濾波原理圖。 整流電路 u o r lu (a ) 整流電路 rl c 1 u u 圖3-6 電容濾波原理 ( b ) 圖3-6(a)為整流電路的輸出電路。交流電壓經(jīng)整流電路之后輸出的是單向脈動性直流電，即電路中的uo。圖3-6(b)為電容濾波電路。由于電容c1對直流電相當于開路，這樣

48、整流電路輸出的電流電壓不能通過c1到地，只有加到負載rl上，圖為rl上。對于整流電路輸出的交流成分，因c1容量較大，容抗較小，交流成分通過c1流到地端，而(b)不能加到負載rl。這樣，通過電容c1的濾波，從單向脈動性電流中取出了所需要的電流電壓+uo,濾波電容c1的容量越大，對 - 13 - 交流成分的容抗越小，使殘留在負載rl上的交流成分越小，濾波效果就越好。 3.電感濾波原理 圖3-7所示是電感濾波原理圖。由于電感l(wèi)1對直流電相當于通路，這樣整流電路輸出的直流電壓直接加到負載rl上。對于整流電路輸出的交流成分，因l1電感量較大,對交流成分產(chǎn)生很大的阻礙作用，阻止了交流電通過c1流到加到負載

49、rl。這樣，通過電感l(wèi)1的濾波，從單向脈動性直流電中取出了所需要的直流電壓+uo濾波電感l(wèi)1的電感量越大，對交流成分的感抗越大，使殘留在負載rl上的交流成分越小，濾波效果就越好，但直流電阻也會增大。 l 1 整流電路 r l u u 圖3-7 升壓電路的介紹 綜合考慮本次研究對系統(tǒng)的防擾性和系統(tǒng)節(jié)能等方面的，本次研究采用電容濾波。 3.4升壓電路的設(shè)計 3.4.1 mc34063的應(yīng)用 mc34063是一低價位的dc-dc交換式轉(zhuǎn)換ic，使用上非常方便，除了穩(wěn)壓、降壓、升壓，甚至還可以轉(zhuǎn)換成負向電壓。雖然它的效率還不算很高，但電電路簡單、成本低廉、溫升低，所以被廣泛應(yīng)用在許多電源轉(zhuǎn)換電路用途上

50、。 mc34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流與直流變換器控制部分，片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源一個占空比周期控制振蕩器，驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)能1.5a的開關(guān)電流，它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器，降壓式變換器和電源反向器。mc34063的封裝形式為塑封雙列8引線直插式。 其主要特點： 1 能在3.0-4.0v的輸入電壓下工作。 2短路電流限制。 3低靜態(tài)電流。 4輸出開關(guān)電流可達1.5a(無外接三極管的情況下)。 5.dip-8腳的封裝。 6輸出電壓可調(diào)。 7工作振蕩頻率從100hz至100khz。 - 14 - 8可構(gòu)成升壓、降壓或反向電源變換器。 開關(guān)管集電極開關(guān)管

51、發(fā)射極 驅(qū)動管集電極電流檢測 定時電容 v+ 地 比較器反向輸入 圖 3-8 mc3463內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路 工作原理： mc34063片內(nèi)置有大電流的電源開關(guān)，能夠控制的開關(guān)電流達到1.5a，內(nèi)部線路包含有參考電壓源、振蕩器、轉(zhuǎn)換器、邏輯控制線路和開關(guān)晶體管。 參考電壓源是溫度補償?shù)膸痘鶞试?，振蕩器的振蕩頻率由3腳的外接定時電容決定，開關(guān)晶體管由比較器的反向輸入端和與振蕩器相連的邏輯控制線路置成on，并由與振蕩器輸出同步的下一個脈沖置成off。 圖3-8內(nèi)部框圖中所表示的電路解釋如下： 振蕩器通過恒流源對外接在ct管腳(3腳)上的定時電容不斷地充電和放電以產(chǎn)生振蕩波形。充電和放電電流都是恒定的,

52、所以振蕩頻率僅取決于外接定時電容的容量。與門的c輸入端在振蕩器對外充電時為高電平，d輸入端在比較器的輸入電平低于閾值電平時為高電平，當c和d輸入端都變成高電平時觸發(fā)器被置為高電平，輸出開關(guān)管導(dǎo)通,反之當振蕩器在放電期間，c輸入端為低電平，觸發(fā)器被復(fù)位，使得輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)。 電流限制si檢測端(5腳)通過檢測連接在v+和5腳之間電阻上的壓降來完成功能。當檢測到電阻上的電壓降接近超過300mv時，電流限制電路開始工作，這時通過ct管腳(3腳)對定時電容進行快速充電以減少充電時間和輸出開關(guān)管的導(dǎo)通時間，結(jié)果是使得輸出開關(guān)管的關(guān)閉時間延長。 3.4.2 mc34063的直流升壓電路設(shè)計 mc3

53、4063一種用于dcdc電源變換的集成電路，應(yīng)用比較廣泛，通用廉價易購。可用于電壓的升壓，降壓以及極性的反轉(zhuǎn)。極性反轉(zhuǎn)效率最高65%，升壓效率最高90%，降壓效率最高80%，變換效率和工作頻率濾波電容等成正比。另外，輸出功率達不到要求的時候，比如>250300ma時，可以通過外接擴功率管的方法擴大電流，雙極型或mos型擴流管均可。 - 15 - 1.mc34063外圍元件標稱含義和它們?nèi)≈档挠嬎愎剑?vout(輸出電壓)1.25v（r1r2） ct(定時電容)：決定內(nèi)部工作頻率。ct=0.000 004*ton(工作頻率） ipk=2*iomax*t/toff rsc(限流電阻)：決定輸出電流。rsc0.33ipk lmin(電感)：lmin(viminvces)*ton/ ipk co(濾波電容)：決定輸出電壓波紋系數(shù)，coio*ton/vp-p(波紋系數(shù)） 2.mc34063固定值參數(shù)： vces=1.0v ton/toff=(vo+vfvimin)/(viminvces） vimin:輸入電壓不穩(wěn)定時的最小值 vf=1.2v 快速開關(guān)