【正文】 閉閥門，以防偷水。 方案比較針對上述設計思想，提出了三種智能水表的設計方案。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：發(fā)訊式集抄系統(tǒng)目前在國內已普遍采推廣應用方便,價格較低，只要生產廠商、系統(tǒng)集商嚴格把好每一環(huán)節(jié)的質量關，且發(fā)訊不隨時間產生疲勞損傷，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)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)設備異常主動報警。節(jié)點故障自動關閉，不影響網(wǎng)絡性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且不關閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點，方便了系統(tǒng)的調試和維護。缺點：前期經(jīng)濟投入太多，需要大量的專業(yè)網(wǎng)絡維護人員，維護工作量大。設計過于復雜，太難，且不容易實現(xiàn)[4]。3. 方案三：基于AT89C2051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媒介，將各種信息輸入表中控制系統(tǒng)來自動開關閥門(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閥并中斷水的供應，報警器在設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而影響閥門關閉，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、現(xiàn)代傳感器技術的快速發(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。該方案所設計的IC卡智能水表主要由開關閥門控制模塊、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]。 方案選擇從投入成本來看，方案二需要建立一整套的網(wǎng)絡系統(tǒng)，所需設備多，前期所需經(jīng)濟投入最大，方案一次之，方案三最低。從設計的難易程度來看，方案三融合了微電子技術、現(xiàn)代傳感器技術、IC卡技術等，這些技術都已經(jīng)相當成熟，最容易實現(xiàn)，方案二最難，方案一次之。從維護成本來看，方案二是由一個專用的網(wǎng)絡系統(tǒng)組建而成，需要專業(yè)的網(wǎng)絡技術維護人員，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，隨著技術的成熟，社會各行各業(yè)網(wǎng)絡化進程的加速，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)有技術水平和設計要求，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)來進行設計。智能水表以單片機為主體，結合計算機技術與測量控制技術，利用現(xiàn)代微電子技術、現(xiàn)代傳感技術、智能IC卡技術對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結算。智能水表除了可對水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進行自動控制，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。出于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結算通過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)所交費的轉變。智能水表以AT89C2051為核心控制芯片，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。該CPU芯片內置4K的程序存儲器，有32個多功能的I/O口，具有多個可編程的中斷I/O口和數(shù)據(jù)串行通信口。并且，該芯片功耗低，特別適用于水表控制線路多、功能全、功耗低的要求。智能水表工作時，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，工作人員將購買水量等信息寫入卡中。用戶將卡插入IC卡水表，卡表內單片機識別IC卡密碼并確認無誤后，將卡中購買水量與表內剩余水量相加后，寫入卡表內存儲器，同時必須將IC卡內購水值清零。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，卡表內剩余水量相應減少。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，閥門也會關閉。 主系統(tǒng)框圖系統(tǒng)硬件電路由IC卡讀寫電路、液晶顯示控制電路、電磁閥控制電路、脈沖提取電路、安全保護電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以AT89C2051為核心控制芯片，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。IC卡座通信插座去脈沖電磁閥來自水量傳感器CPU脈沖提取電路電磁閥控制電路安全保護電路IC卡讀寫電路IC卡讀寫電路顯示/報警電路通信接口電路記憶單元電路電源模塊 硬件結構框圖微處理器是本設計中的核心器件。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與功能介紹。單片機的選型從以下幾個方面考慮：1. 單片機的系統(tǒng)適應性適應性指單片機能否完成應用系統(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. 單片機的可開發(fā)性本設計系統(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。（1）AT89C51單片機簡介在一小塊芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分，即89C51單片機芯片內包括：（1）一個8位的微處理器（CPU）。（2）片內256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM/SFR，用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。（3）片內4KB程序存儲器Flash ROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。（4）4個8位并行I/O端口P0P3,每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。（5）兩個16位的定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式。（6）具有5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)。（7）一個全雙工UART的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與PC機之間的串行通信。（8）片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。（9）具有節(jié)電工作方式，即休閑方式和掉電方式。以上各個部分通過片內八位數(shù)據(jù)總線相連接。2. AT89C51單片機引腳及其功能。 單片機AT89C51的引腳圖（1）XTAL1（19腳）：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。（2）XTAL2（18腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。（3）RST（9腳）：復位輸入，當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。（4）P0口（39～32腳）：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅動8個LS型TTL負載。當P0口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器寫入全1，此時P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。（5）P3口（10～17腳）：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O多功能口。P3口輸出緩沖器可驅動4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。當CPU不對P3口進行SFR尋址訪問時，即用作第二功能輸出/輸入線時，由內部硬件使鎖存器Q置1。整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處低電平10ms來完成。在芯片擦除操作中，代碼陳列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。端口引腳第二功能RXD（串行輸入口）TXD (串行輸出口)INT0（外中斷0）INT1（外中斷1）T0（定時器/計數(shù)器0）T1（定時器/計數(shù)器1）WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口與第二功能表（2）AT89C2051單片機簡介AT89C2051是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含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生產，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。：AT89C2051提供以下標準功能：2K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，15個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩極中斷結構，一個全雙工串行通信口，內置一個精密比較器，片內振蕩器及時鐘電路。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)電工作模式。空閑方式停止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。，有雙列直插封裝（DIP）方式和方行封裝方式。 AT89C2051的引腳圖單片機內部帶有時鐘電路，因此，只需要在片處通過XTALXTAL2引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器?！?2MHz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。CC2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。在設計電路板時，晶振，電容等均應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。在本設計中，我們采用的外接晶振頻率約6MHz，因此機器周期約2μs。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)時間應超過4μs才能完成復位操作。產生復位信號的電路圖如下所示[5]。 復位電路和時鐘電路結合上述選型依據(jù)，雖然其通用的80C51系列的單片機具有電源電壓適應范圍寬、抗干擾能力和驅動能力強、價格便宜等特點。然而對本設計來說，根據(jù)其系統(tǒng)所要應用的需要：主要是其應用的引腳、應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)別在于它內部有一個閃存。另外考慮到在調試過程中實驗器材的現(xiàn)實情況，本設計系統(tǒng)將選用AT89C2051單片機作為主控芯片。轉化基于傳統(tǒng)水表流量檢測原理，在本設計中采用將傳統(tǒng)的機械轉動計量方式轉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。集成式霍爾開關傳感器是基于霍爾效應原理，當霍爾效應片垂直于磁場時，對霍爾效應片施加控制電流時，在垂直于電流和磁場方向上就產生電動勢，稱之為霍爾電動勢。由霍爾片和處理電路構成了集成化霍爾開關傳感器，其基本原理是將由霍爾效應片所產生的電動勢由內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，霍爾開關處于關閉狀態(tài)。當外加磁場的強度大于霍爾開關的磁場工作強度時，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，霍爾開關處于開啟狀態(tài)。集成式霍爾開關傳感器的主要優(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傳感器的原理描述中可以看出，霍爾開關傳感器中必須對霍爾效應片輸入控制電流、同時其內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傳感器耗電為mA級，因此，霍爾開關傳感器不適合應用在本低功耗設計中。當光照射在半導體材料的PN結上時PN結的兩側將產生光生電動勢，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，由于在此結構中必須用到發(fā)光二極管（對于不需要發(fā)光二極