【正文】 期所需經(jīng)濟(jì)投入最大，方案一次之，方案三最低。從設(shè)計(jì)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(dāng)成熟，最容易實(shí)現(xiàn)，方案二最難，方案一次之。從維護(hù)成本來看，方案二是由一個(gè)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(hù)人員，它的維護(hù)成本最高，方案一次之，方案三最低。從長(zhǎng)期效益來看，隨著技術(shù)的成熟，社會(huì)各行各業(yè)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加速，方案二必定是今后的發(fā)展趨勢(shì)，它所達(dá)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(shí)際情況、現(xiàn)有技術(shù)水平和設(shè)計(jì)要求，我們選擇了第三種方案基于89C2051單片機(jī)的IC卡智能水表系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。第3章 IC卡智能水表的硬件設(shè)計(jì)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(jì)。我們采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)系統(tǒng)的工作原理和各個(gè)硬件模塊的原理和電路進(jìn)行了具體的介紹。還對(duì)各種器件的選擇（如微處理器、傳感器等）做了詳細(xì)的分析。 主系統(tǒng)的構(gòu)成根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所要設(shè)計(jì)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。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(hào)處理模塊、IC卡接口電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、顯示電路、報(bào)警電路、電源模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以及其他輔助電路。所有模塊的設(shè)計(jì)均考慮了低功耗的要求，本系統(tǒng)采用外接3節(jié)5號(hào)電池供電，內(nèi)部采用超級(jí)電容作為備用。系統(tǒng)時(shí)鐘采用外接晶振方式，約為6MHz。 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(fèi)工作站交費(fèi)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(nèi)單片機(jī)識(shí)別IC卡密碼并確認(rèn)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(chǔ)器，同時(shí)必須將IC卡內(nèi)購水值清零。當(dāng)用戶用水時(shí)，由流量傳感器采進(jìn)來的信號(hào)以脈沖形式觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，換醒單片機(jī)，進(jìn)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(dāng)剩余水量低于一定量，如5m3，卡表報(bào)警提示用戶購水。當(dāng)E2PROM中存儲(chǔ)的水量用完時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)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(shí)，閥門也會(huì)關(guān)閉[2]。 微處理器 微處理器是本設(shè)計(jì)中的核心器件。我們一般都選用單片機(jī)來進(jìn)行控制。下面給出了對(duì)它的選型與功能介紹。 單片機(jī)的選型單片機(jī)的選型從以下幾個(gè)方面考慮：1. 單片機(jī)的系統(tǒng)適應(yīng)性適應(yīng)性指單片機(jī)能否完成應(yīng)用系統(tǒng)的控制功能，它主要從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)。(1) 單片機(jī)的CPU是否有合適的處理能力。(2) 單片機(jī)是否有系統(tǒng)所需要的I/O端口數(shù)。(3) 單片機(jī)是否含有系統(tǒng)所需的中斷源和定時(shí)器。(4) 單片機(jī)片內(nèi)是否有系統(tǒng)所需的外接口。(5) 單片機(jī)的極限性能是否能夠滿足要求。2. 單片機(jī)的市場(chǎng)供應(yīng)情況3. 單片機(jī)的可開發(fā)性本設(shè)計(jì)系統(tǒng)至少需要14個(gè)I/O端口數(shù)，其中需要2個(gè)外部中斷源，一個(gè)全雙工串行通信口，需要2K字節(jié)可重擦寫程序存儲(chǔ)器。結(jié)合上述選型依據(jù)，雖然其通用的80C51系列的單片機(jī)具有電源電壓適應(yīng)范圍寬、抗干擾能力和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。然而對(duì)本設(shè)計(jì)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(jià)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(jī)與80C51單片機(jī)相比具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)AT89C2051單片機(jī)和80C51單片機(jī)是完全兼容的，它與80C51的顯著區(qū)別在于它內(nèi)部有一個(gè)閃存。另外考慮到在調(diào)試過程中實(shí)驗(yàn)器材的現(xiàn)實(shí)情況，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)將選用AT89C2051單片機(jī)作為主控芯片。 單片機(jī)AT89C2051簡(jiǎn)介AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（Flash）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)的技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。功能特性概述：AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)蓸O中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，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(shí)/計(jì)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(gè)硬件復(fù)位。，有雙列直插封裝（DIP）方式和方行封裝方式。 AT89C2051的引腳圖 晶振與復(fù)位電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，因此，只需要在片處通過XTALXTAL2引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器?！?2MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好。可以保證程序運(yùn)行速度即保證了控制的實(shí)時(shí)性。一般采用石英晶振作定時(shí)控制元件；在不需要高精度參考時(shí)鐘時(shí)，也可以用電感代替晶振；有時(shí)也可以引入外部時(shí)脈信號(hào)。CC2雖然沒有嚴(yán)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(jì)電路板時(shí)，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(jì)中，我們采用的外接晶振頻率約6MHz，因此機(jī)器周期約2μs。RESET引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上。如使用頻率為6MHZ的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過4μs才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路圖如下所示[5]?！?fù)位電路和時(shí)鐘電路 傳感器的選擇轉(zhuǎn)化基于傳統(tǒng)水表流量檢測(cè)原理，在本設(shè)計(jì)中采用將傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)量方式轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)的方案。因此，需要找到一種可以將機(jī)械位移為電脈沖信號(hào)的傳感器。 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(dāng)霍爾效應(yīng)片垂直于磁場(chǎng)時(shí)，對(duì)霍爾效應(yīng)片施加控制電流時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱之為霍爾電動(dòng)勢(shì)。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(dòng)勢(shì)由內(nèi)部差分放大器進(jìn)行放大，然后被送往施密特觸發(fā)器。當(dāng)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度小于霍爾開關(guān)的磁場(chǎng)工作強(qiáng)度時(shí)，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(dāng)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度大于霍爾開關(guān)的磁場(chǎng)工作強(qiáng)度時(shí)，差分放大器的輸出電壓達(dá)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(diǎn)是：可靠性強(qiáng)、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(qiáng)、兼容性好、能與CMOS集成電路直接接口，動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間短以及體積小巧、壽命長(zhǎng)和使用方便等。 但是，從對(duì)上述對(duì)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(duì)霍爾效應(yīng)片輸入控制電流、同時(shí)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(jí)，因此，霍爾開關(guān)傳感器不適合應(yīng)用在本低功耗設(shè)計(jì)中。 光電檢測(cè)傳感器 當(dāng)光照射在半導(dǎo)體材料的PN結(jié)上時(shí)PN結(jié)的兩側(cè)將產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，如外部用導(dǎo)線連接，將有光電流流過，通常的光電檢測(cè)傳感器都是基于這一原理。 目前的光電檢測(cè)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(duì)放置便組成了光電檢測(cè)電路，當(dāng)被檢測(cè)物體通過二者之間時(shí)，由于光電二極管所接受的光的強(qiáng)度發(fā)生變化，其產(chǎn)生的光電動(dòng)勢(shì)也發(fā)生變化，將這種變化進(jìn)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(hào)。然而，由于在此結(jié)構(gòu)中必須用到發(fā)光二極管（對(duì)于不需要發(fā)光二極管的光電檢測(cè)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(cè)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(jì)中。 Wiegand(韋根)傳感器1. Wiegand傳感器組成Wiegand傳感器由三部分組成：(1)Wiegand線；(2)檢測(cè)線圈，將其纏繞在Wiegand線上，或放置在Wiegand線附近；(3)磁鐵。 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。在強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度的增加，外殼的極性也隨之發(fā)生變化，這樣置于Wiegand線附近的線圈就能檢測(cè)出極性的轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生電壓脈沖輸出。通常Wiegand線與檢測(cè)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(chǎng)引入的方式不同，Wiegand傳感器有兩種驅(qū)動(dòng)方式：非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式和對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式。非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式開始把Wiegand組件置于一種稱為滲透磁場(chǎng)的強(qiáng)磁場(chǎng)中，此時(shí)Wiegand線的外殼和內(nèi)芯按同一方向極化，(a) 所示；再把組件置于一種稱為復(fù)位磁場(chǎng)的弱磁場(chǎng)中，此時(shí)內(nèi)芯的極性反向,而外殼的極性不變，(b) 所示；然后把組件置于滲透磁場(chǎng)中，(a)的情況，由于Wiegand線中磁場(chǎng)的變化，導(dǎo)致在檢測(cè)線圈中一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生單一方向的電壓脈沖，(c)所示。 非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式在對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式中，采用兩塊磁場(chǎng)強(qiáng)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(jìn)行滲透，(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，(b)所示；然后外殼的極性發(fā)生改變，這一作用在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生一個(gè)方向的電壓脈沖輸出，(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，(d) 所示；其次外殼的極性也隨之改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，(e) 所示[6]。 對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式4. WG系列韋根傳感器原理及其特點(diǎn)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(chǎng)的激勵(lì)下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測(cè)線圈中感生出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。它具有以下特點(diǎn)：(1) 傳感器工作時(shí)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(chǎng)極性變化一周，傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)，信號(hào)周期為磁場(chǎng)交變周期。(3) 輸出信號(hào)幅值與磁場(chǎng)的變化速度無關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速”傳感。(4) 無觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水，壽命長(zhǎng)。(5) 利用電話線、同軸線可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)遠(yuǎn)傳。由于WG系列韋根傳感器具有以上的眾多的特點(diǎn)，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(jì)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(hào)為WG101。具體使用方法為：在水表的計(jì)量齒輪上安裝小磁鋼，當(dāng)用戶用水，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小磁鋼將會(huì)轉(zhuǎn)過Wiegand絲傳感器，這時(shí)傳感器產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，經(jīng)過整形、放大處理后輸入至單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)量。選擇此傳感器作輸入信號(hào)測(cè)量的傳感器，既滿足了準(zhǔn)確計(jì)量的基本要求，又滿足了低功耗設(shè)計(jì)的需要，是本低功耗設(shè)計(jì)的重要組成部分。 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) WG系列WG101韋根傳感器所產(chǎn)生的正向脈沖信號(hào)一般為1V～2V之間。為了保證系統(tǒng)能更加穩(wěn)定的工作，必須對(duì)傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、整形處理。我們采用下面的一個(gè)簡(jiǎn)單電路（）可以很好的達(dá)到脈沖信號(hào)的放大、整形作用。經(jīng)過處理后的電平信號(hào)，送單片機(jī)的外部中斷（）進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。當(dāng)計(jì)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”）。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(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式），當(dāng)水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，觸發(fā)磁場(chǎng)極性變化一周，韋根傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)。當(dāng)韋根傳