【正文】 基于單片機(jī)的IC卡智能水表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?fàn)顩r。對當(dāng)前水資源形勢、傳統(tǒng)水表和IC卡智能水表的特點(diǎn)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。 本研究課題的背景及意義環(huán)境與發(fā)展，是當(dāng)今國際社會(huì)普遍關(guān)注的重大問題，保護(hù)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(gè)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(yán)峻。在我國600多個(gè)城市中，目前有400多個(gè)城市供水不足，其中嚴(yán)重缺水的城市有110個(gè)，城市年缺水總量達(dá)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(gè)數(shù)字僅相當(dāng)于世界人均水資源占有量的四分之一。專家預(yù)測，當(dāng)我國人口增至16億時(shí)，人均水資源將下降到1750立方米，接近國際公認(rèn)的水資源緊張標(biāo)準(zhǔn)。從長遠(yuǎn)來看，搞好水資源的管理具有重大而深遠(yuǎn)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(gè)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(fèi)的。目前，這種經(jīng)營方式已越來越不適應(yīng)社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)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(fèi)員到各家收費(fèi)或令各用戶去銀行（或其他指定地點(diǎn)）交費(fèi)。這種傳統(tǒng)收取水費(fèi)的做法需要的工作人員多，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，常常遇到用戶欠繳、遲繳或漏繳水費(fèi)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(shí)行自動(dòng)監(jiān)控，減輕供水部門因“先供水后收費(fèi)”造成的資金壓力，減少每月抄表收費(fèi)帶來的麻煩和因收費(fèi)問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代化科學(xué)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(huì)經(jīng)濟(jì)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，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(jìn)行計(jì)量并進(jìn)行用水?dāng)?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(jī)械指針顯示用水量的功能相比，是一個(gè)很大的進(jìn)步。IC卡智能水表除了可對用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量自動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門操表收費(fèi)到用戶自己去營業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計(jì)算準(zhǔn)確，可利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn)。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卡智能水表進(jìn)行交易結(jié)算，不但實(shí)現(xiàn)了用水收費(fèi)的電子化，而且還改變了先用水后收費(fèi)的不合理狀況，使的供水部門能預(yù)先收取部分費(fèi)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(diǎn)，可提高居民用水收費(fèi)的管理水平，確保供水部門能及時(shí)收取水費(fèi)。因此，IC卡智能水表成為相關(guān)科研單位關(guān)注的重點(diǎn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[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(dòng)，民用計(jì)量儀表的智能化將是一個(gè)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(huì)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)當(dāng)是更好的一種計(jì)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(dú)在一個(gè)部門大規(guī)模推動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)式智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(gè)信息網(wǎng)絡(luò)，從經(jīng)濟(jì)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(dāng)是，由公共網(wǎng)絡(luò)部門建立起社會(huì)化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而要使用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的具體部門只要向其進(jìn)行申請，將自己行業(yè)的智能計(jì)量終端掛接上去就可以了。同時(shí)，這種網(wǎng)絡(luò)式智能儀表管理系統(tǒng)又與個(gè)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(dāng)才是好的和有效率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。顯然，整個(gè)社會(huì)現(xiàn)在正在努力推進(jìn)著網(wǎng)絡(luò)化的工作，在可以預(yù)見的時(shí)間里，這種把千家萬戶連接起來的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就會(huì)逐步形成。所以，既然整個(gè)社會(huì)正在進(jìn)行著這種工作，那么，每個(gè)部門為了自己行業(yè)的一種特別目的去建立自己單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)，顯然將與這種可以面向社會(huì)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(jì)優(yōu)勢，既然這樣，現(xiàn)在進(jìn)行的小行業(yè)小區(qū)域組網(wǎng)工作就是一種浪費(fèi)，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(huì)發(fā)生沖突呢，我的看法是不會(huì)，相反，還會(huì)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化管理模式的形成。因?yàn)?，單體式智能儀表模式與將來的網(wǎng)絡(luò)模式并不矛盾。因?yàn)椴还苁裁淳W(wǎng)絡(luò)模式，最終必須要有智能終端與其進(jìn)行聯(lián)結(jié)。現(xiàn)在采用的單體式智能儀表將來就可以作為網(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(shí)到這一點(diǎn)，并尋找合理的技術(shù)方案，在將來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化時(shí)就會(huì)占有主動(dòng)的地位?！　「鶕?jù)以上的分析，我認(rèn)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(shí)需求并具有主流特征的。當(dāng)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(dòng)IC卡智能水表的發(fā)展，全國有許多研究機(jī)構(gòu)投入力量對IC卡類智能產(chǎn)品進(jìn)行了開發(fā)研究，很多自來水公司也積極參與了此項(xiàng)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(jìn)入了成熟期。但是，為什么現(xiàn)在IC卡智能水表的推動(dòng)工作還很困難呢？這不難理解。因?yàn)閺膶?shí)際情況看，現(xiàn)在的IC卡智能水表確實(shí)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(jià)格太高；2. 質(zhì)量不可靠；3. 存在安全隱患。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， IC卡智能水表將會(huì)不斷發(fā)展完善。比如，現(xiàn)在這種在老式水表上取信號(hào)的模式，將會(huì)由先進(jìn)的水流量信號(hào)提取裝置代替，機(jī)械計(jì)量和機(jī)械顯示部分會(huì)被淘汰，而表和閥將會(huì)集中在一體等等?？偟恼f來，IC卡智能水表是一種先進(jìn)的計(jì)量儀表，對這種先進(jìn)儀表的大規(guī)模推廣使用將會(huì)有力促進(jìn)中國供用水管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。中國在這個(gè)方面的超前發(fā)展會(huì)使這種計(jì)量模式得到優(yōu)先完善，并有可能成為中國的一個(gè)有競爭力的產(chǎn)品出口到其它國家[2][3]。 本文的工作詳細(xì)分析課題任務(wù)，對IC卡智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)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(jìn)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(jì)出實(shí)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(jìn)行訪真調(diào)試。下面對本設(shè)計(jì)的主要研究工作做個(gè)簡述。 1. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提出幾種方案，對它們進(jìn)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(xì)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(hào)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(jì)進(jìn)行了深入的研究；5. 詳細(xì)分析了E2PROM的工作原理；6. 對IC卡技術(shù)做了簡明扼要的分析，并對其軟件的讀寫原理進(jìn)行了詳細(xì)的討論；7. 應(yīng)用LED顯示技術(shù)，可隨時(shí)查詢累計(jì)用水總量、可用水量；8. 改進(jìn)了普遍應(yīng)用電源方案，詳細(xì)地介紹了超級(jí)電容技術(shù)及其在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；9. 對整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)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(jì)思想與方案論證 本章對智能水表的設(shè)計(jì)思想做了詳細(xì)的介紹，并在設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上提出了三種智能水表的設(shè)計(jì)方案，還針對它們各自的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡要分析。最終確定為采用基于AT89C2051單片機(jī)的IC卡智能水表方案。 設(shè)計(jì)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。針對目前供水部門與用戶的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)對智能水表應(yīng)該具有的功能提出了以下設(shè)計(jì)思想：1. 統(tǒng)計(jì)功能：當(dāng)用戶插入有效卡時(shí)，將購買水量與剩余水量自動(dòng)相加，并且存入E2PROM以防丟失；當(dāng)用戶用水時(shí)，將剩余水量與用水量自動(dòng)相減，并且存入E2PROM以防丟失。2. 自動(dòng)供停水功能：當(dāng)剩余水量為0時(shí)，自動(dòng)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(shí)查詢累計(jì)用水總量及可用剩余水量。4. 報(bào)警功能：當(dāng)剩余水量減少到一定量時(shí)，報(bào)警提示用戶購水?！　?. 掉電自動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)功能：掉電后，數(shù)據(jù)依然可以被保存。當(dāng)恢復(fù)供電后，數(shù)據(jù)自動(dòng)恢復(fù)。6. 一戶一卡的功能：通過設(shè)立用戶信息和用戶校驗(yàn)碼的方式實(shí)現(xiàn)一戶一卡。即一個(gè)水表只能使用一個(gè)用戶專用卡，插入其他卡片無效?！　?. 欠電自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)的功能：當(dāng)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(shí)，水表應(yīng)會(huì)自動(dòng)將閥門關(guān)閉并使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，并報(bào)警提示?！　?. 防拆卸功能：在表體和接頭管件上設(shè)置鉛封口并可進(jìn)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(jī)立即關(guān)閉閥門，以防偷水。 方案比較 針對上述設(shè)計(jì)思想，提出了三種智能水表的設(shè)計(jì)方案。下面對它們的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(hào)，經(jīng)采集器對脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、累加、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)上傳。優(yōu)點(diǎn)：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(jià)格較低，只要生產(chǎn)廠商、系統(tǒng)集商嚴(yán)格把好每一環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)，且發(fā)訊不隨時(shí)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(shí)期的過渡產(chǎn)品。缺點(diǎn)：(1) 初始化及維護(hù)工作量大；(2) 磁鐵強(qiáng)磁場干擾；(3) 電能耗費(fèi)。2. 方案二：基于CAN總線的智能水表自動(dòng)抄收系統(tǒng)工作原理：自動(dòng)抄收系統(tǒng)主要由小區(qū)管理中心計(jì)算機(jī)(主控機(jī))、水表數(shù)據(jù)采集器、采集服務(wù)器、中繼站等幾個(gè)部分組成，是一種智能化多用戶能耗集中自動(dòng)抄收系統(tǒng)。其原理是將原能耗計(jì)量表的流量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)傳輸線至系統(tǒng)總線，由接口電路通過有線傳輸或主機(jī)直接抄讀，最后經(jīng)微機(jī)管理，實(shí)現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。優(yōu)點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)10公里范圍的小區(qū)抄收工作，同時(shí)性能比同類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。采用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、全局廣播等幾種方式，數(shù)據(jù)收發(fā)靈活，可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，且無主從機(jī)之分，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常主動(dòng)報(bào)警。節(jié)點(diǎn)故障自動(dòng)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(diǎn)，方便了系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。缺點(diǎn)：前期經(jīng)濟(jì)投入太多，需要大量的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員，維護(hù)工作量大。設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，太難，且不容易實(shí)現(xiàn)[4]。3. 方案三：基于89C2051單片機(jī)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(dòng)開關(guān)閥門(供水或停水)，由用戶到自來水公司網(wǎng)點(diǎn)先預(yù)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(dòng)關(guān)閥并中斷水的供應(yīng)，報(bào)警器在設(shè)定水量用完之前會(huì)自動(dòng)報(bào)警以提醒用戶購水，達(dá)到“先買水、后用水”的目的。優(yōu)點(diǎn)：在用戶不繳費(fèi)的情況下可自動(dòng)斷水，有效控制收費(fèi)單位的資金回籠，不需要人工上門抄表、收費(fèi)，減少抄表員。缺點(diǎn)：(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(fèi)的情況下繼續(xù)用水，而收費(fèi)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(fèi)；(2) IC卡表也是由發(fā)訊脈沖進(jìn)行累加計(jì)量，如果人為強(qiáng)磁干擾或強(qiáng)電瞬間電擊，也會(huì)造成芯片損壞，從而無法計(jì)量；(3) 鋰電池在長期使用中是否能達(dá)到設(shè)計(jì)年限還有待考證，到期后由誰負(fù)責(zé)更換是個(gè)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(diǎn)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(jì)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(chǔ)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(luò)系統(tǒng)，所需設(shè)備多，前