【正文】 所以，當(dāng)有IC卡插入時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合，做好讀卡準(zhǔn)備，無(wú)卡時(shí)。此微動(dòng)開(kāi)關(guān)在無(wú)IC卡狀態(tài)時(shí)，處于斷開(kāi)狀態(tài)；有卡插入時(shí)，IC卡卡座上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)合，因此，此開(kāi)關(guān)往往是用來(lái)判斷是否插IC卡的傳感器件[2]。它是目前國(guó)內(nèi)使用最多的IC卡之一。它的工作原理我們將在第四章詳細(xì)介紹。在系統(tǒng)中，用AT24C01存儲(chǔ)用戶的設(shè)定水量轉(zhuǎn)數(shù)N、水表檢測(cè)脈沖數(shù)M、累計(jì)用水總量和剩余水量等。I2C總線簡(jiǎn)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。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該保存失電前的一些數(shù)據(jù)。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(duì)稱、電壓范圍寬、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于直流和交流回路中吸收不同極性的過(guò)電壓。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(jí)的漏電流流過(guò)圖310 氧化鋅壓敏電阻的電氣性能壓敏電阻，相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài)。從上圖中可以看出，單片機(jī)控制的I/O口和繼電器控制端口之間用光電耦合器進(jìn)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(huì)影響到單片機(jī)系統(tǒng)了[8]。因此，在系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗干擾電路來(lái)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(diǎn)：圖39 光電耦合器隔離電路(1) 采用光電耦合器進(jìn)行隔離，在光電耦合器SWGD（型號(hào)為4N25）中的發(fā)光二級(jí)管發(fā)光，三級(jí)管導(dǎo)通。當(dāng)水量為零時(shí)，控制閥自動(dòng)關(guān)閉，水路即被切斷，此時(shí)用戶須重新持卡購(gòu)水。因此，必須對(duì)現(xiàn)有電平開(kāi)關(guān)式電磁閥進(jìn)行改進(jìn)，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門(mén)的開(kāi)/關(guān)控制由電脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于我們?cè)O(shè)定外部中斷（）為跳變觸發(fā)方式，即電平發(fā)生由高到低的跳變時(shí)觸發(fā)。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”）。 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。因此，選擇它作為本低功耗設(shè)計(jì)的傳感器。③ 輸出信號(hào)幅值與磁場(chǎng)的變化速度無(wú)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速”傳感。圖36 對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式(3) 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。常用結(jié)構(gòu)示意如圖34所示。 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(guò)，通常的光電檢測(cè)傳感器都是基于這一原理。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(guò)4μs才能完成復(fù)位操作。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?！?2MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好。主次比較型ADC由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過(guò)逐次比較邏輯，從最高位(MSB)開(kāi)始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。增強(qiáng)型8051CPU，1T(1024G)，單時(shí)鐘/機(jī)器周期工作電壓 1280字節(jié)RAM通用I/O口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)120mA有EEPROM功能看門(mén)狗內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路外部掉電檢測(cè)電路時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：：11~17MHz 單片機(jī)為：8~12MHz4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T113個(gè)時(shí)鐘輸出口，1外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/，INT1/，T0/，T1/，RxD/，CCP0/，CCP0/1PWM2路1A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S1通用全雙工異步串行口(UART)1雙串口，RxD2/，TxD2/1工作范圍：40~851封裝：LQFP48，LQFP44，PDIP40，PLCC管腳說(shuō)明~ P0：P0口既可以作為輸入/輸出口，也可以作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。④ 單片機(jī)片內(nèi)是否有系統(tǒng)所需的外接口。 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)。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(wú)誤后，將卡中購(gòu)買水量與表內(nèi)剩余水量相加后，寫(xiě)入卡表內(nèi)存儲(chǔ)器，同時(shí)必須將IC卡內(nèi)購(gòu)水值清零。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。3 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。從設(shè)計(jì)的難易程度來(lái)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。缺點(diǎn)：(1) 電磁閥在長(zhǎng)期開(kāi)啟狀態(tài)下由于水垢和水中雜質(zhì)而影響閥門(mén)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(wú)所知，一旦發(fā)現(xiàn)也無(wú)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(wú)法計(jì)量；(3) 鋰電池在長(zhǎng)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(shuí)負(fù)責(zé)更換是個(gè)問(wèn)題。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。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(guò)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。2 本論文的方案論證 設(shè)計(jì)方案方案一：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(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、累加、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)上傳。 本課題的研究工作詳細(xì)分析課題任務(wù)，對(duì)IC卡智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)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。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。這不僅是中國(guó)的一種趨勢(shì)，也將成為世界性的趨勢(shì)。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(mén)能預(yù)先收取部分費(fèi)用，有利于公用事業(yè)的發(fā)展。IC卡智能水表除了可對(duì)用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對(duì)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。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(duì)一個(gè)國(guó)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(méi)有水人類就不能生存，沒(méi)有水人類賴以自下而上的物質(zhì)生產(chǎn)就不能發(fā)展。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過(guò)IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門(mén)操表收費(fèi)到用戶自己去營(yíng)業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。IC卡智能水表具有成本低、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)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(mén)能及時(shí)收取水費(fèi)。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。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。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。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)訊式集抄系統(tǒng)目前在國(guó)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(guò)渡產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)：CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的方式來(lái)傳送數(shù)據(jù)，以克服市場(chǎng)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。設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，太難，且不容易實(shí)現(xiàn)[4]。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(guò)可行的具體方案基本可以解決了。從維護(hù)成本來(lái)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。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。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。當(dāng)用戶用水時(shí)，由流量傳感器采進(jìn)來(lái)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。用戶只有重新購(gòu)水，才能使電磁閥打開(kāi)。① 單片機(jī)的CPU是否有合適的處理能力。⑤ 單片機(jī)的極限性能是否能夠滿足要求。當(dāng)P0口作為輸入/輸出口時(shí)，P0是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無(wú)需外接上拉電阻。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型IO口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不須作為A/D使用的口可繼續(xù)作為IO口使用。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)?？梢员ＷC程序運(yùn)行速度即保證了控制的實(shí)時(shí)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。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路圖如圖33所示[5]。 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(guò)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(wú)物體通過(guò)二者之間的電壓脈沖信號(hào)。圖34 Wiegand傳感器組成(2) 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。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。④ 無(wú)觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水，壽命長(zhǎng)。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。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。 圖37 信號(hào)處理電路圖由于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)。因此，水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，外部中斷產(chǎn)生一次中斷[5]。使得對(duì)閥門(mén)開(kāi)/關(guān)只需瞬時(shí)供電，從而減少耗電量。在正常情況下控制閥處于接通狀態(tài)，只有當(dāng)特殊事件發(fā)生時(shí)，控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，電阻R10上就存在一個(gè)高電平使NPN管Q1導(dǎo)通。(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(duì)外加的電壓十分敏感，外加電壓的微小變動(dòng)，其阻值會(huì)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。當(dāng)有電壓（當(dāng)電壓達(dá)到臨界值以上）時(shí)，壓敏電阻即迅速變?yōu)榈妥杩梗憫?yīng)時(shí)間為毫微秒數(shù)量級(jí)），電流急劇上升，電阻急劇下降，過(guò)電壓以過(guò)電電流的形式被壓敏電阻吸收掉，相當(dāng)于過(guò)電壓部分被短路。在本設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的浪涌過(guò)電壓就被壓敏電阻所吸收了。比如，存儲(chǔ)用戶設(shè)定的水量系數(shù)N（轉(zhuǎn)/噸），累計(jì)用水總量和剩余水量等。它通過(guò)SDA（串行數(shù)據(jù)線）及SCL（串行時(shí)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(shí)別每個(gè)器件：不管是單片機(jī)、存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤(pán)接口。當(dāng)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。圖311 AT24C01與單片機(jī)接口電路 IC卡及其接口電路的設(shè)計(jì)下面簡(jiǎn)要介紹AT24C0X系列的IC卡的基本特性與引腳功能，并分析AT24C0X與AT89C205