【正文】 所以，當有IC卡插入時，微動開關(guān)閉合，做好讀卡準備，無卡時。此微動開關(guān)在無IC卡狀態(tài)時，處于斷開狀態(tài)；有卡插入時，IC卡卡座上的微動開關(guān)動合，因此，此開關(guān)往往是用來判斷是否插IC卡的傳感器件[2]。它是目前國內(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介紹。在系統(tǒng)中，用AT24C01存儲用戶的設(shè)定水量轉(zhuǎn)數(shù)N、水表檢測脈沖數(shù)M、累計用水總量和剩余水量等。I2C總線簡介：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。當這種情況發(fā)生時，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、伏安特性對稱、電壓范圍寬、體積小等優(yōu)點，可廣泛用于直流和交流回路中吸收不同極性的過電壓。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)量級的漏電流流過圖310 氧化鋅壓敏電阻的電氣性能壓敏電阻，相當于開路狀態(tài)。從上圖中可以看出，單片機控制的I/O口和繼電器控制端口之間用光電耦合器進行了隔離，這樣，由于繼電器通斷所造成的電火花和電弧就不會影響到單片機系統(tǒng)了[8]。因此，在系統(tǒng)中必須設(shè)計相應(yīng)的抗干擾電路來消除此電磁干擾，本系統(tǒng)所采用的抗干擾措施主要有以下兩點：圖39 光電耦合器隔離電路(1) 采用光電耦合器進行隔離，在光電耦合器SWGD（型號為4N25）中的發(fā)光二級管發(fā)光，三級管導通。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。因此，必須對現(xiàn)有電平開關(guān)式電磁閥進行改進，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開/關(guān)控制由電脈沖來實現(xiàn)。由于我們設(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觸發(fā)。當計滿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”）。 信號處理模塊的設(shè)計WG系列WG101韋根傳感器所產(chǎn)生的正向脈沖信號一般為1V～2V之間。因此，選擇它作為本低功耗設(shè)計的傳感器。③ 輸出信號幅值與磁場的變化速度無關(guān)，可實現(xiàn)“零速”傳感。圖36 對稱驅(qū)動方式(3) WG系列韋根傳感器原理及其特點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。 光電檢測傳感器 當光照射在半導體材料的PN結(jié)上時PN結(jié)的兩側(cè)將產(chǎn)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。如使用頻率為6MHZ的晶振，則復位信號持續(xù)時間應(yīng)超過4μs才能完成復位操作。在設(shè)計電路板時，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。～12MHz之間，當然在一般情況下頻率越快越好。主次比較型ADC由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位(MSB)開始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。增強型8051CPU，1T(1024G)，單時鐘/機器周期工作電壓 1280字節(jié)RAM通用I/O口，復位后為：準雙向口/弱上拉可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA有EEPROM功能看門狗內(nèi)部集成MAX810專用復位電路外部掉電檢測電路時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：：11~17MHz 單片機為：8~12MHz4個16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器，16位定時器T0和T113個時鐘輸出口，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)復用總線使用。④ 單片機片內(nèi)是否有系統(tǒng)所需的外接口。 單片機的選型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(yīng)性適應(yīng)性指單片機能否完成應(yīng)用系統(tǒng)的控制功能，它主要從以下幾個方面體現(xiàn)。當E2PROM中存儲的水量用完時，單片機自動關(guān)閉電磁閥。用戶將卡插入IC卡水表，卡表內(nèi)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(nèi)剩余水量相加后，寫入卡表內(nèi)存儲器，同時必須將IC卡內(nèi)購水值清零。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、信號處理模塊、IC卡接口電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲電路、顯示電路、報警電路、電源模塊、電磁閥驅(qū)動電路以及其他輔助電路。3 IC卡智能水表的硬件設(shè)計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，我們采用了模塊化的設(shè)計方法，針對系統(tǒng)的工作原理和各個硬件模塊的原理和電路進行了具體的介紹。從設(shè)計的難易程度來看，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)相當成熟，最容易實現(xiàn)，方案二最難，方案一次之。缺點：(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(shè)計年限還有待考證，到期后由誰負責更換是個問題。缺點：前期經(jīng)濟投入太多，需要大量的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)維護人員，維護工作量大。其原理是將原能耗計量表的流量轉(zhuǎn)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。2 本論文的方案論證 設(shè)計方案方案一：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，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。 本課題的研究工作詳細分析課題任務(wù)，對IC卡智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，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行了深入的研究，并將其綜合。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展， IC卡智能水表將會不斷發(fā)展完善。這不僅是中國的一種趨勢，也將成為世界性的趨勢。采用IC卡智能水表進行交易結(jié)算，不但實現(xiàn)了用水收費的電子化，而且還改變了先用水后收費的不合理狀況，使的供水部門能預先收取部分費用，有利于公用事業(yè)的發(fā)展。IC卡智能水表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，同時可以進行用水數(shù)據(jù)存儲的功能。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，對一個國家的生存和發(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。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)由工作人員上門操表收費到用戶自己去營業(yè)所交費的轉(zhuǎn)變。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，可提高居民用水收費的管理水平，確保供水部門能及時收取水費。而在近十年里，單體式智能IC卡類儀表又將會是發(fā)展主流。比如，現(xiàn)在這種在老式水表上取信號的模式，將會由先進的水流量信號提取裝置代替，機械計量和機械顯示部分會被淘汰，而表和閥將會集中在一體等等。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計出實現(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，并進行訪真調(diào)試。優(yōu)點：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,價格較低，只要生產(chǎn)廠商、系統(tǒng)集商嚴格把好每一環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)，且發(fā)訊不隨時間產(chǎn)生疲勞損傷，此系統(tǒng)不失為一種可供選擇的、適于一定歷史時期的過渡產(chǎn)品。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。設(shè)計過于復雜，太難，且不容易實現(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，以上該方案的缺點我們通過可行的具體方案基本可以解決了。從維護成本來看，方案二是由一個專用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組建而成，需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)維護人員，它的維護成本最高，方案一次之，方案三最低。還對各種器件的選擇（如微處理器、傳感器等）做了詳細的分析。所有模塊的設(shè)計均考慮了低功耗的要求，本系統(tǒng)采用外接3節(jié)5號電池供電，內(nèi)部采用超級電容作為備用。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。用戶只有重新購水，才能使電磁閥打開。① 單片機的CPU是否有合適的處理能力。⑤ 單片機的極限性能是否能夠滿足要求。當P0口作為輸入/輸出口時，P0是一個8位準雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無需外接上拉電阻。上電復位后P1口為弱上拉型IO口，用戶可以通過軟件設(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。可以保證程序運行速度即保證了控制的實時性。在本設(shè)計中，我們采用的外接晶振頻率約6MHz，因此機器周期約2μs。產(chǎn)生復位信號的電路圖如圖33所示[5]。 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(chǎn)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(chǎn)生反映有無物體通過二者之間的電壓脈沖信號。圖34 Wiegand傳感器組成(2) Wiegand傳感器工作方式根據(jù)Wiegand線外部磁場引入的方式不同，Wiegand傳感器有兩種驅(qū)動方式：非對稱驅(qū)動方式和對稱驅(qū)動方式。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的激勵下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測線圈中感生出電信號，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。④ 無觸點、耐腐蝕、防水，壽命長。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，其型號為WG101。為了保證系統(tǒng)能更加穩(wěn)定的工作，必須對傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號進行放大、整形處理。 圖37 信號處理電路圖由于WG系列韋根傳感器使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式（即對稱驅(qū)動方式），當水表葉輪轉(zhuǎn)動一周，觸發(fā)磁場極性變化一周，韋根傳感器輸出一對正負雙向脈沖電信號。因此，水表葉輪轉(zhuǎn)動一周，外部中斷產(chǎn)生一次中斷[5]。使得對閥門開/關(guān)只需瞬時供電，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)。此時，電阻R10上就存在一個高電平使NPN管Q1導通。(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，它對外加的電壓十分敏感，外加電壓的微小變動，其阻值會發(fā)生明顯的變化，因此電壓的微增量可引起大的電流增量。當有電壓（當電壓達到臨界值以上）時，壓敏電阻即迅速變?yōu)榈妥杩梗憫?yīng)時間為毫微秒數(shù)量級），電流急劇上升，電阻急劇下降，過電壓以過電電流的形式被壓敏電阻吸收掉，相當于過電壓部分被短路。在本設(shè)計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，電磁閥開關(guān)所產(chǎn)生的浪涌過電壓就被壓敏電阻所吸收了。比如，存儲用戶設(shè)定的水量系數(shù)N（轉(zhuǎn)/噸），累計用水總量和剩余水量等。它通過SDA（串行數(shù)據(jù)線）及SCL（串行時鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件：不管是單片機、存儲器、LCD驅(qū)動器還是鍵盤接口。當系統(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與單片機接口電路 IC卡及其接口電路的設(shè)計下面簡要介紹AT24C0X系列的IC卡的基本特性與引腳功能，并分析AT24C0X與AT89C205