【正文】 可以將水表的數(shù)據(jù)存入 E2ROM進(jìn)行永久保存并可通過(guò)串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了該水表的智能化的功能。 2. 智能水表的組成 7 本水 表電路的硬件設(shè)計(jì)原則是在低功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)多功能，組成框圖如圖 21 所示。它具有有限用水量、解決用水收費(fèi)糾紛的功能，這是其他抄表方式及普通水表上門(mén)抄表方式所不能比擬的，并且智能卡水表如同普通水表，無(wú)需鋪設(shè)管線及線路維護(hù)，安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單；另外，智能卡水表自帶數(shù)據(jù)采集模塊、電源部分、電磁閥（電動(dòng)閥）控制，由智能卡讀入預(yù)購(gòu)水量等信息，使用簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，并且它的前期投資費(fèi)用低，因此日益受到供水管理部門(mén)的青睞。 由于各表輸出的總線只需掛接，可以減少分線制抄表方式大量煩瑣的布線、系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)以及后期使用過(guò)程中線路、系統(tǒng)維護(hù)等繁重勞動(dòng)強(qiáng)度，也方便高層次設(shè)計(jì)如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、與其他系統(tǒng)（如安防、照明、空調(diào)、消防）共享開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而為用戶提供完善、綜合的配套服務(wù)。如果采集器掉電或出現(xiàn)其他嚴(yán)重故障則會(huì)使該采集器上所有數(shù)據(jù)丟失，集中抄表的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法有效分散，與測(cè)控系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的集中管理、分散控制的分布式設(shè)計(jì)死相違背。 分線制集中抄表模式單純從技術(shù)上講較成熟，也節(jié)約成本（多戶表共享一個(gè)采集器），但從實(shí)際情況看，分線制集中抄表模式存在如下缺點(diǎn)： ① 由于每次水表的計(jì)量信號(hào)是通過(guò)分戶線穿越較長(zhǎng)距離到達(dá)采集器，中途任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏都將使采集器采集不到數(shù)據(jù)，而且鋪設(shè)分戶線不僅使安裝任務(wù)繁重，也存在許多隱患：短線，斷線等。 智能網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳水表系統(tǒng) 就目前來(lái)講，智能網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳水表又可分為分線制集中抄表方式和總線制智能抄表方式。 5．當(dāng)然，使用智能 IC卡水表還有其他優(yōu)點(diǎn)，比如可以有效解決盡量扯皮、用水糾紛，貪污水費(fèi)、人情用水、用水統(tǒng)計(jì)困難等問(wèn)題。這些，將對(duì)供水交易提出較高的技術(shù)要求。特別是隨著人們家庭安全意識(shí)和隱私意識(shí)的增強(qiáng)，入戶抄表和上面收費(fèi)等隨意進(jìn)入私人住戶的做法將逐漸不受歡迎甚至受到抵制，這是一個(gè)必須給予重視的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。只要供水部門(mén)合理設(shè)置交費(fèi)機(jī)構(gòu)，基本上不會(huì)給用戶帶來(lái)麻煩。沿用傳統(tǒng)的上門(mén)抄表模式，將很難適應(yīng)這種變化。隨著水資源的緊張和水的商品屬性逐步被社會(huì)認(rèn)可，水的交易將會(huì)逐漸采用一般商品的交易模式，顯然，先交費(fèi)后用水，是更合理的一種交易模式。這對(duì)解決水費(fèi)托拖欠這個(gè)過(guò)去難以解決的問(wèn)題會(huì)有幫助。出于其數(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)抄表收費(fèi)到用戶自己去營(yíng)業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。 智能水表 隨著為電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成了處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、看門(mén)狗甚至 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片 —— 單片機(jī)出現(xiàn)了。同時(shí)，一臺(tái)普通傳統(tǒng)水表具有相對(duì)獨(dú)立性，不能與其他水表設(shè)備進(jìn)行通信，而只能用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不能處理、存儲(chǔ)、顯示，局限性很大。它一般具有輸入信號(hào)接口、內(nèi)部處理電路和實(shí)時(shí)顯示三部分。 它對(duì)改善人類生活、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步起到了無(wú)法估量的作用。 3 我國(guó)目前智能水表新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)基本上是借鑒國(guó)外先進(jìn)模式，因?yàn)閲?guó)外在此方面的研究設(shè)計(jì)起步較早。 水表系統(tǒng)的智能化可以大大提高供水管理部門(mén)的工作效率、節(jié)約費(fèi)用，用以改善供水設(shè)施，提高居民飲水質(zhì)量；同事還能為加強(qiáng)自來(lái)水使用的監(jiān)督管理提供手段，從而在技術(shù)上為節(jié)約用水合理用水創(chuàng)造條件。因此研制一種低功耗、計(jì)量精確方便的智能水表顯得極為重要。水是寶貴的環(huán)境資源，也是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 1 目 錄 摘 要 ...................................................... 1 1. 緒論 ..........................................................1 課題背景及意義 .............................................1 傳統(tǒng)水表 ..................................................2 傳統(tǒng)水表的主要結(jié)構(gòu) ..................................2 傳統(tǒng)水表的主要特點(diǎn) ..................................2 智能水表 ..................................................3 智能水表的特點(diǎn) ......................................4 國(guó)內(nèi)外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ..................4 2. 智能水表的硬件組成 ............................................5 智能水表系統(tǒng)硬件組成 ......................................5 IC 卡讀寫(xiě)電路 .............................................6 Mifare 1 射頻 IC 卡 ..................................6 RC522 讀寫(xiě)模塊 ......................................7 IC 卡讀寫(xiě)電路的原理及說(shuō)明 ...........................8 液晶顯示電路 .............................................10 電源模塊 .................................................10 3 . 系統(tǒng)各軟件電路設(shè)計(jì) ...........................................10 IC 卡讀寫(xiě)設(shè)計(jì) ............................................10 液晶顯示電路軟件設(shè)計(jì) .....................................12 4. 結(jié)論 .........................................................12 參考文獻(xiàn) ........................................................12 致 謝 ...................................................... 14 附錄： ..................................................... 15 Abstract ................................................... 15 2 IC 卡智能水表設(shè)計(jì) 王健 摘 要 本論文主要設(shè)計(jì)研究基于單片機(jī)的 IC 卡智能水表電路，其主要功能是以 AT89C51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn) IC卡的讀寫(xiě)， 液晶顯示的控制，電磁閥的控制，完成整個(gè)水表信號(hào)的讀、寫(xiě)處理。但是，我國(guó)是世界上人均水資源擁有量是分貧乏的 國(guó)家之一，節(jié)約和保護(hù)水資源是我國(guó)當(dāng)前一項(xiàng)是十分重要的戰(zhàn)略措施。 長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)居民所使用的水表普遍是普通機(jī)械旋翼濕式水表，這種水表價(jià)格低廉，性能比較穩(wěn)定，但是還采用人工抄表、按戶收費(fèi)的模式。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表機(jī)構(gòu)的根本性變革，以微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，組成新一代“智能化儀表”，智能化儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。例如 ABB公司的 KENT水表采用充電電池，具有按鍵讀數(shù)、可以顯示日期時(shí)間及各戶用水量，建有機(jī)械式與電子式讀數(shù)功能，而且還配有 IBMPC兼容機(jī)接口，可以進(jìn)行電話通信；德國(guó)Sameco 公司的新型水表可顯示上一年與本年度用水量以及日期與時(shí)間等，并開(kāi)發(fā)電卡式水表 ；此外，日本、以色列等國(guó)也相繼推出自己的新產(chǎn)品。直到現(xiàn)在很多領(lǐng)域還能繼續(xù)發(fā)揮作用。對(duì)于一些儀表功能如自凋零、自校準(zhǔn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)量程等的設(shè)置是由用戶在儀表設(shè)備面板上手工完成。另外，傳統(tǒng)水表無(wú)法升級(jí)換代，而且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)投 入大。 智能水表是一種以單片機(jī)為主體，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)，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(duì)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。 IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計(jì)算準(zhǔn) 確，可以利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn) [2] 。供水部門(mén)推行 IC卡水表的經(jīng)驗(yàn)表明，人們普遍接受這一模式，供水部門(mén)不僅解決了拖欠交費(fèi)的老大難問(wèn)題，還可以提前收到資金。 2．改變了入戶抄表收費(fèi)的模式。而現(xiàn)在由于各種原因的影響，人工入戶抄表的效率 已經(jīng)在逐漸下降并且是這種模式的成本不斷增加。如果得到金融系統(tǒng)的配合，還可以減少布點(diǎn)的成本。而使用智能 IC卡進(jìn)行交 易結(jié)算，將可以有效解決這個(gè)會(huì)帶來(lái)很多社會(huì)隱患的問(wèn)題。采用普遍水表和人工抄表的模式，是難以解決這些技術(shù)問(wèn)題的，而采用智能 IC 卡水表，將很容易解決這些問(wèn)題。 6．與遠(yuǎn)傳 抄表系統(tǒng)相比，智能 IC卡水表具有使用和維護(hù)成本很低，沒(méi)有布線造成的混亂和高故障率等問(wèn)題。 （ 1）分線制集中抄表方式 各種分線制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定時(shí)順序采集來(lái)自多路分戶線的水表信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)。錯(cuò)綜復(fù)雜的線路更使得維護(hù)工作困難重重。 6 （ 2）總線制智能抄表方式 總線制智能水表由于采集、計(jì)數(shù)工作單元均安裝在智能水表內(nèi)并密封，水表的數(shù)據(jù)采集、處理、存貯等基礎(chǔ)工作全由智能水表本身完場(chǎng)，手抄器或電腦不參與底層數(shù)據(jù)采集僅進(jìn)行通訊聯(lián)系，消除了外界因素對(duì)計(jì)量的影響。 智能 IC卡式水表系統(tǒng) 智能卡水表是在當(dāng)今智能卡技術(shù)與市場(chǎng)迅猛發(fā)展、單個(gè)智能卡及刷 卡機(jī)性能價(jià)格比日益提高的特定時(shí)期應(yīng)運(yùn)而生的。 根據(jù)我國(guó)金卡工程的長(zhǎng)遠(yuǎn) 發(fā)展建設(shè)來(lái)看，單純地將普通機(jī)械式水表轉(zhuǎn)化成機(jī)械式 +電子式固然已邁出了重要的一步，但是還不夠完善，因?yàn)樗淼挠?jì)量預(yù)收費(fèi)及管理自動(dòng)化將是大勢(shì)所趨。 系統(tǒng)硬件電路由 IC卡讀寫(xiě)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(hù)電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以 AT89C51 為核心控制芯片，完成整個(gè)水表信號(hào)的讀、寫(xiě)處理，監(jiān)控水表工作的功能。 圖 21 硬件總體框圖 IC 卡讀寫(xiě)電路 Mifare 1 射頻 IC卡 Mifare 1 射頻 IC卡的核心是 Philips公司制造的 Mifare 1 IC S50 系列微晶片，其內(nèi)部包括1KB高速 EEPROM、數(shù)字控制模塊和一個(gè)高效率射頻天線模塊。 （ 1） 1KB的 EEPROM，分為 16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分為 4塊，每塊 16B，以塊為存取單位。 （ 5）無(wú)電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通信邏輯電路。 （ 9）讀寫(xiě)距離最大可達(dá) 10cm（取決于天線設(shè)計(jì)）。是 NXP 公司針對(duì)“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀 寫(xiě)卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇。通信協(xié)議； RC522的接口引腳和讀寫(xiě)器模塊的電源端，接地端，具體的功能定義如下： （ 1） OSCIN ：晶振輸入 （ 2） IRQ ：輸出，用來(lái)指示一個(gè)中 斷事件。 RC522讀寫(xiě)器對(duì)射頻卡 10 進(jìn)行讀寫(xiě)后通過(guò)串口電平轉(zhuǎn)換電路將 RS－ 232電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所識(shí)別的 TTL電平，或者使用 USB轉(zhuǎn)接線通信，從而達(dá)到了使用 AT89C51單片機(jī)來(lái)控制射頻卡的讀寫(xiě)過(guò)程。它由若干個(gè) 5x7或者 5x11等點(diǎn)陣個(gè)點(diǎn)距的間隔，起到字符間和行間距的作用。 3. 系統(tǒng)各模塊軟件電路設(shè)計(jì) IC 卡讀寫(xiě)軟件設(shè)計(jì) M1卡交換數(shù)據(jù)的過(guò)程： 1）由讀寫(xiě)器 MCU（微控制器）發(fā)送指令給 MCM， 2） MCM執(zhí)行指令并將其轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)送給卡； 3）卡接收到來(lái)自 MCM的指令后，按指令完成其內(nèi)部的各種處理，并回送應(yīng)答信號(hào) /數(shù)據(jù)給 MCM； 12 4） MCM接收卡回送的射頻信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給 MCU，讀寫(xiě)器 MCU讀 取 MCM接收到的應(yīng)答 /數(shù)據(jù)，即可完成與 M1 卡的數(shù)據(jù)交換。 清除顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 將 DDRAM填滿 20H,并且設(shè)定 DDRAM 的地址計(jì)數(shù)器 (AC)到 00H 功能設(shè)定 0 0 0 0 1 DL X RE X X DL=0/1： 4/8 位數(shù)據(jù) RE=1: 擴(kuò)充指令操作 RE=0: 基本指令操作 讀取忙標(biāo)志和地址 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 讀取忙標(biāo)志 (BF)可以確認(rèn)內(nèi)部動(dòng)作是否完成 ,同時(shí)可以讀出地址計(jì)數(shù)器 (AC)的值 寫(xiě)數(shù)據(jù) RAM 1 0 數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù) D7—— D0 寫(xiě)入到 內(nèi)部的 RAM (DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM) 讀 RAM的值 1 1 數(shù)據(jù) 從內(nèi)部 RAM讀取數(shù)據(jù) D7—— D0(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM) 表 31 LCD1602 部分 指令集 1602液晶顯示模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（ CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了 160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符