【正文】 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。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?！?2MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好。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。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。 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)。 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。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。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。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。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。(5) 利用電話線、同軸線可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)遠(yuǎn)傳。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。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。當(dāng)韋根傳感器輸出為正向脈沖時(shí)，NPN管導(dǎo)通，脈沖檢測(cè)信號(hào)W_IN輸出為高電平；當(dāng)韋根傳感器輸出為負(fù)向脈沖時(shí)，NPN管截止，脈沖檢測(cè)信號(hào)W_IN輸出為低電平。 信號(hào)處理電路圖 電磁閥的選擇與設(shè)計(jì) 對(duì)于水表而言，閥門是被控對(duì)象，控制著進(jìn)水的開/關(guān)狀態(tài)。在這里我們選擇：執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用繼電器HRS2HSDC3V，驅(qū)動(dòng)帶自鎖的脈沖電磁閥MP15A3V，兩者僅需+3V電源供電。[7]。繼電器即得電產(chǎn)生動(dòng)作。 壓敏電阻又分為碳化硅壓敏電阻、硅壓敏電阻、鍺壓敏電阻以及氧化鋅壓敏電阻，其中較為常用的是氧化鋅（ZnO）壓敏電阻。當(dāng)浪涌過電壓過后，電路電壓恢復(fù)到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)。壓敏電阻的使用大大降低了電磁閥開關(guān)所造成的電磁干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的影響。而這些數(shù)據(jù)如果存儲(chǔ)在單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，單片機(jī)失電重啟動(dòng)后存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)消失了。它通過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?！T24C01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AT89C205l單片機(jī)的在本設(shè)計(jì)中的具體接法。AT24C0X系列IC卡的引出端符合ISO/IEC78162標(biāo)準(zhǔn)。 IC卡示意圖 IC卡的接口電路的設(shè)計(jì)24系列為低功耗COMS E2PROM 器件，使用單+5v電源，～6V，內(nèi)有高壓泵電路，寫入、擦除操作由內(nèi)部定時(shí)器自動(dòng)完成，具有擦除/寫入周期10萬次壽命和數(shù)據(jù)安全保存100年的有效期，二線串行接口，和各類微處理器接口十分簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。當(dāng)有IC卡插入時(shí)，做好讀卡準(zhǔn)備，無卡時(shí)。另外，還對(duì)顯示電路在本系統(tǒng)中應(yīng)用的顯示原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。NPN型三級(jí)管Q4導(dǎo)通，蜂鳴器馬上得電發(fā)聲，產(chǎn)生報(bào)警[11]。即按一下按鈕時(shí)，水表開始顯示剩余水量；再次按下按鈕時(shí)，水表顯示用水總量；再次按下按鈕時(shí)，水表顯示關(guān)閉。靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點(diǎn)是亮度高、沒有閃動(dòng)、穩(wěn)定，缺點(diǎn)是功耗大、占PCB面積大、成本高。74HC164是8位串入并出移位寄存器。其中一片U3作為段碼驅(qū)動(dòng)，另一片U1作為位碼驅(qū)動(dòng)。選擇AT89C2051的串行口方式為0方式，即移位寄存器方式。在顯示程序中，首先將位碼值寫入串行數(shù)據(jù)寄存器(SBUF)。如果要求在低二位顯示第2個(gè)字符，則WMbufer(1111 1110)不帶進(jìn)位位左移一位(1111 1101)并送WMbufer。 電源的設(shè)計(jì) 電源是電路部分的動(dòng)力源，象是飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，人的心臟。下面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。具體地講，應(yīng)該在系統(tǒng)掉電到一個(gè)門限電壓（該門限電壓應(yīng)高于CPU的最低運(yùn)行電壓）時(shí)，通過相應(yīng)的電壓檢測(cè)電路把信號(hào)傳遞給CPU，CPU及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件復(fù)位。 超級(jí)電容的應(yīng)用 傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開啟和關(guān)斷時(shí)，普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池。更危險(xiǎn)的是，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機(jī)的，如果不精確和及時(shí)的監(jiān)測(cè)電池電量，將無法可靠地關(guān)斷水閥，造成無法計(jì)費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。超級(jí)電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件，性能介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性，并且重復(fù)使用壽命長(zhǎng)，放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，從而為設(shè)備提供電源， 超級(jí)電容以美國(guó)庫(kù)柏（Cooper）超級(jí)電容為例，與鋰離子電池進(jìn)行比較，有如下一些明顯特性：　　1. 超低串聯(lián)等效電阻（ESR），功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（）為水表控制電機(jī)閥或電磁閥的可靠開啟提供了保障?！　?. 溫度范圍寬40～+70℃，普通電池是20～60℃。 超級(jí)電容的應(yīng)用電路。當(dāng)電池電壓過低，或突然斷電時(shí)（如取下電池），由超級(jí)電容繼續(xù)為電路提供電源，同時(shí)，超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量足以關(guān)斷閥門。 這種方案克服了現(xiàn)階段智能水表的缺點(diǎn)，為智能水表的發(fā)展找到了一條新的途徑。 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì) 檢測(cè)模塊主要對(duì)以下四種情況進(jìn)行檢測(cè) (1) 水表被拆卸；(2) 電池欠壓或取出電池；(3) 有按鍵按下；(4) 有IC卡插入。例如，當(dāng)電池欠壓或取出電池時(shí)，HT7039輸出為低電平，U8輸出為高電平，那么U9輸出為低電平（），產(chǎn)生中斷。本章還給出了詳細(xì)的流程圖。從而達(dá)到用水必須預(yù)先交費(fèi)的目的，省去了人工抄表收費(fèi)環(huán)節(jié)。當(dāng)用戶在進(jìn)行用水操作時(shí)，由流量傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)使進(jìn)入中斷響應(yīng)程序。在這里，由于K（基表系數(shù)）是一個(gè)常數(shù)。在本系統(tǒng)編程中，我們?cè)O(shè)定M為測(cè)得脈沖數(shù)， m3時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)值，“剩余水量1,用水總量+1”中的“1” m3的水量[3]。具體程序見附錄B。下面詳細(xì)地介紹了它的工作原理。所有的地址、數(shù)據(jù)及讀/寫控制命令等信號(hào)均從SDA端輸入/輸出。圖 讀/寫的啟動(dòng)與停時(shí)序 SDA和SCL通常各自通過一個(gè)電阻拉到高電平?？ㄆ渴盏揭粋€(gè)8位碼長(zhǎng)的地址碼或數(shù)據(jù)字后，都以置SDA線為低電平方式“確認(rèn)”應(yīng)答信號(hào)。寫操作時(shí)序如圖49所示。順序地址讀 ：可以從“立即地址讀”和“隨機(jī)地址讀”開始。在本設(shè)計(jì)的軟件編程中，我們采用了隨機(jī)地址讀和順序地址讀兩種操作方式。 控制字節(jié)的配置操作控制碼塊選擇讀/寫（R/）讀1010快地址1寫1010塊地址0由于對(duì)IC卡而言，A2，A1，A0地址線均為0；因此，綜合上面所敘：寫地址為0A0H，讀地址為0A1H[2] [10]。在本設(shè)計(jì)中，我們是通過比較IC卡與片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器E2PROM兩者對(duì)應(yīng)的用戶名信息單元和密碼存儲(chǔ)單元的內(nèi)容是否相同來實(shí)現(xiàn)的。所以，在這里我們不在重復(fù)介紹E2PROM進(jìn)行讀寫工作原理。在本設(shè)計(jì)具體編程時(shí)，剩余水量存儲(chǔ)于3D3EH中；用水總量存儲(chǔ)于393BH中。這兩大問題是保證系統(tǒng)能長(zhǎng)久地可靠運(yùn)行并進(jìn)行全面推廣的關(guān)鍵所在，關(guān)系到供水部門和使用者的切身利益。經(jīng)常更換電池還為竊水提供了可能。由于這兩部分能耗從特征上來說是完全不同的類型，給選擇合適的電源增加了難度。我們知道，電控閥依靠電池執(zhí)行開/關(guān)閥動(dòng)作。不少使用干電池的IC卡，安上述方法試驗(yàn)三四次后，均能將閥門打開。正常供水情況下，電磁閥處于常開狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不消耗電能；只有當(dāng)購(gòu)買的噸位數(shù)用完時(shí)，電磁閥關(guān)閉并自鎖于常閉狀態(tài)。(2) 采用LED顯示作為顯示接口。(3) 一般情況下，讓芯片處于低功耗睡眠模式（SLEEP MODE）。低電壓不僅便于使用電池，也可以降低電流消耗。水表的可靠性是從水表的功能和性能來說的；水表的安全性主要是從水表的數(shù)據(jù)防盜（即竊水）、IC卡數(shù)據(jù)的防非法復(fù)制等角度來說的。采用這種方法后，可有效防止IC卡的非法復(fù)制與數(shù)據(jù)非法修改，保證IC卡的安全性。只有自來水公司管理人員用管理卡才能消除這種不良記錄。由于實(shí)驗(yàn)室沒有AT89C2051，在這里我們用AT89C51代替。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點(diǎn)。給板加電，檢測(cè)所有的插座或是器件的電源端是否符合要求的值。在本設(shè)計(jì)中，由于該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)，所以動(dòng)態(tài)調(diào)試采用了分模塊調(diào)試的辦法。 調(diào)試現(xiàn)象調(diào)試是一個(gè)很痛苦的過程，起初調(diào)試結(jié)果十分不理想。后來，在曹老師的指導(dǎo)下?？? 結(jié)基于單片機(jī)的IC卡智能水表控制系統(tǒng)，使用邏輯加密IC卡，實(shí)現(xiàn)了用水收費(fèi)的電子化。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是采用了低功耗的設(shè)計(jì)和采取了很多有效措施來增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。例如，在顯示方面，沒有采用液晶顯示，所以該系統(tǒng)不能顯示閥門狀態(tài)、電池狀態(tài)等圖形文字信息，不過采用LED顯示成本較低，適合大眾要求；在控制方面，沒有實(shí)現(xiàn)階梯水價(jià)功能，對(duì)用戶的用水收費(fèi)只能按照一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)收取；在安全性方面，未能編制出對(duì)IC卡信息進(jìn)行加密與解密的應(yīng)用程序。參考文獻(xiàn)[1] 吳志成,肇啟明,[J].中國(guó)給水排水，2003，(9)：1921[2] [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：119159[3] [J].，23(11)：3638[4] 張淑清,[J].，(1)：3435[5] [M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999[6] 馬修水. 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