【文章內(nèi)容簡介】 感器輸出為正向脈沖時，NPN管導通，脈沖檢測信號W_IN輸出為高電平；當韋根傳感器輸出為負向脈沖時，NPN管截止，脈沖檢測信號W_IN輸出為低電平。即水表葉輪轉動一周，脈沖檢測信號W_IN存在一個由高到低的跳變。由于我們設定外部中斷（）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)。因此，水表葉輪轉動一周，外部中斷產(chǎn)生一次中斷[5]。 信號處理電路圖 電磁閥的選擇與設計 對于水表而言，閥門是被控對象，控制著進水的開/關狀態(tài)。目前可控制的閥門主要是電磁閥，但常規(guī)的電磁閥是靠電的通/斷來控制閥門的開/關的，即要讓閥門一直關著，就必須一直通電，因此耗電較大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必須對現(xiàn)有電平開關式電磁閥進行改進，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開/關控制由電脈沖來實現(xiàn)。使得對閥門開/關只需瞬時供電，從而減少耗電量。在這里我們選擇：執(zhí)行機構采用繼電器HRS2HSDC3V，驅動帶自鎖的脈沖電磁閥MP15A3V，兩者僅需+3V電源供電。正常供水情況下，電磁閥自鎖于常開狀態(tài)，驅動機構不消耗電能，只有當購買的噸位數(shù)用完時，才由固態(tài)繼電器驅動電磁閥關閉開關，并自鎖于常閉狀態(tài)，重新購水插卡后，再次送電開啟。當水量為零時，控制閥自動關閉，水路即被切斷，此時用戶須重新持卡購水。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閉狀態(tài)。[7]。 控制閥的關斷情況值得注意的是，由于繼電器和脈沖開關電磁閥都是較大容量的感性負載，因而在切斷這些感性負載時，會產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪聲干擾，成為系統(tǒng)中電磁干擾的主要原因，引外，繼電器通斷所造成的電火花和很強的電弧也產(chǎn)生了很大的電磁干擾。因此，在系統(tǒng)中必須設計相應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：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。此時，電阻R10上就存在一個高電平使NPN管Q1導通。繼電器即得電產(chǎn)生動作。D1為續(xù)流保護的作用。 光電耦合器隔離電路，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]。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。 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。 氧化鋅壓敏電阻的電氣性能。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)量級的漏電流流過壓敏電阻，相當于開路狀態(tài)。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憫獣r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。當浪涌過電壓過后，電路電壓恢復到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復到高阻狀態(tài)?？梢岳脡好綦娮璧纳鲜鎏匦詠砦崭鞣N干擾過電壓。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。在本設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，電磁閥開關所產(chǎn)生的浪涌過電壓就被壓敏電阻所吸收了。壓敏電阻的使用大大降低了電磁閥開關所造成的電磁干擾對單片機系統(tǒng)的影響。 片外數(shù)據(jù)存儲器的設計在系統(tǒng)的設計過程中，考慮到智能水表在使用過程中可能出現(xiàn)失電的情況。當這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)應該保存失電前的一些數(shù)據(jù)。比如，存儲用戶設定的水量系數(shù)N（轉/噸），累計用水總量和剩余水量等。而這些數(shù)據(jù)如果存儲在單片機的數(shù)據(jù)存儲器中，單片機失電重啟動后存儲的相關數(shù)據(jù)已經(jīng)消失了。為了完成此功能，必須在單片機外部加一個E2PROM，完成這些數(shù)據(jù)的存儲。本設計系統(tǒng)中加入了I2C總線的E2PROM。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。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驅動器還是鍵盤接口。采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接 。其協(xié)議定義的I2C總線數(shù)據(jù)格式如下：開始7/10器件地址R/ACKSUBADDACKDATAACK……停止AT24C01是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM，它是內(nèi)含1288位存儲空間，具有工作電壓寬（～）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點[2] [9]。在系統(tǒng)中，用AT24C01存儲用戶的設定水量轉數(shù)N、水表檢測脈沖數(shù)M、累計用水總量和剩余水量等。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。：電阻R2R25為上拉電阻。由于我們只用一片E2PROM，所以A2=A1=A0=0。它的工作原理我們將在第四章詳細介紹?！T24C01與單片機接口電路 IC卡及其接口電路的設計下面簡要介紹AT24C0X系列的IC卡的基本特性與引腳功能，并分析AT24C0X與AT89C205l單片機的在本設計中的具體接法。 基于AT24C0X系列的IC卡AT24C0X系列IC卡是美國ATMEL公司生產(chǎn)的存儲式IC卡。產(chǎn)品型號有AT24C01/02/04/08/16/32/64，存儲容量分別為1kbits/2 kbits /4 kbits /8 kbits /16 kbits /32 kbits /64 kbits；～5V低電壓供電；雙線串行接口；雙向數(shù)據(jù)傳送；支持ISO/IEC78163同步協(xié)議；寫/擦除次數(shù)＞1 000 000次；數(shù)據(jù)保存期＞100年。它是目前國內(nèi)使用最多的IC卡之一。AT24C0X系列IC卡的引出端符合ISO/IEC78162標準。C1：VCC，工作電壓；C3：SCL（CLK），串行時鐘；C5：GND；C7：SDA（I/O），串行數(shù)據(jù)（輸入/輸出）；C2，C6：NC，未接。，其中引腳T，P為微動開關的兩觸點。此微動開關在無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動合，因此，此開關往往是用來判斷是否插IC卡的傳感器件[2]。 IC卡示意圖 IC卡的接口電路的設計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)部定時器自動完成，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單等特點。圖中ICCARD為標準IC卡座，其T、P端用作到位檢測開關,()。由于引腳T，P為微動開關的兩觸點，所以，當有IC卡插入時，微動開關閉合，，做好讀卡準備，無卡時。、(SDA)和時鐘線(SCL)，用軟件模擬時序的方法來實現(xiàn)對IC卡的讀寫。當有IC卡插入時，，做好讀卡準備，無卡時。R1RR21為限流電阻[2] [10]。 IC卡接口電路 人機交互接口的設計人機互交接口包括了報警電路與顯示電路的設計。下面具體給出了在本設計中采用的報警電路和顯示電路，并分析了它們的工作原理。另外，還對顯示電路在本系統(tǒng)中應用的顯示原理進行了詳細的分析。 報警電路的設計根據(jù)系統(tǒng)需要，我們設計了一個報警電路。當剩余水量不足、電池欠壓等情況下，都需要報警。本報警電路很簡單，我們采用1個NPN型三級管，1個蜂鳴器和1個電阻組成。，NPN型三級管Q4導通，蜂鳴器馬上得電發(fā)聲，產(chǎn)生報警[11]。 報警電路 顯示電路的設計顯示電路作為水表的輸出接口，顯示剩余水量、用水總量等信息。它們的有效工作時間都比較短。用戶看完后，沒有必要讓它一直顯示；為此，可水表上裝一個開關按鈕提供信號。即按一下按鈕時，水表開始顯示剩余水量；再次按下按鈕時，水表顯示用水總量；再次按下按鈕時，水表顯示關閉。如顯示10s后，按鈕沒有動作，亦使它們停止工作，從而達到節(jié)電的目的。在小型的控制系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼管作為顯示器件。LED數(shù)碼管的顯示方式通?？煞譃?種：靜態(tài)方式和動態(tài)方式。靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點是亮度高、沒有閃動、穩(wěn)定，缺點是功耗大、占PCB面積大、成本高。為了在人機對話設計中降低硬件成本，節(jié)約單片機的I/O口資源，我們采用將通過串行動態(tài)掃描，即位碼和段碼交替發(fā)送的方式設計了一種新穎的顯示模塊，經(jīng)調(diào)試，效果良好。 串口顯示電路圖。它由單片機AT89C2051，2片74HC164，6個LED數(shù)碼管，6個220歐姆左右的限流電阻組成。74HC164是8位串入并出移位寄存器。它的每一個輸出管腳具有+/20mA的驅動能力。對于小型LED數(shù)碼管，還要串聯(lián)200～360Ω的限流電阻。本設計提出的動態(tài)顯示電路采用2片74HC164，可以驅動1～8只共陰極數(shù)碼管，這里我們采用6位顯示。其中一片U3作為段碼驅動，另一片U1作為位碼驅動。2片74HC164采用級聯(lián)方式連接，只占用單片機AT89C2051的2個I/O端口。位碼驅動U1的數(shù)據(jù)輸入端口、時鐘輸入端口分別連接AT89C2051的RXD和TXD端口。段碼驅動U3的數(shù)據(jù)輸入端口、時鐘輸入端口分別連接位碼驅動U1的Q7和AT89C2051的TXD端口。選擇AT89C2051的串行口方式為0方式，即移位寄存器方式。如果要求在6位LED數(shù)碼管的最低位顯示一個字符時，首先從DMbufer中取出要顯示的數(shù)，通過譯碼表譯出這個字符的段碼值并將段碼值寫入U3中。根據(jù)這個字符在LED、顯示器的位置(這里為最低位)。確定它的位碼值是FEH(1111 1110)將位碼值寫入WMbuffer中(注意：段碼驅動U3為高電平有效、位碼驅動U1為低電平有效)。在顯示程序中，首先將位碼值寫入串行數(shù)據(jù)寄存器(SBUF)。在AT89C2051TXD端口的時鐘作用下，AT89C2051RXD端口送出這個字符的位碼值到段碼驅動U3。當AT89C2051送完一個字節(jié)的位碼值后，發(fā)送中斷標志位TI置位。檢測到TI=1后，清零TI，接著將段碼寫入SBUF，AT89C2051再送段碼值到段碼驅動B，同時段碼驅動U3的位碼值被送入位碼驅動U1中，延時2ms，即可顯示這個字符了。如果要求在低二位顯示第2個字符，則WMbufer(1111 1110)不帶進位位左移一位(1111 1101)并送WMbufer。再通過譯碼表取得第2個字符的段碼值送入U3，重復上述過程即可。以上過程循環(huán)N次，即可完成1～6位字符的顯示工作。在主程序中循環(huán)調(diào)用顯示程序，反復掃描LED數(shù)碼管，使之達到近似靜態(tài)的顯示效果[5][12][13]。 電源的設計 電源是電路部分的動力源，象是飛機的發(fā)動機，人的心臟。電源的質量如何直接決定電路是否能正常工作。在本設計中，我們采用的是外接3節(jié)5號電池供電。為了保證系統(tǒng)的正常工作及其安全性，我們設計了一套可行的電池能量檢測方案和備用電源方案。下面進行了詳細的介紹。 電池能量的檢測如果想要做出合理的電源管理方案，就需要單片機能夠隨時檢測電路中電池的能量(具體表現(xiàn)是實際的電壓值)。但是在本設計中，單片機判別電池的能量，由于不用象手機那樣隨時顯示電池的容量，根據(jù)水表的特殊性，只要檢測到一個固定值，給用戶一個報警提示就可以了，這個電量值的選擇需要滿足一個量，即讓用戶再有三天的余量，加上關閥電量就可以了。低電壓檢測對單片機系統(tǒng)來講是個十分重要的問題，它在某種程度上起到了保障系統(tǒng)可靠運行，避免數(shù)據(jù)出錯的作用，智能水表的設計中同樣如此。具體地講，應該在系統(tǒng)掉電到一個門限電壓（該門限電壓應高于CPU的最低運行電壓）時，通過相應的電壓檢測電路把信號傳遞給CPU，CPU及時對系統(tǒng)進行軟件復位。電壓檢測器可以選用合泰公司的HT70XX系列產(chǎn)品，此產(chǎn)品價位較低，而且規(guī)格十分齊全。在這里我們選