【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。即水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，脈沖檢測(cè)信號(hào)W_IN存在一個(gè)由高到低的跳變。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)。因此，水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，外部中斷產(chǎn)生一次中斷[5]。 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)。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(lái)控制閥門的開/關(guān)的，即要讓閥門一直關(guān)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(duì)現(xiàn)有電平開關(guān)式電磁閥進(jìn)行改進(jìn)，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開/關(guān)控制由電脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。使得對(duì)閥門開/關(guān)只需瞬時(shí)供電，從而減少耗電量。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。正常供水情況下，電磁閥自鎖于常開狀態(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)，才由固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥關(guān)閉開關(guān)，并自鎖于常閉狀態(tài)，重新購(gòu)水插卡后，再次送電開啟。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。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)。[7]。 控制閥的關(guān)斷情況值得注意的是，由于繼電器和脈沖開關(guān)電磁閥都是較大容量的感性負(fù)載，因而在切斷這些感性負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變?cè)肼暩蓴_，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(qiáng)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(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)：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。此時(shí)，電阻R10上就存在一個(gè)高電平使NPN管Q1導(dǎo)通。繼電器即得電產(chǎn)生動(dòng)作。D1為續(xù)流保護(hù)的作用。 光電耦合器隔離電路，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]。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。 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(jí)的漏電流流過(guò)壓敏電阻，相當(dāng)于開路狀態(tài)。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。當(dāng)浪涌過(guò)電壓過(guò)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)?？梢岳脡好綦娮璧纳鲜鎏匦詠?lái)吸收各種干擾過(guò)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(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。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，電磁閥開關(guān)所產(chǎn)生的浪涌過(guò)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(guān)所造成的電磁干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的影響。 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到智能水表在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)失電的情況。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)。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。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。為了完成此功能，必須在單片機(jī)外部加一個(gè)E2PROM，完成這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中加入了I2C總線的E2PROM。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。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)器還是鍵盤接口。采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)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(duì)獨(dú)立的模塊，通過(guò)軟件尋址實(shí)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(guó)ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM，它是內(nèi)含1288位存儲(chǔ)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(diǎn)[2] [9]。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。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。：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(xì)介紹?！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。 基于AT24C0X系列的IC卡AT24C0X系列IC卡是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的存儲(chǔ)式IC卡。產(chǎn)品型號(hào)有AT24C01/02/04/08/16/32/64，存儲(chǔ)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)。C1：VCC，工作電壓；C3：SCL（CLK），串行時(shí)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(dòng)開關(guān)的兩觸點(diǎn)。此微動(dòng)開關(guān)在無(wú)IC卡狀態(tài)時(shí)，處于斷開狀態(tài)；有卡插入時(shí)，IC卡卡座上的微動(dòng)開關(guān)動(dòng)合，因此，此開關(guān)往往是用來(lái)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(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(wàn)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)。圖中ICCARD為標(biāo)準(zhǔn)IC卡座，其T、P端用作到位檢測(cè)開關(guān),()。由于引腳T，P為微動(dòng)開關(guān)的兩觸點(diǎn)，所以，當(dāng)有IC卡插入時(shí)，微動(dòng)開關(guān)閉合，，做好讀卡準(zhǔn)備，無(wú)卡時(shí)。、(SDA)和時(shí)鐘線(SCL)，用軟件模擬時(shí)序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的讀寫。當(dāng)有IC卡插入時(shí)，，做好讀卡準(zhǔn)備，無(wú)卡時(shí)。R1RR21為限流電阻[2] [10]。 IC卡接口電路 人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì)人機(jī)互交接口包括了報(bào)警電路與顯示電路的設(shè)計(jì)。下面具體給出了在本設(shè)計(jì)中采用的報(bào)警電路和顯示電路，并分析了它們的工作原理。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。 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警電路。當(dāng)剩余水量不足、電池欠壓等情況下，都需要報(bào)警。本報(bào)警電路很簡(jiǎn)單，我們采用1個(gè)NPN型三級(jí)管，1個(gè)蜂鳴器和1個(gè)電阻組成。，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]。 報(bào)警電路 顯示電路的設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)開關(guān)按鈕提供信號(hào)。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。如顯示10s后，按鈕沒有動(dòng)作，亦使它們停止工作，從而達(dá)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(dòng)態(tài)方式。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。為了在人機(jī)對(duì)話設(shè)計(jì)中降低硬件成本，節(jié)約單片機(jī)的I/O口資源，我們采用將通過(guò)串行動(dòng)態(tài)掃描，即位碼和段碼交替發(fā)送的方式設(shè)計(jì)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(jī)AT89C2051，2片74HC164，6個(gè)LED數(shù)碼管，6個(gè)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(gè)輸出管腳具有+/20mA的驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于小型LED數(shù)碼管，還要串聯(lián)200～360Ω的限流電阻。本設(shè)計(jì)提出的動(dòng)態(tài)顯示電路采用2片74HC164，可以驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)，另一片U1作為位碼驅(qū)動(dòng)。2片74HC164采用級(jí)聯(lián)方式連接，只占用單片機(jī)AT89C2051的2個(gè)I/O端口。位碼驅(qū)動(dòng)U1的數(shù)據(jù)輸入端口、時(shí)鐘輸入端口分別連接AT89C2051的RXD和TXD端口。段碼驅(qū)動(dòng)U3的數(shù)據(jù)輸入端口、時(shí)鐘輸入端口分別連接位碼驅(qū)動(dòng)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(gè)字符時(shí)，首先從DMbufer中取出要顯示的數(shù)，通過(guò)譯碼表譯出這個(gè)字符的段碼值并將段碼值寫入U(xiǎn)3中。根據(jù)這個(gè)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(qū)動(dòng)U3為高電平有效、位碼驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘作用下，AT89C2051RXD端口送出這個(gè)字符的位碼值到段碼驅(qū)動(dòng)U3。當(dāng)AT89C2051送完一個(gè)字節(jié)的位碼值后，發(fā)送中斷標(biāo)志位TI置位。檢測(cè)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(qū)動(dòng)B，同時(shí)段碼驅(qū)動(dòng)U3的位碼值被送入位碼驅(qū)動(dòng)U1中，延時(shí)2ms，即可顯示這個(gè)字符了。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。再通過(guò)譯碼表取得第2個(gè)字符的段碼值送入U(xiǎn)3，重復(fù)上述過(guò)程即可。以上過(guò)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(fù)掃描LED數(shù)碼管，使之達(dá)到近似靜態(tài)的顯示效果[5][12][13]。 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。電源的質(zhì)量如何直接決定電路是否能正常工作。在本設(shè)計(jì)中，我們采用的是外接3節(jié)5號(hào)電池供電。為了保證系統(tǒng)的正常工作及其安全性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套可行的電池能量檢測(cè)方案和備用電源方案。下面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 電池能量的檢測(cè)如果想要做出合理的電源管理方案，就需要單片機(jī)能夠隨時(shí)檢測(cè)電路中電池的能量(具體表現(xiàn)是實(shí)際的電壓值)。但是在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)判別電池的能量，由于不用象手機(jī)那樣隨時(shí)顯示電池的容量，根據(jù)水表的特殊性，只要檢測(cè)到一個(gè)固定值，給用戶一個(gè)報(bào)警提示就可以了，這個(gè)電量值的選擇需要滿足一個(gè)量，即讓用戶再有三天的余量，加上關(guān)閥電量就可以了。低電壓檢測(cè)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)講是個(gè)十分重要的問(wèn)題，它在某種程度上起到了保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，避免數(shù)據(jù)出錯(cuò)的作用，智能水表的設(shè)計(jì)中同樣如此。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(guò)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。電壓檢測(cè)器可以選用合泰公司的HT70XX系列產(chǎn)品，此產(chǎn)品價(jià)位較低，而且規(guī)格十分齊全。在這里我們選