【導讀】收費問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代科學技術(shù)手段改變自來水管理體制的落后現(xiàn)狀，勢在必行。水創(chuàng)造了條件，由于這些特點，智能水表得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文對每個模塊逐一進行了研究，全面詳細地論述了硬件電路的設(shè)計流程，對。能進行了詳細了說明。

　　

【正文】 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。當韋根傳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；當韋根傳感器基于單片機的智能水表的設(shè)計 14 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(zhuǎn)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(shè)定外部中斷 0INT （ ）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(zhuǎn)動一周，外部中斷0INT 產(chǎn)生一次中斷 [5]。 基于單片機的智能水表的設(shè)計 15 第 3 章 智能水表的軟件設(shè)計 本文在進行智能水表的軟件設(shè)計時，結(jié)合智能水表具備的功能，首先考慮了以下幾個問題： (1)程序承擔的任務(wù)：任何一個程序的設(shè)計，都有其具體的應(yīng)用場合和明確的工藝要求，程序設(shè)計的首要任務(wù)就是確定程序承擔的任務(wù)； (2)程序的時序性：單片機是按時序運行的，所以程序設(shè)計要考慮到任務(wù)的執(zhí)行順序和時間要求； (3)程序的適應(yīng)性：所謂適應(yīng)性，就是要求設(shè)計出來的程序具有靈活性，主要考慮將來系統(tǒng)擴展時必要的修改，增加通用性； (4)程序的設(shè)計模式：程序的設(shè)計模式直接影響著程序的編制、糾錯及測試的難易度。 本文采用模塊化設(shè)計思想，將一個完整的程序分成若干個可以獨立完成某些任務(wù)的功能模塊，各模塊又分為若干子模塊，各子模塊之間相互獨立，又受主程序模塊的控制。使整個系統(tǒng)層次分明，邏輯清楚，便于程序的編制、調(diào)試、修改和查錯。利用模塊化技術(shù)，可以將錯誤局限在各個模塊內(nèi)部而不影響整體，提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護性。 在本 次設(shè)計過程中， CPU 平時處于低功耗模式，當有中斷發(fā)生時，喚醒 CPU 進行中斷處理，處理完成后又進入低功耗模式。當系統(tǒng)時鐘發(fā)生器基本功能建立后， CPU 內(nèi)狀態(tài)寄存器 SR 中的 SCG SCG OSC OFF 位是重要的低功耗控制位。這四個控制位可以由軟件配置成 6 種工作模式：其中 1 種活動模式和 5 種低功耗模式。通過設(shè)置控制位 AT89C2051可以從活動模式進入相應(yīng)的低功耗模式，只要任意中斷被響應(yīng)，上述中斷控制位就被壓入堆棧保存，中斷處理后，又可以恢復(fù)先前的工作方式。此外，在進行程序設(shè)計時，還應(yīng)注意以下問題 (1)用可計 算的分支代替標志位測試產(chǎn)生的分支； (2)用快速查表代替冗長的軟件計算； (3)在冗長的軟件計算中使用單周期的 CPU 寄存器； (4)避免頻繁的子程序和函數(shù)調(diào)用 [15]。 根據(jù)智能網(wǎng)絡(luò)水表所要實現(xiàn)的功能，軟件組成主要包括：主程序設(shè)計、中斷服務(wù)程序、各子程序等組成。 主程序的設(shè)計 主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，各種情況的判斷如電壓情況、按鍵是否按下、水量判斷等，在適當情況下還要進行顯示、關(guān)閉閥門等操作，平時處于睡眠狀態(tài)。當表內(nèi)剩余水量小基于單片機的智能水表的設(shè)計 16 于 5 m3 時， 閥門暫時關(guān)閉以代替 蜂鳴器發(fā)出提示報警，以提醒用戶剩余水量 不多，請速購水；當表內(nèi)剩余水量為 0 m3 時，切斷閥門，停止供水，直到新的水量被購來為止。從而達到用水必須預(yù)先交費的目的，省去了人工抄表收費環(huán)節(jié)。主程序的流程圖如圖 所示 [1618]. 初 始 化讀 取 E E P R O M中 信 息置 電 壓 低 標 志調(diào) 用 顯 示 程 序調(diào) 用 卡 處 理 程 序關(guān) 閉 閥 門進 入 睡 眠睡 眠 處 理報 警 提 示按 鍵 按 下 ？電 壓 過 低 ？有 卡 插 入 ？有 流 量 傳 感 信 號 ？剩 余 水 量 為 ０信 號 有 效 ？剩 余 水 量 不 足 ？扣 水 處 理Y E SN OY E SN OY E SN OY E SN OY E SN OY E SN OY E SN O置 拆 卸 標 志表 被 拆 卸 ？N OY E S上 電 復(fù) 位 圖 基于單片機的智能水表的設(shè)計 17 中斷服務(wù)程序設(shè)計 在軟件設(shè)計中，采用中斷方式是降低功耗的重要手段。由于平時智能水表處于低功耗模式，當水表進行采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)通信等工作時，進入中斷程序進行處理。當中斷處理完成后，重新進入到低功耗模式。在本次設(shè)計中，中斷服務(wù)程序包括水表計 量中斷、干擾中斷、欠壓中斷、拆除中斷、通信中斷等。中斷服務(wù)程序的流程圖如圖 所示。 圖 中斷程序流程圖 外部中斷 0服務(wù)程序 外部中斷 0 子程序也即水表脈沖計量程序，它 主 要是對用戶水量進行處理。當用戶在進基于單片機的智能水表的設(shè)計 18 行用水操作時，由流量傳感器產(chǎn)生的脈沖信號使 0INT 進入中斷響應(yīng)程序。 根據(jù)機械水表的測量原理，水的流量與水表齒輪的轉(zhuǎn)速可以近似成一定的線性關(guān)系。顯然，水表齒輪所轉(zhuǎn)的圈數(shù)與傳感器產(chǎn)生的脈沖信號是一一對應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)這一原理，我們可確定流量的計 算公式 : Q K N?? ???????????? () 在式 ()中， Q 為流量，單位為 m3； K 為基表系數(shù)，單位為 m3／ r； N 為轉(zhuǎn)數(shù)，單位為r。在這里，由于 K（基表系數(shù)）是一個常數(shù)。因此， Q 與 N 是一一對應(yīng)關(guān)系。我們采用了6 位數(shù)據(jù)顯示，其中只含有一位小數(shù)。當 Q 為 ，由于 K 已知， N 即可以求出。在本系統(tǒng)編程中，我們設(shè)定 M 為測得脈沖數(shù)， N 為 Q 為 時對應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)值，“剩余水量 1,用水總量 +1”中的“ 1”表示 [3]。其具體流程圖如圖 所示。 0IN T 保 護 內(nèi) 容 進 棧M = M + 1M = N ？剩 余 水 量 1用 水 總 量 + 1剩 余 水 量 為 0 ？剩 余 水 量 小 于 5 噸 ？關(guān) 閉 閥 門 顯 示 警 告保 護 內(nèi) 容 出 棧中 斷 返 回關(guān) 閉 閥 門 停 止 供 水N OＮ ＯＮ ＯＮ ＯY E SY E SY E S 圖 外部中斷 0INT 服務(wù)程序 基于單片機的智能水表的設(shè)計 19 在上述程序設(shè)計中，當剩余水量小于 5 噸時，閥門亦將關(guān)閉，而不是進行報警提示， 當再次刷卡時閥門再次打開， 其目的在于避免 采用 報警信號 方式當報警 發(fā)出時用戶不在家接收不到報警信號而報警器處于工作當中，以關(guān)閉閥門來進行報警提示代替純報警信號將更有效地達到預(yù)警效果，不但避免了突然斷水對用戶帶來的不便， 而且降低了水表功耗，此外還 提高了供水部門的管理效率。 此處中，當插入 IC 卡時， 水表液晶顯示中將顯示用水余額等信息，提示用戶盡快購水。 外部中斷 1服務(wù)程序 以下四種情況均可以使 1INT 產(chǎn)生中斷： (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。當產(chǎn)生中斷后，中斷程序馬上依次檢測 口、 口、 口、 口（原理圖見總電路圖中檢測模塊），以確認是哪種情況產(chǎn)生的中斷后作出相應(yīng)處理。其具體流程圖如圖 所示。 圖 1INT 子程序 I N T 1中 斷 返 回卡 處 理 程 序報 警 ， 置開 蓋 記 錄保 護 內(nèi) 容 出棧 ， 開 中 斷關(guān) 閥 門保 護 必 要 的 數(shù)據(jù) 存 入 E E P R O M保 護 內(nèi) 容 進 棧表 蓋 被 拆 卸 嗎 ？有 卡 插 入 嗎 ？電 池 欠 壓 嗎 ？Y E SN OY E SN ON OY E S表 蓋 被 打 開 嗎 ？N O調(diào) 用 顯 示基于單片機的智能水表的設(shè)計 20 IC 卡的讀寫軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程應(yīng)為確認有卡插入后，延時，待 IC 卡供電電路穩(wěn)定，讀 IC 卡標志位，并與系統(tǒng)中保存的標志比較，確認后，讀數(shù)據(jù)區(qū)。為提高可靠性， IC 卡中的數(shù)據(jù)在兩個不連續(xù)區(qū)作備份，第二組數(shù)據(jù)作校驗。為防止有損壞的字節(jié)和其它因素影響數(shù)據(jù)不可靠，建議將每次寫入的數(shù)據(jù)再讀出比較，判斷寫入的數(shù)據(jù)是否正確，從而達到保證對 IC 書寫操作的無誤。下面詳細地介紹了它的工作原理。 SDA和 SCL信號 SDA 和 SCL 雙向總線采用 I2Cbus(interintergrad circuit bus)匯流總線技術(shù)，所有的控制命令和數(shù)據(jù)傳輸均由這兩條雙向總線執(zhí)行，采用 SDA 和 SCL，兩條總線就可實現(xiàn)對 E2PROM進行讀寫，并且在讀寫過程中其信息傳遞的波特率可以從 0 到 100kbps，其數(shù)據(jù)傳輸及時鐘脈沖時序圖如圖 所示。 S D AS C LA C K起 始 條 件停 止 條 件 圖 數(shù)據(jù)傳輸及時鐘時序圖 IC 卡的讀寫其實也就是對 IC 卡片內(nèi) E2PROM 進行讀寫。所以在 AT24C01 系列 IC 卡的應(yīng)用中，與邏輯控制有關(guān)的引出端線只有 2 條： SCL 和 SDA。所有的地址、數(shù)據(jù)及讀 /寫控制命令等信號均從 SDA 端輸入 /輸出。為了區(qū)分 SDA 線上的數(shù)據(jù)、地址、操作命令以及各種狀態(tài)的“開始”與“結(jié)束”，卡片內(nèi)設(shè)計了多個邏輯控制單元。其中，啟動與停止邏輯單元產(chǎn)生控制讀 /寫操作的“開始”和“停止”標志信號。 “開始”狀態(tài)：當 SCL 處于高電平時， SDA 從高電平轉(zhuǎn)向低電平，即產(chǎn)生“開始”標志信號； “停止”狀態(tài)：當 SCL 處于高電平時， SDA 從低電平轉(zhuǎn)向高電平，即產(chǎn)生“停止”標志信號，如圖 所示。 開 始停 止S D AS C L 圖 /寫的啟動與停時序 SDA 和 SCL 通常各自通過一個電阻拉到高電平。當 SCL 為高電平時，對應(yīng)的 SDA 上基于單片機的智能水表的設(shè)計 21 的數(shù)據(jù)有效；而當 SCL 為低電平時，允許 SDA 上的數(shù)據(jù)變化。 數(shù)據(jù)輸入 /輸出應(yīng)該應(yīng)答邏輯單元產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸入 /輸出操作應(yīng)答信號。操作時所有的地址和數(shù)據(jù)均為 8 位碼串行輸入 /輸出于卡片?？ㄆ渴盏揭粋€ 8 位碼長的地址碼或數(shù)據(jù)字后，都以置 SDA 線為低電平方式“確認”應(yīng)答信號。其波形如圖 所示。 確 認S D AS D A數(shù) 據(jù) 輸 出（ 從 發(fā) 送 器 ）數(shù) 據(jù) 輸 出（ 從 接 收 器 ）S C L 圖 IC卡的寫操作 在器件地址碼之 后，緊跟著的是字節(jié)地址碼。地址碼長度為 8 位。時序中的數(shù)據(jù)為寫字節(jié)時，由 IC 卡讀 /寫器中的單片機在 SDA 發(fā)送一個 8 位碼長的數(shù)據(jù)；卡片每收到一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，都要通過 SDA 回送一個“確認”信號（ ACK）。寫操作時序如圖 所示。 S D AMSB開始器 件地 址寫字 地 址數(shù) 據(jù)停止R/WLSBACKACKACK 圖 IC卡的讀操作 讀操作有 3 種：立即地址讀、隨機地址讀及順序地址讀； 立即地址讀：如果最后 1 次操作的地址在 n，則現(xiàn)行地址為 n+1。其時序如圖 中的第 2 部分； 開始器 件地 址寫 字 地 址MSBR/WACKACKACKR/WACK停止開始 圖 隨機地址讀：從選定的地址單元開始讀，時序如圖 所示。時序中器件地址和字地址概念同寫操作，不同的是， IC 卡讀 /寫器中的單片機在給出數(shù)據(jù)字地址碼之后，不發(fā)任何數(shù)基于單片機的智能水表的設(shè)計 22 據(jù)字，而是在卡片發(fā)出 “ 確認 ” 應(yīng)答之后，又發(fā)出一個 “ 開始 ” 狀態(tài)，進入 “ 立即地址讀 ”操作；單片機讀入 1 個數(shù)據(jù)后，使 SDA 處于高電平，隨后產(chǎn)生一個 “ 停止 ” 狀態(tài)，結(jié)束本次操作。 順序地址讀 ：可以從“立即地址讀”和“隨機地址讀”開始。當 IC 卡讀 /寫器中的單片機收到第 1 個數(shù)據(jù)字后，不發(fā)“停止”狀態(tài)，而是回答一個“確認” 信號。一旦卡片收到單片機發(fā)出的“確認”信號，則將卡片內(nèi)地址計數(shù)器的地址自動加 1，并將此地址單元中的數(shù)據(jù)從 SDA 線上串行輸出。只要單片機收到數(shù)據(jù)字后回答“確認”信號，順序讀操作就繼續(xù)進行，直到單片機送出“停止”信號為止。 在本設(shè)計的軟件編程中，我們采用了隨機地址讀和順序地址讀兩種操作方式。 IC卡芯片的控制字節(jié)和器件尋址 控制字節(jié)的的配置如表 與圖 所示。控制字節(jié)是跟隨在主器件發(fā)出的開始條件后面，器件首先接收到的字節(jié)?？刂谱止?jié)的前四位由 4 位控制碼組成，當控制碼為 1010 時，表示對 IC 卡的 和寫操作。 操作 控制碼 塊選擇 讀 / 寫（ R/W ） 讀 1010 快地址 1 寫 1010 塊地址 0 表 控制字節(jié)的配置 由于對 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]。 S t a r t從 地 址R / W A C K01 0 1 A 2 A 0A 1 圖 IC卡處理程序流程圖 IC 卡的處理程序由外部中斷 1INT 觸發(fā)產(chǎn)生的（如圖 所示）。該程序首先判斷是管理基于單片機的智能水表的設(shè)計