【正文】 CSB、/CSA、E、R/W、D/I相連，在單片機(jī)程序執(zhí)行過(guò)程中，對(duì)它們作相應(yīng)的控制。 記憶單元電路。利用單片機(jī)AT89C2051與24C01進(jìn)行I2C通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一地址內(nèi)數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)校驗(yàn)操作。 電磁閥控制電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，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(kāi)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，另外，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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)所造成的電磁干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的影響。 電源的設(shè)計(jì)電源是電路部分的動(dòng)力源，像是飛機(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。1. 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，由于不用像手機(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(mén)限電壓（該門(mén)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。在這里我們選用芯片HT7039來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)供電電平Vcc，它對(duì)電壓變化十分敏感，芯片輸出高電平，芯片輸出馬上變?yōu)榈碗娖剑瑥亩梢匝杆俚呐袛嘞到y(tǒng)是否掉電。系統(tǒng)除了有靈敏的電源監(jiān)控之外，在正常工作時(shí)，鋰電池不參與供電，僅在掉電后提供閥工作的電源，以保證掉電后的一系列正常動(dòng)作[14]。2. 超級(jí)電容的應(yīng)用傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)，普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此，由于智能水表都沒(méi)有設(shè)計(jì)再充電電路，鋰電池使用到一定時(shí)間后，將無(wú)法為控制電路提供能量，不得不更換電池。上門(mén)為用戶更換電池或水表，這對(duì)于水表生產(chǎn)廠家和自來(lái)水公司來(lái)說(shuō)都是一件繁瑣的事情。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(wú)法可靠地關(guān)斷水閥，造成無(wú)法計(jì)費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內(nèi)部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點(diǎn)，直接影響到它的推廣和使用。針對(duì)這一問(wèn)題，水表生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態(tài)時(shí)控制漏電流在10μA以內(nèi)，保證電池可以連續(xù)使用5年以上，這對(duì)電路的設(shè)計(jì)和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設(shè)計(jì)難度和成品檢測(cè)的工序，如加上可靠的電池電量監(jiān)測(cè)電路，也會(huì)使成本增加。為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，已有不少?gòu)S家嘗試了一種全新的方案，那就是用超級(jí)電容（SuperCapacitor）代替鋰電池應(yīng)用于智能水表。超級(jí)電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無(wú)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(kāi)啟提供了保障。2. 超長(zhǎng)壽命，充放電大于50萬(wàn)次，是鋰離子電池的500倍，是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍，如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。3. 可以大電流充電，充放電時(shí)間短，對(duì)充電電路要求簡(jiǎn)單，無(wú)記憶效應(yīng)。4. 免維護(hù)，可密封。5. 溫度范圍寬40～+70℃，普通電池是20～60℃。6 與內(nèi)裝鋰電池的智能水表相比，這種方案是用超級(jí)電容替換鋰電池封裝在水表中，同時(shí)外接干電池供電。平時(shí)干電池提供水表電路所需能量和對(duì)超級(jí)電容的充電，在需要開(kāi)啟水閥時(shí)，由外接干電池提供能量將水閥開(kāi)啟；在需要關(guān)斷水閥時(shí)，如果外接電池不能提供能量將水閥關(guān)斷，那么超級(jí)電容將在此刻提供能量來(lái)關(guān)斷水閥。如同一個(gè)儲(chǔ)水箱，平時(shí)將水存儲(chǔ)起來(lái)，在停水時(shí)才起作用 超級(jí)電容的應(yīng)用電路。正常情況下，電池通過(guò)電阻R1二級(jí)管D1向負(fù)載和超級(jí)電容充電。電阻R14的作用是限制電流過(guò)大，因?yàn)槌?jí)電容內(nèi)阻很小，充電時(shí)電流較大可能造成電池?fù)p壞。二級(jí)管D1防止反向電流。當(dāng)電池電壓過(guò)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(mén)。這種方案明顯優(yōu)于以前的設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)如下：將電池從水表中分離出來(lái)，從而可以不考慮電池壽命對(duì)水表的影響，大大延長(zhǎng)了水表的使用時(shí)間；另一方面，超級(jí)電容的大電流放電特性保障了水閥關(guān)斷的可靠性，在外接干電池電量不足時(shí)，仍能利用存儲(chǔ)在超級(jí)電容上的能量將水閥關(guān)斷；以前一味追求的漏電流指標(biāo)，主要是為了保障電池的使用壽命，改用超級(jí)電容后，漏電流指標(biāo)變得不再重要。如果電池電量不足，用戶可以隨時(shí)更換。這樣，不僅使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，減少產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)工序，還使產(chǎn)品的成本降低[15]。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。目前國(guó)內(nèi)已有多家水表生產(chǎn)廠應(yīng)用該方案，實(shí)踐證明，它是切實(shí)可行的。所以本設(shè)計(jì)亦采用了這種方案。在本設(shè)計(jì)中，我們選用了深圳市索普康電子有限公司的超級(jí)電容，其型號(hào)為5R5H10 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。當(dāng)有以上四種情況之一時(shí)，外部中斷（）產(chǎn)生中斷。當(dāng)產(chǎn)生中斷后，(F_KEY)、(V_MONI)、(OPEN_D)、(SW_T)，以確認(rèn)是哪種情況產(chǎn)生的中斷后作出相應(yīng)處理。該電路由一個(gè)電壓檢測(cè)器HT703兩個(gè)與非門(mén)、一個(gè)或非門(mén)、一個(gè)常閉開(kāi)關(guān)和一個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)組成。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。其他情況同理可得[11] [14]。 檢測(cè)模塊電路 報(bào)警電路利用單片機(jī)輸出報(bào)警信號(hào)是很有用的。在控制系統(tǒng)中，當(dāng)用戶消費(fèi)的水量超出警戒值或設(shè)定值時(shí)，或者電池電壓不夠時(shí)，在這些情況下，發(fā)出聲音信號(hào)用于報(bào)警，提醒人們引起注意。 報(bào)警電路原理圖在智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)中，為了防止用戶拆卸水表，所以在電路中設(shè)計(jì)了防拆卸電路，在電路中加入一個(gè)按鍵，平時(shí)處于按下的狀態(tài)，當(dāng)水表被拆卸時(shí)，這個(gè)按鍵彈起，這時(shí)水表關(guān)閉閥門(mén)，這樣大大增加了水表的安全系數(shù)。 防拆電路復(fù)位的功能是保證單片機(jī)在任何情況下，都能夠正常工作。例如在單片機(jī)上電時(shí)，或是單片機(jī)的電源電壓偶然減少時(shí)，或是單片機(jī)受到電磁干擾使程序不能運(yùn)行時(shí)，或是人工需要單片機(jī)復(fù)位時(shí)。單片機(jī)復(fù)位源有：1．上電復(fù)位POR，從電源加到單片機(jī)上，并達(dá)到某值開(kāi)始，啟動(dòng)一個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘的上電計(jì)數(shù)器，使電源電壓達(dá)到某規(guī)定值。當(dāng)上電計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，使振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器OST定時(shí)，目的是等待石英晶體振蕩器輸出穩(wěn)定的時(shí)鐘，等到振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器溢出后，上電復(fù)位結(jié)束。2．欠壓復(fù)位BOR，當(dāng)電源電壓低于某規(guī)定值時(shí)，單片機(jī)復(fù)位，當(dāng)恢復(fù)到某規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)欠壓計(jì)數(shù)器，當(dāng)欠壓計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，欠壓復(fù)位結(jié)束。3．外部復(fù)位，外部復(fù)位是由單片機(jī)復(fù)位引腳的電平變化引起的單片機(jī)復(fù)位，其有效復(fù)位電平需要持續(xù)一定的時(shí)間，利用外部復(fù)位引腳可人工復(fù)位單片機(jī)。4．看門(mén)狗復(fù)位（WDT），看門(mén)狗復(fù)位用于監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行，一旦程序停止運(yùn)行，停止復(fù)位看門(mén)狗定時(shí)器，則看門(mén)狗定時(shí)器溢出，引起復(fù)位。AT89C2051的復(fù)位采取外部復(fù)位和看門(mén)狗復(fù)位。當(dāng)RST引腳為高電平、并持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期，引起單片機(jī)復(fù)位。開(kāi)關(guān)SM實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，RC復(fù)位電路提供上電復(fù)位，系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號(hào)。為了安全起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。C7可避免高頻諧波對(duì)電路的干擾。二極管D1作用有：將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+；系統(tǒng)斷電時(shí)，將電阻短路，讓C6快速放電，讓下一次來(lái)電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。 復(fù)位電路圖時(shí)間是智能水表計(jì)量系統(tǒng)檢控的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，當(dāng)表出現(xiàn)特殊情況時(shí)如：插卡，非法打開(kāi)表蓋，閥門(mén)關(guān)閉和開(kāi)啟等異常時(shí)刻時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片都能準(zhǔn)確無(wú)誤的記錄下來(lái)，方便日后的查詢；同時(shí)對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)多費(fèi)率的水表，有效監(jiān)控水源的使用情況具有重要意義。在測(cè)量控制系統(tǒng)中，特別是長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人職守的測(cè)控系統(tǒng)中，經(jīng)常需要記錄一些具有特殊意義的數(shù)據(jù)和其出現(xiàn)的時(shí)間。記錄、分析這些特殊意義的數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)刻，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的性能分析、有效監(jiān)控及正常運(yùn)行具有重要的意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時(shí)采樣或定時(shí)采樣，沒(méi)有具體的時(shí)間記錄，因此只能記錄數(shù)據(jù)而無(wú)法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時(shí)間：若采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面需要采用計(jì)數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費(fèi)單片機(jī)資源。而在系統(tǒng)中采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片則能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。本系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的低功耗時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)，DS1302 是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能，支持低電壓 (3V)工作。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31字節(jié)的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302與單片機(jī)的連接僅需要三條線，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。Vcc1在單電源與電池供電的系統(tǒng)中提供低電源并提供低功率的電池備份。Vcc2口在雙電源系統(tǒng)中提供主電源，Vcc1在這種運(yùn)用方式下連接到備份電源，以便在沒(méi)有主電源的情況下保存時(shí)間信息以及數(shù)據(jù)。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1＋，Vcc2給DS1302供電。當(dāng) Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc2供電。 時(shí)鐘電路圖WG系列WG101韋根傳感器所產(chǎn)生的正向脈沖信號(hào)一般為1V～2V之間。為了保證系統(tǒng)能更加穩(wěn)定的工作，必須對(duì)傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、整形處理。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。經(jīng)過(guò)處理后的電平信號(hào)，送單片機(jī)的外部中斷（）進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。當(dāng)計(jì)滿N（N表示為設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)值），用水總量加1，剩余水量減1（“1”）。由于WG系列韋根傳感器使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式（即對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式），當(dāng)水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，觸發(fā)磁場(chǎng)極性變化一周，韋根傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)。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。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(1) 脈沖提取電路脈沖提取電路，用于提取IC卡水表的計(jì)量脈沖?？稍谠械睦鲜綕袷剿砑尤氪裴樅透苫晒埽裴橂S著用水的流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)使得干簧管動(dòng)作發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)，作為計(jì)量信號(hào)。也可以利用干式磁傳水表已有的開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，作為計(jì)量信號(hào)。(2) 安全保護(hù)電路安全保護(hù)電路，利用AT89C2051可編程的I/O中斷口接到水表的外封裝上實(shí)現(xiàn)保護(hù)。使封裝完好時(shí)I/O線相當(dāng)于接地，為低電平，一旦封裝被非法打開(kāi)，I/O線就不與地連接，其電平變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)CPU將發(fā)生安全保護(hù)中斷，立即關(guān)斷電磁閥中斷供水。這樣就能有效地防止私拆或惡意破壞水表的事件發(fā)生。(3