【正文】 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。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。 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。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?，從而可以迅速的判斷系統(tǒng)是否掉電。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。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。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[13]。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。檢測(cè)到TI=1后，清零TI，接著將段碼寫(xiě)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。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。確定它的位碼值是FEH(1111 1110)將位碼值寫(xiě)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)。圖315 串口顯示電路圖如果要求在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(xiě)入U(xiǎn)3中。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。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，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。顯示電路的具體電路如圖315所示，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。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(méi)有閃動(dòng)、穩(wěn)定，缺點(diǎn)是功耗大、占PCB面積大、成本高。如顯示10s后，按鈕沒(méi)有動(dòng)作，亦使它們停止工作，從而達(dá)到節(jié)電的目的。圖314 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。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。 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。圖313 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。、(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(xiě)。圖中ICCARD為標(biāo)準(zhǔn)IC卡座，其T、P端用作到位檢測(cè)開(kāi)關(guān),()。圖312 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(xiě)入、擦除操作由內(nèi)部定時(shí)器自動(dòng)完成，具有擦除/寫(xiě)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)。IC卡引腳如圖312所示，其中引腳T，P為微動(dòng)開(kāi)關(guān)的兩觸點(diǎn)。AT24C0X系列IC卡的引出端符合ISO/IEC78162標(biāo)準(zhǔn)。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(xiě)/擦除次數(shù)＞1 000 000次；數(shù)據(jù)保存期＞100年。圖311 AT24C01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。由于我們只用一片E2PROM，所以A2=A1=A0=0。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。其協(xié)議定義的I2C總線數(shù)據(jù)格式如下：開(kāi)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(xiě)次數(shù)多（大于10000次）、寫(xiě)入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)[9]。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(pán)接口。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。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。 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。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?？梢岳脡好綦娮璧纳鲜鎏匦詠?lái)吸收各種干擾過(guò)電壓。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。 從圖310中可以看出。(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。如圖39所示D1為續(xù)流保護(hù)的作用。此時(shí)，電阻R10上就存在一個(gè)高電平使NPN管Q1導(dǎo)通。圖38 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，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。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)。正常供水情況下，電磁閥自鎖于常開(kāi)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不消耗電能，只有當(dāng)購(gòu)買(mǎi)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(kāi)關(guān)，并自鎖于常閉狀態(tài)，重新購(gòu)水插卡后，再次送電開(kāi)啟。使得對(duì)閥門(mén)開(kāi)/關(guān)只需瞬時(shí)供電，從而減少耗電量。目前可控制的閥門(mén)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(mén)的開(kāi)/關(guān)的，即要讓閥門(mén)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，水表葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，外部中斷產(chǎn)生一次中斷[5]。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。 圖37 信號(hào)處理電路圖由于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)。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。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。選擇此傳感器作輸入信號(hào)測(cè)量的傳感器，既滿足了準(zhǔn)確計(jì)量的基本要求，又滿足了低功耗設(shè)計(jì)的需要，是本低功耗設(shè)計(jì)的重要組成部分。在這里，我們選擇了南京艾馳電子科技有限公司的WG系列韋根傳感器產(chǎn)品，其型號(hào)為WG101。由于WG系列韋根傳感器具有以上的眾多的特點(diǎn)，特別是其幾乎不需要外界能量的輸入。④ 無(wú)觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水，壽命長(zhǎng)。② 使用雙磁極交替觸發(fā)工作方式，觸發(fā)磁場(chǎng)極性變化一周，傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)，信號(hào)周期為磁場(chǎng)交變周期。其工作原理是傳感器中磁性雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料在外磁場(chǎng)的激勵(lì)下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在檢測(cè)線圈中感生出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。圖35 非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式在對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式中，采用兩塊磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相等但極性相反的磁鐵，一塊磁鐵首先將Wiegand線的外殼和內(nèi)芯按同一方向進(jìn)行滲透，如圖36 a)所示；再將Wiegand線切換到第二塊磁鐵，在這過(guò)程中，首先線芯的極性改變，如圖36 b)所示；然后外殼的極性發(fā)生改變，這一作用在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生一個(gè)方向的電壓脈沖輸出，如圖36 c) 所示；接著，再將Wiegand線轉(zhuǎn)回到第一塊磁鐵，首先內(nèi)芯的極性改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，如圖36 d) 所示；其次外殼的極性也隨之改變?yōu)槠鹗嫉臉O性，這一過(guò)程產(chǎn)生相反方向的電壓脈沖輸出如圖36 e) 所示[6]。圖34 Wiegand傳感器組成(2) Wiegand傳感器工作方式根據(jù)Wiegand線外部磁場(chǎng)引入的方式不同，Wiegand傳感器有兩種驅(qū)動(dòng)方式：非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式和對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式。 Wiegand(韋根)傳感器(1) Wiegand傳感器組成Wiegand傳感器由三部分組成：(1)Wiegand線；(2)檢測(cè)線圈，將其纏繞在Wiegand線上，或放置在Wiegand線附近；(3)磁鐵。 目前的光電檢測(cè)傳感器就是利用上述原理，以光電二極管為例，把發(fā)光二極管和光電二極管相對(duì)放置便組成了光電檢測(cè)電路，當(dāng)被檢測(cè)物體通過(guò)二者之間時(shí)，由于光電二極管所接受的光的強(qiáng)度發(fā)生變化，其產(chǎn)生的光電動(dòng)勢(shì)也發(fā)生變化，將這種變化進(jìn)行放大和處理，就能產(chǎn)生反映有無(wú)物體通過(guò)二者之間的電壓脈沖信號(hào)。 但是，從對(duì)上述對(duì)霍爾開(kāi)關(guān)傳感器的原理描述中可以看出，霍爾開(kāi)關(guān)傳感器中必須對(duì)霍爾效應(yīng)片輸入控制電流、同時(shí)其內(nèi)部還有差分放大器等具有較大功耗的器件，典型的集成式霍爾開(kāi)關(guān)傳感器耗電為mA級(jí)，因此，霍爾開(kāi)關(guān)傳感器不適合應(yīng)用在本低功耗設(shè)計(jì)中。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路圖如圖33所示[5]。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上。在本設(shè)計(jì)中，我們采用的外接晶振頻率約6MHz，因此機(jī)器周期約2μs。CC2雖然沒(méi)有嚴(yán)格要求，但電容的大小影響振蕩器的振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性?？梢员ＷC程序運(yùn)行速度即保證了控制的實(shí)時(shí)性。STC12C5A60引腳圖如圖圖32圖32 STC12C5A60S2單片機(jī)的引腳圖 晶振與復(fù)位電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，因此，只需要在片處通過(guò)XTALXTAL2引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。該單片機(jī)的ADC是逐次比較型ADC。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型IO口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不須作為A/D使用的口可繼續(xù)作為IO口使用。標(biāo)準(zhǔn)IO口、串口1數(shù)據(jù)接收端外部中斷0，下降沿中斷或低電平中斷定時(shí)器計(jì)數(shù)器0外部輸入、定時(shí)器0下降沿中斷、定時(shí)計(jì)數(shù)器0的時(shí)鐘輸出A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)STC12C5A60AD/S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250KHz(25萬(wàn)次/秒)。當(dāng)P0口作為輸入/輸出口時(shí)，P0是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無(wú)需外接上拉電阻。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。⑤ 單片機(jī)的極限性能是否能夠滿足要求。③ 單片機(jī)是否含有系統(tǒng)所需的中斷源和定時(shí)器。① 單片機(jī)的CPU是否有合適的處理能力。 微處理器 微處理器是本設(shè)計(jì)中的核心器件，我們一般都選用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，下面給出了對(duì)它的選型與功能介紹。用戶只有重新購(gòu)水，才能使電磁閥打開(kāi)。當(dāng)剩余水量低于一定量，如5m3，