【正文】 卡表報(bào)警提示用戶購(gòu)水。當(dāng)用戶用水時(shí)，由流量傳感器采進(jìn)來的信號(hào)以脈沖形式觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，換醒單片機(jī)，進(jìn)行用水處理。 圖31 主系統(tǒng)框圖IC卡智能水表工作原理：首先由用戶購(gòu)買IC卡（即用戶卡），并攜IC卡至收費(fèi)工作站交費(fèi)購(gòu)水，工作人員將購(gòu)買水量等信息寫入卡中。所有模塊的設(shè)計(jì)均考慮了低功耗的要求，本系統(tǒng)采用外接3節(jié)5號(hào)電池供電，內(nèi)部采用超級(jí)電容作為備用。主系統(tǒng)的框架圖如圖31所示。還對(duì)各種器件的選擇（如微處理器、傳感器等）做了詳細(xì)的分析。綜合考慮以上三種方案，根據(jù)現(xiàn)在的各種實(shí)際情況、現(xiàn)有技術(shù)水平和設(shè)計(jì)要求，我們選擇了第三種方案基于89C2051單片機(jī)的IC卡智能水表系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。從維護(hù)成本來看，方案二是由一個(gè)專用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組建而成，需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)維護(hù)人員，它的維護(hù)成本最高，方案一次之，方案三最低。 方案選擇從投入成本來看，方案二需要建立一整套的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所需設(shè)備多，前期所需經(jīng)濟(jì)投入最大，方案一次之，方案三最低。隨著微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，以上該方案的缺點(diǎn)我們通過可行的具體方案基本可以解決了。優(yōu)點(diǎn)：在用戶不繳費(fèi)的情況下可自動(dòng)斷水，有效控制收費(fèi)單位的資金回籠，不需要人工上門抄表、收費(fèi)，減少抄表員。設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，太難，且不容易實(shí)現(xiàn)[4]。節(jié)點(diǎn)故障自動(dòng)關(guān)閉，不影響網(wǎng)絡(luò)性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且不關(guān)閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點(diǎn)，方便了系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。優(yōu)點(diǎn)：CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的方式來傳送數(shù)據(jù)，以克服市場(chǎng)已有傳送方式所存在的不足之處，其傳送方式可實(shí)現(xiàn)10公里范圍的小區(qū)抄收工作，同時(shí)性能比同類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。方案二：基于CAN總線的智能水表自動(dòng)抄收系統(tǒng)工作原理：自動(dòng)抄收系統(tǒng)主要由小區(qū)管理中心計(jì)算機(jī)(主控機(jī))、水表數(shù)據(jù)采集器、采集服務(wù)器、中繼站等幾個(gè)部分組成，是一種智能化多用戶能耗集中自動(dòng)抄收系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)訊式集抄系統(tǒng)目前在國(guó)內(nèi)已普遍采推廣應(yīng)用方便,價(jià)格較低，只要生產(chǎn)廠商、系統(tǒng)集商嚴(yán)格把好每一環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)，且發(fā)訊不隨時(shí)間產(chǎn)生疲勞損傷，此系統(tǒng)不失為一種可供選擇的、適于一定歷史時(shí)期的過渡產(chǎn)品。 (1) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提出幾種方案，對(duì)它們進(jìn)行了全面的論證；(2) 根據(jù)系統(tǒng)需要，合理選擇微處理器，并且詳細(xì)地闡述了它的基本功能特性；(3) 介紹了相關(guān)現(xiàn)代傳感技術(shù)，選擇出信號(hào)采集的最佳方案；(4) 根據(jù)低功耗要求，對(duì)電磁閥的選擇與設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究；(5) 詳細(xì)分析了E2PROM的工作原理；(6) 對(duì)IC卡技術(shù)做了簡(jiǎn)明扼要的分析，并對(duì)其軟件的讀寫原理進(jìn)行了詳細(xì)的討論；(7) 應(yīng)用LED顯示技術(shù)，可隨時(shí)查詢累計(jì)用水總量、可用水量；(8) 改進(jìn)了普遍應(yīng)用電源方案，詳細(xì)地介紹了超級(jí)電容技術(shù)及其在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；(9) 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了深入的分析，并且繪制了相關(guān)硬件電路圖、軟件流程圖，還編寫了相關(guān)軟件程序。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的硬件結(jié)構(gòu)及其原理圖和相關(guān)軟件程序，并進(jìn)行訪真調(diào)試。中國(guó)在這個(gè)方面的超前發(fā)展會(huì)使這種計(jì)量模式得到優(yōu)先完善，并有可能成為中國(guó)的一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品出口到其它國(guó)家[3]。比如，現(xiàn)在這種在老式水表上取信號(hào)的模式，將會(huì)由先進(jìn)的水流量信號(hào)提取裝置代替，機(jī)械計(jì)量和機(jī)械顯示部分會(huì)被淘汰，而表和閥將會(huì)集中在一體等等。這些問題集中起來主要是（1） 價(jià)格太高；（2） 質(zhì)量不可靠；（3） 存在安全隱患。而在近十年里，單體式智能IC卡類儀表又將會(huì)是發(fā)展主流。 智能水表的發(fā)展趨勢(shì)隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，加上國(guó)家相關(guān)政策的推動(dòng)，民用計(jì)量?jī)x表的智能化將是一個(gè)必然的發(fā)展方向。IC卡智能水表具有成本低、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)及安全性好等優(yōu)點(diǎn)，可提高居民用水收費(fèi)的管理水平，確保供水部門能及時(shí)收取水費(fèi)。IC卡智能水表及其管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，將從根本上解決了已上問題。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門操表收費(fèi)到用戶自己去營(yíng)業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變。這與傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能相比，是一個(gè)很大的進(jìn)步。水資源是一切生命的源泉，是人類不可缺少的物質(zhì)條件，沒有水人類就不能生存，沒有水人類賴以自下而上的物質(zhì)生產(chǎn)就不能發(fā)展?；趩纹瑱C(jī)的IC卡智能水表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 1文獻(xiàn)綜述環(huán)境與發(fā)展，是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的重大問題，保護(hù)環(huán)境是全人類的共同任務(wù)。水資源作為生態(tài)環(huán)境中的重要資源，是人類生活的生產(chǎn)中不可取代的資源，對(duì)一個(gè)國(guó)家的生存和發(fā)展也是極為重要的。IC卡智能水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能IC卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。IC卡智能水表除了可對(duì)用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對(duì)用水量自動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計(jì)算準(zhǔn)確，可利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn)[1]。采用IC卡智能水表進(jìn)行交易結(jié)算，不但實(shí)現(xiàn)了用水收費(fèi)的電子化，而且還改變了先用水后收費(fèi)的不合理狀況，使的供水部門能預(yù)先收取部分費(fèi)用，有利于公用事業(yè)的發(fā)展。因此，IC卡智能水表成為相關(guān)科研單位關(guān)注的重點(diǎn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[2]。這不僅是中國(guó)的一種趨勢(shì)，也將成為世界性的趨勢(shì)。從實(shí)際情況看，現(xiàn)在的IC卡智能水表確實(shí)還存在著許多影響其大規(guī)模推廣使用的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， IC卡智能水表將會(huì)不斷發(fā)展完善?？偟恼f來，IC卡智能水表是一種先進(jìn)的計(jì)量?jī)x表，對(duì)這種先進(jìn)儀表的大規(guī)模推廣使用將會(huì)有力促進(jìn)中國(guó)供用水管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。 本課題的研究工作詳細(xì)分析課題任務(wù)，對(duì)IC卡智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)現(xiàn)代傳感器技術(shù)、IC卡技術(shù)和智能水表控制的原理進(jìn)行了深入的研究，并將其綜合。下面對(duì)本設(shè)計(jì)的主要研究工作做個(gè)簡(jiǎn)述。2 本論文的方案論證 設(shè)計(jì)方案方案一：脈沖發(fā)訊集中抄收式智能水表系統(tǒng)工作原理：由表具不斷發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)采集器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、累加、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)上傳。缺點(diǎn)：(1) 初始化及維護(hù)工作量大；(2) 磁鐵強(qiáng)磁場(chǎng)干擾；(3) 電能耗費(fèi)。其原理是將原能耗計(jì)量表的流量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)傳輸線至系統(tǒng)總線，由接口電路通過有線傳輸或主機(jī)直接抄讀，最后經(jīng)微機(jī)管理，實(shí)現(xiàn)耗能數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、全局廣播等幾種方式，數(shù)據(jù)收發(fā)靈活，可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，且無(wú)主從機(jī)之分，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常主動(dòng)報(bào)警。缺點(diǎn)：前期經(jīng)濟(jì)投入太多，需要大量的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員，維護(hù)工作量大。方案三：基于89C2051單片機(jī)的IC卡智能水表系統(tǒng)工作原理：以接觸IC卡或非接觸射頻卡作為媒介，將各種信息輸入表中控制系統(tǒng)來自動(dòng)開關(guān)閥門(供水或停水)，由用戶到自來水公司網(wǎng)點(diǎn)先預(yù)購(gòu)買水量，再將用水量通過IC卡輸入表中控制系統(tǒng)，等水量用盡即自動(dòng)關(guān)閥并中斷水的供應(yīng)，報(bào)警器在設(shè)定水量用完之前會(huì)自動(dòng)報(bào)警以提醒用戶購(gòu)水，達(dá)到“先買水、后用水”的目的。缺點(diǎn)：(1) 電磁閥在長(zhǎng)期開啟狀態(tài)下由于水垢和水中雜質(zhì)而影響閥門關(guān)閉，使用戶在不繳費(fèi)的情況下繼續(xù)用水，而收費(fèi)單位還一無(wú)所知，一旦發(fā)現(xiàn)也無(wú)法向用戶追繳多用水費(fèi)；(2) IC卡表也是由發(fā)訊脈沖進(jìn)行累加計(jì)量，如果人為強(qiáng)磁干擾或強(qiáng)電瞬間電擊，也會(huì)造成芯片損壞，從而無(wú)法計(jì)量；(3) 鋰電池在長(zhǎng)期使用中是否能達(dá)到設(shè)計(jì)年限還有待考證，到期后由誰(shuí)負(fù)責(zé)更換是個(gè)問題。該方案所設(shè)計(jì)的IC卡智能水表主要由開關(guān)閥門控制模塊、流量采樣模塊、微處理器、電源模塊、IC卡讀寫模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊、顯示模塊等組成[2]。從設(shè)計(jì)的難易程度來看，方案三融合了微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、IC卡技術(shù)等，這些技術(shù)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，最容易實(shí)現(xiàn)，方案二最難，方案一次之。從長(zhǎng)期效益來看，隨著技術(shù)的成熟，社會(huì)各行各業(yè)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加速，方案二必定是今后的發(fā)展趨勢(shì)，它所達(dá)到的效益最佳，方案三次之，方案一最差。3 IC卡智能水表的硬件設(shè)計(jì)本章是本文的核心內(nèi)容，主要介紹的是系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，我們采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)系統(tǒng)的工作原理和各個(gè)硬件模塊的原理和電路進(jìn)行了具體的介紹。 主系統(tǒng)的構(gòu)成根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)除了解決最基本的正常供水還應(yīng)具有一定的智能功能。由圖中可以看出，系統(tǒng)由這樣一些功能模塊組成：微處理器、流量傳感器、信號(hào)處理模塊、IC卡接口電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、顯示電路、報(bào)警電路、電源模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以及其他輔助電路。系統(tǒng)時(shí)鐘采用外接晶振方式，約為6MHz。用戶將卡插入IC卡水表，卡表內(nèi)單片機(jī)識(shí)別IC卡密碼并確認(rèn)無(wú)誤后，將卡中購(gòu)買水量與表內(nèi)剩余水量相加后，寫入卡表內(nèi)存儲(chǔ)器，同時(shí)必須將IC卡內(nèi)購(gòu)水值清零。用戶在用水過程中，卡表內(nèi)剩余水量相應(yīng)減少。當(dāng)E2PROM中存儲(chǔ)的水量用完時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥。此外，在發(fā)生人為故意破壞時(shí)，閥門也會(huì)關(guān)閉[2]。 單片機(jī)的選型單片機(jī)的選型從以下幾個(gè)方面考慮：(1) 單片機(jī)的系統(tǒng)適應(yīng)性適應(yīng)性指單片機(jī)能否完成應(yīng)用系統(tǒng)的控制功能，它主要從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)。② 單片機(jī)是否有系統(tǒng)所需要的I/O端口數(shù)。④ 單片機(jī)片內(nèi)是否有系統(tǒng)所需的外接口。（2）單片機(jī)的市場(chǎng)供應(yīng)情況（3）單片機(jī)的可開發(fā)性 單片機(jī)STC12C5A60S2簡(jiǎn)介STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快812倍。增強(qiáng)型8051CPU，1T(1024G)，單時(shí)鐘/機(jī)器周期工作電壓 1280字節(jié)RAM通用I/O口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過120mA有EEPROM功能看門狗內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路外部掉電檢測(cè)電路時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：：11~17MHz 單片機(jī)為：8~12MHz4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T113個(gè)時(shí)鐘輸出口，1外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/，INT1/，T0/，T1/，RxD/，CCP0/，CCP0/1PWM2路1A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S1通用全雙工異步串行口(UART)1雙串口，RxD2/，TxD2/1工作范圍：40~851封裝：LQFP48，LQFP44，PDIP40，PLCC管腳說明~ P0：P0口既可以作為輸入/輸出口，也可以作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當(dāng)P0作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時(shí)，是低8位地址線A0~A7，數(shù)據(jù)線D0~D7標(biāo)準(zhǔn)IO口、ADC輸入通道0、獨(dú)立波特率發(fā)生器的時(shí)鐘輸出標(biāo)準(zhǔn)IO口、ADC輸入通道PCA計(jì)數(shù)器的外部脈沖輸入腳，第二串口數(shù)據(jù)接收端外部信號(hào)捕獲，高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出、第二串口數(shù)據(jù)發(fā)送端SPI同步串行接口的從機(jī)選擇信號(hào)SPI同步串行接口的主出從入(主器件的輸入和從器件的輸出)SPI同步串行接口的主入從出~P2口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入輸出口(8位準(zhǔn)雙向口)，也可作為高8位地址總線使用。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。單片機(jī)ADC由多路開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器以及ADC_CONTER構(gòu)成。主次比較型ADC由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位(MSB)開始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。需作為AD使用的口先將P1ASF特殊功能寄存器中的相應(yīng)位置為‘1’，將相應(yīng)的口設(shè)置為模擬功能?！?2MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好。一般采用石英晶振作定時(shí)控制元件；在不需要高精度參考時(shí)鐘時(shí)，也可以用電感代替晶振；有時(shí)也可以引入外部時(shí)脈信號(hào)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振，電容等均