【正文】 應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。RESET引腳是復位信號的輸入端。如使用頻率為6MHZ的晶振，則復位信號持續(xù)時間應超過4μs才能完成復位操作。圖33 復位電路和時鐘電路 傳感器的選擇 霍爾接近開關傳感器 集成式霍爾開關傳感器的主要優(yōu)點是：可靠性強、抗干擾性能好、溫度特性優(yōu)良、電源電壓范圍寬、輸出電流能力強、兼容性好、能與CMOS集成電路直接接口，動作響應時間短以及體積小巧、壽命長和使用方便等。 光電檢測傳感器 當光照射在半導體材料的PN結上時PN結的兩側將產生光生電動勢，如外部用導線連接，將有光電流流過，通常的光電檢測傳感器都是基于這一原理。然而，由于在此結構中必須用到發(fā)光二極管（對于不需要發(fā)光二極管的光電檢測傳感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到環(huán)境光線變化的影響，可靠性和檢測精確度較低），因此，其功耗電也較高，不宜用在本低功耗設計中。常用結構示意如圖34所示。非對稱驅動方式開始把Wiegand組件置于一種稱為滲透磁場的強磁場中，此時Wiegand線的外殼和內芯按同一方向極化，如圖35 a) 所示；再把組件置于一種稱為復位磁場的弱磁場中，此時內芯的極性反向,而外殼的極性不變，如圖35 b) 所示；然后把組件置于滲透磁場中，Wiegand線內芯與外殼的極性又恢復到圖35 a)的情況，由于Wiegand線中磁場的變化，導致在檢測線圈中一個周期內產生單一方向的電壓脈沖，如圖35 c)所示。圖36 對稱驅動方式(3) WG系列韋根傳感器原理及其特點WG系列韋根傳感器是利用韋根效應制成的一種新型磁敏傳感器。它具有以下特點：① 傳感器工作時無須使用外加電源，適用于微功耗儀表，如電子水表、電子氣表和其它智能型儀表。③ 輸出信號幅值與磁場的變化速度無關，可實現“零速”傳感。⑤ 利用電話線、同軸線可實現電信號遠傳。因此，選擇它作為本低功耗設計的傳感器。具體使用方法為：在水表的計量齒輪上安裝小磁鋼，當用戶用水，齒輪轉動，小磁鋼將會轉過Wiegand絲傳感器，這時傳感器產生一個高電平脈沖信號，經過整形、放大處理后輸入至單片機進行計數計量。 信號處理模塊的設計WG系列WG101韋根傳感器所產生的正向脈沖信號一般為1V～2V之間。我們采用如圖37所示的簡單電路，可以很好的達到脈沖信號的放大、整形作用。當計滿N（N表示為設定的轉數值），用水總量加1，剩余水量減1（“1”）。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。由于我們設定外部中斷（）為跳變觸發(fā)方式，即電平發(fā)生由高到低的跳變時觸發(fā)。 電磁閥的選擇與設計 對于水表而言，閥門是被控對象，控制著進水的開/關狀態(tài)。因此，必須對現有電平開關式電磁閥進行改進，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門的開/關控制由電脈沖來實現。在這里我們選擇：執(zhí)行機構采用繼電器HRS2HSDC3V，驅動帶自鎖的脈沖電磁閥MP15A3V，兩者僅需+3V電源供電。當水量為零時，控制閥自動關閉，水路即被切斷，此時用戶須重新持卡購水。三種事件狀態(tài)下控制閥的通斷情況如圖38所示[7]。因此，在系統(tǒng)中必須設計相應的抗干擾電路來消除此電磁干擾，本系統(tǒng)所采用的抗干擾措施主要有以下兩點：圖39 光電耦合器隔離電路(1) 采用光電耦合器進行隔離，在光電耦合器SWGD（型號為4N25）中的發(fā)光二級管發(fā)光，三級管導通。繼電器即得電產生動作。從上圖中可以看出，單片機控制的I/O口和繼電器控制端口之間用光電耦合器進行了隔離，這樣，由于繼電器通斷所造成的電火花和電弧就不會影響到單片機系統(tǒng)了[8]。 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，其電氣性能如圖310所示。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數量級的漏電流流過圖310 氧化鋅壓敏電阻的電氣性能壓敏電阻，相當于開路狀態(tài)。當浪涌過電壓過后，電路電壓恢復到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復到高阻狀態(tài)。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、伏安特性對稱、電壓范圍寬、體積小等優(yōu)點，可廣泛用于直流和交流回路中吸收不同極性的過電壓。壓敏電阻的使用大大降低了電磁閥開關所造成的電磁干擾對單片機系統(tǒng)的影響。當這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)應該保存失電前的一些數據。而這些數據如果存儲在單片機的數據存儲器中，單片機失電重啟動后存儲的相關數據已經消失了。I2C總線簡介：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。采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內部不僅有I2C接口電路，而且將內部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現片選，減少了器件片選線的連接 。在系統(tǒng)中，用AT24C01存儲用戶的設定水量轉數N、水表檢測脈沖數M、累計用水總量和剩余水量等。其實際電路連接圖如圖311所示：電阻R2R25為上拉電阻。它的工作原理我們將在第四章詳細介紹。 基于AT24C0X系列的IC卡AT24C0X系列IC卡是美國ATMEL公司生產的存儲式IC卡。它是目前國內使用最多的IC卡之一。C1：VCC，工作電壓；C3：SCL（CLK），串行時鐘；C5：GND；C7：SDA（I/O），串行數據（輸入/輸出）；C2，C6：NC，未接。此微動開關在無IC卡狀態(tài)時，處于斷開狀態(tài)；有卡插入時，IC卡卡座上的微動開關動合，因此，此開關往往是用來判斷是否插IC卡的傳感器件[2]。本設計的AT89C205l單片機與IC卡240X接口如圖313所示。由于引腳T，P為微動開關的兩觸點，所以，當有IC卡插入時，微動開關閉合，做好讀卡準備，無卡時。當有IC卡插入時，做好讀卡準備，無卡時，R1RR21為限流電阻[10]。另外，還對顯示電路在本系統(tǒng)中應用的顯示原理進行了詳細的分析。當剩余水量不足、電池欠壓等情況下，都需要報警。如下圖314所示，NPN型三級管Q4導通，蜂鳴器馬上得電發(fā)聲，產生報警[11]。它們的有效工作時間都比較短，用戶看完后，沒有必要讓它一直顯示；為此，可水表上裝一個開關按鈕提供信號，即按一下按鈕時，水表開始顯示剩余水量；再次按下按鈕時，水表顯示用水總量；再次按下按鈕時，水表顯示關閉。在小型的控制系統(tǒng)中，通常用LED數碼管作為顯示器件。為了在人機對話設計中降低硬件成本，節(jié)約單片機的I/O口資源，我們采用將通過串行動態(tài)掃描，即位碼和段碼交替發(fā)送的方式設計了一種新穎的顯示模塊，經調試，效果良好。對于小型LED數碼管，還要串聯200～360Ω的限流電阻。位碼驅動U1的數據輸入端口、時鐘輸入端口分別連接AT89C2051的RXD和TXD端口。選擇AT89C2051的串行口方式為0方式，即移位寄存器方式[12]。根據這個字符在LED、顯示器的位置(這里為最低位)。在顯示程序中，首先將位碼值寫入串行數據寄存器(SBUF)。當AT89C2051送完一個字節(jié)的位碼值后，發(fā)送中斷標志位TI置位。如果要求在低二位顯示第2個字符，則WMbufer(1111 1110)不帶進位位左移一位(1111 1101)并送WMbufer。以上過程循環(huán)N次，即可完成1～6位字符的顯示工作。 電源的設計 電池能量的檢測如果想要做出合理的電源管理方案，就需要單片機能夠隨時檢測電路中電池的能量(具體表現是實際的電壓值)。低電壓檢測對單片機系統(tǒng)來講是個十分重要的問題，它在某種程度上起到了保障系統(tǒng)可靠運行，避免數據出錯的作用，智能水表的設計中同樣如此。電壓檢測器可以選用合泰公司的HT70XX系列產品，此產品價位較低，而且規(guī)格十分齊全。系統(tǒng)除了有靈敏的電源監(jiān)控之外，在正常工作時，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作[14]。雖然如此，由于智能水表都沒有設計再充電電路，鋰電池使用到一定時間后，將無法為控制電路提供能量，不得不更換電池。更危險的是，電池電量不足的情況出現是隨機的，如果不精確和及時的監(jiān)測電池電量，將無法可靠地關斷水閥，造成無法計費、逃水現象等情況出現。針對這一問題，水表生產廠家設計了很多方案，如：盡量降低功耗，在靜態(tài)時控制漏電流在10μA以內，保證電池可以連續(xù)使用5年以上，這對電路的設計和元器件的選型提出了更高的要求，增加了設計難度和成品檢測的工序，如加上可靠的電池電量監(jiān)測電路，也會使成本增加。超級電容是近幾年才批量生產的一種無源器件，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，同時也有電池的儲能特性，并且重復使用壽命長，放電時利用移動導體間的電子（而不依靠化學反應）釋放電流，為設備提供電源，超級電容如圖316所示。 (2) 超長壽命，充放電大于50萬次，是鋰離子電池的500倍，是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。 (4) 免維護，可密封。與內裝鋰電池的智能水表相比，這種方案是用超級電容替換鋰電池封裝在水表中，同時外接干電池供電。如同一個儲水箱，平時將水存儲起來，在停水時才起作用。圖317 超級電容的應用電路正常情況下，電池通過電阻R1二級管D1向負載和超級電容充電，電阻R14的作用是限制電流過大，因為超級電容內阻很小，充電時電流較大可能造成電池損壞。當電池電壓過低，或突然斷電時（如取下電池），由超級電容繼續(xù)為電路提供電源，同時，超級電容存儲的能量足以關斷閥門。如果電池電量不足，用戶可以隨時更換。 這種方案克服了現階段智能水表的缺點，為智能水表的發(fā)展找到了一條新的途徑。所以本設計亦采用了這種方案。 檢測模塊的設計 檢測模塊主要對以下四種情況進行檢測 (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。當產生中斷后，(F_KEY)、(V_MONI)、(OPEN_D)、(SW_T)，如圖318所示，以確認是哪種情況產生的中斷后作出相應處理。例如，當電池欠壓或取出電池時，HT7039輸出為低電平，U8輸出為高電平，那么U9輸出為低電平（），產生中斷。圖318 檢測模塊電路4 IC卡智能水表的軟件設計本軟件我們用MCS51匯編語言編制，采用了結構化，模塊化的程序設計方法。 主程序的設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、關閉閥門等操作，平時處于睡眠狀態(tài)。從而達到用水必須預先交費的目的，省去了人工抄表收費環(huán)節(jié)。 外部中斷0子程序外部中斷0子程序也即水表脈沖計量程序，它只要是對用戶水量進行處理。根據機械水表的測量原理，水的流量與水表齒輪的轉速可以近似成一定的線性關系。根據這一原理，我們可確定流量的計算公式為： (41)在公式(41)中，Q為流量，單位為m3 ；K為基表系數，單位為m3／r；N為轉數，單位為r。因此，Q與N是一一對應關系。 m3時，由于K已知，N即可以求出。其具體流程圖如圖41所示，具體程序見附錄1。當產生中斷后，、（原理圖見總電路圖中檢測模塊），以確認是哪種情況產生的中斷后作出相應處理。圖42 外部中斷子程序 IC卡的讀寫軟件設計系統(tǒng)軟件設計的流程應為確認有卡插入后，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，讀數據區(qū)。為防止有損壞的字節(jié)和其它因素影響數據不可靠，建議將每次寫入的數據再讀出比較，判斷寫入的數據是否正確，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。圖43 數據傳輸及時鐘時序圖IC卡的讀寫其實也就是對IC卡片內E2PROM進行讀寫。所有的地址、數據及讀/寫控制命令等信號均從SDA端輸入/輸出。其中，啟動與停止邏輯單元產生控制讀/寫操作的“開始”和“停止”標志信號[17]。圖 44 讀/寫的啟動與停時序SDA和SCL通