《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機(jī)的TM卡水表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要: 隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,,金卡工程的全面實(shí)施,,自來水收費(fèi)管理也必將朝著電子化、信息化方向發(fā)展,。本文以TM卡式智能水表控制系統(tǒng)為研究對象,,詳細(xì)論述了TM卡水表的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)地介紹了基于單片機(jī)的TM卡水表控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn),,采用軟硬件結(jié)合的技術(shù),,提出了系統(tǒng)的抗干擾措施。
Abstract:
Key words :

  1 引言

  隨著社會科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,,資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重,,尤其是與人類生存息息相關(guān)的水資源。隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,,實(shí)現(xiàn)自來水收費(fèi)管理的電子化,、信息化及網(wǎng)絡(luò)化已成為可能。水表系統(tǒng)的智能化可以大大提高供水管理部門的工作效率,節(jié)約費(fèi)用,,用以改善供水設(shè)施,,提高居民飲用水質(zhì)量。本文以一種智能卡式水表控制系統(tǒng)為研究對象,,它結(jié)合了控制技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面技術(shù),是一種跨專業(yè)的電子信息化系統(tǒng),。

  2 智能水表控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

  智能水表控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)水表的自動計(jì)量水流量,、讀寫TM卡、控制閥門,、顯示報(bào)警等功能,。控制系統(tǒng)電路由低功耗單片機(jī),、流量計(jì),、E2PROM存儲電路、TM卡讀寫電路,、LCD顯示控制電路,、閥門控制檢測電路、電壓檢測電路等組成,。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,。

 

  

  圖1 智能水表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

 

  當(dāng)用戶將含有購水量等信息的TM卡插入水表上卡座內(nèi)時(shí),控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通供水通道,。用戶每用一個(gè)計(jì)量單位(10升),,計(jì)量電路便發(fā)出一組計(jì)量脈沖序列,該脈沖序列如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效,,即可從已購水量中減去一個(gè)計(jì)量單位,。當(dāng)剩余水量達(dá)到報(bào)警值時(shí),液晶漢字顯示“請購水”,;當(dāng)水量為零時(shí),,控制閥自動關(guān)閉,水路即被切斷,,此時(shí)用戶須重新持卡購水,。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),。

 

  3 智能水表控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

 

  TM卡水表控制系統(tǒng)由低功耗單片機(jī)、流量計(jì)量電路,、E2PROM存儲電路,、TM卡讀寫電路、LCD顯示控制電路、閥門控制檢測電路,、電壓檢測電路,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成。

  1,、單片機(jī)

  作為TM卡水表控制系統(tǒng)核心部件的微控制器采用PHILIPS 51LPC系列中的P87LPC764單片機(jī),。這種單片機(jī)運(yùn)行速度快、編程靈活,、低功耗,,自帶4K字節(jié)OTP程序存儲器、128字節(jié)的RAM,,32字節(jié)用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設(shè)置參數(shù),,并且具有豐富的I/O功能和較強(qiáng)的中斷能力,能夠很好地滿足TM卡水表控制系統(tǒng)高集成度,、低成本,、低功耗的要求。

  2,、E2PROM存儲電路

  在智能卡水表控制系統(tǒng)中,,信息的存儲是非常重要的方面。因此,,在本控制系統(tǒng)中,,存儲器采用2K容量的串行CMOS E2PROM--CAT24WC02,它是低電壓(1.8~6V),、低功耗,、長壽命(一百萬次編程和擦除周期)的器件,,采用I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,,使用方便。用來存儲總購水量,、總用水量,、上次購水量、卡號,、水表狀態(tài)等信息,。接口電路如圖2所示。

 

  

  圖2 I2C器件接口電路

 

  3,、TM卡讀寫電路

  信息的載體--TM卡,,采用單總線協(xié)議通訊,所有的讀寫操作均經(jīng)一信號線(總線)和地線完成,,所以讀寫電路極簡單,。在次不做詳細(xì)闡述。

  4、LCD顯示控制電路

  LCD驅(qū)動器采用HT1621,,它是128點(diǎn),、內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動器,特有的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場合,,用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條,。在本設(shè)計(jì)中,采用電阻和PNP三極管來控制HT1621的電源,,降低功耗,,延長LCD的使用壽命。LCD平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài),,當(dāng)有TM卡插入,、并確認(rèn)有效卡或有其它狀況時(shí),LCD開啟并顯示本次購水,、已用水量,、可用水量、閥門狀態(tài)等信息,。

  5,、水量計(jì)量電路

  水表的基表采用符合ISO4064B標(biāo)準(zhǔn)的單流旋翼式冷水水表,技術(shù)參數(shù)如表1所示,。該表計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)與測量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動,,采用干簧管水量計(jì)量發(fā)訊,每流經(jīng)10升水時(shí)產(chǎn)生一脈沖,;表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置,,具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力。水量計(jì)量脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機(jī),,每輸入一個(gè)脈沖,,在存儲器中減去相應(yīng)水量。

 

  表1單流旋翼式冷水水表技術(shù)參數(shù)

  摘要: 隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,,金卡工程的全面實(shí)施,,自來水收費(fèi)管理也必將朝著電子化、信息化方向發(fā)展,。本文以TM卡式智能水表控制系統(tǒng)為研究對象,,詳細(xì)論述了TM卡水表的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)地介紹了基于單片機(jī)的TM卡水表控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn),,采用軟硬件結(jié)合的技術(shù),,提出了系統(tǒng)的抗干擾措施。

 

  1 引言

 

  隨著社會科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,,資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重,,尤其是與人類生存息息相關(guān)的水資源,。隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)自來水收費(fèi)管理的電子化,、信息化及網(wǎng)絡(luò)化已成為可能,。水表系統(tǒng)的智能化可以大大提高供水管理部門的工作效率,節(jié)約費(fèi)用,,用以改善供水設(shè)施,,提高居民飲用水質(zhì)量。本文以一種智能卡式水表控制系統(tǒng)為研究對象,,它結(jié)合了控制技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面技術(shù),是一種跨專業(yè)的電子信息化系統(tǒng),。

 

  2 智能水表控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

 

  智能水表控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)水表的自動計(jì)量水流量,、讀寫TM卡、控制閥門,、顯示報(bào)警等功能,。控制系統(tǒng)電路由低功耗單片機(jī),、流量計(jì),、E2PROM存儲電路、TM卡讀寫電路,、LCD顯示控制電路,、閥門控制檢測電路、電壓檢測電路等組成,。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,。

 

  

  圖1 智能水表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

 

  當(dāng)用戶將含有購水量等信息的TM卡插入水表上卡座內(nèi)時(shí),控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通供水通道,。用戶每用一個(gè)計(jì)量單位(10升),,計(jì)量電路便發(fā)出一組計(jì)量脈沖序列,該脈沖序列如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效,,即可從已購水量中減去一個(gè)計(jì)量單位,。當(dāng)剩余水量達(dá)到報(bào)警值時(shí),液晶漢字顯示“請購水”,;當(dāng)水量為零時(shí),控制閥自動關(guān)閉,,水路即被切斷,,此時(shí)用戶須重新持卡購水。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),。

 

  3 智能水表控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

 

  TM卡水表控制系統(tǒng)由低功耗單片機(jī)、流量計(jì)量電路,、E2PROM存儲電路,、TM卡讀寫電路、LCD顯示控制電路,、閥門控制檢測電路,、電壓檢測電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成,。

  1,、單片機(jī)

  作為TM卡水表控制系統(tǒng)核心部件的微控制器采用PHILIPS 51LPC系列中的P87LPC764單片機(jī)。這種單片機(jī)運(yùn)行速度快,、編程靈活,、低功耗,自帶4K字節(jié)OTP程序存儲器,、128字節(jié)的RAM,,32字節(jié)用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設(shè)置參數(shù),并且具有豐富的I/O功能和較強(qiáng)的中斷能力,,能夠很好地滿足TM卡水表控制系統(tǒng)高集成度,、低成本、低功耗的要求,。

  2,、E2PROM存儲電路

  在智能卡水表控制系統(tǒng)中,信息的存儲是非常重要的方面,。因此,,在本控制系統(tǒng)中,存儲器采用2K容量的串行CMOS E2PROM--CAT24WC02,,它是低電壓(1.8~6V),、低功耗、長壽命(一百萬次編程和擦除周期)的器件,,采用I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,,使用方便。用來存儲總購水量,、總用水量,、上次購水量、卡號,、水表狀態(tài)等信息,。接口電路如圖2所示。

 

  

  圖2 I2C器件接口電路

 

  3,、TM卡讀寫電路

  信息的載體--TM卡,,采用單總線協(xié)議通訊,,所有的讀寫操作均經(jīng)一信號線(總線)和地線完成,所以讀寫電路極簡單,。在次不做詳細(xì)闡述,。

  4、LCD顯示控制電路

  LCD驅(qū)動器采用HT1621,,它是128點(diǎn),、內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動器,特有的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場合,,用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條,。在本設(shè)計(jì)中,采用電阻和PNP三極管來控制HT1621的電源,,降低功耗,,延長LCD的使用壽命。LCD平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài),,當(dāng)有TM卡插入,、并確認(rèn)有效卡或有其它狀況時(shí),LCD開啟并顯示本次購水,、已用水量,、可用水量、閥門狀態(tài)等信息,。

  5,、水量計(jì)量電路

  水表的基表采用符合ISO4064B標(biāo)準(zhǔn)的單流旋翼式冷水水表,技術(shù)參數(shù)如表1所示,。該表計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)與測量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動,,采用干簧管水量計(jì)量發(fā)訊,每流經(jīng)10升水時(shí)產(chǎn)生一脈沖,;表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置,,具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力。水量計(jì)量脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機(jī),,每輸入一個(gè)脈沖,,在存儲器中減去相應(yīng)水量。

 

  表1單流旋翼式冷水水表技術(shù)參數(shù)

 

  6,、閥門控制檢測電路

  閥門控制是水表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感部分,,關(guān)啟閥門的可靠性差,將會給供水部門帶來很大的問題,。因此,,我們自行設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)巧妙、關(guān)閉可靠,、DC2.6-3.6V控制的電動陶瓷閥門,,有效地解決閥門關(guān)閉不可靠問題。如圖3所示為電動閥門的正反控制電路,,當(dāng)正向端輸入高電平,,反向端輸入低電平時(shí),閥門開啟,;反之,,閥門閉合。當(dāng)單片機(jī)P1.6口輸入低電平,、P1.7口輸入高電平時(shí),,三極管Q3、Q5,、Q6導(dǎo)通,,Q2、Q4,、Q7截止,,故正向端(ON)輸出高電平,反向端(OFF)輸出低電平,,開啟閥門,,開啟到位時(shí),由單片機(jī)P1.5口輸入檢測信號,,動作停止,;反之,三極管Q2,、Q4,、Q7導(dǎo)通,Q3,、Q5,、Q6截止,正向端輸出低電平,,反向端輸出高電平,,關(guān)閉閥門,同樣由單片機(jī)P1.6口輸入關(guān)閉到位檢測信號,。

 

  

  圖3 電動閥門的控制電路

 

  7,、電源電壓檢測電路

  為提高水表運(yùn)行的可靠性和安全性,采用分級電源電壓實(shí)時(shí)檢測,,電壓實(shí)時(shí)檢測芯片采用RH5VL28和RH5VL30,。當(dāng)電源電壓正常時(shí),芯片的Vout腳為高電平,;當(dāng)電源電壓小于3.0V時(shí),,RH5VL30的Vout腳輸出低電平,,單片機(jī)檢測到該信號后,控制液晶顯示模塊顯示欠壓,,并關(guān)閥警告,,提示用戶更換電池;當(dāng)電源電壓小于2.8V時(shí),,RH5VL28的Vout腳輸出低電平,,單片機(jī)檢測到該信號后,徹底關(guān)閥,,直到用戶更換完電池,。

  8、電源及實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

  單片機(jī)系統(tǒng)功耗的高低往往和電源電壓的大小成正比,,因此在以電池供電的系統(tǒng)中,,在滿足性能要求的前提下,盡可能選擇低的供電電壓,。為此,,我們采用武漢力興公司ER14505型DC3.6V/2.0Ah一次性鋰-亞硫酰氯電池作為系統(tǒng)電源,以充分利用單片機(jī)和外圍器件的低電壓,、低功耗特性,。

  在TM卡式水表的實(shí)際應(yīng)用中,用戶因某些原因可能長期不使用,。因此,,電池在長時(shí)間微電流放電(相當(dāng)于儲存時(shí)的自放電)后,內(nèi)阻將上升,,電池的瞬時(shí)驅(qū)動能力下降,,極有可能影響電控閥門的動作或者產(chǎn)生欠壓,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。但同時(shí),,電池可能還有足夠的容量使用,如果因此而更換電池又將增加水表的使用成本,。為解決這個(gè)問題,,我們在控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)時(shí)鐘電路,每隔一個(gè)月的時(shí)間,,時(shí)鐘芯片(PCF8563)產(chǎn)生中斷,,單片機(jī)接受后,控制閥門開啟,、關(guān)閉,,使電池定時(shí)產(chǎn)生比較大電流的放電,降低電池內(nèi)阻,改善電池的性能,,進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、可靠性以及免維護(hù)性。

 

  4 智能水表控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

 

  如果說硬件電路是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)的話,,那么控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂,??刂栖浖脑O(shè)計(jì)的好壞,,直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的性能。在本系統(tǒng)中,,考慮到P87LPC764單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲器的大小,,運(yùn)行速度以及程序的易讀性、可維護(hù)性等,,采用了51匯編語言編寫,、模塊化的方法編制。

  TM卡水表控制系統(tǒng)的軟件主要由主程序,、中斷服務(wù)程序,、子程序等組成。主程序主要是單片機(jī)及接口芯片的初試化,、自檢,、進(jìn)入掉電狀態(tài)等;中斷服務(wù)程序包括水量計(jì)量中斷,、插卡中斷,、磁干擾輸入中斷、欠壓中斷和月報(bào)警中斷等,;子程序主要有LCD顯示,,存儲器的讀寫和延時(shí)程序等。整個(gè)水表控制系統(tǒng)平時(shí)處在掉電狀態(tài)下,,當(dāng)有外部中斷信號時(shí),,才從睡眠中喚醒,執(zhí)行程序,。如圖4是控制系統(tǒng)主程序流程,。P87LPC764單片機(jī)具有較強(qiáng)的中斷功能,四個(gè)優(yōu)先級別的中斷結(jié)構(gòu),,最多可支持11個(gè)中斷源,。在本控制系統(tǒng)中,考慮到單片機(jī)平時(shí)都是在掉電模式下,,因此,,系統(tǒng)所應(yīng)用的中斷類型應(yīng)該具有把P87LPC764單片機(jī)喚醒的能力。為此,控制系統(tǒng)中所用到的中斷都采用了P87LPC764中很簡便的,、具有喚醒功能的KBI中斷,,并對每個(gè)中斷源設(shè)定了優(yōu)先級,比如水量計(jì)量中斷優(yōu)先級設(shè)置為最高等,。

 

  

  圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖

 

  5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

 

  1,、為防止用戶采用電磁干擾來進(jìn)行偷水、竊水的活動,,另外增加了一個(gè)防人為電磁干擾的措施,。即和計(jì)量發(fā)訊干簧管并排再放置一干簧管,但它的觸動開關(guān)值比發(fā)訊干簧管稍高,,因此,,當(dāng)用戶用電磁進(jìn)行干擾時(shí),只要磁力高過一定限值,,防電磁干擾的干簧管閉合,,單片機(jī)檢測到此信號即可進(jìn)行相應(yīng)操作,有效防止人為的電磁干擾現(xiàn)象,。

  2,、在電路板的電源和地之間并接去耦電容,即10μF的電解電容和一個(gè)0.1μF的電容,,來消除電源干擾,。在要求電源質(zhì)量不是很高的智能水表系統(tǒng)中,取得了比較好的效果,。

  3,、電路板是電路系統(tǒng)中器件、信號線,、電源線的高度集合體,,電路板設(shè)計(jì)的好壞對抗干擾能力影響很大,所以印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)必須符合抗干擾的設(shè)計(jì)原則,。

 

  本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

 

  本文主要介紹了TM卡水表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),,該系統(tǒng)動作可靠、計(jì)量精確,、抗干擾能力強(qiáng),、能耗低;收費(fèi)管理系統(tǒng)界面友好,,數(shù)據(jù)安全,,簡單易用,工作效率大大提高,。

 

  參考文獻(xiàn):

 ?。?] 胡海剛.PHILIPS 51LPC系列單片機(jī)低功耗設(shè)計(jì)[J],。機(jī)電工程,2002,,19(2):18-20.

 ?。?] 胡桃.IC卡預(yù)付費(fèi)水表的應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]。給水排水,,2002(2):76-79.

 ?。?] 王云兒,邱德玉,,江清軍,。基于IC卡的水表及收費(fèi)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J],。計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),,2001,23(2):105-107.

 ?。?] 李向明,井俊凱,,孫軍,,劉明蘭。 基于MSP430F413的IC卡式智能水表的研制[J],。 微計(jì)算機(jī)信息,, 2007, 6-2: 87-88

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