江靜 張雪松

(1.華北科技學(xué)院機電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.東北電子技術(shù)研究所光電信息安全控制試驗室，河北三河 065201)

基于AT89S52控制的非接觸式智能水表的設(shè)計①

江靜1②張雪松2

(1.華北科技學(xué)院機電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.東北電子技術(shù)研究所光電信息安全控制試驗室，河北三河 065201)

以基于射頻IC卡的智能水表系統(tǒng)為研究對象，探討了基于AT89S52低功耗單片機在智能水表上的應(yīng)用。首先提出預(yù)付費智能水表系統(tǒng)的設(shè)計方案;其次對系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計;再次介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計原則以及控制流程。實際測試證明，該智能水表系統(tǒng)具有可靠性強、功耗低、精度高等特點，達到了預(yù)期的設(shè)計目標。

預(yù)付費智能水表;射頻IC卡;低功耗單片機;

0 引言

長期以來，我國城鎮(zhèn)居民都是先用水后交費，采用人工抄表、按戶收費的方式。但是該方式存在著工作量大，收費周期長，收費困難，效率低下等缺點［1］。開發(fā)智能化水表系統(tǒng)，從根本上改變用戶先用水后交費的現(xiàn)狀，成為供水機構(gòu)著力需要解決的問題。

射頻IC卡智能水表是一款具有預(yù)付費功能的計量裝置［2］，它是以干式水表為基表，加裝高可靠性自動控制裝置組成。該智能表能夠按用戶預(yù)付費購得的水量，自動開閥供水，剩余水量到報警值或為零時，自動關(guān)閥中斷供水，LCD顯示屏可顯示表的各種狀態(tài)字，提醒用戶進行購水或更換電池等操作［3］，適用于城市居民自來水的計量和收費，避免了偷水、漏水、冒水事件的發(fā)生，通過電子計費達到了節(jié)水和科學(xué)管理的目的同時改變了傳統(tǒng)的城市供水管理方式。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

射頻卡智能水表的工作原理是，在普通轉(zhuǎn)盤計數(shù)的水表中加裝干簧管和永磁鐵，在信號端產(chǎn)生兩個計量脈沖［4］。當(dāng)接收到有效計量脈沖時，單片機由休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式，由微處理器執(zhí)行相應(yīng)的計費程序。水表內(nèi)預(yù)先存儲階梯水價及相關(guān)用水參數(shù)，智能水表能根據(jù)當(dāng)月用水量實時地核算出水表內(nèi)的剩余金額。

采用ATMEL公司的AT89S52低功耗，高性能CMOS 8位單片機作為控制單元［5］。對水表而言，閥門是被控對象，控制著進水的開/關(guān)狀態(tài)，本設(shè)計中采用球閥，低功耗、耐高溫、壓力損失小，并且球閥易維護。為了有效防止各種可能的干擾抖動而產(chǎn)生的多計數(shù)現(xiàn)象，本設(shè)計中采用雙干簧管傳感器作為流量傳感器，實現(xiàn)流量的計量。采用射頻讀寫芯片MF RC500作為輸入接口，當(dāng)IC卡貼近感應(yīng)區(qū)時，通過讀卡芯片讀入所購水量并和水表內(nèi)剩余水量累加，同時將卡上購水量單元清零，總用水量實時累計，并寫入射頻卡水表內(nèi)存儲器。采用OCMJ4X8A液晶顯示器作為智能水表的輸出接口，顯示費用、剩余水量、電池狀態(tài)及開關(guān)狀態(tài)等信息。

2 硬件電路

基于射頻IC卡智能水表硬件部分主要包括微處理器、升壓電路、電源檢測電路、脈沖采集電路、閥門控制電路、射頻IC卡讀/寫電路、數(shù)據(jù)存儲器電路、液晶顯示電路、泄漏檢測電路及聲音報警電路等。具體分析微處理器、升壓電路、電源檢測電路、流量傳感器的選型、射頻IC卡讀/寫電路以及液晶顯示電路。

2.1 微處理器部分

智能水表是一個小型的電池供電系統(tǒng)，CPU的選型應(yīng)著重從低電壓、低功耗、高帶載能力考慮。選用低功耗、高性能的CMOS 8位單片機AT89S52。片內(nèi)含8k Flash只讀程序存儲器，兼容標準MCS－51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器。微處理器部分如圖1所示。

圖1 單片機AT89S52

2.2 鋰電池升壓電路

本設(shè)計采用鋰電池供電，一節(jié)鋰電池電壓只有3.6V，而單片機工作電壓是5V，因此需要升壓電路來實現(xiàn)5V的電壓。需要采用MAX756轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。電路如圖2所示，為了提高輸入電壓和輸出電壓的質(zhì)量，分別在其輸入點和輸出點設(shè)置電容濾波器，在本電路中，輸入端采用C23(150uF)電容濾波，輸出端采用C24 (10uF)電容濾波。L3與C23組成LC濾波電路，如果把伴有許多干擾信號的直流電通過LC濾波電路，交流干擾信號將被電容變成磁感和熱能消耗掉。

圖2 鋰電池升壓電路

2.3 電源檢測電路

本系統(tǒng)采用鋰電池作為供電電源，使用一段時間后，電池電量會減少，為了保證整個系統(tǒng)，特別是閥門的正常工作，需要對電源進行實時檢測。當(dāng)電能不能滿足系統(tǒng)要求時，及時報警提醒用戶更換電池。具體地講，應(yīng)該在系統(tǒng)掉電到一個門限電壓時，通過相應(yīng)的電壓檢測電路把信號傳遞給CPU，及時對系統(tǒng)進行軟件復(fù)位。采用低電壓檢測芯片HT7033進行電壓檢測，電源檢測電路如圖3所示。當(dāng)電壓正常時，芯片的VOUT腳為高電平;當(dāng)電源電壓小于3.3V時，HT7033的VOUT腳輸出低電平，單片機檢測到該信號后，徹底關(guān)閥并且報警，直到用戶更換完電池。

圖3 電源檢測電路

2.4 流量傳感器的選型

目前，普遍采用的磁敏元件有干簧管和霍爾元件兩種［6］。干簧管因其靜態(tài)時的零功耗性能在電池供電的微功耗智能水表中占有明顯的優(yōu)勢，而優(yōu)質(zhì)干簧管100萬次以上的工作壽命也完全能滿足水表的使用周期。

在實際生活中，我們經(jīng)常會遇見這樣的情況：當(dāng)自來水管中進入一定量的空氣后，打開籠頭用水，水管會瞬間不停震動，如果此時磁鋼與干簧管的位置剛好處于臨界狀態(tài)，就會不停地將脈沖信號發(fā)給CPU，使CPU無法正確計數(shù)。然而，雙干簧管雙脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機計數(shù)，當(dāng)兩個脈沖輸入端依次有脈沖輸入的時候才產(chǎn)生一個有效脈沖計數(shù)，兩個脈沖有互鎖功能，P2.6和P2.7作為脈沖輸入端。當(dāng)兩個輸入端依次有脈沖輸入時，定時器T1產(chǎn)生中斷，從而對脈沖信號進行計數(shù)，進而實現(xiàn)水流量的計量。也就是說單一的一個干簧管即使多次閉合也無效，從而有效地解決了臨界點顫動而誤發(fā)信號的問題。同時，這種設(shè)計還可以有效防止人為附加磁鐵而造成的計數(shù)不準，因為當(dāng)單片機檢測到兩管同時閉合時，便認為有外磁干擾，停止計數(shù)并同時報警，如圖4所示：

圖4 雙干簧管傳感器

2.5 射頻卡讀寫電路

讀寫模塊的硬件設(shè)計中關(guān)鍵有兩個部分。一是單片機與MF RC500芯片的連接，這是實現(xiàn)單片機控制MF RC500正常工作的硬件基礎(chǔ)。二是讀寫模塊的天線部分的設(shè)計及其與射頻讀寫芯片的連接，這部分的性能將直接決定射頻讀寫操作能否正常進行。

讀寫電路主要是由AT89S52對MF RC500進行控制與通信，MF RC500驅(qū)動外圍電路對Mifare1卡進行讀寫操作。讀卡時，卡片內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫電路的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電有了電荷。當(dāng)電容器充電達到2V時，此電容就作為電源為卡片上的其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器發(fā)來的數(shù)據(jù)與保存，如圖5所示。

圖5 讀寫電路基站部分

2.6 顯示電路

顯示電路作為水表的輸出接口，顯示費用、剩余水量、電池狀態(tài)及開關(guān)狀態(tài)等信息。本設(shè)計中顯示模塊采用OCMJ4X8A液晶顯示屏，可以方便地顯示漢字及圖形;可一次顯示系統(tǒng)所有狀態(tài)信息;電路結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，功耗低。在水表蓋上安裝一個行程開關(guān)，當(dāng)關(guān)上水表蓋時，撞擊行程開關(guān)，使開關(guān)斷開，關(guān)閉LCD電源，不顯示數(shù)據(jù);當(dāng)打開水表蓋時，松開行程開關(guān)，LCD電源接通，正常顯示數(shù)據(jù)，液晶顯示電路如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路

3 軟件設(shè)計

主程序主要用于控制水量多少及關(guān)閥判斷，平時處于睡眠狀態(tài)。單片機上電復(fù)位后主程序采用順序執(zhí)行的方法，逐個掃描各個自定義標志位，檢查是否有動作發(fā)生，若有發(fā)生則轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序處理，處理完后回到主程序，繼續(xù)掃描其后的標志位，最后進入低功耗狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒，喚醒后同樣循環(huán)一遍，又進入低功耗狀態(tài)。

主要軟件模塊包括：射頻卡讀寫模塊，漏水檢測模塊，脈沖計量模塊，低電壓檢測模塊等，如圖7所示。上電后首先對系統(tǒng)進行初始化。初始化包括對內(nèi)部存儲器單元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶顯示的設(shè)置等。接著進入主循環(huán)，判斷故障、電源電壓是否正常等，若一切正常則開閥供水。無論在什么情況下只要有低電壓信號出現(xiàn)，系統(tǒng)就提示欠壓，蜂鳴器報警，液晶顯示，提示用戶更換電池。當(dāng)剩余水量低于設(shè)定值時，系統(tǒng)液晶顯示提醒用戶“請購水”，如果用戶沒有及時購水重新插卡充值，當(dāng)剩余水量為負時，系統(tǒng)控制閥門關(guān)閉，停止供水。

當(dāng)表內(nèi)剩余水量＜N元時(N的取值取決于當(dāng)?shù)氐钠骄畠r與預(yù)留水量1噸的乘積)，表內(nèi)蜂鳴器發(fā)出提示音，以提醒用戶水量剩余不多，請速購水。表內(nèi)剩余量為0時，切斷閥門，停止供水，從而完成用水必須先交費的方式。射頻卡中斷程序在射頻卡貼近感應(yīng)區(qū)時，讀取卡中數(shù)據(jù)，執(zhí)行購水量的累加，并打開閥門恢復(fù)供水。主程序在被喚醒后，執(zhí)行一次程序后進入睡眠狀態(tài)。

圖7 主流程圖

4 結(jié)論

本文主要工作完成了射頻IC卡智能水表的設(shè)計，以智能水表為研究對象，首先對預(yù)付費IC卡水表進行了系統(tǒng)的研究;然后以低功耗微處理器AT89S52為核心，采用無線射頻(RFID)技術(shù)，實現(xiàn)了非接觸式IC卡智能水表的設(shè)計。由于水表采用電池供電，因此重點進行了系統(tǒng)的低功耗研究和設(shè)計，在論證確定系統(tǒng)整體方案后，從電路硬件和軟件兩方面入手，對系統(tǒng)進行整體設(shè)計。

［1］姚存治.智能水表及集中抄表的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.中國科技博覽，2009，(18)：103－104

［2］游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004

［3］王愛英.智能卡技術(shù)－IC卡［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000

［4］劉錚.非接觸式射頻IC卡技術(shù)應(yīng)用與研究［D］.湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002

［5］王幸之.AT89系統(tǒng)單片機原理與接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004

［6］韓樹屏，李烜.智能水表的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望［J］.機械制造與自動化，2008，(4)：88－90

Design of contactless intelligent water meter based on AT89S52

JIANG Jing1，ZHANG Xuesong2

(1.Department of Mechanics and Electricity Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601;2.Electro－optical Information Security Control Laboratory，Northeast Institute of Electronics Technology，Sanhe Hebei065201)

The system of intelligent water meter based on radio frequency IC card was studied.Low－power single－chip microcontroller AT89S52 in the application of intelligent water meter was discussed.This paper proposes the program about prepayment intelligent water meter;the structure of hardware circuit is designed and the principles of software design and system control main flow are introduced.The test proved that intelligent water meter has high reliability，low power consumption and high precision，so as to achieve the expected aims.

prepayment intelligent water meter;radio frequency IC card;low－power single－chip microcontroller

TP271+.5

A

1672－7169(2012)01－0078－04

2012－01－06。基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(JD1201B)。

江靜(1979－)，女，江蘇連云港人，碩士，中國礦業(yè)大學(xué)博士研究生，華北科技學(xué)院機電工程學(xué)院講師，研究方向：為控制理論與控制工程。