郭愛云，帥偉，劉天宋

(常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電工程系，江蘇常州213025)

水表的智能化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭愛云，帥偉，劉天宋

(常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電工程系，江蘇常州213025)

基于單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗原理，設(shè)計(jì)了低功耗IC卡智能水表的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ATMEL公司的89LV51單片機(jī)為核心,外接了傳感器、LCD顯示器和開關(guān)電磁閥等子模塊。通過對(duì)樣機(jī)的測(cè)試，結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡數(shù)據(jù)的讀寫及顯示，并可根據(jù)卡內(nèi)余額執(zhí)行電磁閥的開閉；當(dāng)系統(tǒng)完成處理工作后立即進(jìn)入掉電狀態(tài)，靜態(tài)功耗很低。

IC卡;低功耗設(shè)計(jì);單片機(jī)系統(tǒng);智能水表

Abstract：A low power intelligent IC card water meter system was designed and implemented based on the basic philosophy of low power design for single chip processor system.The low power intelligent IC card water meter system consists of sensors,LCD,electromagnetic valves and control unit taking 89LV51 single chip computer by ATMEL as the core. By testing the experimental prototype,the results indicated that the system could display,read and write IC card data, and could also open and close the electromagnetic valves.The system could realize lower power consumption when it entered into the state of power down after finishing processing work.

Key words：IC card；low power design；SCM system；intelligent water meter

長(zhǎng)期以來，我國(guó)城鎮(zhèn)居民所使用的水表普遍是普通機(jī)械旋翼濕式水表，這種水表價(jià)格低、性能較穩(wěn)定。然而，隨著社會(huì)的發(fā)展，面對(duì)諸多高層建筑和生活小區(qū)，傳統(tǒng)水表讀數(shù)困難、抄表麻煩的問題便充分暴露出來。針對(duì)上述情況，國(guó)家建設(shè)部提出了城鎮(zhèn)居民住宅“三表出戶”的要求[1]。

國(guó)外在新型水表的研究設(shè)計(jì)起步較早。例如：ABB公司的KENT水表采用充電電池，具有按鍵讀數(shù)，可以顯示日期及各戶用水量，兼有機(jī)械式和電子式讀數(shù)功能，并且還配備IBM PC兼容機(jī)接口，可以進(jìn)行電話通信；德國(guó)Sameco公司的新型水表可顯示上一年與本年度的用水量以及日期與時(shí)間等，并開發(fā)電卡式水表。此外，日本、以色列等國(guó)也相繼推出了自己的新產(chǎn)品。

我國(guó)的水表生產(chǎn)應(yīng)該適當(dāng)借鑒國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)[2]。目前，以單片機(jī)為處理核心實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的采樣與累加已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。本文正是基于單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗原理，設(shè)計(jì)了一種低功耗IC卡智能水表的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)

1.1 主要功能

本文設(shè)計(jì)的實(shí)用水表系統(tǒng)主要功能有：①自動(dòng)識(shí)別卡號(hào)，并計(jì)算核對(duì)密碼；②隨時(shí)查詢剩余水量；③用水量自動(dòng)記數(shù)及累計(jì)用水功能；④防盜水功能；⑤可根據(jù)用戶要求設(shè)定報(bào)警水量下限；⑥當(dāng)水量達(dá)到設(shè)定最小下限值時(shí)，報(bào)警提示用戶購水并關(guān)閥，再次插入IC卡可繼續(xù)用水，當(dāng)全部用盡后系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閥斷水；⑦自動(dòng)判別電源電壓，低于設(shè)定電壓值時(shí)，顯示欠壓并關(guān)閥切斷供水。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)：①靜態(tài)<50 μA，瞬時(shí)工作電流<50 mA；②環(huán)境溫度-10～50 ℃；③顯示范圍0.1～999.99 t；④讀卡10萬次；⑤水量用盡自動(dòng)關(guān)閥斷水；⑥電池可維持6年；⑦當(dāng)受強(qiáng)磁干擾、信號(hào)線被剪斷，系統(tǒng)在液晶上顯示誤操作并強(qiáng)行關(guān)閥斷水。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

本文研制了一功耗低、安全可靠、體積較小的實(shí)用水表系統(tǒng)。根據(jù)該系統(tǒng)的功能和指標(biāo)要求，總體硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體硬件組成框圖

在本系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為主要的控制器件；IC卡單元包含IC卡和卡座，卡座提供IC卡與單片機(jī)通訊的接口；液晶顯示主要用來顯示用戶水表中的金額和相關(guān)的提示信息；閥門及驅(qū)動(dòng)用于控制水源的開關(guān)，由于這部分的電磁干擾較大，所以應(yīng)做好防電磁干擾工作[3]。

按上述的框圖所設(shè)計(jì)的IC卡水表可以滿足系統(tǒng)的功能要求[4]。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，為上述各組成單元選擇合理的器件，嚴(yán)格按照單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的理論依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以完成系統(tǒng)的指標(biāo)要求。由于采用鋰電池直接給單片機(jī)系統(tǒng)供電，避免了電源轉(zhuǎn)換造成的系統(tǒng)功耗(通常為30%左右)，使電池的電能被充分利用。

2.2 工作原理

水表用水信號(hào)經(jīng)整形放大送到CPU記數(shù)。IC卡插入卡座后，單片機(jī)復(fù)位，將卡中購水量讀入且與本機(jī)系統(tǒng)剩水量相加后存于X24C02的E2PRON中，并開閥送水。

每用0.1 t水，傳感器會(huì)發(fā)來1個(gè)用水信號(hào)，并喚醒CPU，進(jìn)行1次記數(shù)(水量減0.1 t)且在液晶上顯示當(dāng)前所剩水量；如果當(dāng)前所剩余的水量達(dá)到用水量下限值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警(用水下限值可根據(jù)用戶要求自行設(shè)定)提醒用戶購水；水量用盡時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閥斷水。

2.3 系統(tǒng)各單元說明

2.3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用AT89LV51單片機(jī)，它是ATMEL 公司生產(chǎn)的與MCS-51系列單片機(jī)指令兼容的單片機(jī)。AT89LV51是一種帶4 kB閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，該器件采用ATMEL高密度、非易失存儲(chǔ)器技術(shù)制造。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，AT89LV51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

2.3.2 X24C02芯片

X24C02支持I2C雙向二線制串行總線及其傳輸規(guī)約，一般把傳送數(shù)據(jù)到總線上的器件定義為發(fā)送器，接收數(shù)據(jù)的器件定義為接收器。

串行E2PROM在系統(tǒng)中總是作為從機(jī)工作，總線必須由1片可以產(chǎn)生串行時(shí)鐘(SCL)的主器件控制。通常這個(gè)主器件就是微處理器或微控制器，控制其總線訪問和產(chǎn)生“啟動(dòng)”和“停止”信號(hào)。

微處理器和E2PROM都可以作為發(fā)送器和接收器，在對(duì)E2PROM進(jìn)行寫操作時(shí)，微處理器是發(fā)送器，串行E2PROM是接收器，而在讀操作時(shí)則相反。但是，哪一種操作方式被激活則是由微處理器確定。

2.3.3 液晶顯示

SMS0504 LCM液晶顯示如圖2所示，地址映射表如表1所示。

本系統(tǒng)采用SMS0504 LCM液晶顯示的主要技術(shù)參數(shù)：①顯示容量為5位數(shù)字+4段漢字+1個(gè)小數(shù)點(diǎn)；②芯片工作電壓為2.5～5.0 V；③工作電流為18 μA；④字高11.0 mm；⑤環(huán)境相對(duì)濕度<85%；⑥顯示方式為反射式正顯示；⑦存儲(chǔ)溫度-20～+60 ℃；⑧接口方式為二線式串行接口。

2.3.4 IC卡的選擇

考慮到安全、保密、實(shí)用、可靠及產(chǎn)品成本的因素，決定采用加密邏輯卡，這種卡存儲(chǔ)信息量大，安全保密性好，成本也較低，比較適合應(yīng)用在低功耗IC卡水表系統(tǒng)中[5]。同時(shí)，分析比較了各IC卡生產(chǎn)廠家的邏輯加密卡產(chǎn)品之后，選用由西門子公司生產(chǎn)的SLE4442型邏輯加密存儲(chǔ)卡。

SLE4442存儲(chǔ)卡具有256 B的E2PROM存儲(chǔ)空間，并帶有32位保護(hù)存儲(chǔ)區(qū)，其最小讀寫次數(shù)可以達(dá)到1萬次，而其中的數(shù)據(jù)可以保存10年以上。SLE4442上電后，除了密碼以外，卡中的數(shù)據(jù)都是可讀的。如果要改寫卡中內(nèi)容，就必須校驗(yàn)密碼。若密碼校驗(yàn)不正確，則誤碼計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)記校驗(yàn)失敗的次數(shù)；當(dāng)密碼校驗(yàn)失敗達(dá)到3次時(shí)，則不能改寫卡中內(nèi)容；如果3次密碼校驗(yàn)中有1次正確，則誤碼計(jì)數(shù)器恢復(fù)為初始狀態(tài)。SLE4442的7個(gè)命令操作如表2所示。

注：Z1表示讀錯(cuò)卡；Z2表示誤操作；Z3表示購水；Z4表示欠壓。

表2 SLE4442的7個(gè)命令操作表

1)輸出數(shù)據(jù)模式。在此模式下，IC卡向接口設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。在CLK端的第1個(gè)下降沿I/O的第1個(gè)數(shù)據(jù)位有效，在最后4個(gè)數(shù)據(jù)位的后面應(yīng)當(dāng)跟1個(gè)時(shí)鐘脈沖來使得I/O端變?yōu)楦咦钁B(tài)，準(zhǔn)備接受下一個(gè)命令。在此模式下，任何起始和終止?fàn)顟B(tài)都是無效的。

2)讀寫處理模式。在此模式下，IC卡內(nèi)部進(jìn)行處理，時(shí)鐘脈沖持續(xù)輸入IC卡直至I/O端口由低電平變?yōu)楦咦钁B(tài)。在此模式下，任何起始和終止?fàn)顟B(tài)都無效的。

2.3.5 系統(tǒng)原理圖

最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 流程圖設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件由主程序和中斷子程序組成。主程序的主要作用是完成系統(tǒng)的初始化過程，然后關(guān)閉所有不需要的外圍電路電源，最后使系統(tǒng)進(jìn)入掉電狀態(tài)，等待中斷程序的進(jìn)入。整個(gè)系統(tǒng)的主要功能則是由中斷程序來完成的。

中斷程序主要包括讀寫卡程序、計(jì)量子程序、插卡中斷子程序、顯示子程序、電磁閥開關(guān)程序和低電壓中斷子程序。而中斷子程序則采用模塊化設(shè)計(jì)，調(diào)用不同的功能模塊程序來完成相應(yīng)的功能。主程序流程圖如圖4所示。

3.2 讀寫卡程序模塊

讀寫卡程序設(shè)計(jì)如下：

L0300: MOV 50H,#5EH ；放存儲(chǔ)卡的標(biāo)志

MOV 30H,#0A0H ；寫卡命令

MOV 34H,#01H

LCALL L0192 ；頁寫(或多字節(jié)寫)的子程序

MOV 30H,#0A1H ；讀卡命令

MOV 34H,#03H

LCALL L01BB ；頁讀子程序

MOV A,5AH

CJNE A,#0AH,1 ；企業(yè)標(biāo)志

MOV A,5BH

CJNE A,#0BH,TB1 ；企業(yè)標(biāo)志

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程圖

LJMP TE1

TB1: LCALL 107B0 ；插卡錯(cuò)

RET

TE1: MOV 59H,5CH ；卡類型的標(biāo)志

MOV A,59H

CJNE A,#0BAH,10346 ；清零卡

MOV 31H,#00H ；累計(jì)用水量的清零

MOV 32H,#00H

MOV 33H,#00H

MOV 41H,#00H ；剩余用水量的清零

MOV 40H,#00H

MOV 39H,#00H

MOV 47H,#00H

LCALL L07A0 ；顯示水量

LCALL L04F4 ；寫E2PROM(X24C02)讓累計(jì)用水量和剩余用水量清零

LCALL L07F0 ；關(guān)閥

RET

L0342: LCALL L07B0

RET

L0346: CJNE A,#03H,L034F

LJMP L043A ；打壓卡

NOP

NOP

NOP

L034F: MOV 50H,#40H ；不是打壓卡

MOV 34H,#01H

MOV 30H,#0A0H

LCALL L0192

MOV 30H,#0A1H

MOV 34H,#03H

LCALL L00BB

M0V R0,#5AH

MOV 35H,@R0

INC R0

MOV 37H,@R0

MOV A,59H

CJNE A,#01H,L0392

MOV DPH,#00H

MOV DPL,#54H

MOV R6,#03H

LCALL L0239

LJMP L0580

L0392: MOV DPH,#00H ；非首次卡

MOV DPL,#54H

MOV R0,#42H

MOV R6,#42H

LCALL L021C

MOV A,42H

CJNE A,35H,L0342

MOV A,43H

CJNE A,36H,L0342

MOV A,44H

CJNE A,37H,L0342

L043A: MOV 50H,#50H

MOV 30H,#0A0H

MOV 34H,#01H

LCALL L0192

MOV 30H,#0A1H

MOV 34H,#04H

LCALL L01BB

MOV R0,#5AH

MOV 4BH,@R0

INC R0

MOV 4CH,@R0

INC R0

MOV 4EH,@R0

3.3 開閥程序模塊

開閥程序設(shè)計(jì)如下：

BBCCC: SETB P1.7 ；開閥

CLR P1.3

CLR P1.6

SETB P1.4

LCALL L0575 ；延時(shí)

JJJJJ: JNB P1.7,JJJJJ

SETB P1.6

SETB P1.4

SETB P1.3

RET

3.4 關(guān)閥程序模塊

關(guān)閥程序設(shè)計(jì)如下：

L07F0: SETB P1.7

CLR P1.3

CLR P1.4

SETB P1.6

LCALL L0575

IIIII: JNB P1.7,IIIII

SETB P1.4

SETB P1.6

SETB P1.3

RET

4 結(jié)語

由于從硬件選擇、軟件程序編制和軟硬件結(jié)合等角度綜合考慮了系統(tǒng)的功耗問題，使得本水表系統(tǒng)的靜態(tài)功耗小于50 μA，因此，采用鋰電池供電，可維持6年，具有一定的實(shí)用性[6]。針對(duì)水表系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種干擾，采用了硬件、軟件多種抗干擾措施，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，保證了系統(tǒng)的計(jì)量精度。此外，采用了先進(jìn)的電子集成技術(shù)和精確的步線工藝，系統(tǒng)硬件電路部分體積大大縮小，使單片機(jī)系統(tǒng)非常容易安裝在傳統(tǒng)的水表上，由于采用的器件數(shù)目較少，系統(tǒng)易于維護(hù)[7]。本系統(tǒng)中所采用的器件都是國(guó)內(nèi)外較為流行的器件，其貨源充足、價(jià)格較低，且系統(tǒng)的電路板體積較小，故整體成本較低。

[1]王丁磊,吳杰.智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀[J].工業(yè)計(jì)量,2010(1):21-23.

[2]王魯紅,葉顯蒼,姚靈.智能水表核心技術(shù)的分析與展望[J].工業(yè)計(jì)量,2010(4):29-32.

[3]胡艷兵.供水行業(yè)計(jì)量系統(tǒng)防雷應(yīng)用解決方案[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2012(7):89-92，95.

[4]李娜,遲優(yōu)利.基于單片機(jī)的水表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2012(4):56-57，178.

[5]苗苗,李德寧,武雪燕.IC卡預(yù)付費(fèi)智能水表在供水行業(yè)的應(yīng)用與推廣[J].自動(dòng)化儀表,2014(3):52-54.

[6]申嶺.智能水表技術(shù)及應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量,2007(7):52-54.

[7]楊富斌.淺議IC卡水表性能及應(yīng)用[J].給水排水,2010(11):108-109.

責(zé)任編輯：陳 亮

Design and Implementation of an Intelligent Water Meter

GUO Aiyun，SHUAI Wei，LIU Tiansong

(Department of Mechanical and Electrical Engineering，Changzhou Liu Guojun Vocational Technology College,Changzhou 213025)

10.3969/j.issn.1671- 0436.2015.06.006

2015- 05-14

郭愛云(1983— )，女，碩士，講師。

TH715

A

1671- 0436(2015)06- 0025- 05