1 引言

　　隨著社會(huì)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(guó)信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)自來(lái)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(mén)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(duì)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(dòng)計(jì)量水流量、讀寫(xiě)TM卡、控制閥門(mén)、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(chǔ)電路、TM卡讀寫(xiě)電路、LCD顯示控制電路、閥門(mén)控制檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)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(gòu)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(kāi)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(gòu)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(qǐng)購(gòu)水”;當(dāng)水量為零時(shí),控制閥自動(dòng)關(guān)閉,水路即被切斷,此時(shí)用戶須重新持卡購(gòu)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(chǔ)電路、TM卡讀寫(xiě)電路、LCD顯示控制電路、閥門(mén)控制檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成。

　　1、單片機(jī)

　　作為T(mén)M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(chǔ)器、128字節(jié)的RAM,32字節(jié)用戶代碼區(qū)可用來(lái)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(chǔ)電路

　　在智能卡水表控制系統(tǒng)中,信息的存儲(chǔ)是非常重要的方面。因此,在本控制系統(tǒng)中,存儲(chǔ)器采用2K容量的串行CMOS E2PROM--CAT24WC02,它是低電壓（1.8～6V）、低功耗、長(zhǎng)壽命（一百萬(wàn)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(lái)存儲(chǔ)總購(gòu)水量、總用水量、上次購(gòu)水量、卡號(hào)、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(xiě)電路

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

　　4、LCD顯示控制電路

　　LCD驅(qū)動(dòng)器采用HT1621,它是128點(diǎn)、內(nèi)存映象和多功能的LCD驅(qū)動(dòng)器,特有的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場(chǎng)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(lái)控制HT1621的電源|穩(wěn)壓器,降低功耗,延長(zhǎng)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(kāi)啟并顯示本次購(gòu)水、已用水量、可用水量、閥門(mén)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(cè)量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動(dòng),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(guò)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(chǔ)器中減去相應(yīng)水量。

　　6、閥門(mén)控制檢測(cè)電路

　　閥門(mén)控制是水表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感部分,關(guān)啟閥門(mén)的可靠性差,將會(huì)給供水部門(mén)帶來(lái)很大的問(wèn)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(dòng)陶瓷閥門(mén),有效地解決閥門(mén)關(guān)閉不可靠問(wèn)題。如圖3所示為電動(dòng)閥門(mén)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(mén)開(kāi)啟;反之,閥門(mén)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(kāi)啟閥門(mén),開(kāi)啟到位時(shí),由單片機(jī)P1.5口輸入檢測(cè)信號(hào),動(dòng)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(mén),同樣由單片機(jī)P1.6口輸入關(guān)閉到位檢測(cè)信號(hào)?！　　　　　　?/p>

　　　　　圖3 電動(dòng)閥門(mén)的控制電路

　　7、電源電壓檢測(cè)電路

　　為提高水表運(yùn)行的可靠性和安全性,采用分級(jí)電源電壓實(shí)時(shí)檢測(cè),電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)到該信號(hào)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(cè)到該信號(hào)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(zhǎng)期不使用。因此,電池在長(zhǎng)時(shí)間微電流放電（相當(dāng)于儲(chǔ)存時(shí)的自放電）后,內(nèi)阻將上升,電池的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)能力下降,極有可能影響電控閥門(mén)的動(dòng)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(wèn)題,我們?cè)诳刂葡到y(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(mén)開(kāi)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(shuō)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(chǔ)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(yǔ)言編寫(xiě)、模塊化的方法編制。

T　　M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(chǔ)器的讀寫(xiě)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(hào)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(jí)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(jiǎn)便的、具有喚醒功能的KBI中斷,并對(duì)每個(gè)中斷源設(shè)定了優(yōu)先級(jí),比如水量計(jì)量中斷優(yōu)先級(jí)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(lái)進(jìn)行偷水、竊水的活動(dòng),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(dòng)開(kāi)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(guò)一定限值,防電磁干擾的干簧管閉合,單片機(jī)檢測(cè)到此信號(hào)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(lái)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(hào)線、電源線的高度集合體,電路板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)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。