1 引言
隨著社會科學技術的高速發(fā)展，資源短缺現(xiàn)象日益嚴重，尤其是與人類生存息息相關的水資源。隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)自來水收費管理的電子化、信息化及網(wǎng)絡化已成為可能。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)約費用，用以改善供水設施，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，它結合了控制技術、計算機技術等多方面技術，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)的總體結構
智能水表控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)水表的自動計量水流量、讀寫TM卡、控制閥門、顯示報警等功能。控制系統(tǒng)電路由低功耗單片機、流量計、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。結構原理如圖1所示。
圖1 智能水表控制系統(tǒng)結構原理
當用戶將含有購水量等信息的TM卡插入水表上卡座內(nèi)時，控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通供水通道。用戶每用一個計量單位（10升），計量電路便發(fā)出一組計量脈沖序列，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計量單位。當剩余水量達到報警值時，液晶漢字顯示“請購水”；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。在正常情況下，控制閥處于接通狀態(tài)，只有當特殊事件發(fā)生時控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P閉狀態(tài)。
3 智能水表控制系統(tǒng)的硬件設計
TM卡水表控制系統(tǒng)由低功耗單片機、流量計量電路、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、實時時鐘電路等組成。
1、單片機
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。這種單片機運行速度快、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置參數(shù)，并且具有豐富的I/O功能和較強的中斷能力，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。在次不做詳細闡述。
4、LCD顯示控制電路
LCD驅動器采用HT1621，它是128點、內(nèi)存映象和多功能的LCD驅動器，特有的軟件配置特性使它適用于多種LCD應用場合，用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條。在本設計中，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平時處于關閉狀態(tài)，當有TM卡插入、并確認有效卡或有其它狀況時，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、水量計量電路
水表的基表采用符合ISO4064B標準的單流旋翼式冷水水表，技術參數(shù)如表1所示。該表計數(shù)機構與測量機構經(jīng)磁耦合傳動，采用干簧管水量計量發(fā)訊，每流經(jīng)10升水時產(chǎn)生一脈沖；表內(nèi)設有磁保護裝置，具有較強的抗外磁干擾能力。水量計量脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機，每輸入一個脈沖，在存儲器中減去相應水量。
表1單流旋翼式冷水水表技術參數(shù)
摘要： 隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，金卡工程的全面實施，自來水收費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，詳細論述了TM卡水表的設計和實現(xiàn)，系統(tǒng)地介紹了基于單片機的TM卡水表控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件實現(xiàn)，采用軟硬件結合的技術，提出了系統(tǒng)的抗干擾措施。
1 引言
隨著社會科學技術的高速發(fā)展，資源短缺現(xiàn)象日益嚴重，尤其是與人類生存息息相關的水資源。隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)自來水收費管理的電子化、信息化及網(wǎng)絡化已成為可能。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)約費用，用以改善供水設施，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，它結合了控制技術、計算機技術等多方面技術，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)的總體結構
智能水表控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)水表的自動計量水流量、讀寫TM卡、控制閥門、顯示報警等功能。控制系統(tǒng)電路由低功耗單片機、流量計、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。結構原理如圖1所示。
圖1 智能水表控制系統(tǒng)結構原理
當用戶將含有購水量等信息的TM卡插入水表上卡座內(nèi)時，控制閥在電控系統(tǒng)控制下開通供水通道。用戶每用一個計量單位（10升），計量電路便發(fā)出一組計量脈沖序列，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計量單位。當剩余水量達到報警值時，液晶漢字顯示“請購水”；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。在正常情況下，控制閥處于接通狀態(tài)，只有當特殊事件發(fā)生時控制閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P閉狀態(tài)。
3 智能水表控制系統(tǒng)的硬件設計
TM卡水表控制系統(tǒng)由低功耗單片機、流量計量電路、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、實時時鐘電路等組成。
1、單片機
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。這種單片機運行速度快、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置參數(shù)，并且具有豐富的I/O功能和較強的中斷能力，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。在次不做詳細闡述。
4、LCD顯示控制電路
LCD驅動器采用HT1621，它是128點、內(nèi)存映象和多功能的LCD驅動器，特有的軟件配置特性使它適用于多種LCD應用場合，用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條。在本設計中，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平時處于關閉狀態(tài)，當有TM卡插入、并確認有效卡或有其它狀況時，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、水量計量電路
水表的基表采用符合ISO4064B標準的單流旋翼式冷水水表，技術參數(shù)如表1所示。該表計數(shù)機構與測量機構經(jīng)磁耦合傳動，采用干簧管水量計量發(fā)訊，每流經(jīng)10升水時產(chǎn)生一脈沖；表內(nèi)設有磁保護裝置，具有較強的抗外磁干擾能力。水量計量脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機，每輸入一個脈沖，在存儲器中減去相應水量。
表1單流旋翼式冷水水表技術參數(shù)
6、閥門控制檢測電路
閥門控制是水表控制系統(tǒng)中一個很敏感部分，關啟閥門的可靠性差，將會給供水部門帶來很大的問題。因此，我們自行設計了結構巧妙、關閉可靠、DC2.6-3.6V控制的電動陶瓷閥門，有效地解決閥門關閉不可靠問題。如圖3所示為電動閥門的正反控制電路，當正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時，閥門開啟；反之，閥門閉合。當單片機P1.6口輸入低電平、P1.7口輸入高電平時，三極管Q3、Q5、Q6導通，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，由單片機P1.5口輸入檢測信號，動作停止；反之，三極管Q2、Q4、Q7導通，Q3、Q5、Q6截止，正向端輸出低電平，反向端輸出高電平，關閉閥門，同樣由單片機P1.6口輸入關閉到位檢測信號。
圖3 電動閥門的控制電路
7、電源電壓檢測電路
為提高水表運行的可靠性和安全性，采用分級電源電壓實時檢測，電壓實時檢測芯片采用RH5VL28和RH5VL30。當電源電壓正常時，芯片的Vout腳為高電平；當電源電壓小于3.0V時，RH5VL30的Vout腳輸出低電平，單片機檢測到該信號后，控制液晶顯示模塊顯示欠壓，并關閥警告，提示用戶更換電池；當電源電壓小于2.8V時，RH5VL28的Vout腳輸出低電平，單片機檢測到該信號后，徹底關閥，直到用戶更換完電池。
8、電源及實時時鐘電路
單片機系統(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，以充分利用單片機和外圍器件的低電壓、低功耗特性。
在ＴＭ卡式水表的實際應用中，用戶因某些原因可能長期不使用。因此，電池在長時間微電流放電（相當于儲存時的自放電）后，內(nèi)阻將上升，電池的瞬時驅動能力下降，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，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。為解決這個問題，我們在控制系統(tǒng)中增加了一個時鐘電路，每隔一個月的時間，時鐘芯片（PCF8563）產(chǎn)生中斷，單片機接受后，控制閥門開啟、關閉，使電池定時產(chǎn)生比較大電流的放電，降低電池內(nèi)阻，改善電池的性能，進而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及免維護性。
4 智能水表控制系統(tǒng)的軟件設計
如果說硬件電路是控制系統(tǒng)的基礎的話，那么控制軟件是整個系統(tǒng)的靈魂。控制軟件的設計的好壞，直接影響系統(tǒng)運行的性能。在本系統(tǒng)中，考慮到P87LPC764單片機的內(nèi)部程序存儲器的大小，運行速度以及程序的易讀性、可維護性等，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、中斷服務程序、子程序等組成。主程序主要是單片機及接口芯片的初試化、自檢、進入掉電狀態(tài)等；中斷服務程序包括水量計量中斷、插卡中斷、磁干擾輸入中斷、欠壓中斷和月報警中斷等；子程序主要有LCD顯示，存儲器的讀寫和延時程序等。整個水表控制系統(tǒng)平時處在掉電狀態(tài)下，當有外部中斷信號時，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單片機具有較強的中斷功能，四個優(yōu)先級別的中斷結構，最多可支持11個中斷源。在本控制系統(tǒng)中，考慮到單片機平時都是在掉電模式下，因此，系統(tǒng)所應用的中斷類型應該具有把P87LPC764單片機喚醒的能力。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，并對每個中斷源設定了優(yōu)先級，比如水量計量中斷優(yōu)先級設置為最高等。
圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖
5 系統(tǒng)抗干擾設計
1、為防止用戶采用電磁干擾來進行偷水、竊水的活動，另外增加了一個防人為電磁干擾的措施。即和計量發(fā)訊干簧管并排再放置一干簧管，但它的觸動開關值比發(fā)訊干簧管稍高，因此，當用戶用電磁進行干擾時，只要磁力高過一定限值，防電磁干擾的干簧管閉合，單片機檢測到此信號即可進行相應操作，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，電路板設計的好壞對抗干擾能力影響很大，所以印刷電路板設計時必須符合抗干擾的設計原則。
本文作者創(chuàng)新點：
本文主要介紹了TM卡水表控制系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)動作可靠、計量精確、抗干擾能力強、能耗低；收費管理系統(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：
［1］ 胡海剛.PHILIPS 51LPC系列單片機低功耗設計［J］。機電工程，2002，19（2）：18-20.
［2］ 胡桃.IC卡預付費水表的應用與優(yōu)化設計［J］。給水排水，2002（2）：76-79.
［3］ 王云兒，邱德玉，江清軍。基于IC卡的水表及收費管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］。計算機工程與科學，2001，23（2）：105-107.
［4］ 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］。 微計算機信息， 2007， 6-2： 87-88