IC卡智能水表的原理框圖如圖1所示，主要由單片機(jī)系統(tǒng)、電源、IC卡座、微功耗電閥門及流量傳感器等部分組成。?

1.2IC卡智能水表的功能
筆者設(shè)計(jì)的IC卡智能水表具有以下功能：
(1)根據(jù)所購水量，自動執(zhí)行供、停水
當(dāng)用戶將所購水卡(IC卡)插入水表時(shí)，表內(nèi)系統(tǒng)在確認(rèn)該卡有效后，自動打開閥門，進(jìn)行正常供水；一旦用水量達(dá)到水卡所購水量，水表將自動關(guān)閉閥門，切斷供水。
(2)具有自動報(bào)警功能
當(dāng)用戶用水量剩下最后一定量時(shí)，水表通過喇叭發(fā)出聲音報(bào)警信號，提醒用戶及時(shí)購水。
(3)可隨時(shí)提供累計(jì)用水量，本月用水量、可用水量及相應(yīng)的水費(fèi)信息。用戶可通過水表的液晶顯示器查看。
(4)可對購水量及水費(fèi)進(jìn)行累計(jì)
當(dāng)用戶插入購水后的IC卡時(shí)，水表自動將本次購水量與表內(nèi)結(jié)余水量進(jìn)行累計(jì)，計(jì)算水費(fèi)并存入表內(nèi)。
(5)具有自動保護(hù)功能
當(dāng)水表被擅自拆卸時(shí)，表內(nèi)自動保護(hù)系統(tǒng)將自動關(guān)閉閥門，停止供水，并記錄拆卸時(shí)間，以備查驗(yàn)。
(6)斷電保護(hù)功能
IC卡智能水表采用交直流兩種方式供電，一旦外界交流電源停止供電或電池失效，表內(nèi)的水量、水費(fèi)等重要參數(shù)可保存10年以上。
(7)加密功能
能對IC卡及卡表內(nèi)的信息進(jìn)行加密，防止非法使用。
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2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?
2.1單片機(jī)系統(tǒng)?
2.1.1ADuC812單片機(jī)
美國AD公司的ADuC812具有如下資源：(1)基于8051的內(nèi)核，指令系統(tǒng)與8051兼容，額定工作頻率12MHz。(2)8KB片內(nèi)閃速/電擦除程序存儲器；640B片內(nèi)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器；256B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。(3)3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；32根可編程I/O線；9個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級。(4)1個(gè)8通道，高精度12位ADC；2個(gè)12位電壓輸出DAC。(5)1個(gè)片內(nèi)溫度傳感器。(6)采用3V、5V電壓工作；具有正常、待機(jī)和掉電三種工作模式。(7)1個(gè)通用UART串行I/O：1個(gè)與I?2C兼容的兩線串口和SPI串口：1個(gè)看門狗定時(shí)器(WDT)；1個(gè)電源監(jiān)視器(PSM)。
ADuC812的內(nèi)部資源非常適合設(shè)計(jì)IC卡智能水表。為了降低功耗，晶振選用1MHz，并通過編程將不用的ADC、DAC等功能模塊關(guān)閉。工作電壓選擇3V，所以，ADuC812正常工作時(shí)的消耗電流約為3.8mA，如處于待機(jī)工作模式，則消耗電流更低，完全符合IC卡智能水表低功耗的要求。另外，它還具有工業(yè)級的工作溫度范圍和較強(qiáng)的抗電磁干擾能力；以它為核心的IC卡智能水表也完全能用于工業(yè)現(xiàn)場的水量、水費(fèi)?計(jì)量。?
2.1.2實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲器
由于需要掉電保存用戶水量、水費(fèi)及非法拆卸水表的時(shí)間記錄等信息，本水表選用DALLAS公司生產(chǎn)的DS1243Y作為存儲器芯片。該芯片內(nèi)含8KB NV RAM、內(nèi)置式實(shí)時(shí)時(shí)鐘、嵌入式鋰電池和32768Hz晶振。該芯片引腳排列與一般的靜態(tài)RAM 6264完全兼容，與ADuC812的接口非常方便。?
2.1.3LCD顯示器
為方便地查看水量及水費(fèi)信息，本表設(shè)置了LCD液晶顯示器。為了降低功耗，LCD液晶顯示器選用低功耗(約0.3mA)的自帶驅(qū)動控制器的串行(SPI)液晶顯示模塊，并且它的供電電源由水表盒蓋控制。當(dāng)用戶需要查看信息打開水表盒蓋時(shí)，LCD點(diǎn)亮，平時(shí)處于斷電節(jié)能狀態(tài)。?

2.2 電源電路
本水表采用交直流供電，選用高效率DC/DC轉(zhuǎn)換器MAX653等構(gòu)成供電電源，電路如圖2所示。

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2.2.1 MAX653轉(zhuǎn)換器

MAX653是MAXIM公司生產(chǎn)的高效率、低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片具有以下特點(diǎn)：
(1)轉(zhuǎn)換效率高(90%以上)；(2)輸入電壓范圍寬(4V～11.5V)；(3)靜態(tài)電流低(10μA)；(4)輸出電流最大可達(dá)225mA；(5)有電源電壓降低檢測及休眠功能；(6)3V或編程輸出。
根據(jù)能量守恒原則可以推出，式中，I₀：輸出電流，I_i：輸入電流，V_i：輸入電壓，V₀輸出電壓，η：轉(zhuǎn)換效率。從上述關(guān)系可以看出，當(dāng)V_i遠(yuǎn)大于V₀，且η較高時(shí)，在I_i一定的情況下可以得到比I_i大得多的輸出電流I₀，而MAX653只消耗10μA的電流，從而保證了IC卡智能水表在電池供電情況下，也能以低功耗的方式長期正常工作。?
2.2.2電源電路工作原理
圖2中，220V交流電源經(jīng)降壓、整流、濾波、7806穩(wěn)壓后輸出6V直流工作電壓V_CC1。V_CC1一方面給電磁閥門供電，另一方面提供給MAX653進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換形成3V工作電壓V_CC2。在220V交流電源停止供電的情況下，由電池E1供電。MAX653的VFB接地，V_out固定輸出電壓3V，R3、C4、D3提供上電SHUT DOWN功能，以防止上電時(shí)電源的沖擊對電路造成損壞。V_CC1通過R1，R2分壓后輸入MAX653的低電壓檢測引腳LBI，作為電源電壓降低檢測信號。當(dāng)LBI低于1.28V時(shí)，其LBO引腳輸出0.4V的低電平信號，此信號可作為ADuC812的外部中斷1的有效中斷請求信號(P3.3輸入)；ADuC812響應(yīng)中斷后進(jìn)行相應(yīng)的處理，以避免IC卡表出錯(cuò)或被襲擊。?

2.3 ADuC812外圍接口?
2.3.1IC卡及卡座
IC卡采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT24CXX系列存儲式IC卡。它采用2.5V～5V低電壓供電，具有雙線串行接口，能實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送，支持ISO/IEC7816?3同步協(xié)議，寫/擦除次數(shù)大于一百萬次，數(shù)據(jù)保存期大于100年。該系列IC卡的輸出端符合ISO/IEC7816?2標(biāo)準(zhǔn)，它是目前國內(nèi)使用最多的IC卡之一。?

IC卡座的引腳見圖3。與IC卡引腳相對應(yīng)，設(shè)置了VCC、GND、SCL、SDA引腳，另外增加了SW1、SW2兩引腳，作為IC卡座微動開關(guān)的兩觸點(diǎn)。此開關(guān)在無IC卡插入時(shí)，處于斷開狀態(tài)，有IC卡插入時(shí)處于閉合狀態(tài)。有無IC卡插入信號經(jīng)P3.0送入ADuC812。?
2.3.2電磁閥驅(qū)動接口
從圖3中可以看到，電磁閥用于供水、停水控制，是由ADuC812的P3.4、P3.5實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)P3.5為低電平時(shí)，繼電器J1得電動作，電磁閥打開；當(dāng)P3.4為低電平時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)電磁閥失電關(guān)閉。D5、D6為續(xù)流二極管。為了降低功耗，電磁閥選用新型雙穩(wěn)態(tài)自吸電磁閥MP15A?5V。它具有電源電壓低、啟動水壓低、防堵性能好、關(guān)閉可靠等特點(diǎn)；水表工作壓力在15～100Mpa內(nèi)開/關(guān)閥門自如。?
2.3.3防開表及報(bào)警裝置接口
為了防止用戶私自非法拆卸水表，設(shè)置了防開表裝置。如水表被打開，則開關(guān)K閉合，下降沿信號送ADuC812的外部中斷0引腳/INT0(P3.2)，作為有效中斷請求信號；ADuC812響應(yīng)中斷后，立即關(guān)閉電磁閥，并將開表時(shí)間記錄到DS1243Y中，以備查驗(yàn)。
當(dāng)用戶用水量剩下最后一定量時(shí)，水表通過喇叭發(fā)出聲音報(bào)警信號，提醒用戶及時(shí)購水，報(bào)警喇叭由ADuC812的P3.1控制。接口電路如圖3所示。?
2.3.4流量傳感器
流量傳感器選擇基于模擬水表的旋翼式結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、靈敏度高、外形尺寸小的特點(diǎn)。通過在葉輪上安裝磁鋼與微型干簧管等機(jī)構(gòu)，將葉輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電信號，以實(shí)現(xiàn)頻率脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水流量的計(jì)量。磁敏元件安裝在原水表的讀數(shù)指示0.01m?3位上，使0.01m?3位轉(zhuǎn)1圈，磁敏元件上產(chǎn)生1個(gè)脈沖信號，即0.01m?3水量對應(yīng)1個(gè)?脈沖。?
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3 系統(tǒng)軟件流程
圖4是IC卡智能水表軟件流程框圖，主要包括IC卡接口模塊，閥門控制模塊，流量脈沖、用水量處理模塊及顯示模塊等幾個(gè)部分。主程序初始化時(shí)應(yīng)注意看門狗、外部中斷的處理，特別是待機(jī)處理及喚醒部分，因?yàn)樗P(guān)系到水表的低功耗運(yùn)行問題，限于文章篇幅，在此不再介紹。?

4 結(jié)束語
該水表的能耗主要由單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的持續(xù)性能耗、卡表執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電控閥)動作時(shí)的瞬時(shí)能耗及IC卡表的一些輔助功能(如報(bào)警等)能耗三部分構(gòu)成，而前兩項(xiàng)占95％以上。由于選用了ADuC812和其他一些低功耗器件，并采取了降低功耗的有力措施，所以，智能水表低功耗的問題得到了很好的解決，另外，由于采取了交直流兩種供電方式以及一些保護(hù)、加密措施，其可靠性、安全性也得到了保障，因而，該智能水表具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。?

參考文獻(xiàn)

［1］ 沈紅衛(wèi).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
［2］ 李剛.ADuC8XX系列單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002。