基于單片機(jī)的新型智能IC卡水表的設(shè)計

摘  要：介紹一種以AT90S8515單片機(jī)為核心的智能IC卡水表的流量計量原理，闡述了該系統(tǒng)的組成、控制模式、軟硬件設(shè)計及其優(yōu)點。

    1 引言

    智能IC卡水表是一種集計量功能及控制功能為一體的水量計量裝置，是一種利用現(xiàn)代微電于技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、IC卡技術(shù)對用水量進(jìn)行計量并能進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。該水表的研發(fā)從根本上改變了自來水公司傳統(tǒng)工作方式，形成了買卡用水的服務(wù)模式。為避免水費(fèi)流失、降低自來水公司經(jīng)營成本提供了先進(jìn)的管理手段。解決了長期困擾供水行業(yè)的水費(fèi)拖欠問題，更重要的是使公民的用水觀念和供水部部門的管理方式發(fā)生了根本改變。本文介紹了基于AT90S8515單片機(jī)為核心的智能IC卡水表的流量計量原理，闡述了該系統(tǒng)的組成、控制模式、軟硬件設(shè)計及其優(yōu)點。

    2 新型智能IC卡水表的功能要求

    (1)讀卡、寫卡功能： 由售水部門的讀／寫卡端口把用戶的購水信息（購水量、金額、發(fā)生日期等）寫入IC卡再由IC卡水表的讀卡端口將把所需信息讀入內(nèi)存，用于控制水表系統(tǒng)的動作。掉電不丟失信息。

    (2)信息顯示功能：要求液晶顯示器能顯示累積用水量，實時顯示表中閥門的開關(guān)狀態(tài)，可實時顯示表的工作狀態(tài)是否正常（是否為非法操作）；是否需要更換電池；是否在“插卡狀態(tài)”；是否應(yīng)該“拔卡”等。采用液晶屏顯示水量，單位編號。

    (3)用水監(jiān)測功能：實現(xiàn)定量供水，，超額改變計價標(biāo)準(zhǔn)。自動計數(shù)、自動供水?dāng)嗨?、自動保存?shù)據(jù)等。

    (4)錯務(wù)操作保護(hù)功能：要求系統(tǒng)能自動識別諸如打開電池盒或?qū)C(jī)內(nèi)硬件隨意改動等“非法操作”。一發(fā)現(xiàn)“非法操作” 單片機(jī)即發(fā)出關(guān)閥信號并在液晶顯示器上顯示“ 非法操作”。

    (5)對閥門的控制功能：在正常工作時閥門開啟，當(dāng)金額不足或需要更換電池時，閥門關(guān)閉并報警提示用戶；“非法操作”時．閥門關(guān)閉。

    3 智能IC卡水表總體方案

    (1)水表系統(tǒng)的組成及工作原理

    IC卡水表系統(tǒng)主要由閥門、流量傳感器、單片機(jī)、IC卡讀寫器、顯示器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電池等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

 

 (1)水表在用水過程中流量傳感器發(fā)出脈沖信號，此脈沖信號進(jìn)入單片機(jī)控制器的電路。
    (2) 以單片機(jī)為核心的電子電路接收到流量傳感器送來的脈沖信號后，，進(jìn)行運(yùn)算和處理， 然后顯示所需信息。

    (3)由單片機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必要時關(guān)畢閥門。

    (4)只要在插卡器中插入IC卡，單片機(jī)即執(zhí)行讀／寫卡操作，并根據(jù)卡中的信息內(nèi)容進(jìn)行不同的處理，并命令閥門處于某種狀態(tài)(開或關(guān))。同時使顯示器做出相關(guān)的顯示。

    (2)系統(tǒng)的控制及單片機(jī)的應(yīng)用

    水表系統(tǒng)的硬件控制原理如圖2所示，主要包括單片機(jī)、掉電檢測電路、脈沖采樣電路、存儲器、IC卡接口、閥門控制電路、顯示電路和電源電路等。

    IC卡水表的工作過程如下：將含有金額信息的IC卡片插入水表中的IC卡讀寫器，經(jīng)微機(jī)模塊識別并下載有效信息后，閥門開啟，用戶可以正常用水。流量傳感器采進(jìn)來的信號以脈沖形式觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INT0， “激活”單片機(jī)，并轉(zhuǎn)換成所需的電子信號供給微機(jī)模塊進(jìn)行計量，并在LCD顯示模塊上顯示。當(dāng)用戶的用水金額下降到一定數(shù)值時，單片機(jī)觸發(fā)報警模塊，提示用戶應(yīng)該去持卡交費(fèi)購水。當(dāng)存儲在讀／寫器EEPR0M 中的水量(金額)用完時，單片機(jī)觸發(fā)中斷，關(guān)閉電磁閥。用戶只有重新購水，才能使電磁閥打開。在正常情況下電磁閥處于接通狀態(tài)。只有當(dāng)特殊事件發(fā)生時， 電磁閥才從接通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，其通斷條件如圖3所示。

    4 智能IC卡水表流量的計量特性和軟件設(shè)計

    (1)水表的計量特性

    水表是一種積算流過管道內(nèi)水的體積的儀表，它直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)口徑管道上，借助于水流動能進(jìn)行]二作。水表與渦輪流量計同屬速度式葉輪儀表，利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比的關(guān)系，通過測量葉輪的總轉(zhuǎn)數(shù)來反映流體總水量的大小。IC卡水表采用感應(yīng)式渦輪流量計，它的變送器部分是將嵌有永磁材料的渦輪測量頭插入被測管道的特定位置，當(dāng)渦輪在水流作用下旋轉(zhuǎn)時，磁場交替接近或遠(yuǎn)離安裝在表殼上的霍爾傳感器，產(chǎn)生周期性的電脈沖信號，通過單片機(jī)對此電脈沖信號采集計數(shù)，再經(jīng)一定的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)水量的累積計量。由于流量采樣直接取自機(jī)械計數(shù)器，所以IC卡水表的計量準(zhǔn)確度實際上由冷水水表決定。

    水表在無阻力條件下，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度W與流量Q成線性關(guān)系：

    式中：R渦輪葉片平均半徑；A管道流通面積；θ渦輪葉片與軸線夾角；q始動流量，通過標(biāo)定獲得。

    只要檢測出渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度W就可得到流量Q值；對流量Q進(jìn)行累積，就可得到總水量。渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)是通過霍爾元件輸出的電脈沖數(shù)確定的，假設(shè)渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)為N，則：

    ￡是無阻力矩的情況下得到的理論儀表系數(shù)。在理想狀態(tài)下，對于一個特定的渦輪，￡是一個常數(shù)，轉(zhuǎn)數(shù)N不隨流量Q的變化而變化。但是，智能IC卡水表在利用霍爾傳感器將轉(zhuǎn)數(shù)變換成電脈沖時，傳感器的輸出轉(zhuǎn)數(shù)N與實際的流量Q之間并不能保持簡單的線性關(guān)系，即渦輪每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，流過的水量并不是完全相同的，而是與流速有一定的關(guān)系，這是由于渦輪本身的轉(zhuǎn)動慣量和具體結(jié)構(gòu)上的差異以及磨損、泄漏等因素造成的。

    眾所周知，在設(shè)計測量儀器時，希望被測量與儀器輸出信號之間呈線形關(guān)系，以確保整個測量范圍內(nèi)有相同的儀表系數(shù)。但是，對于理想狀態(tài)下具有線性刻度特性的流量計，在實際情況下，由于各種因素的影響，使流量計的實際特性偏離其理論上的線性特性，所以設(shè)計者只能通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)與線性逼近去減小線性誤差。線性度是指具有線性刻度特性的流量計的校準(zhǔn)曲線對一條理論上的直線的吻合程度。校準(zhǔn)曲線與這一條理論線之間的最大偏差稱為線性度誤差。

    長期以來，供水管理部門和水表制造廠家一直為提高水表微水流下的靈敏度和降低始動流量而努力。問題的實質(zhì)是葉輪旋轉(zhuǎn)就需要間隙，有間隙就會有漏泄。所以只能確保各項指標(biāo)的前提下，盡可能地減小漏泄水流，降低始動流量，可以從以下幾個方面去考慮：

    ①降低轉(zhuǎn)動體的質(zhì)量及其慣量矩；
    ②采用優(yōu)質(zhì)低摩擦軸承；
    ③減少葉輪與輪盒間隙，從而減少泄漏；
    ④設(shè)置阻抑件，迫使漏泄水進(jìn)入輪葉間，產(chǎn)生驅(qū)動力；
    ⑤從軟件設(shè)計上進(jìn)行補(bǔ)償。

    (2)智能IC卡水表軟件設(shè)計

    AT90S單片機(jī)是美國Atmel公司近年來推出的新型單片機(jī)，它采用先進(jìn)的RISC技術(shù)，具有低功耗、低價格、高性能、全靜態(tài)、易使用等特點。本系統(tǒng)軟件采用AT90S系列的C語言進(jìn)行開發(fā)，它與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容程度高，開發(fā)調(diào)試的集成環(huán)境和人機(jī)界面良好。主程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖4所示。

    ①主程序

    主程序主要用于系統(tǒng)初始化，判斷是否符合用水條件。經(jīng)比較、判斷后，才執(zhí)行相應(yīng)的開啟、關(guān)斷、顯示等功能。

    ②三個外部中斷子程序

    第一個外部中斷子程序是由插卡動作觸發(fā)。這個中斷服務(wù)程序包括IC片密碼的認(rèn)證、卡中可用水量的讀入及不同條件下相應(yīng)的處理；第二個外部中斷子程序是用于耗水檢測。水表葉輪每轉(zhuǎn)動一個柵格，就觸發(fā)一次中斷，實現(xiàn)脈沖信號實時計數(shù)，從而可進(jìn)行耗水量的計算；第三個掉電中斷程序是CPU在檢測到電池失壓后，會產(chǎn)生一個電平跳變，觸發(fā)中斷并報警提示， 聞訊后關(guān)閉單片機(jī)。同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到flash中。保證下次 電復(fù)位后安全讀出。

    ③其它功能子程序

    其它功能子程序包括電源監(jiān)控子程序、聲音報警子程序、LCD液晶顯示予程序等。每個子程序模塊都負(fù)責(zé)一個功能的實現(xiàn)。

    5 結(jié)束語

    本文介紹的以AT90S8515單片機(jī)為核心的表閥一體化IC卡智能水表。硬件上都采用了低壓、低頻、靜態(tài)低功耗器件，具有體積小、功耗低、計量準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)、使用安裝方便和成本低等優(yōu)點。它的使用為供水管理部門進(jìn)一步提高服務(wù)水平提供了硬件保證。