長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)水表的收費(fèi)一直采用人工抄表、收費(fèi)的方式,工作十分繁瑣,而且容易出錯(cuò)。此外,目前人們工作繁忙,很多樓宇又裝有防盜門(mén)鎖,收費(fèi)工作更加不方便，要解決這些問(wèn)題，必須依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)水表進(jìn)行改造，使其智能化。隨著IC卡應(yīng)用的普及，利用IC卡實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)后用水”的水費(fèi)管理成為可行。本文研討的IC卡智能水表具有功耗低、安全性高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 智能水表的組成
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(mén)及流量傳感器等部分組成。
圖 1 智能水表原理框圖
2.2 智能水表的功能
(1) 根據(jù)所購(gòu)水量，自動(dòng)執(zhí)行供、停水
當(dāng)用戶(hù)將所購(gòu)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(dòng)打開(kāi)閥門(mén)，進(jìn)行正常供水，一旦用水量達(dá)到水卡所購(gòu)水量，水表將自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，切斷供水。
(2) 具有自動(dòng)報(bào)警功能
當(dāng)用戶(hù)用水量剩下最后一定量時(shí)，水表通過(guò)喇叭發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)，提醒用戶(hù)及時(shí)購(gòu)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(hù)通過(guò)水表的液晶顯示器，查看累計(jì)用水量、本月用水量、可用水量及相應(yīng)的水費(fèi)信息。
(4) 可對(duì)購(gòu)水量及水費(fèi)進(jìn)行累計(jì)
當(dāng)用戶(hù)插入購(gòu)水后的IC卡時(shí)，水表自動(dòng)將本次購(gòu)水量與表內(nèi)結(jié)余水量進(jìn)行累計(jì)，計(jì)算水費(fèi)，并存入水表內(nèi)。
(5) 具有自動(dòng)保護(hù)功能
當(dāng)水表被擅自拆卸時(shí)，表內(nèi)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，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
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(duì)IC卡及表內(nèi)的信息進(jìn)行加密，防止非法使用。
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 ADuC812單片機(jī)系統(tǒng)
ADuC812是美國(guó)AD公司推出的高性能單片機(jī)，具有集成度高、資源豐富等特點(diǎn)。
(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(chǔ)器;640B片內(nèi)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(xiàn);9個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)。
(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I2C兼容的兩線(xiàn)串口和SPI串口;1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器(WDT);1個(gè)電源監(jiān)視器(PSM)。
3.2 硬件系統(tǒng)分析
(1) ADuC812的內(nèi)部資源非常適合設(shè)計(jì)智能水表。由于它具有8051內(nèi)核，因此，開(kāi)發(fā)非常方便，既不需要太長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，又不需要太多的資金投入。為了降低功耗，晶振選用1MHz,并通過(guò)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，完全符合智能水表低功耗的要求。另外，它還具有工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍和較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，以它為核心的智能水表也完全能用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的水量、水費(fèi)計(jì)量。
(2) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
由于需要掉電保存用戶(hù)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(chǔ)器芯片，該芯片內(nèi)含8K Bytes NV RAM、內(nèi)置式(built-in)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、嵌入式(embe- dded)鋰電池和32768Hz晶振，它具有高可靠上電、掉電及強(qiáng)電磁沖擊等數(shù)據(jù)保護(hù)功能，還具有讀/寫(xiě)速度快、讀/寫(xiě)方式簡(jiǎn)單、讀/寫(xiě)次數(shù)無(wú)限的特點(diǎn)，并可為智能水表的運(yùn)行提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。該芯片引腳排列與一般的靜態(tài)RAM 6264完全兼容，可直接替代6264，因此，它與ADuC812的接口非常方便。
(3) LCD顯示器
由于用戶(hù)需要隨時(shí)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(dòng)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(hù)需要查看信息打開(kāi)水表盒蓋時(shí)，LCD點(diǎn)亮，平時(shí)處于斷電節(jié)能狀態(tài)。
4 水表供電設(shè)計(jì)
智能水表能否得到推廣應(yīng)用，保障其長(zhǎng)期正常供電是一個(gè)關(guān)鍵因素，否則，既損害了自來(lái)水公司的利益，又使用戶(hù)的合法權(quán)利受到侵犯。目前，有些智能水表采用直流電源供電方式(通過(guò)內(nèi)裝高性能鋰電池)，但其缺陷是使用時(shí)間有限制，特別是難以處理低功耗問(wèn)題。本水表的電源供電采用交直流兩種供電方式，特別是選用高效率DC/DC轉(zhuǎn)換器MAX653組成電源電路后，水表在電池供電情況下，也能以低功耗方式長(zhǎng)期正常工作。智能水表電源電路如圖2所示:
圖2 電源電路
4.1 DC/DCD電源變換器
MAX653是MAXIM公司生產(chǎn)的高效率、低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器件芯片，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) 電源電壓降低檢測(cè)及休眠功能;
(6) 固定電壓3V輸出或編程輸出。
根據(jù)能量守衡原則可以推出:
Io =(Vi×Ii×η)/Vo，式中，Io:輸出電流，Ii:輸入電流，Vi:輸入電壓，Vo:輸出電壓，η:轉(zhuǎn)換效率。從上述關(guān)系可以看出，當(dāng)Vi遠(yuǎn)大于 Vo，且η較高時(shí)，在Ii一定的情況下可以得到比Ii大得多的輸出電流Io，而MAX653也只消耗10μA的電流，從而保證了智能水表在電池供電情況下，也能以低功耗的方式長(zhǎng)期正常工作。
4.2 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Vcc1，Vcc1一方面給電磁閥門(mén)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Vcc2。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，Vout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(duì)電路造成損壞。Vcc1通過(guò)R1，R2分壓后輸入MAX653的低電壓檢測(cè)引腳LBI，作為電源電壓降低檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)LBI低于1.28V時(shí)，其LBO引腳輸出0.4V的低電平信號(hào)，此信號(hào)可作為ADuC812的外部中斷1的有效中斷請(qǐng)求信號(hào)(P3.3輸入)， ADuC812響應(yīng)中斷后進(jìn)行相應(yīng)的處理，以避免智能表出錯(cuò)或被襲擊。
5 ADuC812接口設(shè)計(jì)
5.1 IC卡及卡座
IC卡采用美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的AT24CXX系列存儲(chǔ)式IC卡，它采用2.5V～5V低電壓供電，具有雙線(xiàn)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(xiě)/擦除次數(shù)大于一百萬(wàn)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(guó)內(nèi)使用最多的IC卡之一。
IC卡座的引腳見(jiàn)圖3。與IC卡引腳相對(duì)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(dòng)開(kāi)關(guān)的兩觸點(diǎn)。此開(kāi)關(guān)在無(wú)IC卡插入時(shí)，處于斷開(kāi)狀態(tài)，有IC卡插入時(shí)處于閉合狀態(tài)。有無(wú)IC卡插入信號(hào)經(jīng)P3.0送入 ADuC812。
5.2 電磁閥驅(qū)動(dòng)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(dòng)作，電磁閥打開(kāi);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(dòng)水壓低、防堵性能好、關(guān)閉可靠特點(diǎn)，水表工作壓力在15～100Mpa內(nèi)開(kāi)/關(guān)閥門(mén)自如。
5.3 防開(kāi)表及報(bào)警裝置接口
為了防止用戶(hù)私自非法拆卸水表，設(shè)置了防開(kāi)表裝置。如水表被打開(kāi)，則開(kāi)關(guān)K閉合，下降沿信號(hào)送ADuC812的外部中斷0引腳/INT0(P3.2)，作為有效中斷請(qǐng)求信號(hào)，ADuC812響應(yīng)中斷后，立即關(guān)閉電磁閥，并將開(kāi)表時(shí)間記錄到DS1243Y中，以備查驗(yàn)。
當(dāng)用戶(hù)用水量剩下最后一定量時(shí)，水表通過(guò)喇叭發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)，提醒用戶(hù)及時(shí)購(gòu)水，報(bào)警喇叭由ADuC812的P3.1控制。接口電路如圖3所示:
圖3 ADuC812的外圍接口電路
5.4 流量傳感器與接口
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(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、外形尺寸小的特點(diǎn)，通過(guò)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(hào)，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。其耗電小，并保持了原有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。在原水表的讀數(shù)指示0.01m3位上安裝磁敏元件，使0.01m3位轉(zhuǎn)1 圈，磁敏元件上產(chǎn)生1個(gè)脈沖信號(hào)，即0.01m3水量對(duì)應(yīng)1個(gè)脈沖。
6 系統(tǒng)軟件流程
圖4是智能水表軟件流程框圖，主要包括IC卡接口模塊，閥門(mén)控制模塊，流量脈沖、用水量處理模塊及顯示模塊等部分。主程序初始化時(shí)應(yīng)注意看門(mén)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(wèn)題，限于文章片幅，在此不再介紹。
7 結(jié)束語(yǔ)
該水表的能耗主要由單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的持續(xù)性能耗、卡表執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電控閥)動(dòng)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和其它一些低功耗器件，并采取了降低功耗的有力措施，所以，智能水表低功耗的問(wèn)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。
