基于單片機的TM卡水表控制系統設計

?1?引言

　　隨著社會科學技術的高速發展,資源短缺現象日益嚴重,尤其是與人類生存息息相關的水資源。隨著我國信息產業的飛速發展,實現自來水收費管理的電子化、信息化及網絡化已成為可能。水表系統的智能化可以大大提高供水管理部門的工作效率,節約費用,用以改善供水設施,提高居民飲用水質量。本文以一種智能卡式水表控制系統為研究對象,它結合了控制技術、計算機技術等多方面技術,是一種跨專業的電子信息化系統。

　　2 智能水表控制系統的總體結構

　　智能水表控制系統具體實現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時,控制閥在電控系統控制下開通供水通道。用戶每用一個計量單位（10升）,計量電路便發出一組計量脈沖序列,該脈沖序列如經電控系統判定為有效,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,只有當特殊事件發生時控制閥才從接通狀態變為關閉狀態。

　　3 智能水表控制系統的硬件設計

　　TM卡水表控制系統由低功耗單片機、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OTP程序存儲器、128字節的RAM,32字節用戶代碼區可用來存放序列碼及設置參數,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中,信息的存儲是非常重要的方面。因此,在本控制系統中,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總線數據傳輸協議,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,采用單總線協議通訊,所有的讀寫操作均經一信號線（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|穩壓器,降低功耗,延長LCD的使用壽命。LCD平時處于關閉狀態,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,技術參數如表1所示。該表計數機構與測量機構經磁耦合傳動,采用干簧管水量計量發訊,每流經10升水時產生一脈沖;表內設有磁保護裝置,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。

　　6、閥門控制檢測電路

　　閥門控制是水表控制系統中一個很敏感部分,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生欠壓,影響系統的穩定性。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,我們在控制系統中增加了一個時鐘電路,每隔一個月的時間,時鐘芯片（PCF8563）產生中斷,單片機接受后,控制閥門開啟、關閉,使電池定時產生比較大電流的放電,降低電池內阻,改善電池的性能,進而提高整個系統的穩定性、可靠性以及免維護性。

4 智能水表控制系統的軟件設計

　　如果說硬件電路是控制系統的基礎的話,那么控制軟件是整個系統的靈魂。控制軟件的設計的好壞,直接影響系統運行的性能。在本系統中,考慮到P87LPC764單片機的內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。

T　　M卡水表控制系統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。整個水表控制系統平時處在掉電狀態下,當有外部中斷信號時,才從睡眠中喚醒,執行程序。如圖4是控制系統主程序流程。P87LPC764單片機具有較強的中斷功能,四個優先級別的中斷結構,最多可支持11個中斷源。在本控制系統中,考慮到單片機平時都是在掉電模式下,因此,系統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先級,比如水量計量中斷優先級設置為最高等。

圖4 控制系統主程序流程圖

5 系統抗干擾設計

　　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。即和計量發訊干簧管并排再放置一干簧管,但它的觸動開關值比發訊干簧管稍高,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。在要求電源質量不是很高的智能水表系統中,取得了比較好的效果。

　　3、電路板是電路系統中器件、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。