IC卡智能水表研制

文章出處：http://56733.cn 作者：趙四海   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月24日

摘要　介紹了IC卡智能水表的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程。該表具有較高的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命，可實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)供水、遠(yuǎn)程傳輸和遠(yuǎn)程控制。

0　引言

IC卡預(yù)付費(fèi)水表是以傳統(tǒng)水表為母表，用單坐上琴心機(jī)實(shí)現(xiàn)用水控制的新型儀表。該儀表的單坐上琴心機(jī)控制電路需在原水表的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)控制盒并與水閥組裝在一起。為了提高IC卡水表精密性、可靠性和穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中采用了人性化設(shè)計(jì)理念。在降低功耗、提高使用壽命、降低成本的同時(shí)，不但能實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息的遠(yuǎn)程傳輸。

采用Microchip公司新推出的單片機(jī)PIC16C72，以實(shí)現(xiàn)水表的智能化，該水表具有自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)供水?dāng)嗨⒆詣?dòng)保存數(shù)據(jù)、自動(dòng)報(bào)警、限制日用水量等功能。

1　硬件設(shè)計(jì)

圖1是系統(tǒng)的硬件原理框圖，主要包括PIC16C72單片機(jī)、掉電檢測(cè)電路、脈沖采樣電路、存儲(chǔ)器、IC卡接口、閥門控制電路、顯示電路和電源電路等。為了降低功耗，芯片全部選用CMOS低功耗器件。

圖1硬件原理框圖

1.1　單片機(jī)

PIC16C72 是一種帶2K存儲(chǔ)器的低電壓、高性能8位單片機(jī)，低功耗的閑置和掉電工作模式。該芯片的主要特征是：2.0－6.0V寬工作電壓，低功耗狀態(tài)電流小于5　A，自還上電復(fù)位電路，內(nèi)設(shè)電子看門狗，配有異步串行通信口，提供2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，全部指令為單字節(jié)指令，采用ASIC結(jié)構(gòu)；內(nèi)部有程序加密形狀，保密性高。一次性編程芯片價(jià)格十分低廉，適用于研制與批量生產(chǎn)。

1.2　掉電存儲(chǔ)器

EEPROM電可擦除存儲(chǔ)器是系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路。它不僅可保證停電時(shí)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的可靠保存，還能防止程序意外跑飛造成RAM區(qū)數(shù)據(jù)丟失，它是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。本系統(tǒng)EEPROM采用AT93C46，它的存儲(chǔ)容量為1024位，內(nèi)部為128×8位或64×16位。93C46為串行三線SPI操作芯片，在時(shí)鐘時(shí)序的同步下接收數(shù)據(jù)口的指令。指令碼為9位十進(jìn)制碼，具有7個(gè)指令，人心所向讀、擦寫使能、擦除、寫、全擦、全寫及擦除禁止。該芯片擦寫時(shí)間快，有擦寫使能保護(hù)，可靠性高，擦寫次數(shù)可達(dá)100萬次，非常適用于數(shù)據(jù)量不大的水表系統(tǒng)。圖2給出了93C46與單片機(jī)的接線圖。



圖2　93C46與單片機(jī)接線圖

1.3　IC卡接口電路

IC卡選用西門子公司生產(chǎn)的SLE4442，該芯片內(nèi)部設(shè)有硬件邏輯判斷電路，數(shù)據(jù)區(qū)分為用戶區(qū)、密碼區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)等，存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)訪問需先比較密碼，在密碼比較錯(cuò)誤4次后芯片自鎖，有較高的安全等級(jí)。

圖3為CPU與IC卡的接線圖，圖中采用I2C總線形式，支持ISO/7816－3同步輿協(xié)議。在實(shí)際使用中，為防止插入鐵片等異物，VDD應(yīng)用CPU口單獨(dú)控制。IC卡存儲(chǔ)器內(nèi)可存儲(chǔ)用戶碼。購水度數(shù)或金額等數(shù)據(jù)，在每次拉入IC卡時(shí)，開關(guān)S被閉合，通過中斷口單片機(jī)被喚醒并讀IC卡。在確認(rèn)IC卡為合法時(shí)，讀取其中水度數(shù)并與表內(nèi)相加，這樣IC卡就代替了過去人工抄表收費(fèi)的全部工作。


圖3　CPU與IC卡接線圖

1.4　顯示電路

系統(tǒng)為降低功耗，采用LCD顯示，而PIC16C72沒有驅(qū)動(dòng)LCD能力，因此采用HT162LCD驅(qū)動(dòng)專用芯片。該芯片可在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)方式下工作，最大可驅(qū)動(dòng)128像素，睡眠狀態(tài)電流小于9　A，與單片機(jī)連接只需3個(gè)口線。

1.5　其它

①脈沖采樣。水表中有機(jī)械轉(zhuǎn)輪，采用于簧管與磁鐵配合，可完成脈沖采樣，CPU在測(cè)試脈沖時(shí)需加軟件防抖動(dòng)程序。

②掉電檢測(cè)電路。采用HT7039芯片，只需消耗1　A電流可完成電池失壓檢測(cè)。這里也可使用MAX810等芯片。

③電源。系統(tǒng)采用外接三節(jié)5號(hào)電池供電。其內(nèi)部備用1.2Ah鋰電池，使用時(shí)外接電池接好后，系統(tǒng)供水，若外接電池失壓，立即關(guān)閥，備用電池確保閥門安全關(guān)閉。單片機(jī)睡眠后靜態(tài)電流在10　A以下，普通電池可使用1年以上。

2　軟件設(shè)計(jì)

軟件由主程序、掉電中斷程序、脈沖中斷程序和IC卡中斷程序組成，圖4、圖5、圖6和圖7分別為4個(gè)程序的軟件流程圖。

圖4　主程序流程圖


圖5　掉電中斷流程圖


圖6 脈沖中斷流程圖


圖7　 IC卡中斷流程圖

主程序主要完成水量多少及關(guān)閥判斷，平時(shí)處于睡眠狀態(tài)。當(dāng)表內(nèi)剩余水量秋5m3時(shí)，表內(nèi)蜂鳴器發(fā)出提示音，以提醒用戶水量剩余不多，請(qǐng)速購水。表內(nèi)剩余量為0時(shí)，切斷閥門，停止供水，從而完成用水必須先交費(fèi)的方式。掉電中斷程序是CPU在檢測(cè)到電池失壓后，將RAM區(qū)的所有數(shù)據(jù)寫入EEPROM中，以保證下次上電安全讀出。IC卡中斷程序在用戶插入IC卡時(shí)，讀取卡中數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行判別后，執(zhí)行購水量的累加，并打開閥門恢復(fù)供水。脈沖中斷是最簡(jiǎn)單的程序，保證水量的正確計(jì)算。3個(gè)中斷均可喚醒CPU，主程序在被喚醒后，執(zhí)行一次程序后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)中注意了低功耗設(shè)計(jì)?？蓪⒋鎯?chǔ)器、IC卡電源口用CPU控制，每當(dāng)讀寫時(shí)才供電，不僅可降低功耗，而且防止IC卡口插入鐵片造成電源短路情況發(fā)生。

為防止水閥長時(shí)間不工作造成銹死，可每隔一段時(shí)間CPU自動(dòng)形狀閥一次，防止閥門生銹。

參考文獻(xiàn)

1 竇振中. PIC系列單片機(jī)原理和程序設(shè)計(jì). 北京: 北京航天航空大學(xué)出版社, 1998

2 邵建平. 智能開發(fā)者指南. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2000