第1章绪论
本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。对当前水资源形势、传统水表和IC卡智能水表的特点及其水表的未来发展趋势作了概况。另外，简要说明了本文所做的工作。
1.1 本研究课题的背景及意义
环境与发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题，保护环境是全人类的共同任务。水资源作为生态环境中的重要资源，是人类生活的生产中不可取代的资源，对一个国家的生存和发展也是极为重要的。水资源是一切生命的源泉，是人类不可缺少的物质条件，没有水人类就不能生存，没有水人类赖以自下而上的物质生产就不能发展。
目前，我国的水资源问题十分严峻。在我国600多个城市中，目前有400多个城市供水不足，其中严重缺水的城市有110个，城市年缺水总量达60亿立方米。根据世界银行的数据，我国人均水资源占有量只有2200立方米，这个数字仅相当于世界人均水资源占有量的四分之一。专家预测，当我国人口增至16亿时，人均水资源将下降到1750立方米，接近国际公认的水资源紧张标准。从长远来看，搞好水资源的管理具有重大而深远的意义。自来水事业作为用水资源的重要组成部分，它关系到人民生产和生活的各个方面。
由于历史的原因，我国大部分城市居民使用自来水，都是在区域性水站供水基础上，逐步发展成为以单位住宅区或以楼栋、单元为一户由自来水公司抄表收费的。目前，这种经营方式已越来越不适应社会主义市场经济发展的要求，成为人民物资生活迅速提高和供水企业落后的经营方式之间产生的主要矛盾。
长期以来，我国自来水用户的用水量依靠人工抄表，然后由收费员到各家收费或令各用户去银行（或其他指定地点）交费。这种传统收取水费的做法需要的工作人员多，费时费力，效率低，常常遇到用户欠缴、迟缴或漏缴水费等问题。为适应国家对用水制度的改革，研究和利用现代化智能技术对自来水实行自动监控，减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少每月抄表收费带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，
用现代化科学技术手段改变自来水供水管理体制的落后现状势在必行。
随着社会经济的发展和人们生活水平的日益提高，智能化电子产品已逐步深入家庭，我们提出了IC卡智能水表的方案。
IC卡智能水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。这与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是一个很大的进步。IC卡智能水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制，同时可以进行用水数据存储的功能。由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门操表收费到用户自己去营业所交费的转变。IC卡交易系统还具有交易方便，计算准确，可利用银行进行结算的特点。
IC卡智能水表及其管理系统的出现，将从根本上解决了已上问题。采用IC卡智能水表进行交易结算，不但实现了用水收费的电子化，而且还改变了先用水后收费的不合理状况，使的供水部门能预先收取部分费用，有利于公用事业的发展。IC卡智能水表具有成本低、可靠性高、使用寿命长及安全性好等优点，可提高居民用水收费的管理水平，确保供水部门能及时收取水费。因此，IC卡智能水表成为相关科研单位关注的重点，具有很好的经济效益与社会效益[1] [2]。
1.2 本研究课题的发展趋势
随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化将是一个必然的发展方向。这不仅是中国的一种趋势，也将成为世界性的趋势。而在近十年里，单体式智能IC卡类仪表又将会是发展主流。
从理论上说，网络式智能仪表系统应当是更好的一种计量管理模式，并且是最终发展方向。但是目前，由于网络式智能仪表系统的建立条件不成熟，且没有相关系统相配合，所以，单独在一个部门大规模推动建立网络式智能仪表系统的优点显现不出来。而且，仅仅为了提取用水信息就要构建一个信息网络，从经济角度讲也不合算。
建立网络式智能仪表信息系统的理想模式应当是，由公共网络部门建立起社会化的网络系统，而要使用这个网络的具体部门只要向其进行申请，将自己行业的智能计量终端挂接上去就可以了。同时，这种网络式智能仪表管理系统又与个人金融网络系统结合
使用。这种网络系统，应当才是好的和有效率的网络系统。显然，整个社会现在正在努力推进着网络化的工作，在可以预见的时间里，这种把千家万户连接起来的网络系统就会逐步形成。所以，既然整个社会正在进行着这种工作，那么，每个部门为了自己行业的一种特别目的去建立自己单独的网络，显然将与这种可以面向社会提供各种接入服务的网络系统相冲突，并且根本不可能有经济优势，既然这样，现在进行的小行业小区域组网工作就是一种浪费，而且对解决供水部门的管理问题并没有什么根本性的帮助。
那么，现在普遍采用的单体式智能仪表模式与将来的网络化管理模式是否会发生冲突呢，我的看法是不会，相反，还会促进网络化管理模式的形成。因为，单体式智能仪表模式与将来的网络模式并不矛盾。因为不管什么网络模式，最终必须要有智能终端与其进行联结。现在采用的单体式智能仪表将来就可以作为网络管理系统的智能仪表终端。所以，它们不是一种冲突关系，而是一种相承关系。如果现在就能充分意识到这一点，并寻找合理的技术方案，在将来实现网络化时就会占有主动的地位。
根据以上的分析，我认为，现在采用的单体式智能仪表发展模式是合理的，是适合现时需求并具有主流特征的。当然，在密集度较高的建筑群里采用的一线四表控制系统也是值得推广和具有合理发展前景的。
为了推动IC卡智能水表的发展，全国有许多研究机构投入力量对IC卡类智能产品进行了开发研究，很多自来水公司也积极参与了此项开发工作并成功的开发出了自己的产品。从理论角度看，IC卡智能水表已经进入了成熟期。但是，为什么现在IC卡智能水表的推动工作还很困难呢？这不难理解。因为从实际情况看，现在的IC卡智能水表确实还存在着许多影响其大规模推广使用的问题。这些问题集中起来主要是 1. 价格太高；2. 质量不可靠；3. 存在安全隐患。
随着科学技术的不断发展，IC卡智能水表将会不断发展完善。比如，现在这种在老式水表上取信号的模式，将会由先进的水流量信号提取装置代替，机械计量和机械显示部分会被淘汰，而表和阀将会集中在一体等等。总的说来，IC卡智能水表是一种先进的计量仪表，对这种先进仪表的大规模推广使用将会有力促进中国供用水管理的现代化进程。中国在这个方面的超前发展会使这种计量模式得到优先完善，并有可能成为中国的一个有竞争力的产品出口到其它国家[2][3]。
1.3 本文的工作
详细分析课题任务，对IC卡智能水表的发展现状进行分析，并对现代传感器技术、IC卡技术和智能水表控制的原理进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件结构及其原理图和相关软件程序，并进行访真调试。下面对本设计的主要研究工作做个简述。
1. 根据设计要求，提出几种方案，对它们进行了全面的论证；
2. 根据系统需要，合理选择微处理器，并且详细地阐述了它的基本功能特性；
3. 介绍了相关现代传感技术，选择出信号采集的最佳方案；
4. 根据低功耗要求，对电磁阀的选择与设计进行了深入的研究；
5. 详细分析了E2PROM的工作原理；
6. 对IC卡技术做了简明扼要的分析，并对其软件的读写原理进行了详细的讨论；
7. 应用LED显示技术，可随时查询累计用水总量、可用水量；
8. 改进了普遍应用电源方案，详细地介绍了超级电容技术及其在本设计中的应用；
9. 对整个系统的软、硬件进行了深入的分析，并且绘制了相关硬件电路图、软件流程图，还编写了相关软件程序。
第2章设计思想与方案论证
本章对智能水表的设计思想做了详细的介绍，并在设计思想的基础上提出了三种智能水表的设计方案，还针对它们各自的工作原理和优缺点进行了简要分析。最终确定为采用基于AT89C2051单片机的IC卡智能水表方案。
2.1 设计思想
智能水表区别于传统的人工抄表就是应该具有一定的智能控制功能。针对目前供水部门与用户的实际情况，本设计对智能水表应该具有的功能提出了以下设计思想：
1. 统计功能：当用户插入有效卡时，将购买水量与剩余水量自动相加，并且存入E2PROM以防丢失；当用户用水时，将剩余水量与用水量自动相减，并且存入E2PROM 以防丢失。
2. 自动供停水功能：当剩余水量为0时，自动关闭阀门；购水后，阀门开启。
3. 显示功能：采用6位LED显示，可随时查询累计用水总量及可用剩余水量。
4. 报警功能：当剩余水量减少到一定量时，报警提示用户购水。
5. 掉电自动保护数据功能：掉电后，数据依然可以被保存。当恢复供电后，数据自动恢复。
6. 一户一卡的功能：通过设立用户信息和用户校验码的方式实现一户一卡。即一个水表只能使用一个用户专用卡，插入其他卡片无效。
7. 欠电自动关闭系统的功能：当电池电压或电池容量掉到规定数值后，意味着电池可能已经快没有电了，此时，水表应会自动将阀门关闭并使系统处于休眠状态，并报警提示。
8. 防拆卸功能：在表体和接头管件上设置铅封口并可进行防伪铅封处理，以防止随意拆卸水表的行为。即使被拆卸后，单片机立即关闭阀门，以防偷水。
2.2 方案比较
针对上述设计思想，提出了三种智能水表的设计方案。下面对它们的工作原理及其优缺点进行了简要地分析。
1.方案一：脉冲发讯集中抄收式智能水表系统
工作原理：由表具不断发出脉冲信号，经采集器对脉冲信号进行采集、累加、存储和数据上传。
优点：发讯式集抄系统目前在国内已普遍采推广应用方便,价格较低，只要生产厂商、系统集商严格把好每一环节的质量关，且发讯不随时间产生疲劳损伤，此系统不失为一种可供选择的、适于一定历史时期的过渡产品。
缺点：(1) 初始化及维护工作量大；(2) 磁铁强磁场干扰；(3) 电能耗费。
2. 方案二：基于CAN总线的智能水表自动抄收系统
工作原理：自动抄收系统主要由小区管理中心计算机(主控机)、水表数据采集器、采集服务器、中继站等几个部分组成，是一种智能化多用户能耗集中自动抄收系统。其原理是将原能耗计量表的流量转换为脉冲信号，经信号传输线至系统总线，由接口电路通过有线传输或主机直接抄读，最后经微机管理，实现耗能数据的自动处理。
优点：CAN现场总线的方式来传送数据，以克服市场已有传送方式所存在的不足之处，其传送方式可实现10公里范围的小区抄收工作，同时性能比同类系统稳定可靠。采用点对点、一点对多点、全局广播等几种方式，数据收发灵活，可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，便于实现设备异常主动报警。节点故障自动关闭，不影响网络性能，提高了系统的稳定性，且不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，方便了系统的调试和维护。
缺点：前期经济投入太多，需要大量的专业网络维护人员，维护工作量大。设计过于复杂，太难，且不容易实现[4]。
3. 方案三：基于89C2051单片机的IC卡智能水表系统
工作原理：以接触IC卡或非接触射频卡作为媒介，将各种信息输入表中控制系统来自动开关阀门(供水或停水)，由用户到自来水公司网点先预购买水量，再将用水量通过IC卡输入表中控制系统，等水量用尽即自动关阀并中断水的供应，报警器在设定水量用完之前会自动报警以提醒用户购水，达到“先买水、后用水”的目的。
优点：在用户不缴费的情况下可自动断水，有效控制收费单位的资金回笼，不需要人工上门抄表、收费，减少抄表员。
缺点：(1) 电磁阀在长期开启状态下由于水垢和水中杂质而影响阀门关闭，使用户在不缴费的情况下继续用水，而收费单位还一无所知，一旦发现也无法向用户追缴多用水费；(2) IC卡表也是由发讯脉冲进行累加计量，如果人为强磁干扰或强电瞬间电击，也会造成芯片损坏，从而无法计量；(3) 锂电池在长期使用中是否能达到设计年限还有待考证，到期后由谁负责更换是个问题。
随着微电子技术、现代传感器技术的快速发展，以上该方案的缺点我们通过可行的具体方案基本可以解决了。该方案所设计的IC卡智能水表主要由开关阀门控制模块、流量采样模块、微处理器、电源模块、IC卡读写模块、数据存储器模块、显示模块等组成[2]。
2.3 方案选择
从投入成本来看，方案二需要建立一整套的网络系统，所需设备多，前期所需经济投入最大，方案一次之，方案三最低。
从设计的难易程度来看，方案三融合了微电子技术、现代传感器技术、IC卡技术等，这些技术都已经相当成熟，最容易实现，方案二最难，方案一次之。
从维护成本来看，方案二是由一个专用的网络系统组建而成，需要专业的网络技术维护人员，它的维护成本最高，方案一次之，方案三最低。
从长期效益来看，随着技术的成熟，社会各行各业网络化进程的加速，方案二必定是今后的发展趋势，它所达到的效益最佳，方案三次之，方案一最差。
综合考虑以上三种方案，根据现在的各种实际情况、现有技术水平和设计要求，我们选择了第三种方案基于89C2051单片机的IC卡智能水表系统来进行设计。
第3章IC卡智能水表的硬件设计
本章是本文的核心内容，主要介绍的是系统硬件部分的设计。我们采用了模块化的设计方法，针对系统的工作原理和各个硬件模块的原理和电路进行了具体的介绍。还对各种器件的选择（如微处理器、传感器等）做了详细的分析。
3.1 主系统的构成
根据设计要求，所要设计的系统除了解决最基本的正常供水还应具有一定的智能功能。主系统的框架图如图3.1所示。由图中可以看出，系统由这样一些功能模块组成：微处理器、流量传感器、信号处理模块、IC卡接口电路、E2PROM数据存储电路、显示电路、报警电路、电源模块、电磁阀驱动电路以及其他辅助电路。所有模块的设计均考虑了低功耗的要求，本系统采用外接3节5号电池供电，内部采用超级电容作为备用。系统时钟采用外接晶振方式，约为6MHz。
图3.1 主系统框图
IC卡智能水表工作原理：首先由用户购买IC卡（即用户卡），并携IC卡至收费工作站交费购水，工作人员将购买水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表，卡表内单片机识别IC卡密码并确认无误后，将卡中购买水量与表内剩余水量相加后，写入卡表内存储器，同时必须将IC卡内购水值清零。当用户用水时，由流量传感器采进来的信号以
INT，换醒单片机，进行用水处理。
脉冲形式触发单片机的外部中断0
用户在用水过程中，卡表内剩余水量相应减少。当剩余水量低于一定量，如5m3，卡表报警提示用户购水。当E2PROM中存储的水量用完时，单片机自动关闭电磁阀。用户只有重新购水，才能使电磁阀打开。此外，在发生人为故意破坏时，阀门也会关闭[2]。
3.2 微处理器
微处理器是本设计中的核心器件。我们一般都选用单片机来进行控制。下面给出了对它的选型与功能介绍。
3.2.1 单片机的选型
单片机的选型从以下几个方面考虑：
1.单片机的系统适应性
适应性指单片机能否完成应用系统的控制功能，它主要从以下几个方面体现。
(1) 单片机的CPU是否有合适的处理能力。
(2) 单片机是否有系统所需要的I/O端口数。
(3) 单片机是否含有系统所需的中断源和定时器。
(4) 单片机片内是否有系统所需的外接口。
(5) 单片机的极限性能是否能够满足要求。
2.单片机的市场供应情况
3.单片机的可开发性
本设计系统至少需要14个I/O端口数，其中需要2个外部中断源，一个全双工串行通信口，需要2K字节可重擦写程序存储器。
结合上述选型依据，虽然其通用的80C51系列的单片机具有电源电压适应范围宽、抗干扰能力和驱动能力强、价格便宜等特点。然而对本设计来说，根据其系统所要应用的需要：主要是其应用的引脚、应用所需要的容量以及在制作过程中所要考虑的体积、价格及供应等因素。显然AT89C2051单片满足I/O端口数、所需要的容量等要求。AT89C2051单片机与80C51单片机相比具有体积小、价格低等优点。同时AT89C2051单片机和80C51单片机是完全兼容的，它与80C51的显著区别在于它内部有一个闪存。另外考虑到在调试过程中实验器材的现实情况，本设计系统将选用AT89C2051单片机作为
主控芯片。
3.2.2 单片机AT89C2051简介
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（Flash）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储的技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。
功能特性概述：
AT89C2051提供以下标准功能：2K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051克将至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方
式停止CPU的工作，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
图3.2是AT89C2051的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方行封装方式。
VPP/Rst
1
P3.0/Rx D
2
P3.1/TxD
3
XTAL1
4
XTAL2
5
P3.2
6
P3.3
7
P3.4
8
P3.5
9
GND
10
P3.7
11
P1.0
12
P1.1
13
P1.2
14
P1.3
15
P1.4
16
P1.5
17
P1.6
18
P1.7
19
VCC
20 U11
AT89C2051
生的电动势由内部差分放大器进行放大，然后被送往施密特触发器。当外加磁场的强度小于霍尔开关的磁场工作强度时，差分放大器的输出电压不足以开启施密特触发器，霍尔开关处于关闭状态。当外加磁场的强度大于霍尔开关的磁场工作强度时，差分放大器的输出电压达到或大于施密特触发器的开启电压阈值，霍尔开关处于开启状态。
集成式霍尔开关传感器的主要优点是：可靠性强、抗干扰性能好、温度特性优良、电源电压范围宽、输出电流能力强、兼容性好、能与CMOS集成电路直接接口，动作
响应时间短以及体积小巧、寿命长和使用方便等。
但是，从对上述对霍尔开关传感器的原理描述中可以看出，霍尔开关传感器中必须对霍尔效应片输入控制电流、同时其内部还有差分放大器等具有较大功耗的器件，典型的集成式霍尔开关传感器耗电为mA级，因此，霍尔开关传感器不适合应用在本低功耗设计中。
3.3.2 光电检测传感器
当光照射在半导体材料的PN结上时PN结的两侧将产生光生电动势，如外部用导线连接，将有光电流流过，通常的光电检测传感器都是基于这一原理。
目前的光电检测传感器就是利用上述原理，以光电二极管为例，把发光二极管和光电二极管相对放置便组成了光电检测电路，当被检测物体通过二者之间时，由于光电二极管所接受的光的强度发生变化，其产生的光电动势也发生变化，将这种变化进行放大和处理，就能产生反映有无物体通过二者之间的电压脉冲信号。
然而，由于在此结构中必须用到发光二极管（对于不需要发光二极管的光电检测传感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到环境光线变化的影响，可靠性和检测精确度较低），因此，其功耗电也较高，不宜用在本低功耗设计中。
3.3.3 Wiegand(韦根)传感器
1. Wiegand传感器组成
Wiegand传感器由三部分组成：(1)Wiegand线；(2)检测线圈，将其缠绕在Wiegand 线上，或放置在Wiegand线附近；(3)磁铁。常用结构示意如图3.4所示。
31
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
(a)(b)(c)(d)
1－Wiegand线；２－检测线圈；３－磁铁
图3.4Wiegand传感器组成
2. Wiegand 传感器工作原理
Wiegand 线是由一根铁磁材料制成的永磁体，
由外壳和内芯组成，如图3.5所示。在强磁场的作
用下，内芯与外壳有相同的磁极性。将Wiegand 线
放在与线芯极性相反的外部弱磁场附近，能使线芯
的极性发生改变，线放在与线芯极性相反的外部弱磁场附近，能使线芯的极性发生改变，而外壳的极性不变。随着外磁场强度的增加，外壳的极性也随之发生变化，这样置于Wiegand 线附近的线圈就能检测出极性的转换，并产生电压脉冲输出。通常Wiegand 线与检测线圈是装配在一起构成Wiegand 组件。
3. Wiegand 传感器工作方式
根据Wiegand 线外部磁场引入的方式不同，Wiegand 传感器有两种驱动方式：非对
称驱动方式和对称驱动方式。非对称驱动方式开始把Wiegand 组件置于一种称为渗透磁场的强磁场中，此时Wiegand 线的外壳和内芯按同一方向极化，如图3.6(a) 所示；再把组件置于一种称为复位磁场的弱磁场中，此时内芯的极性反向,而外壳的极性不变，如图
3.6(b) 所示；然后把组件置于渗透磁场中，Wiegand 线内芯与外壳的极性又恢复到图3.6(a)的情况，由于Wiegand 线中磁场的变化，导致在检测线圈中一个周期内产生单一方向的电压脉冲，如图3.6(c)所示。
(a)(b)
(c)
图3.6 非对称驱动方式
在对称驱动方式中，采用两块磁场强度大小相等但极性相反的磁铁，一块磁铁首先
将Wiegand 线的外壳和内芯按同一方向进行渗透，如图3.7(a)所示；再将Wiegand 线切换到第二块磁铁，在这过程中，首先线芯的极性改变，如图3.7(b)所示；然后外壳的极性发生改变，这一作用在检测线圈中产生一个方向的电压脉冲输出，如图3.7(c) 所示；接着，再将Wiegand 线转回到第一块磁铁，首先内芯的极性改变为起始的极性，如图内芯外壳图３.5 Wiegand 丝结构
3.7(d) 所示；其次外壳的极性也随之改变为起始的极性，这一过程产生相反方向的电压脉冲输出如图3.7(e) 所示[6]。
(a)
(c)
(d)
(b)
图3.7对称驱动方式
4. WG系列韦根传感器原理及其特点
WG系列韦根传感器是利用韦根效应制成的一种新型磁敏传感器。其工作原理是传感器中磁性双稳态功能合金材料在外磁场的激励下，磁化方向瞬间发生翻转，从而在检测线圈中感生出电信号，实现磁电转换。
它具有以下特点：
(1) 传感器工作时无须使用外加电源，适用于微功耗仪表，如电子水表、电子气表和其它智能型仪表。
(2) 使用双磁极交替触发工作方式，触发磁场极性变化一周，传感器输出一对正负双向脉冲电信号，信号周期为磁场交变周期。
(3) 输出信号幅值与磁场的变化速度无关，可实现“零速”传感。
(4) 无触点、耐腐蚀、防水，寿命长。
(5) 利用电话线、同轴线可实现电信号远传。
由于WG系列韦根传感器具有以上的众多的特点，特别是其几乎不需要外界能量的输入。因此，选择它作为本低功耗设计的传感器。在这里，我们选择了南京艾驰电子科技有限公司的WG系列韦根传感器产品，其型号为WG101。具体使用方法为：在水表
的计量齿轮上安装小磁钢，当用户用水，齿轮转动，小磁钢将会转过Wiegand丝传感器，这时传感器产生一个高电平脉冲信号，经过整形、放大处理后输入至单片机进行计数计量。选择此传感器作输入信号测量的传感器，既满足了准确计量的基本要求，又满足了低功耗设计的需要，是本低功耗设计的重要组成部分。
3.4 信号处理模块的设计
WG系列WG101韦根传感器所产生的正向脉冲信号一般为1V～2V之间。为了保证系统能更加稳定的工作，必须对传感器所产生的脉冲信号进行放大、整形处理。我们采用下面的一个简单电路（如图3.8所示）可以很好的达到脉冲信号的放大、整形作用。
INT（P3.2）进行计数处理。当计满N 经过处理后的电平信号，送单片机的外部中断0
（N表示为设定的转数值），用水总量加1，剩余水量减1（“1”在本设计中代表0.1m3的水）。
3.5 电磁阀的选择与设计
对于水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开/关状态。目前可控制的阀门主要是电磁阀，但常规的电磁阀是靠电的通/断来控制阀门的开/关的，即要让阀门一直关着，就必须一直通电，因此耗电较大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必须对现有电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门的开/关控制由电脉冲来实现。使得对阀门开/关只需瞬时供电，从而减少耗电量。在这里我们选择：执行机构采用继电器HRS2H-S-DC3V，驱动带自锁的脉冲电磁阀MP15A-3V，两者仅需+3V电源供电。正常供水情况下，电磁阀自锁于常开状态，驱动机构不消耗电能，只有当购买的吨位数用完时，才由固态继电器驱动电磁阀关闭开关，并自锁于常闭状态，重新购水插卡后，再次送电开启。
当水量为零时，控制阀自动关闭，水路即被切断，此时用户须重新持卡购水。在正常情况下控制阀处于接通状态，只有当特殊事件发生时，控制阀才从接通状态变为关闭状态。三种事件状态下控制阀的通断情况如图3.9所示[7]。
图3.9 控制阀的关断情况
值得注意的是，由于继电器和脉冲开关电磁阀都是较大容量的感性负载，因而在切断这些感性负载时，会产生很大的电流和电压变化率，从而形成瞬变噪声干扰，成为系统中电磁干扰的主要原因，引外，继电器通断所造成的电火花和很强的电弧也产生了很大的电磁干扰。因此，在系统中必须设计相应的抗干扰电路来消除此电磁干扰，本系统所采用的抗干扰措施主要有以下两点：
1. 采用光电耦合器进行隔离(如图3.10所示)
当P1.1输出为高电平时候NPN管Q1导通，在光电耦合器SW-GD（型号为4N25）中的发光二级管发光，三级管导通。此时，电阻R10上就存在一个高电平使NPN管Q1
图3.11 氧化锌压敏电阻的电气性能
从图3.11中可以看出。压敏电阻具有类似稳压管的非线性特性，在一般工作电压（外加电压低于临界电压值）下，压敏电阻呈高阻状态，仅有uA数量级的漏电流流过压敏
电阻，相当于开路状态。当有电压（当电压达到临界值以上）时，压敏电阻即迅速变为低阻抗（响应时间为毫微秒数量级），电流急剧上升，电阻急剧下降，过电压以过电电流的形式被压敏电阻吸收掉，相当于过电压部分被短路。当浪涌过电压过后，电路电压恢复到正常工作电压，压敏电阻又恢复到高阻状态。可以利用压敏电阻的上述特性来吸收各种干扰过电压。由于ZnO压敏电阻特性曲线较陡，具有漏电流很小、平均功耗小、温升小、通流容量大、伏安特性对称、电压范围宽、体积小等优点，可广泛用于直流和交流回路中吸收不同极性的过电压。
在本设计中的具体使用方法为将压敏电阻并联到电磁阀的供电电压上，这样，电磁阀开关所产生的浪涌过电压就被压敏电阻所吸收了。压敏电阻的使用大大降低了电磁阀开关所造成的电磁干扰对单片机系统的影响。
3.6 片外数据存储器的设计
在系统的设计过程中，考虑到智能水表在使用过程中可能出现失电的情况。当这种情况发生时，系统应该保存失电前的一些数据。比如，存储用户设定的水量系数N（转/吨），累计用水总量和剩余水量等。而这些数据如果存储在单片机的数据存储器中，单片机失电重启动后存储的相关数据已经消失了。为了完成此功能，必须在单片机外部加一个E2PROM，完成这些数据的存储。本设计系统中加入了I2C总线的E2PROM。
I2C总线简介：I2C总线由PHILIPS提出，是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。
其协议定义的I2C总线数据格式如下：
AT24C01是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM，它是内含128×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点[2] [9]。在系统中，用AT24C01存储用户的设定水量转数N、水表检测
AT89C205l单片机的在本设计中的具体接法。
3.7.1 基于AT24C0X系列的IC卡
AT24C0X系列IC卡是美国ATMEL公司生产的存储式IC卡。产品型号有AT24C01/ 02/04/08/16/32/64，存储容量分别为1kbits/2 kbits /4 kbits /8 kbits /16 kbits /32 kbits /64 kbits；2.5～5V低电压供电；双线串行接口；双向数据传送；支持ISO/IEC7816-3同步协议；写/擦除次数＞1 000 000次；数据保存期＞100年。它是目前国内使用最多的IC 卡之一。
AT24C0X系列IC卡的引出端符合ISO/IEC7816-2标准。C1：VCC，工作电压；C3：SCL（CLK），串行时钟；C5：GND；C7：SDA（I/O），串行数据（输入/输出）；C2，C6：NC，未接。IC卡引脚如图3.13所示，其中引脚T，P为微动开关的两触点。此微动开关在无IC卡状态时，处于断开状态；有卡插入时，IC卡卡座上的微动开关动合，
因此，此开关往往是用来判断是否插IC 卡的传感器件[2]。
VCC
RST
SCL
T P
SDA NC GND
图3.13 IC 卡示意图
3.7.2 IC 卡的接口电路的设计
24系列为低功耗COMS E 2PROM 器件，使用单+5v 电源，电源电压范围为2.5～6V ，
内有高压泵电路，写入、擦除操作由内部定时器自动完成，具有擦除/写入周期10万次寿命和数据安全保存100年的有效期，二线串行接口，和各类微处理器接口十分简单等特点。本设计的AT89C205l 单片机与IC 卡240X 接口如图3.14所示。图中IC-CARD 为标准IC 卡座，其T 、P 端用作到位检测开关,将T 端连接89C2051的外中断输入脚P3.3(1INT )。由
实验报告
实验报告撰写要求 一、实验前用预习报告纸撰写预习报告，预习报告包括以下内容 1、实验目的 2、实验用仪器设备、器材或软件环境 3、实验原理、方案设计、程序框图、预编程序等 4、实验过程中需要记录的实验数据表格 二、实验过程中，要认真观察，仔细记录 三、完成实验后用实验报告纸撰写实验报告，包括以下内容 1、仪器设备型号及编号 2、实验器材或软件环境 3、实验步骤、程序调试方法 4、实验数据处理及结果分析 5、实验中存在的问题 6、体会及思考题 四、报告撰写时，要求格式规范、书写整齐
预习报告成绩：指导教师审核（签名）：年月日 预习报告 1、实验目的 （1）了解完整的PCB板设计工序及方法； （2）掌握原理图的设计方法； （3）掌握PCB板基础知识及设计方法； （4）了解PCB的设计规则。 2、实验用仪器设备、器材或软件环境 （1）微机（最低配置: Pentium 4 CPU, 128M内存）； （2）Protel DXP软件（最低版本：V7.0）； （3）Windows2000/XP环境、MS Office 2000以上版、Adobe Acrobat 5.0以上版。 3、设计要求 本实验要求在Protel DXP软件平台上设计IC卡智能水表的PCB板。 具体要求如下： （1）采用双面板设计PCB（外形及尺寸根据具体电子系统合理布局）； （2）PCB板中的过孔为穿透式、元件安装方式为单面安装； （3）PCB板中的信号导线的宽度≥10mil、电源导线宽度≥30mil，其他参数自定。 4、实验报告要求 （1）首先设计电路原理图，要求在设计原理图时要按步骤来设计，具体可以参照教材上的设计实例，要添加图形来说明实验过程； （2）其次设计电路的PCB板，具体要求如下： 元件的布局采用手工布局的方式，布局时要考虑元件布局的规则； 布线采用自动布线的方式，布线前要设计布线的规则； 要分步骤来说明PCB的设计过程，要时添加图形来说明实验过程； （3）实验报告中要写明实验中遇到的问题、解决的方法和实验体会。
一、用途及适用范围 本企业生产制造的LXSZ（R）-15/20型IC卡智能水表是以旋翼式多流束水表（铜壳）为基表，适用于单向、非脉冲水流。产品性能指标符合GB/T 《冷水水表》国家标准和CJ/T 133-2001《IC卡冷水水表》建设部标准，热水水表还符合JB/T 8802-1998《热水水表》机械部标准。主要用于住宅和企事业用水的计量与收费工作，热水水表独有的热量测量功能○1可以为合理收费提供科学的、定量的依据，是自来水公司和房产物业公司等自来水收费管理部门现代化管理的理想计量收费器具。 注：LXSZ型为IC卡智能冷水水表；LXSZR型为IC卡智能热水水表（包括具备热量测量功能和不具备热量测量功能两种热水水表）。 二、功能及特点 一户一卡 具有预付费功能 电子采样，计量准确、精确度高、性能稳定、安全可靠 LCD汉字显示功能 具有余量不足报警功能 具有防窃水功能 具有电池欠压保护功能 具有阀门自动维护功能 具有数据回抄功能 具有赊欠功能 多种事件记录功能，12个月用水量、最近100天用水量记录功能 最近100天热量记录功能○1 内置精确时钟，可实现阶梯收费（配合管理软件） 支持水、电、气、热“一卡通”功能 三、主要技术参数 项目冷水水表热水水表 公称口径DN15、DN20 计量等级B级 压力损失ΔP≤ M Pa 公称压力1MPa 环境温度0℃—40℃0℃—55℃ 相对湿度≤93% 介质温度0.3℃—40℃30℃—90℃ 电源锂亚柱式电池 原理框图如下：
注：冷水表不具备测温元件。 控制器通过安装在基表上的电子发讯装置采集基表的水量脉冲信息，换算成为相应的用水量。（热水水表基表上安装有数字温度传感器，用于测量热水温度，环境水温可以预先设定，通过用水量和用水温度可以积算出用热量○1。）IC 卡作为信息载体，可以用于设置表内参数、充值、回读表内信息或者发出特定的控制指令。LCD 显示水表状态、水量信息。电机和减速机构用于控制阀门。电池提供能源。 五、 使用 水表显示说明 请换电池干扰 开关 购余 总断线月请充值泄漏 数值显示：冷水表显示6位整数，1位小数；热水表显示4位整数，3位小数； 时间显示：第一位显示上“-”表示年、月、日；第一位显示下“-”表示时、分、秒； “8”： 1到8表示分表号，“0”表示未开户（不显示表明未做系统设置）； 请换电池：电池电压低，需要更换电池； 请换电池：电池电压过低，已进入关阀保护模式； 请充值：剩余水量小于预设报警水量，提示用户及时充值； 请充值：可用水量为零，进入关阀保护模式； 月：当月用量 总：总用量 购：本次购量 余：表内余量 ▲：指示计量单位； ：阀门处于人为控制状态，含强制开关阀、维护开关阀、测试开关阀； 开：阀门处于打开状态； 关：阀门处于关闭状态； 泄漏：水表处于泄漏状态； 断线：水量传感器断线（或者温度传感器断线○1），进入关阀保护模式； 干扰：违规操作表计或水量传感器损坏，进入关阀保护模式。 IC 卡及其使用 采用大容量逻辑加密卡作为传输介质，并对卡上数据采用动态加密，以保证数据传输的安 M 3 ℃ kWh ○ 1 ○ 1
目录 我公司水表发展及优势。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 1、水表功能。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、表安全防护。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 3、IC卡数据。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7 4、售水系统管理软件功能。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 5、水表技术参数。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 6、产品质量保证措施。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13 7、主要制造及检测设备、仪器一览表。。。。。。。。。。。。。。。。15 8、产品的检定、安装施工、调试方案。。。。。。。。。。。。。。。。16 9、水表产品出厂检验测试项目。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16 10、产品价格清单。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。20
楼宇 智能IC卡水表技术方案 我公司水表发展及优势 是一家集智能计量仪器仪表的开发、生产、销售及服务于一体的高新技术企业。公司成立于1994年，注册资金1000万元。是中国水表协会四家入会的智能水表生产企业之一及电能行业国家标准修订成员之一。主要产品有系列智能仪表、各种水、电、气、热检测设备。 公司自2000年开始一直从事智能IC卡水表的研发、生产、销售及服务，水计量产品的研发技术成熟，并在智能IC卡水表领域具有极其丰富的经验。随着水计量用户的需求及产品发展，我公司的智能水计量产品也在不断地更新与发展，产品的高智能化、多样化、专业化、多功能化，推动了企业的发展，当然质量是企业发展的根本。在公司总经理席科的带领下，我公司对产品的材料进货、生产、入库、销售、服务等各方面严格规范管理，保证产品质量。本公司研究生产的非接触型智能IC卡预付费水表，从设计、生产到售后服务全过程按ISO9001质量管理体系进行。 ①、成熟的产品设计确保产品质量（五个专利） a、球阀与水表连体的IC卡水表壳，专利号：01266780.3。它简化了IC 卡水表阀门与水表之间的联接结构，优化了IC卡水表的整体造型，同时也达到了增加阀门机构并不增加水表压力损失的目的。 b、采用微动开关作为发讯装置的发讯干式水表，专利号：01266781.1。 本专利采用了在传动齿轮上增加凸轮和在水表机芯下夹板上增装微
智能水表使用教程Revised on November 25, 2020
智能水表使用教程 家家户户都安装了智能水表，但是而对于初次使用者来说，如何正确使用智能水表是他们关注的重点。 下面我们以慧怡顺水水表厂生产的智能水表为例，详细介绍下射频卡智能水表使用教程，以便用户查阅了解！ 智能水表使用教程分为配套供应、安装、使用说明、用户卡功能说明以及用户须知注意事项这5个部分组成，我们一步一步的介绍下： 一、配套供应： 1、智能水表1个 2、铜接管2个 3、热收缩膜2张 4、水表使用说明书1份 5、水表IC卡卡3张，清零卡，设置卡，用户卡 6、水表系统一套 二、安装： 1、将防拆热收缩膜套在水表的接管螺母上，然后用电吹风对准防拆热收缩膜处吹或用90℃以上的热水对准防拆热收缩膜浇淋，其热收缩膜即进行收缩而按接管螺母的形状将其箍紧。水表安装时表壳上的箭头方向必须与水流方向一致，安装必须水平，安装地点应能防止曝晒、受污染和水淹，且便于拆装和观察的场所，寒冬季节应采取防冻措施。 2、水表和仪表罩壳上严禁搁置任何物品。注意防湿、防潮，严禁水滴渗入水表和仪表内损坏仪表，影响用户正常使用。
3、锅炉进水端安装冷水水表时必须装止回阀，防止热水和蒸汽回流损坏水表。 4、长期使用后，杂物堵塞或零件磨损等原因引起误差，须检修后使用。水表壳体不得拆卸，发现不正常现象应通知管理部门检修。 5、特别告示：注意安装预留尺寸必须符合水表外形尺寸安装要求，以免由于预留尺寸不足造成水表外壳受拉力损坏。 三、水表使用说明 用户需要手持IC卡去水管理部门缴纳一定的水费，再将IC卡插入家中的水表卡槽里（或者刷一下）就能开阀门使用水了。射频卡智能冷水表计量和监控数据是通过水表和液晶显示并用射频卡传递数据，液晶显示如下图所示： A显示水量体积单位： B显示容量为五位整数。 C 特定状态显示内容为：“本次购量”，“剩余用量”，“累计用量”， “阀关”,“阀开”，“交费”“换电池”，“限制本次购量”，“卡错”，“攻 击”，“换电池”，“E-01[EE错]”，“E-03[受磁攻击]”，“E-07[内部电池 电压过低]”。 1、显示“本次购量”：即本次存入用户卡购买的水量，将射频IC卡放在读卡位置即显示“本次购量***M3，然后会累加到原来剩余用量。 2、显示“剩余用量”：即每次读用户卡或到显示报警水量时，均显示“剩余用量XXXM”。 3、显示“累计用量”。即使用用户卡充值及查询时，到最后一项显示为“累计用量XXXM”。表示此水表总共使用的水量。
第1章绪论 本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。对当前水资源形势、传统水表和IC卡智能水表的特点及其水表的未来发展趋势作了概况。另外，简要说明了本文所做的工作。 1.1 本研究课题的背景及意义 环境与发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题，保护环境是全人类的共同任务。水资源作为生态环境中的重要资源，是人类生活的生产中不可取代的资源，对一个国家的生存和发展也是极为重要的。水资源是一切生命的源泉，是人类不可缺少的物质条件，没有水人类就不能生存，没有水人类赖以自下而上的物质生产就不能发展。 目前，我国的水资源问题十分严峻。在我国600多个城市中，目前有400多个城市供水不足，其中严重缺水的城市有110个，城市年缺水总量达60亿立方米。根据世界银行的数据，我国人均水资源占有量只有2200立方米，这个数字仅相当于世界人均水资源占有量的四分之一。专家预测，当我国人口增至16亿时，人均水资源将下降到1750立方米，接近国际公认的水资源紧张标准。从长远来看，搞好水资源的管理具有重大而深远的意义。自来水事业作为用水资源的重要组成部分，它关系到人民生产和生活的各个方面。 由于历史的原因，我国大部分城市居民使用自来水，都是在区域性水站供水基础上，逐步发展成为以单位住宅区或以楼栋、单元为一户由自来水公司抄表收费的。目前，这种经营方式已越来越不适应社会主义市场经济发展的要求，成为人民物资生活迅速提高和供水企业落后的经营方式之间产生的主要矛盾。 长期以来，我国自来水用户的用水量依靠人工抄表，然后由收费员到各家收费或令各用户去银行（或其他指定地点）交费。这种传统收取水费的做法需要的工作人员多，费时费力，效率低，常常遇到用户欠缴、迟缴或漏缴水费等问题。为适应国家对用水制度的改革，研究和利用现代化智能技术对自来水实行自动监控，减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少每月抄表收费带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，
DN20家用IC卡预付费水表使用说明书 DN20型号智能水表是普通家用住宅使用的水表，一般家庭自来水管道的直径是20毫米，所以使用DN20水表，那么它是否有使用说明书呢？答案是肯定的，我们以北京顺水公司生产的这种水表为例详细介绍下，以便开放全国网民使用阅读！ 本水表是用来计量流经自来水管道水的体积总量的仪表，适用于单向、非脉冲水流。智能IC卡（冷水、热水、纯净水）水表以自来水行业最常用，无故障，普通湿式水表为母体表，采用国际上最新微功耗，超大型大规模集成电脑芯片模块，以高集成化工业手段而设计制造的可靠电子控制器，配以水表公司研发的超低功耗，大扭距输出的无压损电机控制阀等相结合生产制造的新一代智能化水表，是集预付费，自动计费，报警及防止不当使用等功能于一体的高品质产品。具有计量准确，性能可靠，结构先进等特点，产品性能指标符合建设部CJ/133—2001标准和本企业标准，主要用于住宅和企业用水的计量与收费工作，该水表是以自来水公司和房产物业公司等水管部门现代管理的理想计量收费器具。 一、主要技术性能： 1. 被测水温：0o—30oC（热水表30oC-90 oC） 2. 水表的公称压力≤1Mpa 3．水表的最大允计误差：从包括最小流最qmin至不包括分界流量（qt）的低区±5%包括分界流量（qt）至包括过载流量（qs）的高区±2%。 4．管道的水压度大于0.02 Mpa. 二、工作原理 原理框图如下： 三、功能特点 1.外观：全密封防水设计，采用食品级高强度ABS塑料材质，超大液晶屏，数字显示清楚； 2.机芯：采用干式水表机芯，确保水表字轮显示永久清晰，不受水质影响； 3.玻璃：表玻璃采用食品级透明高强度有机玻璃，有效防止外来物品对水表的损
尊敬的用户您好： 在安装本表之前请先详细阅读使用说明书！ IC卡智能水表使用说明书 一、安装注意事项： 1、IC卡智能水表与其它电子产品一样，请勿将水表安装在阳光直晒处。 2、热水箱出水处应加装Y型可清洗式过滤器，安装前新装管道请用压力水冲洗干净。 3、供电支路中应安装漏电保护断路器，并有良好接地线。 4、所有水表总供电要求安装需有配电箱、漏电保护开关；对应每个出水口，在距离地面2米或以上位置， 安装一个220V的二、三插座，直接在插座上插上配置的开关电源安全供电给水表使用。 5、注意水表水流方向（按底部箭头所示），管道要有回水，否则开始刷卡扣费出冷水。水表要求水平安 装。 6、热水箱与出水口压力差≥6m（0.06Mpa~0.4Mpa），压力不够可以用自动增压泵增压。 7、调试：出厂的原始费率是1分/升。若需调整请用“管理卡”调整。 8、软件安装、开户发卡、充值、退卡、清卡、报表查询、备份、调整费率等操作。 9、当出水端的水压大于进水端水压时，水表不刷卡即可流水，即反方向不刷卡可流水，安装时请注意防止 水串流的现象，或者管道中加装止回阀。 10、当水表安装调试完毕正式使用时，为了防止学生拆开水表不刷卡用水，请在IC卡水表进水端加装防盗 扣。 二、水表液晶显示屏显示： 1、待机时滚动显示时间、日期： 2、刷卡时水表屏幕金额按水表流量递减扣费显示如下： 3、当卡上金额消费完时显示： 三、IC卡智能水表使用流程： 1、打开水龙头，把IC卡垂直插入水表卡槽感应区内不要拿开，水表显示屏显示卡余额水表开始扣费出水。 2、当不需要再用水时，把IC卡直接从卡槽拔出，停止扣费水表关阀停水。
I C卡智能水表技术规范 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
IC卡智能水表技术规范 一、关于IC卡的相关标准和规范： 所提供的产品必须是已通过省(部)级以上鉴定，允许进入给水工程使用的产品，并满足我国的设备设计、制造、试验和安装等国家标准和部颁行业标准（不限于下列标准）： 1、GB/T 778-1996冷水水表或GB/T 778-2007封闭满管道中水流量的测量饮用水冷水水表； 2、CJ/3064-1997居民饮用水计量仪表安全规则或CJ/266-2008饮用水冷水水表安全规则； 3、国家行业标准CJ/T133-2001《IC卡冷水水表》。 二、IC卡质量要求： 1、整表符合GB/T778-1996《冷水水表》和CJ3064-1997《居民饮用水计量仪表安全规则》或GB/T 778-2007 《封闭满管道中水流量的测量饮用水冷水水表和热水水表》和 CJ/266-2008《饮用水冷水水表安全规则》要求。 2、计量等级或性能要求:各口径水表执行GB/T778-1996《冷水水表》生产的选择B级或B级以上。 三、IC卡应具备的主要功能 1、口径：DN15/20。 2、电池外置：采用5号碱性电池，通用性强，用户自行更换，更换方便。
3、表壳采用高分子合金材料，无金属锈蚀，环保健康；高韧性，耐冲击，耐高、低温，更耐冰冻爆裂。 4、表罩可采用防弹玻璃材料，抗冲击，防冰冻。 5、表盖采用高分子合金材料或不锈钢材质，经久耐用。 6、可实现弱电或断电自动关阀，杜绝恶意用户断电用水可能性。 7、配置防拆口，防止用户自行拆卸水表。 8、采用非接触式IC卡：国际标准，广泛采用，兼容性强，不仅和电表、气表和实现一卡通，还容易和门禁、其它收费系统实现一卡通。 9、感应刷卡：无接触卡所需的开口，密封性好，故障率低。 10、自动防堵塞功能：定时清洁阀门。 11、零功耗：电池寿命长。 12、预警功能：剩余5立方米水量时，阀门自动关闭，提示用户及时购水。此时刷无值的用户卡可开阀用水。 13、测试功能：可实现设定的管理卡对水表进行测试开关阀功能（延时60秒后自动复位）。 14、电路板严密密封防水，适合淋水浸水使用。 15、可修改参数：水费、报警金额、可允许欠费金额等参数通过管理中心系统软件可随时修改。
IC卡智能水表 IC card, Intelligent water meters
摘要 本设计介绍一种采用MSP430F413单片机作为中心处理单元，用IC卡以及嵌入式安全模块作为信息存储介质的IC卡预付费智能水表的设计方法。详细介绍仪器的检测、控制以及IC卡等的设计思路及特点。理论与实践表明：该仪表功耗极低，精度高，性能安全、可靠，抗干扰性极强，使用灵活，从根本上改变了传统自来水计量收费落后的管理模式。 关键词: MSP430F413、IC卡、智能水表、超低功耗 ABSTRACT The design describes a MSP430F413 microcontroller used as a central processing unit, with IC cards and embedded security module as an information storage medium of the IC card prepaid water meter intelligent design. Details of instrument detection, control, and IC cards, design ideas and features. Theory and practice show that: the instrument is extremely low power consumption, high precision, performance, safety, reliability, strong anti-interference, the use of flexible, fundamentally changed the traditional management of water metering and charging backward mode. Keywords: MSP430F413, IC card,Intelligent water meters, low power consumption
IC卡智能水表 现在的传统水表给国内水资源浪费严重，给自来水公司的抄表、收费带来一些不便。随着城市发展供水的规模日益扩大，迫切需要用现代化科学技术手段改变自来水供水管理的落后现状。 IC卡水表，实现了用水收费的电子化，从根本上杜绝欠缴、迟缴、漏缴水费的现象，使自来水公司的日常工作和管理流程化、自动化、科学化，提高自来水公司的服务质量和竞争力。 现提出一款具有功耗低，安全性好，可靠性高的IC卡智能水表，希望公司各部门领导给予重视。 一、IC卡智能水表的功能 1、根据所购水量，自动执行供、停水功能 当用户将所购水卡（IC卡）插入水表时，表内系统在确认该卡有效后，自动打开阀门，进行正常供水；一旦用水量达到水卡所购水量，水表将自动关闭阀门，切断供水。 2、具有自动报警功能 当用户用水量剩下最后一定量时，显示屏指示红灯亮，水表通过喇叭发出声音报警信号，提醒用户及时购水。 3、用水量显示功能 可随时提供累计用水量，本月用水量、可用水量（本次够水量与表内结余水量进行累计）、本次购得水量及相应的水费信息，用户可通过水表的液晶显示器查看。 4、具有自动保护功能 当水表被擅自拆卸时，表内自动保护系统将关闭阀门，停止供水，并记录拆卸时间，以备查验。 5、断电保护功能 一旦外界交流电源停止供电或电池失效，表内的水量、水费等重要参数可保存10年以上。 6、加密功能 能对IC卡及卡表内的信息进行加密，一卡一表，防止非法使用。 二、IC卡智能水表的基本组成 IC智能水表主要由电磁阀、流量传感器、微处理器、存储器芯片、IC卡座、LCD显示器和电源组成。基本结构框图如图（一）所示：
图（一）智能水表结构框架图 三、IC卡智能水表的硬件选择 1、电磁阀 阀门是水表的被控对象，控制着进水的开、关状态。常规的电磁阀是靠电的通、断来控制阀门的开、关的，如果要让阀门一直开着，就必须一直通电，造成的电耗较大。因此，我们采用双稳态电磁阀（阀门的开、关控制有电脉冲来实现），这样对阀门的开、关只需要瞬时的供电，从而减少耗电量。 采用双稳态自吸电磁阀MP15A-5V，它具有电源电压低，启动水压低、防堵性能好、关闭可靠的特点，水表工作压力在15-100M怕内开、关阀门自如。 2、流量传感器 流量传感器是水表的核心，我们采用涡轮式的流量检测方式，涡轮流量计具有结构简单，测量精度高，反应迅速等特点。涡轮流量计上装有磁电转换装置，可将涡轮的旋转转换成电脉冲。不仅可以在显示屏上显示读数，同时具有一般表盘显示功能，当显示屏上读书出现故障时，以表盘机械读数为准。 可采用LWGY型涡轮流量传感器，该涡轮流量计可以显示流量总量，瞬时流量和流量满度百分比。电池采用长效锂电池，单功能积算表电池使用寿命可达5年以上，多功能显示表电池使用寿命也可达到12个月以上。 3、微处理器 微处理器采用美国AD公司的ADuC812单片机。ADuC812是一个完
智能水表使用教程 家家户户都安装了智能水表，但是而对于初次使用者来说，如何正确使用智能水表是他们关注的重点。 下面我们以慧怡顺水水表厂生产的智能水表为例，详细介绍下射频卡智能水表使用教程，以便用户查阅了解！ 智能水表使用教程分为配套供应、安装、使用说明、用户卡功能说明以及用户须知注意事项这5个部分组成，我们一步一步的介绍下： 一、配套供应： 1、智能水表1个 2、铜接管2个 3、热收缩膜2张 4、水表使用说明书1份 5、水表IC卡卡3张，清零卡，设置卡，用户卡 6、水表系统一套 二、安装： 1、将防拆热收缩膜套在水表的接管螺母上，然后用电吹风对准防拆热收缩膜处吹或用90℃以上的热水对准防拆热收缩膜浇淋，其热收缩膜即进行收缩而按接管螺母的形状将其箍紧。水表安装时表壳上的箭头方向必须与水流方向一致，安装必须水平，安装地点应能防止曝晒、受污染和水淹，且便于拆装和观察的场所，寒冬季节应采取防冻措施。? 2、水表和仪表罩壳上严禁搁置任何物品。注意防湿、防潮，严禁水滴渗入水表和仪表内损坏仪表，影响用户正常使用。? 3、锅炉进水端安装冷水水表时必须装止回阀，防止热水和蒸汽回流损坏水表。? 4、长期使用后，杂物堵塞或零件磨损等原因引起误差，须检修后使用。水表壳体不得拆卸，发现不正常现象应通知管理部门检修。? 5、特别告示：注意安装预留尺寸必须符合水表外形尺寸安装要求，以免由于预留尺寸不足造成水表外壳受拉力损坏。 三、水表使用说明 用户需要手持IC卡去水管理部门缴纳一定的水费，再将IC卡插入家中的水表卡槽里（或者刷一下）就能开阀门使用水了。射频卡智能冷水表计量和监控数据是通过水表和液晶显示并用射频卡传递数据，液晶显示如下图所示： A显示水量体积单位：m.3 B显示容量为五位整数。 C 特定状态显示内容为：“本次购量”，“剩余用量”，“累计用 量”，“阀关”,“阀开”，“交费”“换电池”，“限制本次购量”， “卡错”，“攻击”，“换电池”，“E-01[EE错]”，“E-03[受磁 攻击]”，“E-07[内部电池电压过低]”。 1、显示“本次购量”：即本次存入用户卡购买的水量，将射频IC卡放在读卡位置即显示“本次购量***M3，然后会累加到原来剩余用量。 2、显示“剩余用量”：即每次读用户卡或到显示报警水量时，均显示“剩余用
预付费IC卡智能水表管理办法 为了规公司预付费IC卡智能水表（以下简称卡表）的管理，明确各相关部门及人员的职责和分工，确保卡表的正确安装、使用、系统操作和维护管理，结合公司实际，特制定本办法。 一、总则 1、卡表管理涉及营业所、工程部、用户部、综合部等职能部门和外协施工单位，各部门、所应按照业务分工、职责划分具体实施。 2、工程安装所需卡表，需经公司检定合格归库后方可由施工单位或营业所领用。 3、结合公司原收费系统用户编号设置原则制定卡表售水系统用户编号。（详见附件1：IC卡表售水系统用户编号设置规则表） 4、用户部及各营业所应妥善使用和保管配套的售水系统、读卡器、软件锁、IC卡（含工具卡）等。 二、表计采购、检定、入库 5、表计采购由保管员负责、检定员协助按照库存要求填写“材料物资采购计划申请表”，按程序审批后向厂家订购。 6、公司保管员对到货的表计进行清点收货后，将水表移交给检定员，双方办理交接手续。【详见附件2：水表检定交接清单（一）】 7、检定员按照《冷水水表检定规程》分别对水表最小流量Q1、分界流量Q2、常用流量Q3进行检定并做好记录。
7.1、检定员配备设位卡、初始化卡（清零卡）各一，水表检定合格后用设位卡将水表电子阀门关闭，用初始化卡清除表具信息，恢复初始状态，并在表具上粘贴“检定合格”标识。 7.2、检定员按国家标准和公司要求将检定合格和不合格的水表分别装箱做好标记后，将水表移交给保管员，双方办理交接手续。【详见附件3：水表检定交接清单（二）】 8、保管员与生产厂家联系，将不合格水表退还生产厂家，并处理好双方往来账务。 三、表计安装 9、表计安装按照公司《自来水新装、迁改及用户变更申报审批程序》、《自来水工程管理规定》等相关管理制度及技术规办理。 10、营业所督促施工单位或房屋基建单位核对并在表具的接水管标注对应用水户的门牌号（特别是高层和暗管用户）。 11、工程完工后，由工程技术部牵头，组织用户部、营业所、施工单位、片区分管领导、用户现场验收，合格后办理交接手续。 四、建档开户 12、工程完工验收合格后由营业所收集、核对上报用户建档初始信息。（详见附件4：IC卡表用户建档初始信息统计表） 13、用户部根据营业所上报的初始建档信息与“上户传票”、“竣工验收资料”核对无误，报公司分管领导审批后到营业所卡表系统建档开户。 14、营业所将用户、地址（门牌号）、用户编号书写在“管理
目录 摘要 (1) Abstract (2) 第1章绪论 (3) 1.1课题背景及意义 (3) 1.2 传统水表 (4) 1.2.1 传统水表的主要结构 (4) 1.2.2 传统水表的主要特点 (4) 1.3 智能水表 (4) 1.3.1 智能水表的特点 (5) 1.3.2 国内外智能水表的发展现状及发展趋势 (6) 第2章智能水表的组成和单片机的选择 (7) 2.1智能水表系统硬件组成 (7) 2.2 AT89C51单片机简介 (8) 2.2.1 89C51单片机的基本组成 (8) 2.2.2 89C51单片机引脚及其功能 (9) 第3章系统各模块硬件电路设计 (10) 3.1 IC卡读写电路 (10) 3.1.1 Mifare 1射频IC卡 (10) 3.1.2 H6152读写模块 (13) 3.1.3 IC卡读写电路的原理及说明 (13) 3.2 液晶显示电路 (16) 3.2.1 液晶显示模块 (16) 3.2.2 电源模块 (18) 3.2.3 单片机模块 (20) 3.3 记忆单元电路 (20) 3.3.1 I2C总线简介 (20) 3.3.2 AT24C01简介 (22) 3.3.3 硬件原理图 (22) 3.4 电磁阀控制电路 (23) 3.5 其它模块电路 (24) 第4章系统各模块软件设计 (25) 4.1 IC卡读写软件设计 (25) 4.1.1 H6152内部寄存器 (25) 4.1.2 H6152通信协议与控制命令 (27) 4.1.3 IC卡读写电路程序流程图及部分程序 (31) 4.2 液晶显示电路软件设计 (32) 4.2.1液晶控制驱动器指令集 (32) 4.2.2程序流程图及部分程序 (34) 4.3 记忆单元电路软件设计 (36)
IC卡智能水表技术规范 一、关于IC卡智能水表的相关标准和规范： 所提供的产品必须是已通过省(部)级以上鉴定，允许进入给水工程使用的产品，并满足我国的设备设计、制造、试验和安装等国家标准和部颁行业标准（不限于下列标准）： 1、GB/T 778-1996冷水水表或GB/T 778-2007封闭满管道中水流量的测量饮用水冷水水表； 2、CJ/3064-1997居民饮用水计量仪表安全规则或CJ/266-2008饮用水冷水水表安全规则； 3、国家行业标准CJ/T133-2001《IC卡冷水水表》。 二、IC卡智能水表质量要求： 1、整表符合GB/T778-1996《冷水水表》和CJ3064-1997《居民饮用水计量仪表安全规则》或GB/T 778-2007 《封闭满管道中水流量的测量饮用水冷水水表和热水水表》和CJ/266-2008《饮用水冷水水表安全规则》要求。 2、计量等级或性能要求:各口径水表执行GB/T778-1996《冷水水表》生产的选择B级或B级以上。 三、IC卡智能水表应具备的主要功能 1、口径：DN15/20。 2、电池外置：采用5号碱性电池，通用性强，用户自行更换，更换方便。
3、表壳采用高分子合金材料，无金属锈蚀，环保健康；高韧性，耐冲击，耐高、低温，更耐冰冻爆裂。 4、表罩可采用防弹玻璃材料，抗冲击，防冰冻。 5、表盖采用高分子合金材料或不锈钢材质，经久耐用。 6、可实现弱电或断电自动关阀，杜绝恶意用户断电用水可能性。 7、配置防拆口，防止用户自行拆卸水表。 8、采用非接触式IC卡：国际标准，广泛采用，兼容性强，不仅和电表、气表和实现一卡通，还容易和门禁、其它收费系统实现一卡通。 9、感应刷卡：无接触卡所需的开口，密封性好，故障率低。 10、自动防堵塞功能：定时清洁阀门。 11、零功耗：电池寿命长。 12、预警功能：剩余5立方米水量时，阀门自动关闭，提示用户及时购水。此时刷无值的用户卡可开阀用水。 13、测试功能：可实现设定的管理卡对水表进行测试开关阀功能（延时60秒后自动复位）。 14、电路板严密密封防水，适合淋水浸水使用。 15、可修改参数：水费、报警金额、可允许欠费金额等参数通过管理中心系统软件可随时修改。 16、数据回写，用户卡可记录水表数据，方便管理人员了解用户用水情况。
I C卡智能水表技术规范标准化文件发布号：（9312-EUATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
IC卡智能水表技术规范 一、关于IC卡智能水表的相关标准和规范： 所提供的产品必须是已通过省(部)级以上鉴定，允许进入给水工程使用的产品，并满足我国的设备设计、制造、试验和安装等国家标准和部颁行业标准（不限于下列标准）： 1、GB/T 778-1996冷水水表或GB/T 778-2007封闭满管道中水流量的测量饮用水冷水水表； 2、CJ/3064-1997居民饮用水计量仪表安全规则或CJ/266-2008饮用水冷水水表安全规则； 3、国家行业标准CJ/T133-2001《IC卡冷水水表》。 二、IC卡智能水表质量要求： 1、整表符合GB/T778-1996《冷水水表》和CJ3064-1997《居民饮用水计量仪表安全规则》或GB/T 778-2007 《封闭满管道中水流量的测量饮用水冷水水表和热水水表》和CJ/266-2008《饮用水冷水水表安全规则》要求。 2、计量等级或性能要求:各口径水表执行GB/T778-1996《冷水水表》生产的选择B级或B级以上。 三、IC卡智能水表应具备的主要功能 1、口径：DN15/20。 2、电池外置：采用5号碱性电池，通用性强，用户自行更换，更换方便。
3、表壳采用高分子合金材料，无金属锈蚀，环保健康；高韧性，耐冲击，耐高、低温，更耐冰冻爆裂。 4、表罩可采用防弹玻璃材料，抗冲击，防冰冻。 5、表盖采用高分子合金材料或不锈钢材质，经久耐用。 6、可实现弱电或断电自动关阀，杜绝恶意用户断电用水可能性。 7、配置防拆口，防止用户自行拆卸水表。 8、采用非接触式IC卡：国际标准，广泛采用，兼容性强，不仅和电表、气表和实现一卡通，还容易和门禁、其它收费系统实现一卡通。 9、感应刷卡：无接触卡所需的开口，密封性好，故障率低。 10、自动防堵塞功能：定时清洁阀门。 11、零功耗：电池寿命长。 12、预警功能：剩余5立方米水量时，阀门自动关闭，提示用户及时购水。此时刷无值的用户卡可开阀用水。 13、测试功能：可实现设定的管理卡对水表进行测试开关阀功能（延时60秒后自动复位）。 14、电路板严密密封防水，适合淋水浸水使用。 15、可修改参数：水费、报警金额、可允许欠费金额等参数通过管理中心系统软件可随时修改。 16、数据回写，用户卡可记录水表数据，方便管理人员了解用户用水情况。
智能水表IC卡智能水表卡式水表 防止IC卡智能水表被破解解决智能水表偷水问题 IC卡智能水表（预付费）是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型智能水表，具有机械计数和电子计数的双重功能，主要由智能卡读写器、低功耗微电脑、独创新型电机阀、流量采集及相应电路组成，在保持了传统机械式水表的特点的同时，还具有直观的电子显示。具有、功能完备、计量准确、性能可靠、体积小、显示直观、外形精美以及安装便捷、使用方便的优点，适用于城市居民自来水的计量和收费，避免了偷水、漏水、冒水事件的发生，通过电子计费达到了节水和科学管理的目的同时改变了传统的城市供水管理方式，变“先用水，后交费”为“先交费，后用水”，提高了供水行业的现代化管理水平，同时方便了用户的使用，避免了查表收费给用户带来的诸多不便，有效的解决计量扯皮、用水纠纷、贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。IC卡智能水表集众多优点于一身，将会使其逐渐被接受并成为一种基本用水计量配置。 如今很多城市的物业公司或其他水资源管理单位为了便于管理，都为用户安装上了IC卡智能水表，这类智能水表把它叫做刷卡预付费卡式水表。这样做可以避免水费收缴难题，也减少了登门挨家查水表、抄水表等繁杂的工作，从而使用预收费刷卡用水的手段，着实给管理部门带来了不小的方便和好处。但是，近一段时间很多物业公司反映到，由于长期不到住户家里查水表，也无法得到卡式水表安装之后的运行情况，致使很多住户私自改装水表，或者直接破解智能水表已达到偷水的目的。很多小区，学校，公共场所都安装了IC卡智能水表，不少的用户在安装智能水表的时候，偷偷将其拆了，再把两根管子连上，不经过智能水表用水。 对于这种情况，在没有有效的监督机制之前，只能靠个人的道德素质来约束用户破解IC卡智能水表偷水的行为，“如要人不知，除非己莫为”，如果用户偷水量大，偷用金额巨大的话，这已经构成了盗窃罪，不仅会得到处罚，而且还有可能获罪而遭拘禁。由于IC卡智能水表都是脱机使用，不跟电脑主机相连，所以用水情况也只能靠用户每次来充值IC卡时才能做出判断，智能水表是否被破坏，只有实地查看才能得出结论，不过，在软件上还有一项功能，物业管理部门可以设置，自动筛选日期，比如三个月筛选一次近三个月来未充值过的居民，再逐一上门检查。针对IC卡智能水表被破解偷水的现象，有的IC卡智能水表生产厂家已经做了一些防止卡式水表防破解、偷放水的手段，每次拆卸表里都有计次功能，返厂或检查时，一目了然。这样就能在一定程度上缓解IC卡智能水表被破解偷水的现象。
预付费IC卡智能水表管理办法 为了规范公司预付费IC卡智能水表（以下简称卡表）的管理，明确各相关部门及人员的职责和分工，确保卡表的正确安装、使用、系统操作和维护管理，结合公司实际，特制定本办法。 一、总则 1、卡表管理涉及营业所、工程部、用户部、综合部等职能部门和外协施工单位，各部门、所应按照业务分工、职责划分具体实施。 2、工程安装所需卡表，需经公司检定合格归库后方可由施工单位或营业所领用。 3、结合公司原收费系统用户编号设置原则制定卡表售水系统用户编号。（详见附件1：IC卡表售水系统用户编号设置规则表） 4、用户部及各营业所应妥善使用和保管配套的售水系统、读卡器、软件锁、IC卡（含工具卡）等。 二、表计采购、检定、入库 5、表计采购由保管员负责、检定员协助按照库存要求填写“材料物资采购计划申请表”，按程序审批后向厂家订购。 6、公司保管员对到货的表计进行清点收货后，将水表移交给检定员，双方办理交接手续。【详见附件2：水表检定交接清单（一）】 7、检定员按照《冷水水表检定规程》分别对水表最小流量Q1、分界流量Q2、常用流量Q3进行检定并做好记录。 、检定员配备设位卡、初始化卡（清零卡）各一张，水表检定
合格后用设位卡将水表电子阀门关闭，用初始化卡清除表具信息，恢复初始状态，并在表具上粘贴“检定合格”标识。 、检定员按国家标准和公司要求将检定合格和不合格的水表分别装箱做好标记后，将水表移交给保管员，双方办理交接手续。【详见附件3：水表检定交接清单（二）】 8、保管员与生产厂家联系，将不合格水表退还生产厂家，并处理好双方往来账务。 三、表计安装 9、表计安装按照公司《自来水新装、迁改及用户变更申报审批程序》、《自来水工程管理规定》等相关管理制度及技术规范办理。 10、营业所督促施工单位或房屋基建单位核对并在表具的接水管标注对应用水户的门牌号（特别是高层和暗管用户）。 11、工程完工后，由工程技术部牵头，组织用户部、营业所、施工单位、片区分管领导、用户现场验收，合格后办理交接手续。 四、建档开户 12、工程完工验收合格后由营业所收集、核对上报用户建档初始信息。（详见附件4：IC卡表用户建档初始信息统计表） 13、用户部根据营业所上报的初始建档信息与“上户传票”、“竣工验收资料”核对无误，报公司分管领导审批后到营业所卡表系统建档开户。 14、营业所将用户姓名、地址（门牌号）、用户编号书写在“管理标签”上，到实地核对用户表计无误后粘贴于相对应的表具醒目处。
IC卡智能水表七大著名品牌 深圳华旭——国内IC卡水表销量最大的企业。集智能计量仪表生产、数据通信设备制造、计算机软件开发、自动化工程施工为一体。产品覆盖全国28个省区和直辖市，远销南美、俄罗斯、非洲等多个国家。国内市场占有率连续多年遥遥领先，也是各地自来水公司采用最多的IC卡水表品牌。 宁波股份——宁波水表股份有限公司是中国水表行业的龙头企业和最大的水表专业生产、出口基地。虽然宁波水表股份在IC卡水表产品上是后来者，但依托在水表行业的巨大影响力，仍然迅速成为全国IC卡水表产品中的著名品牌。 杰米特——杰米特（北京）科技有限公司由研发中心、生产中心，维修服务中心三部分组成。其中杰米特研发中心为公司核心竞争力，拥有设计人员五十多人，拥有十五年以上行业经验者超过二十多人，是国内智能表行业唯一能进行芯片级研发的技术团队。杰米特智能表研发中心同时为国内几十家智能表厂家提供芯片及线路板，年供应量超过一百万片。依靠强大的开发实力，杰米特迅速崛起成为IC卡水表行业的著名品牌。 江西三川——江西三川水表股份有限公司系国家高新技术企业，拥有发明专利、实用新型专利及外观专利授权共计22 项，是江西地区重点扶持的水表企业，也是全国IC卡水表著名品牌。 湖南威胜——威胜集团有限公司是中国领先的能源计量设备、系统和服务供应商，IC卡水表是其集团外围业务之一。依托集团的经济实力和技术实力，在IC卡水表领域也逐渐成为著名品牌。 浙江华立——华立仪表集团股份有限公司业务范围从仪表、电子领域到医药、地产行业，IC卡水表是其仪表类产品之一。其IC卡水、电联动系统最早使用，目前已经被行业广泛采用。 河南新天——河南新天科技股份有限公司的产品涵盖智能水表、热量表、智能燃气表、智能电表四大系列，产品销售覆盖全国三十多个省市自治区和部分出口国外。其射频卡智能水表是公司主力产品。 注：除上述IC卡水表品牌之外，宁波龙康、杭州竟达、武汉盛帆等IC卡水表品牌也是比较有名的水表品牌，各有优势和特点。IC卡水表作为智能水管理产品，已经进入了成熟时代。