基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计
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基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计
【摘要】本文的重点是对新型的IC卡智能水表电路进行设计和研究，它的主要特征是：以STC89C52单片机为核心，可以实现对IC卡的读写，对液晶屏幕的显示、电磁阀的开闭，对流量计脉冲的提取进行控制。此外，它还拥有存储电路，可以完成对水表信号的读写处理，并对水表工作进行监控。同时还能提供安全保护、自动报警、通讯接口等电路设计，以满足用户对IC卡智能水表控制系统的要求。通过现场数据采集和实时传输水表数据，可以轻松准确地了解用户的用水量、剩余水量和购水量等信息，实现对用户的实时监控。
【关键词】单片机IC卡智能控制水表
1水表的系统方案设计
本系统以实现控制水的功能为基本原则，同时又要满足低功耗的要求。首先，用户持IC卡到自来水公司购水，自来水公司用读写器把购水记录的数据写入IC卡中，之后用户将IC卡放在水表的读取和写入模块的感应区，然后IC卡读取和写入模块把IC卡中的数据传输到单片机，单片机就会根据IC卡中有无余额来决定是否要打开电磁阀，同时在LCD模块上显示出水表中的结余金额、用水量、余水量等信息；在用户用水时，流量传感器会将收集到的用水量数据的脉冲信号传输给单片机，通过单片机来计算目前的余额。当余额低于设置值时，将发出警报，当余额为零时，将自动将电磁阀关闭，直至再次读入IC卡中。此外，在这个设计中，还考虑到了防拆卸的功能，如果有人想要强行拆卸水表，就会触发水表内的防盗开关，当单片机探测到这个信号时，控制电磁阀自动关闭，并且报警器会发出警报声。
2 智能水表的硬件部分设计
2.1 主控制装置 本设计所采用的STC89C52是一个8位的CMOS51单片机，它有8KB的可编程性和可擦去性。其具有32个输入输出端口、6个中断信号和2个计时器。芯片中的闪存能够让程序在系统中进行更改，或者利用传统的非易失内存编程器改写相应的程序。STC89C52是一种功能强大，性能稳定，性价比较高，在各类控制系统中有着广泛的应用。
STC89C52的主要特点是：8KB的可自适应闪存；0-40兆赫静态工作；128×8位的内部RAM；32路外双向输入输出端口，6路中断优先权；2个可编程定时器，可编程串行通道；片内时钟振荡器。在功耗模式下，因为晶体管暂停工作，所以所有的操作都要暂时搁置，只保留晶体管中的内存，等待下一次硬件被重置。
2.2 传感装置
作为水表的传感元件，流量传感器是水表准确计量的重要依据，也是水表能否正常运行的关键。但就目前的模拟水表而言，旋翼式是最简单的一种，具有较大的量程，较高的灵敏度，简易的外形。所以，旋翼式水表是目前最受用户欢迎的一种模拟水表。为此，本设计采用脉冲采集技术，对一种具有IC卡功能的智能水表进行数据采集的方法。采用涡流式水力传感器，对水力传感器进行了测试。涡流式流量计是利用涡轮机来测量流量的。当有水通过时，水轮机内部的水轮机就会转动，水轮机外壳上的电感线圈就能探测到水轮机的转动，并将其转化为一种脉冲信号。
2.3 显示装置
用LCD来显示水表的输出数据，可以显示剩余水量、电池电量和开关量等数据。LCD1602液晶显示屏：一种点阵型的LCD组件，专用于显示数字，字母，符号等。它有两行16个点阵式的字符，不但能显示数字，而且能显示英文和符号。
从各方面考虑，选择了功耗低的LCD1602型液晶显示屏。
2.4 电源线路
在设计电源源时，不仅要保证功率输出的可靠性，而且要保证各电路板上的退耦电容。从电路来看，本电路采用的电源为直流电源+5V和+3.3V，单片机由外接的+5V电源供电，IC卡读写模块由ASM1117-3.3将5V稳压至3.3V提供电源。ASM1117-3是一个线性调节器，它的输出是3.3伏，它可以把一个输入电压转变成一个稳定的输出电压。该装置具有过流保护，过热保护，过流保护，短路保护等多种功能。
2.5 报警装置
在本设计中，使用的是日本RICON公司生产的R3111H301C低压差线性稳压器，R3111H301C工作电压范围广，能够检测到1.5V至10V之间的电压变化，并且具有高精度和低功耗等特点。该芯片采用高精度的电阻分压技术，具有极低的功耗，在智能水表电压检测中具有非常广泛的应用。报警电路的工作原理如下：报警电路的作用是：在使用者恶意地将水表拆下的时候，表盖下面的防盗开关S2就会启动，收到盗窃信号的单片机就会立刻关掉阀门，然后P21就会输出一个低压电势，三极管Q2就会被打开，然后就会发出“嗡嗡”的响声，防止有人偷水。此外，本系统还具有警报功能：在水表中的结余低于设定数值时，D1会发出警报，提醒使用者及时购买饮用水。
2.6 读卡装置
在本设计中采用RFID读卡器射频识别技术，能够自动识别目标对象，无需人工干预，而且可以进行远距离操作，从而获得更多的信息。IC卡读取和写入组件是成品模块，其天线是直接印制在一块电路板上，大大节省了一些空间。
3 智能水表的软件部分设计
3.1 主程序的设计
首先，需要上电重置系统，确保系统处于初始状态，以便后续的操作更加顺利。其次，从ERPROM中读出数据，以进行系统参数的设置和更改。接着，根据表被拆卸、按键被按下、有卡插入等情况，将对应的处理子程序转移到对应的处理器中，并将阀门关闭。此外，为了确保流量传感器能够准确检测到水流，还需要对流量传感器所探测到的信号进行判断。如果有效，则会进行扣水处理，如果无效的话，则会进入到休眠中，当表中的余水量低于5m³时，就会有蜂鸣器发出声音；当提醒表中的余水量达到0m³时，就会自动关闭阀门，让水停止流动。此时，阀门就会关闭，水就不会继续流入管道中。
3.2 外部中断程序的设计
在使用者使用水的过程中，水力感应器会发出一种脉冲讯号，并在此讯号上输入一段时间的中断讯号。在此基础上，通过对该反应过程的分析，得到该反应过程的反馈结果。在水表拆下，电池电压不足或被移除，同时有按钮被按下，或插入IC卡时，都会引发上述的外界干扰，并将系统转入中断反应程序。此外，当系统收到用户的命令时，也会启动中断响应程序，从而实现更有效的控制。
3.3 IC卡读写程序的设计
将IC卡插入读写机后，第一个读取的就是卡片上的口令，这个口令是验证IC卡正确性的一个重要指标。水表对卡片的正确性进行判定后，读取所购买的水量，并将所购买的水量与剩余的水量相加，并清零卡片的购买单位；将水表中的用水量、余量等信息进行记录，以便下次用户再买水时及时查阅，以达到对水表信息进行反馈的目的。它是由外部中断触发的，首先要对外部中断的状态进行检查，看其是否是有效的，如果是，就能对其进行判断，判断其是管理卡还是用户卡，如果是管理卡，在处理时，应先对其上的用户名和密码进行确认，之后才能对其进行读取和写入，并按要求对其进行记录。然后，卡上的阀门要打开，以确保数据的正确性。
对卡的操作分成四步：寻卡→防冲突→选卡→读/写卡；
4 结束语
本文是一项以单片机为核心设计的卡智能水表，它可以通过读取用户的消费数据，自动记录用户的消费情况，并根据消费情况自动计算出用户的用水量，从而实现对用户用水状况的监控。此外，它还可以自动完成计费功能，并可以通过网络或远程控制实现远程抄表，从而有效地管理和监控用户用水情况。本设计软件所使用的汇编语言，其运行速度较快，能够较好地满足使用者的要求，能够查阅有关的各类资料，较大限度地满足使用者的要求，例如能够查询与产品质量、性能、可靠性等有关的信息。另外，该系统还能提供设备的维修、维护、更换等信息，为使用者提供方便。
参考文献
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