基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计方案1文献综述1.1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。
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[1]。
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[2]。
1.2 智能水表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[3]。
1.3 本课题的研究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。
2 本论文的方案论证2.1 设计方案方案一：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。
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]。
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]。
2.2 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。
3 IC卡智能水表的硬件设计本章是本文的核心容，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，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，卡表单片机识别IC卡密码并确认无误后，将卡中购买水量与表剩余水量相加后，写入卡表存储器，同时必须将IC卡购水值清零。
当用户用水时，由流量传感器采进来的信号以脉冲形式触INT，换醒单片机，进行用水处理。
发单片机的外部中断0用户在用水过程中，卡表剩余水量相应减少。
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3.2.2 单片机STC12C5A60S2简介STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。
1、增强型8051CPU，1T(1024G)，单时钟/机器周期2、工作电压 5.5-3.5V3、1280字节RAM4、通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA5、有EEPROM功能6、看门狗7、部集成MAX810专用复位电路8、外部掉电检测电路9、时钟源：外部高精度晶体/时钟，部R/C振荡器常温下部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11~17MHz3.3V 单片机为：8~12MHz10、4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T111、3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟12、外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.313、PWM2路14、A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S15、通用全双工异步串行口(UART)16、双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.317、工作围：-40~8518、封装：LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC管脚说明P0.0~P0.7 P0：P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。
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