基于PIC16F84單片機(jī)的IC卡智能水表設(shè)計(jì)

1、引言

長期以來，自來水用戶的用水量管理依靠人工抄表，然后由收費(fèi)員到各家收費(fèi)或各用戶去銀行交費(fèi)。這種傳統(tǒng)的收取水費(fèi)的做法需要的工作人員多，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低，常常出現(xiàn)用戶欠費(fèi)、遲繳或漏繳水費(fèi)等問題。

采用IC卡智能水表后，可以改變自來水收費(fèi)及管理的現(xiàn)狀，達(dá)到下列管理目標(biāo)：

1） 智能水表代替?zhèn)鹘y(tǒng)水表，用IC卡實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)，實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)后用水”、持卡結(jié)算的理想管理模式，從根本上杜絕欠繳、遲繳、漏繳水費(fèi)的現(xiàn)象，使自來水公司應(yīng)收費(fèi)用及時(shí)到位。

2） 建立自來水公司計(jì)算機(jī)信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對自來水供應(yīng)、自來水用戶及自來水公司員工的科學(xué)化管理；建立完善的財(cái)務(wù)核算管理，使自來水公司的日常工作和管理流程化、自動化、科學(xué)化，提高自來水公司的服務(wù)質(zhì)量和競爭力。

3） 減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，消滅（減少）現(xiàn)金交易，減少人為差錯(cuò)和杜絕貪污案件的發(fā)生。

4） 提供方便的統(tǒng)計(jì)查詢功能，便于全面、及時(shí)地了解情況，為決策提供依據(jù)。IC卡水表系統(tǒng)是由IC卡水表、通用IC卡及計(jì)算機(jī)收費(fèi)管理網(wǎng)絡(luò)組成，起核心是IC卡水表。

2、硬件設(shè)計(jì)

IC卡計(jì)費(fèi)水表主要由閥門、流量傳感器、微處理器、IC卡讀/寫器、顯示器及電源等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1IC卡智能水表原理框圖

1） 微處理器

為降低整個(gè)水表的功耗，微處理器選用Microchip公司的低功耗芯片PIC16F84。該芯片工作于休閑狀態(tài)時(shí)，耗電量僅為級。另外，采用FLASH的串行存儲芯片93C46作為數(shù)據(jù)存儲器。93C46是一個(gè)串行的EEPROM，占用體積小，功耗低，且操作簡單，主要用來存放 IC卡識別字、發(fā)行密碼及用水計(jì)量等數(shù)據(jù)，以作為水表識別與計(jì)計(jì)量的依據(jù)。

2） 閥門

對水表而言，閥門是被控對象，控制著進(jìn)水的開/關(guān)狀態(tài)。目前可控的閥門主要是電磁閥，但常規(guī)的電磁閥是靠電的通/斷來控制閥門的開/關(guān)的，即要讓閥門一直開著，就必須一直通電，因此耗電較大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必須對現(xiàn)有的電平開關(guān)式電磁閥進(jìn)行改進(jìn)，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，即閥門開/關(guān)由電脈沖來實(shí)現(xiàn)。使得對閥門開/關(guān)只需瞬時(shí)供電從而減少耗電量。

3） 流量傳感器

流量傳感器是水表中的傳感器部分，是實(shí)現(xiàn)正確計(jì)量的基礎(chǔ)。考慮到現(xiàn)有的模擬式水表中，旋翼式水表結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬，靈敏度高，外形尺寸小，精確度已被廣大用戶所接受；因此本水表的流量傳感器還是基于模擬水表的旋翼式結(jié)構(gòu)，而通過在葉輪上安裝磁鋼與微型干簧管等機(jī)構(gòu)，將葉輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電信號，以實(shí)現(xiàn)頻率脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水流量的計(jì)量。其耗電小，并保持了原有的結(jié)構(gòu)簡單、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。

4） IC卡讀/寫器

IC卡讀/寫器是IC卡水表的輸入接口。當(dāng)IC卡插入讀/寫器時(shí)，首先讀入的是卡中的密碼，以判斷此IC卡的合法性；水表在判斷了卡的合法性后，讀入所購水量并和水表內(nèi)剩余水量累加，同時(shí)將卡上購水量單元清零；回寫水表上用水量、剩余水量等信息，以便下次購水時(shí)自來水公司讀取，實(shí)現(xiàn)水表信息的回饋功能。

5） 顯示器

液晶顯示器作為水表的輸出接口，顯示剩余水量、電池狀態(tài)及開關(guān)狀態(tài)等信息。它們的有效工作時(shí)間都比較短。用戶看完后，沒有必要讓它一直顯示；為此，可利用水表上的防水蓋提供信號。即當(dāng)蓋子打開時(shí)，使它們進(jìn)入工作狀態(tài)；而當(dāng)蓋子蓋上時(shí)，是它們停止工作，從而達(dá)到節(jié)電的目的。

6） 供電電源

本水表采用交/直兩用電源。平時(shí)水表由交流電通過表內(nèi)的小型變壓器輸出供電，而備用電池處于充電狀態(tài)。一旦停電，水表就由內(nèi)部備用電池供電。

下圖給出了智能水表主系統(tǒng)的原理圖：

圖二 系統(tǒng)原理圖

3、軟件設(shè)計(jì)

PIC16F84是Microchip公司的產(chǎn)品，具有低電壓、低功耗、高速度、指令少、可反復(fù)擦寫等優(yōu)點(diǎn)，但是采用匯編語言的可移植性較差，故本系統(tǒng)采用可移植性較好的C語言編程。

IC卡智能水表軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是看門狗的初始化、進(jìn)入睡眠及其喚醒等處理部分。從功能來看，有這樣一些模塊：IC卡接口模塊（包括IC卡有效性判斷及讀/寫IC卡）、閥門控制模塊、流量脈沖、用水量處理模塊及顯示模塊等。其框架如圖三。

圖三 流程框圖

4、結(jié)束語

此模塊硬件電路采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展系統(tǒng)的控制功能，目前該模塊在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)性能良好，有待于進(jìn)一步應(yīng)用于市場開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

【1】沈紅衛(wèi) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析 北京航空航天大學(xué)出版社

【2】張根源 IC卡計(jì)費(fèi)水表的設(shè)計(jì)[J] 現(xiàn)代科學(xué)儀器 2000（6）