IC卡智能水表的研制
發(fā)布日期：2013-04-16 瀏覽次數(shù) ：1163
摘 要:介紹了IC卡智能水表的研制方法,并給出了硬件設計要求和軟件設計流程圖.
隨著社會的發(fā)展,各部門都在提高工作效率.但目前,供水部門水費的征收仍采用傳統(tǒng)的方式,已遠遠不能適應快節(jié)奏的現(xiàn)代生活,為解決水費征收效率低、群眾意見大的實際情況,我們研制了預付費水表.本文介紹的IC卡預付費水表是以傳統(tǒng)水表為母表,用單片機實現(xiàn)控制用水的儀表.該水表的單片機控制電路需在原水表的基礎上重新設計控制盒并將其與水閥組裝在一起,為了提高IC卡水表的性、可靠性和穩(wěn)定性,在設計中采用了人性化設計理念.該水表在降低功耗,提高使用壽命,降低成本的同時,不但能實現(xiàn)預付費,還能實現(xiàn)遠程控制及信息的遠程傳輸.在其開發(fā)研制過程中,我們還針對一些IC卡水表存在的問題,優(yōu)化了其硬件與軟件設計,并采用了Microchip公司新推出的單片機PIC16C72,實現(xiàn)了水表的智能化,使該水表具有自動計數(shù)、自動供水斷水、自動保存數(shù)據(jù)、自動告警、限制日用水量等功能.本文主要介紹該IC卡智能水表的軟硬件設計方法.
1 硬件設計
圖1是IC卡智能水表的硬件原理圖,主要包括PIC16C72單片機、掉電檢測電路、脈沖采樣電路、存儲器、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.下面詳細描述關鍵電路的設計要求.
1.1 單片機
PIC16C72是一種帶2KB存儲器的低電壓、高性能的8位單片機,具有低功耗閑置和掉電工作模式.該芯片的主要特性是2.0~6.0V的寬工作電壓,其低功耗狀態(tài)電流小于5μA,自帶上電復位電路,內(nèi)設電子看門狗,配有異步串行通訊口,提供2個定時計數(shù)器,全部指令為單字節(jié)指令,采用ASIC結(jié)構(gòu);內(nèi)部具有程序加密開關,保密性高;一次性編程芯片價格十分低廉,適用于批量生產(chǎn)[1].
1.2 掉電存儲器
EEPROM電可擦除存儲器是系統(tǒng)中的關鍵電路,它不僅要保證停電時系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的可靠保存,還要防止程序意外跑飛時造成的RAM區(qū)數(shù)據(jù)丟失,是提高系統(tǒng)可靠性的關鍵.本系統(tǒng)的EEPROM采用AT93C46,其存儲容量為1 024位,內(nèi)部為128×8位或64×16位.AT93C46為串行三線SPI操作芯片,在時鐘時序同步下接收數(shù)據(jù)口的指令.指令碼為9位二進制碼,具有讀(read)、擦寫使能(ewen)、擦除(erase)、寫(write)、全擦(eral)、全寫(nral)、擦除禁止(ewds)7個指令.該芯片擦寫時間快,并有擦寫使能保護,可靠性很高,擦寫次數(shù)達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AT93C46與單片機的接線圖[2].
1.3 IC卡及其接口電路
本系統(tǒng)的IC卡選用西門子公司生產(chǎn)的SLE4442.該芯片內(nèi)部設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)和存儲區(qū)等,存儲區(qū)數(shù)據(jù)訪問需先比較密碼,在密碼錯誤4次后芯片自鎖,具有很高的安全等級.
圖3為CPU與IC卡的接線圖,采用I2C總線形式,支持ISO/7816—3同步傳輸協(xié)議.在實際使用中,為防止插入鐵片等異物,UDD應用CPU口單獨控制.IC卡存儲器可存儲用戶碼、購水量或金額等數(shù)據(jù),在每次插入IC卡時,開關S被閉合,通過中斷口喚醒單片機并讀IC卡,在確認IC卡為合法時,讀取其中的購水量并與表內(nèi)剩余水量相加.這樣IC卡就代替了過去人工抄表收費的全部工作[3].
1.4 顯示電路
本系統(tǒng)為降低功耗,采用LCD顯示,而PIC16C72沒有驅(qū)動LCD的能力,因此,采用了HT1621 LCD驅(qū)動專用芯片.該芯片可在靜態(tài)或動態(tài)方式下工作,zui大可驅(qū)動128像素,睡眠狀態(tài)電流小于9μA,與單片機連接只需3個口線.其有關詳細技術,可參閱HT1621芯片技術手冊.
1.5 其他電路
(1)脈沖采樣電路.該水表中有機械轉(zhuǎn)輪,干簧管與磁鐵配合可完成脈沖采樣工作,CPU在測試脈沖時需加軟件防抖動程序.
(2)掉電檢測電路.采用HT7039芯片,只需消耗1μA電流就可完成電池失壓檢測工作.也可使用MAX810等芯片.
(3)電源電路.本系統(tǒng)采用外接3節(jié)5號電池供電,內(nèi)部備用1.2Ah鋰電池.在使用時,當外接電池接好后,系統(tǒng)供水,若外接電池失壓,立即關閥,備用電池確保閥門安全關閉.單片機睡眠后靜態(tài)電流在10μA以下,普通電池可使用1年以上;內(nèi)部鋰電池只在關閥時使用,壽命達10年以上.
2 軟件設計
本系統(tǒng)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至圖7分別為4個程序的流程圖.
主程序主要完成水量判斷及關閥操作,平時處于睡眠狀態(tài).當表內(nèi)剩余水量小于5 m3時,表內(nèi)蜂鳴器發(fā)出提示音,以提醒用戶剩余水量不多,請速購水;當表內(nèi)剩余水量為0 m3時,切斷閥門,停止供水,直到新的水量被購來為止.從而達到用水必須預先交費的目的,省去了人工抄表收費環(huán)節(jié).掉電中斷程序使CPU在檢測到電池失壓后,將RAM區(qū)的所有數(shù)據(jù)寫入EEPROM中,以保證下次上電時安全讀出.當用戶插入IC卡時,IC卡中斷程序?qū)⒆x取卡中數(shù)據(jù),在對數(shù)據(jù)的合法性進行判別后,進行購水量的累加,并打開閥門恢復供水.脈沖中斷程序是簡單的程序,目的是保證水量的正確計算.3個中斷程序均可喚醒CPU.主程序被喚醒,執(zhí)行一次程序后將重新進入睡眠狀態(tài).
3 結(jié)語
(1)應注意降低系統(tǒng)的功耗.可用CPU控制存儲器及IC卡電源口,每當讀寫時才供電,這樣不僅可降低功耗,而且可防止在IC卡口插入鐵片造成電源短路的情況.
(2)為防止水閥門長時間不工作造成銹死的情況,可每隔一段時間讓CPU自動開關閥一次,以防止閥門生銹.
(3)為提高系統(tǒng)的可靠性,在程序運行時打開單片機的watchdog,可防止程序跑飛現(xiàn)象.另外,在程序跑飛時RAM區(qū)數(shù)據(jù)可能遭到破壞,應將重要的數(shù)據(jù)存放到EEPROM中.當程序開始運行時,先從EEPROM中讀出數(shù)據(jù),再判斷其正確性,這樣系統(tǒng)的可靠性會大大提高.
推薦行情