基于單片機的新型智能IC卡水表的設計

  摘  要：介紹一種以AT90S8515單片機為核心的智能IC卡水表的流量計量原理，闡述了該系統的組成、控制模式、軟硬件設計及其優點。

  1 引

  智能IC卡水表是一種集計量功能及控制功能為一體的水量計量裝置，是一種利用現代微電于技術、現代傳感技術、IC卡技術對用水量進行計量并能進行用水數據傳遞及結算交易的新型水表。該水表的研發從根本上改變了自來水公司傳統工作方式，形成了買卡用水的服務模式。為避免水費流失、降低自來水公司經營成本提供了**的管理手段。解決了長期困擾供水行業的水費拖欠問題，更重要的是使公民的用水觀念和供水部部門的管理方式發生了根本改變。本文介紹了基于AT90S8515單片機為核心的智能IC卡水表的流量計量原理，闡述了該系統的組成、控制模式、軟硬件設計及其優點。

  2 新型智能IC卡水表的功能要求

  (1)讀卡、寫卡功能： 由售水部門的讀／寫卡端口把用戶的購水信息（購水量、金額、發生日期等）寫入IC卡再由IC卡水表的讀卡端口將把所需信息讀入內存，用于控制水表系統的動作。掉電不丟失信息。

  (2)信息顯示功能：要求液晶顯示器能顯示累積用水量，實時顯示表中閥門的開關狀態，可實時顯示表的工作狀態是否正常（是否為非法操作）；是否需要更換電池；是否在“插卡狀態”；是否應該“拔卡”等。采用液晶屏顯示水量，單位編號。

  (3)用水監測功能：實現定量供水，，超額改變計價標準。自動計數、自動供水斷水、自動保存數據等。

  (4)錯務操作保護功能：要求系統能自動識別諸如打開電池盒或對機內硬件隨意改動等“非法操作”。一發現“非法操作” 單片機即發出關閥信號并在液晶顯示器上顯示“ 非法操作”。

  (5)對閥門的控制功能：在正常工作時閥門開啟，當金額不足或需要更換電池時，閥門關閉并報警提示用戶；“非法操作”時．閥門關閉。

  3 智能IC卡水表總體方案

  (1)水表系統的組成及工作原理

  IC卡水表系統主要由閥門、流量傳感器、單片機、IC卡讀寫器、顯示器、執行機構和電池等組成。系統結構如圖1所示。

  (1)水表在用水過程中流量傳感器發出脈沖信號，此脈沖信號進入單片機控制器的電路。

  (2) 以單片機為核心的電子電路接收到流量傳感器送來的脈沖信號后，，進行運算和處理， 然后顯示所需信息。

  (3)由單片機監視系統的工作狀態，必要時關畢閥門。

  (4)只要在插卡器中插入IC卡，單片機即執行讀／寫卡操作，并根據卡中的信息內容進行不同的處理，并命令閥門處于某種狀態(開或關)。同時使顯示器做出相關的顯示。

  (2)系統的控制及單片機的應用

  水表系統的硬件控制原理如圖2所示，主要包括單片機、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。

  IC卡水表的工作過程如下：將含有金額信息的IC卡片插入水表中的IC卡讀寫器，經微機模塊識別并下載**信息后，閥門開啟，用戶可以正常用水。流量傳感器采進來的信號以脈沖形式觸發單片機的外部中斷INT0， “激活”單片機，并轉換成所需的電子信號供給微機模塊進行計量，并在LCD顯示模塊上顯示。當用戶的用水金額下降到一定數值時，單片機觸發報警模塊，提示用戶應該去持卡交費購水。當存儲在讀／寫器EEPR0M 中的水量(金額)用完時，單片機觸發中斷，關閉電磁閥。用戶只有重新購水，才能使電磁閥打開。在正常情況下電磁閥處于接通狀態。只有當特殊事件發生時， 電磁閥才從接通狀態變為關閉狀態，其通斷條件如圖3所示。

  4 智能IC卡水表流量的計量特性和軟件設計

  (1)水表的計量特性

  水表是一種積算流過管道內水的體積的儀表，它直接安裝在標準口徑管道上，借助于水流動能進行]二作。水表與渦輪流量計同屬速度式葉輪儀表，利用置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比的關系，通過測量葉輪的總轉數來反映流體總水量的大小。IC卡水表采用感應式渦輪流量計，它的變送器部分是將嵌有永磁材料的渦輪測量頭插入被測管道的特定位置，當渦輪在水流作用下旋轉時，磁場交替接近或遠離安裝在表殼上的霍爾傳感器，產生周期性的電脈沖信號，通過單片機對此電脈沖信號采集計數，再經一定的數據處理，實現水量的累積計量。由于流量采樣直接取自機械計數器，所以IC卡水表的計量**度實際上由冷水水表決定。

  水表在無阻力條件下，渦輪的旋轉角速度W與流量Q成線性關系：

  式中：R渦輪葉片平均半徑；A管道流通面積；θ渦輪葉片與軸線夾角；q始動流量，通過標定獲得。

  只要檢測出渦輪的旋轉角速度W就可得到流量Q值；對流量Q進行累積，就可得到總水量。渦輪的轉數是通過霍爾元件輸出的電脈沖數確定的，假設渦輪的轉數為N，則：

  ￡是無阻力矩的情況下得到的理論儀表系數。在理想狀態下，對于一個特定的渦輪，￡是一個常數，轉數N不隨流量Q的變化而變化。但是，智能IC卡水表在利用霍爾傳感器將轉數變換成電脈沖時，傳感器的輸出轉數N與實際的流量Q之間并不能保持簡單的線性關系，即渦輪每轉過一轉，流過的水量并不是**相同的，而是與流速有一定的關系，這是由于渦輪本身的轉動慣量和具體結構上的差異以及磨損、泄漏等因素造成的。

  眾所周知，在設計測量儀器時，希望被測量與儀器輸出信號之間呈線形關系，以確保整個測量范圍內有相同的儀表系數。但是，對于理想狀態下具有線性刻度特性的流量計，在實際情況下，由于各種因素的影響，使流量計的實際特性偏離其理論上的線性特性，所以設計者只能通過優化結構與線性逼近去減小線性誤差。線性度是指具有線性刻度特性的流量計的校準曲線對一條理論上的直線的吻合程度。校準曲線與這一條理論線之間的*大偏差稱為線性度誤差。

  長期以來，供水管理部門和水表制造廠家一直為提高水表微水流下的靈敏度和降低始動流量而努力。問題的實質是葉輪旋轉就需要間隙，有間隙就會有漏泄。所以只能確保各項指標的前提下，盡可能地減小漏泄水流，降低始動流量，可以從以下幾個方面去考慮：

  ①降低轉動體的質量及其慣量矩；
  ②采用**低摩擦軸承；
  ③減少葉輪與輪盒間隙，從而減少泄漏；
  ④設置阻抑件，迫使漏泄水進入輪葉間，產生驅動力；
  ⑤從軟件設計上進行補償。
 
  (2)智能IC卡水表軟件設計
  AT90S單片機是美國Atmel公司近年來推出的新型單片機，它采用**的RISC技術，具有低功耗、低價格、高性能、全靜態、易使用等特點。本系統軟件采用AT90S系列的C語言進行開發，它與標準C語言兼容程度高，開發調試的集成環境和人機界面良好。主程序結構流程圖如圖4所示。

  ①主程序
  主程序主要用于系統初始化，判斷是否符合用水條件。經比較、判斷后，才執行相應的開啟、關斷、顯示等功能。
  ②三個外部中斷子程序
  第一個外部中斷子程序是由插卡動作觸發。這個中斷服務程序包括IC片密碼的認證、卡中可用水量的讀入及不同條件下相應的處理；第二個外部中斷子程序是用于耗水檢測。水表葉輪每轉動一個柵格，就觸發一次中斷，實現脈沖信號實時計數，從而可進行耗水量的計算；第三個掉電中斷程序是CPU在檢測到電池失壓后，會產生一個電平跳變，觸發中斷并報警提示， 聞訊后關閉單片機。同步數據轉到flash中。保證下次 電復位后安全讀出。

  ③其它功能子程序

  其它功能子程序包括電源監控子程序、聲音報警子程序、LCD液晶顯示予程序等。每個子程序模塊都負責一個功能的實現。

  5 結束語

  本文介紹的以AT90S8515單片機為核心的表閥一體化IC卡智能水表。硬件上都采用了低壓、低頻、靜態低功耗器件，具有體積小、功耗低、計量**、抗干擾性強、使用安裝方便和成本低等優點。它的使用為供水管理部門進一步提高服務水平提供了硬件保證。