基于单片机的新型智能IC卡水表的设计

基于单片机的新型智能IC卡水表的设计

摘  要：介绍一种以AT90S8515单片机为核心的智能IC卡水表的流量计量原理，阐述了该系统的组成、控制模式、软硬件设计及其优点。

    1 引言

    智能IC卡水表是一种集计量功能及控制功能为一体的水量计量装置，是一种利用现代微电于技术、现代传感技术、IC卡技术对用水量进行计量并能进行用水数据传递及结算交易的新型水表。该水表的研发从根本上改变了自来水公司传统工作方式，形成了买卡用水的服务模式。为避免水费流失、降低自来水公司经营成本提供了先进的管理手段。解决了长期困扰供水行业的水费拖欠问题，更重要的是使公民的用水观念和供水部部门的管理方式发生了根本改变。本文介绍了基于AT90S8515单片机为核心的智能IC卡水表的流量计量原理，阐述了该系统的组成、控制模式、软硬件设计及其优点。

    2 新型智能IC卡水表的功能要求

    (1)读卡、写卡功能： 由售水部门的读／写卡端口把用户的购水信息（购水量、金额、发生日期等）写入IC卡再由IC卡水表的读卡端口将把所需信息读入内存，用于控制水表系统的动作。掉电不丢失信息。

    (2)信息显示功能：要求液晶显示器能显示累积用水量，实时显示表中阀门的开关状态，可实时显示表的工作状态是否正常（是否为非法操作）；是否需要更换电池；是否在“插卡状态”；是否应该“拔卡”等。采用液晶屏显示水量，单位编号。

    (3)用水监测功能：实现定量供水，，超额改变计价标准。自动计数、自动供水断水、自动保存数据等。

    (4)错务操作保护功能：要求系统能自动识别诸如打开电池盒或对机内硬件随意改动等“非法操作”。一发现“非法操作” 单片机即发出关阀信号并在液晶显示器上显示“ 非法操作”。

    (5)对阀门的控制功能：在正常工作时阀门开启，当金额不足或需要更换电池时，阀门关闭并报警提示用户；“非法操作”时．阀门关闭。

    3 智能IC卡水表总体方案

    (1)水表系统的组成及工作原理

    IC卡水表系统主要由阀门、流量传感器、单片机、IC卡读写器、显示器、执行机构和电池等组成。系统结构如图1所示。

 

 

 (1)水表在用水过程中流量传感器发出脉冲信号，此脉冲信号进入单片机控制器的电路。
    (2) 以单片机为核心的电子电路接收到流量传感器送来的脉冲信号后，，进行运算和处理， 然后显示所需信息。

    (3)由单片机监视系统的工作状态，必要时关毕阀门。

    (4)只要在插卡器中插入IC卡，单片机即执行读／写卡操作，并根据卡中的信息内容进行不同的处理，并命令阀门处于某种状态(开或关)。同时使显示器做出相关的显示。

    (2)系统的控制及单片机的应用

    水表系统的硬件控制原理如图2所示，主要包括单片机、掉电检测电路、脉冲采样电路、存储器、IC卡接口、阀门控制电路、显示电路和电源电路等。

    IC卡水表的工作过程如下：将含有金额信息的IC卡片插入水表中的IC卡读写器，经微机模块识别并下载有效信息后，阀门开启，用户可以正常用水。流量传感器采进来的信号以脉冲形式触发单片机的外部中断INT0， “激活”单片机，并转换成所需的电子信号供给微机模块进行计量，并在LCD显示模块上显示。当用户的用水金额下降到一定数值时，单片机触发报警模块，提示用户应该去持卡交费购水。当存储在读／写器EEPR0M 中的水量(金额)用完时，单片机触发中断，关闭电磁阀。用户只有重新购水，才能使电磁阀打开。在正常情况下电磁阀处于接通状态。只有当特殊事件发生时， 电磁阀才从接通状态变为关闭状态，其通断条件如图3所示。

    4 智能IC卡水表流量的计量特性和软件设计

    (1)水表的计量特性

    水表是一种积算流过管道内水的体积的仪表，它直接安装在标准口径管道上，借助于水流动能进行]二作。水表与涡轮流量计同属速度式叶轮仪表，利用置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成正比的关系，通过测量叶轮的总转数来反映流体总水量的大小。IC卡水表采用感应式涡轮流量计，它的变送器部分是将嵌有永磁材料的涡轮测量头插入被测管道的特定位置，当涡轮在水流作用下旋转时，磁场交替接近或远离安装在表壳上的霍尔传感器，产生周期性的电脉冲信号，通过单片机对此电脉冲信号采集计数，再经一定的数据处理，实现水量的累积计量。由于流量采样直接取自机械计数器，所以IC卡水表的计量准确度实际上由冷水水表决定。

    水表在无阻力条件下，涡轮的旋转角速度W与流量Q成线性关系：

    式中：R涡轮叶片平均半径；A管道流通面积；θ涡轮叶片与轴线夹角；q始动流量，通过标定获得。

    只要检测出涡轮的旋转角速度W就可得到流量Q值；对流量Q进行累积，就可得到总水量。涡轮的转数是通过霍尔元件输出的电脉冲数确定的，假设涡轮的转数为N，则：

    ￡是无阻力矩的情况下得到的理论仪表系数。在理想状态下，对于一个特定的涡轮，￡是一个常数，转数N不随流量Q的变化而变化。但是，智能IC卡水表在利用霍尔传感器将转数变换成电脉冲时，传感器的输出转数N与实际的流量Q之间并不能保持简单的线性关系，即涡轮每转过一转，流过的水量并不是完全相同的，而是与流速有一定的关系，这是由于涡轮本身的转动惯量和具体结构上的差异以及磨损、泄漏等因素造成的。

    众所周知，在设计测量仪器时，希望被测量与仪器输出信号之间呈线形关系，以确保整个测量范围内有相同的仪表系数。但是，对于理想状态下具有线性刻度特性的流量计，在实际情况下，由于各种因素的影响，使流量计的实际特性偏离其理论上的线性特性，所以设计者只能通过优化结构与线性逼近去减小线性误差。线性度是指具有线性刻度特性的流量计的校准曲线对一条理论上的直线的吻合程度。校准曲线与这一条理论线之间的最大偏差称为线性度误差。

    长期以来，供水管理部门和水表制造厂家一直为提高水表微水流下的灵敏度和降低始动流量而努力。问题的实质是叶轮旋转就需要间隙，有间隙就会有漏泄。所以只能确保各项指标的前提下，尽可能地减小漏泄水流，降低始动流量，可以从以下几个方面去考虑：

    ①降低转动体的质量及其惯量矩；
    ②采用优质低摩擦轴承；
    ③减少叶轮与轮盒间隙，从而减少泄漏；
    ④设置阻抑件，迫使漏泄水进入轮叶间，产生驱动力；
    ⑤从软件设计上进行补偿。

    (2)智能IC卡水表软件设计

    AT90S单片机是美国Atmel公司近年来推出的新型单片机，它采用先进的RISC技术，具有低功耗、低价格、高性能、全静态、易使用等特点。本系统软件采用AT90S系列的C语言进行开发，它与标准C语言兼容程度高，开发调试的集成环境和人机界面良好。主程序结构流程图如图4所示。

    ①主程序

    主程序主要用于系统初始化，判断是否符合用水条件。经比较、判断后，才执行相应的开启、关断、显示等功能。

    ②三个外部中断子程序

    第一个外部中断子程序是由插卡动作触发。这个中断服务程序包括IC片密码的认证、卡中可用水量的读入及不同条件下相应的处理；第二个外部中断子程序是用于耗水检测。水表叶轮每转动一个栅格，就触发一次中断，实现脉冲信号实时计数，从而可进行耗水量的计算；第三个掉电中断程序是CPU在检测到电池失压后，会产生一个电平跳变，触发中断并报警提示， 闻讯后关闭单片机。同步数据转到flash中。保证下次 电复位后安全读出。

    ③其它功能子程序

    其它功能子程序包括电源监控子程序、声音报警子程序、LCD液晶显示予程序等。每个子程序模块都负责一个功能的实现。

    5 结束语

    本文介绍的以AT90S8515单片机为核心的表阀一体化IC卡智能水表。硬件上都采用了低压、低频、静态低功耗器件，具有体积小、功耗低、计量准确、抗干扰性强、使用安装方便和成本低等优点。它的使用为供水管理部门进一步提高服务水平提供了硬件保证。