基于PIC16F84单片机的IC卡智能水表设计

1、引言

长期以来，自来水用户的用水量管理依靠人工抄表，然后由收费员到各家收费或各用户去银行交费。这种传统的收取水费的做法需要的工作人员多，费时、费力、效率低，常常出现用户欠费、迟缴或漏缴水费等问题。

采用IC卡智能水表后，可以改变自来水收费及管理的现状，达到下列管理目标：

1）  智能水表代替传统水表，用IC卡实现预付费，实现“先付费后用水”、持卡结算的理想管理模式，从根本上杜绝欠缴、迟缴、漏缴水费的现象，使自来水公司应收费用及时到位。

2）  建立自来水公司计算机信息管理网络系统，实现对自来水供应、自来水用户及自来水公司员工的科学化管理；建立完善的财务核算管理，使自来水公司的日常工作和管理流程化、自动化、科学化，提高自来水公司的服务质量和竞争力。

3）  减轻工作人员的劳动强度，消灭（减少）现金交易，减少人为差错和杜绝贪污案件的发生。

4）  提供方便的统计查询功能，便于全面、及时地了解情况，为决策提供依据。IC卡水表系统是由IC卡水表、通用IC卡及计算机收费管理网络组成，起核心是IC卡水表。

2、硬件设计

IC卡计费水表主要由阀门、流量传感器、微处理器、IC卡读/写器、显示器及电源等组成，其硬件结构如图1所示。

图1   IC卡智能水表原理框图

1）  微处理器

为降低整个水表的功耗，微处理器选用Microchip公司的低功耗芯片PIC16F84。该芯片工作于休闲状态时，耗电量仅为 级。另外，采用FLASH的串行存储芯片93C46作为数据存储器。93C46是一个串行的EEPROM，占用体积小，功耗低，且操作简单，主要用来存放IC卡识别字、发行密码及用水计量等数据，以作为水表识别与计计量的依据。

2）  阀门

对水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开/关状态。目前可控的阀门主要是电磁阀，但常规的电磁阀是靠电的通/断来控制阀门的开/关的，即要让阀门一直开着，就必须一直通电，因此耗电较大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必须对现有的电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门开/关由电脉冲来实现。使得对阀门开/关只需瞬时供电从而减少耗电量。

3）  流量传感器

流量传感器是水表中的传感器部分，是实现正确计量的基础。考虑到现有的模拟式水表中，旋翼式水表结构简单，测量范围宽，灵敏度高，外形尺寸小，精确度已被广大用户所接受；因此本水表的流量传感器还是基于模拟水表的旋翼式结构，而通过在叶轮上安装磁钢与微型干簧管等机构，将叶轮的旋转转换成电信号，以实现频率脉冲计数，进而实现水流量的计量。其耗电小，并保持了原有的结构简单、精确度高的优点。

4）  IC卡读/写器

IC卡读/写器是IC卡水表的输入接口。当IC卡插入读/写器时，首先读入的是卡中的密码，以判断此IC卡的合法性；水表在判断了卡的合法性后，读入所购水量并和水表内剩余水量累加，同时将卡上购水量单元清零；回写水表上用水量、剩余水量等信息，以便下次购水时自来水公司读取，实现水表信息的回馈功能。

5）  显示器

液晶显示器作为水表的输出接口，显示剩余水量、电池状态及开关状态等信息。它们的有效工作时间都比较短。用户看完后，没有必要让它一直显示；为此，可利用水表上的防水盖提供信号。即当盖子打开时，使它们进入工作状态；而当盖子盖上时，是它们停止工作，从而达到节电的目的。

6）  供电电源

本水表采用交/直两用电源。平时水表由交流电通过表内的小型变压器输出供电，而备用电池处于充电状态。一旦停电，水表就由内部备用电池供电。

下图给出了智能水表主系统的原理图：

图二   系统原理图

3、软件设计

PIC16F84是Microchip公司的产品，具有低电压、低功耗、高速度、指令少、可反复擦写等优点，但是采用汇编语言的可移植性较差，故本系统采用可移植性较好的C语言编程。

IC卡智能水表软件设计的关键是看门狗的初始化、进入睡眠及其唤醒等处理部分。从功能来看，有这样一些模块：IC卡接口模块（包括IC卡有效性判断及读/写IC卡）、阀门控制模块、流量脉冲、用水量处理模块及显示模块等。其框架如图三。

图三   流程框图

4、结束语

此模块硬件电路采用模块化的设计方法，可根据实际需要扩展系统的控制功能，目前该模块在实验室试验性能良好，有待于进一步应用于市场开发。