IC卡智能水表的设计与实现

1IC卡智能水表的组成、功能
1.1IC卡智能水表的组成^{［1］}

IC卡智能水表的原理框图如图1所示，主要由单片机系统、电源、IC卡座、微功耗电阀门及流量传感器等部分组成。

1.2IC卡智能水表的功能
笔者设计的IC卡智能水表具有以下功能：
(1)根据所购水量，自动执行供、停水
当用户将所购水卡(IC卡)插入水表时，表内系统在确认该卡有效后，自动打开阀门，进行正常供水；一旦用水量达到水卡所购水量，水表将自动关闭阀门，切断供水。
(2)具有自动报警功能
当用户用水量剩下最后一定量时，水表通过喇叭发出声音报警信号，提醒用户及时购水。
(3)可随时提供累计用水量，本月用水量、可用水量及相应的水费信息。用户可通过水表的液晶显示器查看。
(4)可对购水量及水费进行累计
当用户插入购水后的IC卡时，水表自动将本次购水量与表内结余水量进行累计，计算水费并存入表内。
(5)具有自动保护功能
当水表被擅自拆卸时，表内自动保护系统将自动关闭阀门，停止供水，并记录拆卸时间，以备查验。
(6)断电保护功能
IC卡智能水表采用交直流两种方式供电，一旦外界交流电源停止供电或电池失效，表内的水量、水费等重要参数可保存10年以上。
(7)加密功能
能对IC卡及卡表内的信息进行加密，防止非法使用。
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2硬件系统设计
2.1单片机系统
2.1.1ADuC812单片机
美国AD公司的ADuC812具有如下资源：(1)基于8051的内核，指令系统与8051兼容，额定工作频率12MHz。(2)8KB片内闪速/电擦除程序存储器；640B片内闪速/电擦除数据存储器；256B片内数据RAM。(3)3个16位的定时器/计数器；32根可编程I/O线；9个中断源，2个优先级。(4)1个8通道，高精度12位ADC；2个12位电压输出DAC。(5)1个片内温度传感器。(6)采用3V、5V电压工作；具有正常、待机和掉电三种工作模式。(7)1个通用UART串行I/O：1个与I2C兼容的两线串口和SPI串口：1个看门狗定时器(WDT)；1个电源监视器(PSM)。
ADuC812的内部资源非常适合设计IC卡智能水表。为了降低功耗，晶振选用1MHz，并通过编程将不用的ADC、DAC等功能模块关闭。工作电压选择3V，所以，ADuC812正常工作时的消耗电流约为3.8mA，如处于待机工作模式，则消耗电流更低，完全符合IC卡智能水表低功耗的要求。另外，它还具有工业级的工作温度范围和较强的抗电磁干扰能力；以它为核心的IC卡智能水表也完全能用于工业现场的水量、水费计量。
2.1.2实时时钟、数据存储器
由于需要掉电保存用户水量、水费及非法拆卸水表的时间记录等信息，本水表选用DALLAS公司生产的DS1243Y作为存储器芯片。该芯片内含8KB NV RAM、内置式实时时钟、嵌入式锂电池和32768Hz晶振。该芯片引脚排列与一般的静态RAM 6264完全兼容，与ADuC812的接口非常方便。
2.1.3LCD显示器
为方便地查看水量及水费信息，本表设置了LCD液晶显示器。为了降低功耗，LCD液晶显示器选用低功耗(约0.3mA)的自带驱动控制器的串行(SPI)液晶显示模块，并且它的供电电源由水表盒盖控制。当用户需要查看信息打开水表盒盖时，LCD点亮，平时处于断电节能状态。

2.2 电源电路
本水表采用交直流供电，选用高效率DC/DC转换器MAX653等构成供电电源，电路如图2所示。

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2.2.1 MAX653转换器

MAX653是MAXIM公司生产的高效率、低功耗DC/DC转换器芯片。该芯片具有以下特点：
(1)转换效率高(90%以上)；(2)输入电压范围宽(4V～11.5V)；(3)静态电流低(10μA)；(4)输出电流最大可达225mA；(5)有电源电压降低检测及休眠功能；(6)3V或编程输出。
根据能量守恒原则可以推出，式中，I₀：输出电流，I_i：输入电流，V_i：输入电压，V₀输出电压，η：转换效率。从上述关系可以看出，当V_i远大于V₀，且η较高时，在I_i一定的情况下可以得到比I_i大得多的输出电流I₀，而MAX653只消耗10μA的电流，从而保证了IC卡智能水表在电池供电情况下，也能以低功耗的方式长期正常工作。
2.2.2电源电路工作原理
图2中，220V交流电源经降压、整流、滤波、7806稳压后输出6V直流工作电压V_CC1。V_CC1一方面给电磁阀门供电，另一方面提供给MAX653进行DC/DC转换形成3V工作电压V_CC2。在220V交流电源停止供电的情况下，由电池E1供电。MAX653的VFB接地，V_out固定输出电压3V，R3、C4、D3提供上电SHUT DOWN功能，以防止上电时电源的冲击对电路造成损坏。V_CC1通过R1，R2分压后输入MAX653的低电压检测引脚LBI，作为电源电压降低检测信号。当LBI低于1.28V时，其LBO引脚输出0.4V的低电平信号，此信号可作为ADuC812的外部中断1的有效中断请求信号(P3.3输入)；ADuC812响应中断后进行相应的处理，以避免IC卡表出错或被袭击。

2.3 ADuC812外围接口
2.3.1IC卡及卡座
IC卡采用美国ATMEL公司生产的AT24CXX系列存储式IC卡。它采用2.5V～5V低电压供电，具有双线串行接口，能实现双向数据传送，支持ISO/IEC78163同步协议，写/擦除次数大于一百万次，数据保存期大于100年。该系列IC卡的输出端符合ISO/IEC78162标准，它是目前国内使用最多的IC卡之一。

IC卡座的引脚见图3。与IC卡引脚相对应，设置了VCC、GND、SCL、SDA引脚，另外增加了SW1、SW2两引脚，作为IC卡座微动开关的两触点。此开关在无IC卡插入时，处于断开状态，有IC卡插入时处于闭合状态。有无IC卡插入信号经P3.0送入ADuC812。
2.3.2电磁阀驱动接口
从图3中可以看到，电磁阀用于供水、停水控制，是由ADuC812的P3.4、P3.5实现的。当P3.5为低电平时，继电器J1得电动作，电磁阀打开；当P3.4为低电平时，双稳态电磁阀失电关闭。D5、D6为续流二极管。为了降低功耗，电磁阀选用新型双稳态自吸电磁阀MP15A5V。它具有电源电压低、启动水压低、防堵性能好、关闭可靠等特点；水表工作压力在15～100Mpa内开/关阀门自如。
2.3.3防开表及报警装置接口
为了防止用户私自非法拆卸水表，设置了防开表装置。如水表被打开，则开关K闭合，下降沿信号送ADuC812的外部中断0引脚/INT0(P3.2)，作为有效中断请求信号；ADuC812响应中断后，立即关闭电磁阀，并将开表时间记录到DS1243Y中，以备查验。
当用户用水量剩下最后一定量时，水表通过喇叭发出声音报警信号，提醒用户及时购水，报警喇叭由ADuC812的P3.1控制。接口电路如图3所示。
2.3.4流量传感器
流量传感器选择基于模拟水表的旋翼式结构，它具有结构简单、测量范围宽、灵敏度高、外形尺寸小的特点。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。磁敏元件安装在原水表的读数指示0.01m3位上，使0.01m3位转1圈，磁敏元件上产生1个脉冲信号，即0.01m3水量对应1个脉冲。
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3 系统软件流程
图4是IC卡智能水表软件流程框图，主要包括IC卡接口模块，阀门控制模块，流量脉冲、用水量处理模块及显示模块等几个部分。主程序初始化时应注意看门狗、外部中断的处理，特别是待机处理及唤醒部分，因为它关系到水表的低功耗运行问题，限于文章篇幅，在此不再介绍。

4 结束语
该水表的能耗主要由单片机系统正常运行时的持续性能耗、卡表执行机构(电控阀)动作时的瞬时能耗及IC卡表的一些辅助功能(如报警等)能耗三部分构成，而前两项占95％以上。由于选用了ADuC812和其他一些低功耗器件，并采取了降低功耗的有力措施，所以，智能水表低功耗的问题得到了很好的解决，另外，由于采取了交直流两种供电方式以及一些保护、加密措施，其可靠性、安全性也得到了保障，因而，该智能水表具有较高的推广应用价值。

参考文献

［1］ 沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2003.
［2］ 李刚.ADuC8XX系列单片机原理与应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002。