一种低功耗智能IC卡冷水表的设计与实现

来源：中国一卡通网  作者：康叶伟 黄亚楼 孙凤池  发布时间：2007-07-26 11:44:53  字体:[大 中 小]

关键字：智能IC卡冷水表  IC卡水表  低功耗  智能冷水表  智能水表  

摘   要：给出了一种低功耗智能IC卡冷水表的软硬件设计方案与实现方法 ，该智能冷水表具有水量显示、水量累计，电磁阀控制，操作记录，防强磁场干扰，防拆，欠压报警等功能，独特的低功耗设计大大延长了水表的有效使用寿命．该方法实现的水表经实际测试，性能指标已达到实际应用的要求，是一种具有推广应用价值的产品．

0 引 言 

    随着信息技术的不断发展，人类的生产、生活方式都发生着日新月异的变化，在许多与日常生活紧密相关的领域，都采用了基于IC卡的管理方式．如今，IC智能卡自动电表抄表系统，煤气、自来水表系统，公交、地铁自动售票检票系统，移动通信手机中IC智能SIM 卡等，已成为生活的一部分． 

    给出一种低功耗智能IC卡冷水表的设计方案与实现方法，实现的水表具有水量显示、水量累计，电磁阀控制，操作记录，防强磁场干扰，防拆，欠压报警等功能，是一种取代旧式机械水表且具有推广应用价值的产品． 

1 智能IC卡冷水表的结构设计与功能设计

1．1 智能IC卡冷水表结构设计 

    低功耗智能IC卡冷水表，主要由控制单元，输入单元，输出单元， 监视／存储单元，执行部件组成，其中控制单元采用PIC16F73 E 单片机实现，输入单元由流量传感器、SLE4442IC卡、按键组成，输出单元由专用液晶模块构成，监视／存储单元由X5O43和ADS1302实现，执行部件为低功耗电磁阀，整个水表结构框图如图 1 。

1．2 智能IC卡冷水表功能设计

(1)根据用户购水量以及消耗情况，执行开关阀动作

    用户将购买一定水量的IC卡插入水表卡座时，水表系统首先自动识别IC卡的有效性，然后读取卡上的水量数据，并自动打开电磁阀，进行供水，当所购水量消耗完毕以后，自动关阀停水．

(2)欠压报警 

    水表电池电源低于某一阈值时，自动关阀并报警，提示用户更换电池． 

(3)提供用户查看累计水量，剩余水量，总水量信息 

    通过LCD显示模块显示信息，满足用户实际需要． 

(4)加密功能

    保证一卡一表，对IC卡及表内信息进行加密，避免非法使用． 

(5)防强磁场干扰 

    水表流量传感器利用干簧管进行水量计数，为了防止外界强磁场的干扰造成水量计数失常，设计过程中利用双干簧管防止磁场攻击． 

(6)防拆功能 

    用户私自拆卸水表，导致水表电磁阀自动关闭，无法正常用水，同时记录用户的拆卸时间，以备查验． 

(7)水量消耗计数、累计以及提示功能 

    用户每次充值时，水表对总消耗水量自动累计并保存，对用户日常生活的水量消耗实时记录．同时，当用户可用水量低于2 t时，提示用户充值，以免给生活带来不便． 

(8)操作记录功能 

    对用户插卡、拆表等操作以及操作时间进行记录，以备查验．
 
2 智能IC卡冷水表硬件设计 

根据功能需求设计的水表硬件原理图如图2，各部分具体介绍如下．

(1)IC卡接口 

    IC卡采用西门子SLE4442卡，其接口如图2 IC卡卡座部分，其中RB2对应IC卡I／O管脚，RBI对应IC卡CLK管脚，RB3对应IC卡RST管脚，L1对应IC卡VCC管脚，RB5为单片机休眠唤醒信号，即插卡后唤醒系统读卡． 

(2)LCD液晶显示接口 

    水表采用专用液晶模块SMSO7O8PIC16FT3的RAO、RA4、RA2管脚分别与SMS0708的DI、CLK、CS管脚连接，驱动该模块． 

(3)电磁阀控制 

    电磁阀采用可360。旋转的球形低压电磁阀，它具有开、关到位自动断电的功能，这样不仅可以降低系统功耗，而且接口电路设计简单，如图2电磁阀控制信息部分所示，其中L2为关阀控制信号线，L3为开发控制信号线． 

(4)脉冲计数与防磁功能 

    流量检测传感器会根据用户用水情况，触发水表干簧管接通或者断开，形成有效计数信号，引起RB7端口电平变化中断，从而实现计数．

    防磁功能通过辅助干簧管实现，在强磁场干扰下，辅助干簧管与计数干簧管同时闭合，使得关阀信号L2有效，关闭水表电磁阀，直到磁场消失恢复正常工作．由于PIC16F73中断资源有限，计数干簧管与辅助干簧管输出信号通过或门连接起来，或门输出直接连接至L2．正常情况下两个干簧管先后闭合，不会导致电磁阀非法关闭，如有磁场干扰，则它们同时闭合，电磁阀关闭． 

(5)欠压报警功能 

    X5043是带有4K 串行E zPEOM 的电源监视芯片，利用其电源监视功能实现欠压报警，当系统电源降到设定电压(可编程设定)后，RB4出现电平变化，引起中断唤醒系统，随后系统将RC4置为低电平报警并关阀，提示用户更换电池．电路如图2X5043部分所示，其中RB2为分时共用管脚． 

(6)时钟电路 

    操作记录少不了对时间以及日期的记录，本系统时间信息的获取通过低功耗SPI接口的时钟日历芯片DS1302完成，DS1302接口电路部分如图2，其中RA3、RA5配置为输出管脚，RA4根据信息读写方式，配置为输入／输出管脚． 

(7)防拆功能电路 

    系统巧妙的利用了水表被拆前后一些关键部件的位置改变，在其部位放置特制的开关，利用开关触发系统外部中断RB0，从而引起系统报警及操作记录，电路如图2防拆开关部分所示．一旦检测到用户拆表行为，水表就会停止工作，这种情况下需要专门功能的IC卡，才能使系统恢复正常． 

(8)水表信息查看功能电路
 
    本功能由用户按键开关和LCD显示电路构成，用户按键触发RB6电平变化中断，唤醒系统，此后用户每按一下键，系统显示一种信息，直到用户停止按键一段时间，系统恢复休眠状态．显示信息包括剩余水量，累计水量，总水量等．按键电路如图2用户按键部分． 

3 智能IC冷水表软件设计 

    应用软件采用前后台工作方式，后台主程序负责对水表外设操作请求进行处理，在没有请求操作时进入休眠状态，前台中断服务程序负责在有相应操作请求时唤醒主程序，并置位相应的操作类型标志，以便主程序处理． 

软件流程图如图3、4． 

    中断服务程序根据操作请求类型，置位相应的标志位，共有5种操作请求，分别为欠压关阀、拆表关阀、按键显示、水量计数、IC卡操作．当主程序被RB改变中断(按键、插卡、欠压、水表流量计脉冲)或者外部中断(拆表)唤醒后，检查相应的操作请求标志，如果置位，则进行相应操作，否则循环一定次数，进入休眠状态．当系统欠压后，则程序进入间歇报警循环，不再对外界事件响应． 

    IC卡操作包括IC卡验证、水量充值、低水量信息提示解除功能．所谓低水量信息提示，即当可用水量低于某一预设值时，水表自动关阀提示用户充值，以免给生活带来不变．由于水量未到零，所以允许用户继续使用，此时只需插卡一次解除提示．IC卡操作会引起电磁阀状态改变．

    按键显示功能，根据按键的次数循环显示当前剩余水量、累计消耗水量、总水量信息。用户每消耗10L水，计数操作将水量信息减1，消耗水量加1，并将改变后的信息写入 ．值得注意的是计数操会引起电磁阀状态改变．

4 水表的低功耗设计

    IC卡水表使用器件均为低压、低功耗器件·此外，为了降低系统功耗，主程序进行了优化，当只有计数操作请求时，且计数后电磁阀状态不需要改变，则主程序直接进入休眠状态．同时，为了降低用户长时间停用水时，干簧管处于常闭状态造成的系统能耗，RB7端口接有1 M上拉电阻．由于水表大部分时间处于休眠状态，并且对操作频率较高的计数操作进行了优化，整个系统功耗很低，2节3 V，2．8 Ah的电池供电，水表工作时间在10年以上．经测试，水表进入休眠状态后，在干簧管没有闭合的情况下消耗电流为1．2 A，在干簧管闭合的情况下消耗电流为13 A；插卡时消耗电流为1．5 mA；水压1 MPa时电磁阀动作消耗的电流为50 mA，动作时间约为4 S．

5 结论 

    介绍了一种基于PIC16F73单片机的低功耗智能IC卡冷水表的实现方法，该方法实现的智能冷水表具有水量显示、水量累计，电磁阀控制，操作记录，防强磁场干扰，防拆，欠压报警等功能，经过实际测试性能指标能够满足应用要求．目前，该方法实现的水表已投入实际应用，得到用户的肯定．

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