基于单片机的TM卡水表控制系统设计

    1 引言

    随着社会科学技术的高速发展,资源短缺现象日益严重,尤其是与人类生存息息相关的水资源。随着我国信息产业的飞速发展,实现自来水收费管理的电子化、信息化及网络化已成为可能。水表系统的智能化可以大大提高供水管理部门的工作效率,节约费用,用以改善供水设施,提高居民饮用水质量。本文以一种智能卡式水表控制系统为研究对象,它结合了控制技术、计算机技术等多方面技术,是一种跨专业的电子信息化系统。

    2 智能水表控制系统的总体结构

    智能水表控制系统具体实现水表的自动计量水流量、读写TM卡、控制阀门、显示报警等功能。控制系统电路由低功耗单片机、流量计、E2PROM存储电路、TM卡读写电路、LCD显示控制电路、阀门控制检测电路、电压检测电路等组成。结构原理如图1所示。 

图1 智能水表控制系统结构原理

    当用户将含有购水量等信息的TM卡插入水表上卡座内时,控制阀在电控系统控制下开通供水通道。用户每用一个计量单位（10升）,计量电路便发出一组计量脉冲序列,该脉冲序列如经电控系统判定为有效,即可从已购水量中减去一个计量单位。当剩余水量达到报警值时,液晶汉字显示“请购水”;当水量为零时,控制阀自动关闭,水路即被切断,此时用户须重新持卡购水。在正常情况下,控制阀处于接通状态,只有当特殊事件发生时控制阀才从接通状态变为关闭状态。

    3 智能水表控制系统的硬件设计

    TM卡水表控制系统由低功耗单片机、流量计量电路、E2PROM存储电路、TM卡读写电路、LCD显示控制电路、阀门控制检测电路、电压检测电路、实时时钟电路等组成。

    1、单片机

    作为TM卡水表控制系统核心部件的微控制器采用PHILIPS 51LPC系列中的P87LPC764单片机。这种单片机运行速度快、编程灵活、低功耗,自带4K字节OTP程序存储器、128字节的RAM,32字节用户代码区可用来存放序列码及设置参数,并且具有丰富的I/O功能和较强的中断能力,能够很好地满足TM卡水表控制系统高集成度、低成本、低功耗的要求。

    2、E2PROM存储电路

    在智能卡水表控制系统中,信息的存储是非常重要的方面。因此,在本控制系统中,存储器采用2K容量的串行CMOS E2PROM--CAT24WC02,它是低电压（1.8～6V）、低功耗、长寿命（一百万次编程和擦除周期）的器件,采用I2C总线数据传输协议,使用方便。用来存储总购水量、总用水量、上次购水量、卡号、水表状态等信息。接口电路如图2所示。 

图2 I2C器件接口电路

    3、TM卡读写电路

    信息的载体--TM卡,采用单总线协议通讯,所有的读写操作均经一信号线（总线）和地线完成,所以读写电路极简单。在次不做详细阐述。

    4、LCD显示控制电路

    LCD驱动器采用HT1621,它是128点、内存映象和多功能的LCD驱动器,特有的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合,用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条。在本设计中,采用电阻和PNP三极管来控制HT1621的电源|稳压器,降低功耗,延长LCD的使用寿命。LCD平时处于关闭状态,当有TM卡插入、并确认有效卡或有其它状况时,LCD开启并显示本次购水、已用水量、可用水量、阀门状态等信息。

    5、水量计量电路

    水表的基表采用符合ISO4064B标准的单流旋翼式冷水水表,技术参数如表1所示。该表计数机构与测量机构经磁耦合传动,采用干簧管水量计量发讯,每流经10升水时产生一脉冲;表内设有磁保护装置,具有较强的抗外磁干扰能力。水量计量脉冲通过由电容和电阻组成的防抖电路输入单片机,每输入一个脉冲,在存储器中减去相应水量。

    6、阀门控制检测电路

    阀门控制是水表控制系统中一个很敏感部分,关启阀门的可靠性差,将会给供水部门带来很大的问题。因此,我们自行设计了结构巧妙、关闭可靠、DC2.6-3.6V控制的电动陶瓷阀门,有效地解决阀门关闭不可靠问题。如图3所示为电动阀门的正反控制电路,当正向端输入高电平,反向端输入低电平时,阀门开启;反之,阀门闭合。当单片机P1.6口输入低电平、P1.7口输入高电平时,三极管Q3、Q5、Q6导通,Q2、Q4、Q7截止,故正向端（ON）输出高电平,反向端（OFF）输出低电平,开启阀门,开启到位时,由单片机P1.5口输入检测信号,动作停止;反之,三极管Q2、Q4、Q7导通,Q3、Q5、Q6截止,正向端输出低电平,反向端输出高电平,关闭阀门,同样由单片机P1.6口输入关闭到位检测信号。　　　　　　　 

图3 电动阀门的控制电路

    7、电源电压检测电路

    为提高水表运行的可靠性和安全性,采用分级电源电压实时检测,电压实时检测芯片采用RH5VL28和RH5VL30。当电源电压正常时,芯片的Vout脚为高电平;当电源电压小于3.0V时,RH5VL30的Vout脚输出低电平,单片机检测到该信号后,控制液晶显示模块显示欠压,并关阀警告,提示用户更换电池;当电源电压小于2.8V时,RH5VL28的Vout脚输出低电平,单片机检测到该信号后,彻底关阀,直到用户更换完电池。

    8、电源及实时时钟电路

    单片机系统功耗的高低往往和电源电压的大小成正比,因此在以电池供电的系统中,在满足性能要求的前提下,尽可能选择低的供电电压。为此,我们采用武汉力兴公司ER14505型DC3.6V/2.0Ah一次性锂-亚硫酰氯电池作为系统电源,以充分利用单片机和外围器件的低电压、低功耗特性。

    在ＴＭ卡式水表的实际应用中,用户因某些原因可能长期不使用。因此,电池在长时间微电流放电（相当于储存时的自放电）后,内阻将上升,电池的瞬时驱动能力下降,极有可能影响电控阀门的动作或者产生欠压,影响系统的稳定性。但同时,电池可能还有足够的容量使用,如果因此而更换电池又将增加水表的使用成本。为解决这个问题,我们在控制系统中增加了一个时钟电路,每隔一个月的时间,时钟芯片（PCF8563）产生中断,单片机接受后,控制阀门开启、关闭,使电池定时产生比较大电流的放电,降低电池内阻,改善电池的性能,进而提高整个系统的稳定性、可靠性以及免维护性。
    4 智能水表控制系统的软件设计

    如果说硬件电路是控制系统的基础的话,那么控制软件是整个系统的灵魂。控制软件的设计的好坏,直接影响系统运行的性能。在本系统中,考虑到P87LPC764单片机的内部程序存储器的大小,运行速度以及程序的易读性、可维护性等,采用了51汇编语言编写、模块化的方法编制。

    TM卡水表控制系统的软件主要由主程序、中断服务程序、子程序等组成。主程序主要是单片机及接口芯片的初试化、自检、进入掉电状态等;中断服务程序包括水量计量中断、插卡中断、磁干扰输入中断、欠压中断和月报警中断等;子程序主要有LCD显示,存储器的读写和延时程序等。整个水表控制系统平时处在掉电状态下,当有外部中断信号时,才从睡眠中唤醒,执行程序。如图4是控制系统主程序流程。P87LPC764单片机具有较强的中断功能,四个优先级别的中断结构,最多可支持11个中断源。在本控制系统中,考虑到单片机平时都是在掉电模式下,因此,系统所应用的中断类型应该具有把P87LPC764单片机唤醒的能力。为此,控制系统中所用到的中断都采用了P87LPC764中很简便的、具有唤醒功能的KBI中断,并对每个中断源设定了优先级,比如水量计量中断优先级设置为最高等。 

图4 控制系统主程序流程图

    5 系统抗干扰设计

    1、为防止用户采用电磁干扰来进行偷水、窃水的活动,另外增加了一个防人为电磁干扰的措施。即和计量发讯干簧管并排再放置一干簧管,但它的触动开关值比发讯干簧管稍高,因此,当用户用电磁进行干扰时,只要磁力高过一定限值,防电磁干扰的干簧管闭合,单片机检测到此信号即可进行相应操作,有效防止人为的电磁干扰现象。

    2、在电路板的电源和地之间并接去耦电容,即10μF的电解电容和一个0.1μF的电容,来消除电源干扰。在要求电源质量不是很高的智能水表系统中,取得了比较好的效果。

    3、电路板是电路系统中器件、信号线、电源线的高度集合体,电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大,所以印刷电路板设计时必须符合抗干扰的设计原则。