基于AT89C51單片機(jī)的智能水表系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘要 摘要中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，城市居民以自來(lái)水為用水的主要來(lái)源，現(xiàn)在主要用城市小區(qū)住宅為管理單位的城市書水務(wù)理公司進(jìn)行，在此過(guò)程中水表的重要性是尤為重要的。傳統(tǒng)抄表“使用-抄表-付費(fèi)”模式加重了自來(lái)水公司的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，且浪費(fèi)人力、物力，而且還存在水費(fèi)遲交、漏交等現(xiàn)象。為降低自來(lái)水公司的運(yùn)營(yíng)成本，減少人力、物力的浪費(fèi)，解決水費(fèi)欠款等問(wèn)題，智能水表的研發(fā)顯得尤為重要。智能IC卡水表具有較高流量計(jì)算精度，采用預(yù)先充值的方式，很大程度上提高了供水部門的工作效率。為科學(xué)合理用水創(chuàng)造了技術(shù)上的條件。本論文根據(jù)智能水表系統(tǒng)的功能要求，提出了智能水表的總體設(shè)計(jì)方案，并以AT98C51單片機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套可靠性高、功耗低，可以實(shí)現(xiàn)流量采集、信息實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)顯示剩余水量、余額不足報(bào)警等功能的智能IC卡水表。智能水表的應(yīng)用解決了自來(lái)水公司員工抄表等問(wèn)題，大大提高了工作效率，減少了收費(fèi)難的問(wèn)題，對(duì)水資源的管理起到了不可替代的重要關(guān)鍵詞：智能水表；AT98C51單片機(jī)第一章緒論1.1課題背景及研究的目的與意義1.1.1課題背景水資源在我們平時(shí)的生活中占有非常重要的位置，科技、綜合國(guó)力的發(fā)展，人們的神活與水資源密不可分。雖然水資源是可以再生的，但是如果不加以保護(hù)，并且不注意節(jié)約，水資源也會(huì)很快用光，所以現(xiàn)在我們的首要任務(wù)就是保護(hù)水資源?，F(xiàn)在社會(huì)的節(jié)奏加快，科技也在迅速發(fā)展，智能儀表進(jìn)入了人們的視線，并且和我們的生活聯(lián)系了起來(lái)。同時(shí)，為了不影響用戶正常用水，研發(fā)階梯水價(jià)等功能的智能水表迫在眉睫。我國(guó)政府對(duì)待自來(lái)水價(jià)格的原則是“成本加成”，傳統(tǒng)抄表的局限在于他的運(yùn)營(yíng)成本比較高，這樣就會(huì)導(dǎo)致水價(jià)上升。有些企業(yè)對(duì)水資源的需求比較大，在水資源較多的地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)水的情況，由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)抄表的方式并不能夠完成對(duì)水資源的合理運(yùn)用。1.1.2研究的目的與意義智能IC卡水表能給居民和供水部門帶來(lái)許多方便，降低各個(gè)環(huán)節(jié)的成本，很大程度上解決了傳統(tǒng)水表存在的局限性，它的基本技術(shù)就是使用智能IC卡水表，智能水表的應(yīng)用代表著我國(guó)從傳統(tǒng)的供用水模式向現(xiàn)代化的跨越式發(fā)展，和傳統(tǒng)水表比起來(lái)，智能IC水表有著難以磨滅的優(yōu)勢(shì)。(1)可以降低水務(wù)工作者的勞動(dòng)，提高他們的工作效率；(2)用戶可以直觀的看到自家的剩余水量和所用水量，這樣能讓我們的用水更加透明，讓用戶安心；(3)智能IC水表計(jì)數(shù)更加精準(zhǔn)并且可以實(shí)時(shí)更新。我們可以用區(qū)域智能水表的監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)查看水表的信息，檢測(cè)水表的的安全，在水表出線故障時(shí)，可以第一時(shí)間解決。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)進(jìn)步，單片機(jī)的推廣與研發(fā)，智能水表和單片機(jī)結(jié)合，形成了以單片機(jī)處理器為核心的智能水表，這種智能水表已經(jīng)變成了這個(gè)時(shí)代水表設(shè)計(jì)的主體，其他的國(guó)家抄表的技術(shù)發(fā)展比較早，所以他們技術(shù)的發(fā)展比較成熟。用電力載波技術(shù)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)抄智能水表，國(guó)外的公司如Intellon、Thomson、Ateml、Enika、National等公司目前已經(jīng)研究出了能用在電力線載波技術(shù)方面的元器件了。在外國(guó)遠(yuǎn)抄智能水表技術(shù)的重點(diǎn)就是用MSP430系列的單片機(jī)和以ARM為架構(gòu)的處理器作為核心處理單元，集中抄表系統(tǒng)的外圍模塊多樣化，比較多的外圍模由非接觸式IC讀寫卡模塊、GPRS無(wú)線數(shù)傳模塊、LCD液晶顯示模塊等模塊構(gòu)成，形象展示了智能水表的高度集成性和比較靈活的特性。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀最近幾年，我們國(guó)家為了推動(dòng)智能水表發(fā)展，推廣智能水表使用，頒布了很多的政策：在2014年發(fā)布的《關(guān)于加快建立完善城鎮(zhèn)居民用水階梯價(jià)格制度的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出：為了節(jié)約用水、科學(xué)用水，推進(jìn)“一戶一表”施行階梯水價(jià)，發(fā)揮階梯水價(jià)的作用，極大推動(dòng)了智能水表的發(fā)展；2016年發(fā)布了《中國(guó)制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》，該政策重點(diǎn)發(fā)展智能儀表，而在同年發(fā)布《水表行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃綱要》指出：要加快對(duì)高性能水表的研發(fā)，這樣可以更加方便的展現(xiàn)階梯水價(jià)；2018年《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄》中表明智能水表作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。在國(guó)家一系列的額政策推動(dòng)下，智能水務(wù)迅速發(fā)展，因此對(duì)智能水表提出了更高的要求，這就讓水表企業(yè)加大了對(duì)智能水表的重視，根據(jù)SooPAT的數(shù)據(jù)可以看出，2000-2018年中國(guó)智能水表的專利比之前增加了很多，2018年申請(qǐng)專利呈爆發(fā)式增長(zhǎng)共有353項(xiàng)，2019年智能水表技術(shù)發(fā)展平穩(wěn)，本年專利申請(qǐng)數(shù)下降為149項(xiàng)。在國(guó)家的政策，以智能水表及在智慧水務(wù)大力發(fā)展情況下的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)智能水表的產(chǎn)量不斷增加。根據(jù)下表顯示，在2012年中國(guó)的水表產(chǎn)量是6431萬(wàn)只而智能水表只有870萬(wàn)只，可見(jiàn)智能水表的比重只有一小部分，在2018年水表產(chǎn)量有10453萬(wàn)只，智能水表的產(chǎn)量超過(guò)了2400萬(wàn)只，市場(chǎng)滲透率到達(dá)了23.83％，在2019年智能水表產(chǎn)量超過(guò)了3000萬(wàn)只，市場(chǎng)滲透率進(jìn)一步提高。1.3智能水表發(fā)展趨勢(shì)隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)及水的不斷發(fā)展，智能水表的發(fā)展速度明顯提高，發(fā)展的道路漸漸的明了，可以總結(jié)出以下幾個(gè)：（1）水量計(jì)算的精確度變得更高，計(jì)量的范圍變寬，小流量的測(cè)量的精準(zhǔn)程度也得到了改善。（2）水表產(chǎn)品越來(lái)越可靠，能用的時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)?，F(xiàn)在IC卡智能水表和無(wú)線遠(yuǎn)傳水表的共同缺點(diǎn)就是電池的問(wèn)題，電池正常使用水表才能正常，電池壞了水表也會(huì)受到很大的影響，這樣就要求我們要在電池方便進(jìn)行突破，比如在電池的容積或者體積方面，盡量用小的體積來(lái)裝大的容量?；蛘哐芯砍鲂碌碾娫?、快速充電技術(shù)又或者研發(fā)低功耗的各類軟件（3）水表與互聯(lián)網(wǎng)相連接，更加方便管理?，F(xiàn)在NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)功耗低、成本低用的比較多。智能水表與物聯(lián)網(wǎng)相連接：一是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制閥門的功能；二是能與其他管網(wǎng)傳感器相鏈接，共同實(shí)現(xiàn)供水的自動(dòng)調(diào)度完成信息化以及智能化管理等之類的工作。1.4本論文的主要內(nèi)容本文介紹了智能水邊系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，硬件部分從硬件模塊選擇和對(duì)應(yīng)電路結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了說(shuō)明，軟件部分也梳理了相關(guān)的流程思路設(shè)計(jì)框架，完成了以具備流量監(jiān)測(cè)、信息顯示、通信功能和報(bào)警功能的智能水表設(shè)計(jì)目標(biāo)。智能水表系統(tǒng)對(duì)人民的生活用水管理有著實(shí)際意義，未來(lái)隨著工業(yè)化的高度發(fā)達(dá)，數(shù)字化智能應(yīng)用算法的進(jìn)步，會(huì)出現(xiàn)功能更加全面，效用更加突出的智能化水表管理系統(tǒng)，為生活用水查詢、管理、用費(fèi)、應(yīng)用提供更多的便利，使得人民的生活全面進(jìn)入智能化數(shù)字模式。第一章，對(duì)國(guó)內(nèi)外智能水表的現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單分析，并對(duì)智能水表的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了一些描述第二章，介紹了智能水表的總體設(shè)計(jì)，對(duì)智能水表的原理進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)智能水表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了概括。第三章，對(duì)基于AT89C51的遠(yuǎn)傳智能水表進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，其中主要包括各外圍模塊的電路圖繪制。第四章，主要介紹了軟件設(shè)計(jì)的流程，對(duì)應(yīng)不同的功能的需求進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)，通過(guò)程序管理編程，對(duì)單片機(jī)的核心控制，統(tǒng)一協(xié)調(diào)每個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)。第五章，主要就本論文的主要內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并且對(duì)設(shè)計(jì)的智能水表優(yōu)點(diǎn)和不足進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明，以及對(duì)未來(lái)智能水表的展望。

第二章智能水表總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)智能水表系統(tǒng)的思路必需根據(jù)實(shí)際需求來(lái)制定，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和功能模塊需要服務(wù)于實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中，從外形上來(lái)說(shuō)，智能水表和傳統(tǒng)水表相差不大，主要差異還是在于內(nèi)容的智能系統(tǒng)的控制功能，傳統(tǒng)水平主要依靠抄表等人工操作，水表用量付費(fèi)依靠人工統(tǒng)計(jì)核算，再由統(tǒng)一人員或者窗口繳費(fèi)，全程依賴人工作業(yè)，時(shí)間成本和人力成本都比較高，處理用水業(yè)務(wù)非常麻煩，智能水表就是解決這種情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1智能水表的工作原理智能水表要依循簡(jiǎn)單易操作的初衷，使用起來(lái)方便快捷，用戶主要依靠IC卡來(lái)進(jìn)行操作，將用水費(fèi)用的IC卡插入智能水表就能完成操作，我們來(lái)解析下基本的運(yùn)作原理：首先，我們操作時(shí)將水量IC卡插入到智能水表的讀卡區(qū)域或者能夠無(wú)線接入的識(shí)別感應(yīng)區(qū)，我們要通過(guò)水表系統(tǒng)的通信識(shí)別模塊來(lái)進(jìn)行比對(duì)和識(shí)別，當(dāng)識(shí)別比對(duì)信息一致后，水表將會(huì)自動(dòng)打開(kāi)閥門，開(kāi)始放水，用戶就可以使用。當(dāng)用水過(guò)程當(dāng)中，需要水采集設(shè)備對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)算，然后數(shù)模轉(zhuǎn)換后，輸出為電信號(hào)，作為數(shù)字信息被系統(tǒng)識(shí)別接收，然后通過(guò)設(shè)計(jì)的顯示模塊，進(jìn)行數(shù)字屏幕的顯示，用戶可以方便查詢用水量。系統(tǒng)會(huì)識(shí)別IC卡上面的余額，當(dāng)余額不足，系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)微系統(tǒng)進(jìn)行控制，關(guān)閉閥門，停止供水，并且可以加入蜂鳴器的報(bào)警模塊，對(duì)報(bào)警值進(jìn)行設(shè)置，一但即將觸發(fā)停水機(jī)制時(shí)，發(fā)出報(bào)警提示用戶進(jìn)行查看或者續(xù)費(fèi)，當(dāng)用戶繳費(fèi)以后，IC卡將會(huì)輸出新的余額數(shù)值，再由用戶插入水表系統(tǒng)，系統(tǒng)控制程序自動(dòng)識(shí)別后，打開(kāi)閥門，開(kāi)始供水，如果余額還是不為正，閥門將還是關(guān)閉，無(wú)法為用戶供水。智能水表本質(zhì)是一種由軟件和硬件組成的微機(jī)自檢。設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體方案：具備IC卡功能的硬件框架，系統(tǒng)的硬件電路是由電源、顯示器、IC卡讀/寫器、微處理器、流量傳感器、閥門等構(gòu)成。將AT89C51作為核心控制芯片，完成整個(gè)水表信號(hào)的讀、寫處理，監(jiān)控水表正常運(yùn)行的功能。智能水表的整體完成各類模塊的子系統(tǒng)軟件功能，其中涉及到主程序控制、初始化預(yù)設(shè)子系統(tǒng)程序、流量采集程序、報(bào)警程序、通信程序、LED顯示程序等等。2.2智能水表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能水表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提是對(duì)該系統(tǒng)針對(duì)性的方案設(shè)計(jì)，首先，水表使用過(guò)程當(dāng)中，需要分解出該系統(tǒng)模型的信息數(shù)據(jù)要點(diǎn)才能建立全面的控制系統(tǒng)功能模塊和系統(tǒng)的方案邏輯流程，水表使用過(guò)程里面的上下位機(jī)交互、IC卡通信識(shí)別、水表水量計(jì)算等變量因素是直接影響水表智能化服務(wù)的重要數(shù)據(jù)指標(biāo)，智能水表系統(tǒng)建立的初衷是提高使用效率為目的，最終產(chǎn)極大地節(jié)約人力物力時(shí)間的成本投入，方便民生生活，水表智能系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)作為主要的研究設(shè)計(jì)對(duì)象，精確的把控通信識(shí)別、數(shù)字化統(tǒng)計(jì)成為該系統(tǒng)最主要的功能實(shí)現(xiàn)。梳理系統(tǒng)幾大關(guān)鍵要點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)邏輯框架，我們要設(shè)計(jì)出合理的框架結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)相互協(xié)作，并且由單片機(jī)作為大腦控制中心，統(tǒng)一進(jìn)行智能化的數(shù)據(jù)程序管理，操控特定功能子程序，以此來(lái)達(dá)到智能水表系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，整體框架如圖2.1所示。圖2.1IC卡智能水表原理框圖

第三章智能水表的硬件設(shè)計(jì)3.1AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的需要，我們選用AT89C51單片機(jī)作為中控處理器，作為系統(tǒng)控制的中樞大腦，要對(duì)單片機(jī)的原理和架構(gòu)有詳細(xì)的了解。單片機(jī)AT89C51最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。其中包括AT89C51芯片和一個(gè)復(fù)位電路、一個(gè)晶振電路。圖3.1AT89C51結(jié)構(gòu)3.1.1AT89C51單片機(jī)介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。3.1.2復(fù)位電路復(fù)位電路是用來(lái)將電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的一種電路設(shè)備，復(fù)位電路的工作原理就像計(jì)算器一樣，就是復(fù)位電路啟動(dòng)的原理和方法與計(jì)算器有一些差別。復(fù)位電路就是把工作電路變成起始的狀態(tài)，以便重新進(jìn)行計(jì)算。3.1.3晶振電路晶振電路的兩端與AT89C51單片機(jī)的18、19引腳并聯(lián)，AT89C51的這兩個(gè)引腳，是與晶振的工作引腳相連接。如圖3.1所示。電容C7一端接18腳，一端接地。電容C8一端接19腳，一端接地。這兩個(gè)電容，我們?cè)?0到30P之間選擇都可以，他們的主要作用是，讓晶振接收的信號(hào)在工作范圍之內(nèi)，可以讓晶振在運(yùn)行時(shí)越發(fā)的平穩(wěn)。3.2流量檢測(cè)電路流量傳感器，從市場(chǎng)角度來(lái)說(shuō)，通常使用霍爾元件或者干簧管，我們更具智能水表的工作狀態(tài)來(lái)考量，干簧管的匹配度非常合適，因其靜態(tài)的功耗非常低，適配于依賴電池電源功能的水表的能耗要求，并且其耐用性和經(jīng)濟(jì)性都能有很好的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，我們要依據(jù)日常使用的場(chǎng)景特征：當(dāng)輸水水管很難避免空氣的滲入，當(dāng)我們打開(kāi)龍頭用水時(shí)，因?yàn)榭諝獾臄D壓，會(huì)讓水管出現(xiàn)不同程度的震動(dòng)，這個(gè)時(shí)候干簧管與磁鋼的位置恰巧處于界點(diǎn)，就會(huì)不停地將脈沖信號(hào)發(fā)給CPU，使CPU無(wú)法正確計(jì)數(shù)。我們?cè)O(shè)置隨便一個(gè)干簧管出現(xiàn)多次閉合的狀態(tài)就是無(wú)效狀態(tài)，這樣成功地規(guī)避了靈界點(diǎn)震動(dòng)產(chǎn)生的錯(cuò)誤識(shí)別的問(wèn)題，改設(shè)計(jì)還可以避免磁鐵的影響，因?yàn)樵诒O(jiān)測(cè)到兩管閉合時(shí)，就會(huì)認(rèn)為是外磁發(fā)生干擾，會(huì)停止計(jì)數(shù)，并會(huì)通過(guò)報(bào)警提示相關(guān)人員。3.2流量監(jiān)測(cè)電路3.3閥門驅(qū)動(dòng)電路圖3.3閥門驅(qū)動(dòng)電路圖閥門電路設(shè)計(jì)如上圖所示，簡(jiǎn)單的分析下電路的構(gòu)造設(shè)計(jì)原理，電路有兩個(gè)輸入控制端口，當(dāng)連接端口P1.0輸入高電平信號(hào)時(shí)，P1.1端口為低電平狀態(tài)，圖中的Q678三極管元件會(huì)通電導(dǎo)通，進(jìn)入工作狀態(tài)，Q452是停滯狀態(tài)，電機(jī)模塊的正負(fù)端，分別輸入低電平和高電平，這樣的信號(hào)狀態(tài)，會(huì)使得電機(jī)發(fā)生反轉(zhuǎn)，直到閥門關(guān)閉到位，依據(jù)此原理邏輯，當(dāng)兩端電平為高電平和低電平的時(shí)候，電機(jī)會(huì)正裝，知道閥門開(kāi)啟到位，這里有個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)要引起重視，當(dāng)閥門處于臨界點(diǎn)時(shí)候，通常情況會(huì)出一個(gè)相反電流，這時(shí)候會(huì)影響系統(tǒng)判定的準(zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)計(jì)加入一個(gè)成并聯(lián)轉(zhuǎn)改的二極管來(lái)就行防護(hù)規(guī)避，保護(hù)水表系統(tǒng)的穩(wěn)定，例如在電磁閥門正向歸位的時(shí)候，產(chǎn)生的反向電流會(huì)由二極管D1D2引導(dǎo)釋放，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)候電路會(huì)比平常更高，需要加入一個(gè)高容電動(dòng)來(lái)提供能量供給，電機(jī)啟動(dòng)后開(kāi)始運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候電流會(huì)以較低的狀態(tài)平穩(wěn)流通，但當(dāng)閥門開(kāi)到位或者關(guān)到位時(shí)，電流又會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的上浮，如果出現(xiàn)時(shí)間跨多較長(zhǎng)，上浮的電流有可能會(huì)對(duì)電路進(jìn)行破壞，所以閥門到位的檢測(cè)靈敏度、及時(shí)性要重點(diǎn)設(shè)計(jì)，響應(yīng)時(shí)間必須迅速，在軟件程序設(shè)計(jì)上也需要針對(duì)性進(jìn)行調(diào)整，最大程度的防護(hù)電流過(guò)載燒毀電路的情況發(fā)生。3.4IC卡信息識(shí)別模塊IC卡通信識(shí)別模塊，要求讀寫識(shí)別精準(zhǔn)快速，避免出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致使用上出現(xiàn)錯(cuò)誤，尤其在金額數(shù)字信號(hào)識(shí)別上不能出現(xiàn)任何差錯(cuò)，該系統(tǒng)擬定的識(shí)別模塊分為兩個(gè)重要部分。一是由AT89C51對(duì)MFRC500進(jìn)行控制與通信，MFRC500驅(qū)動(dòng)外圍電路對(duì)Mifare1卡進(jìn)行讀寫操作。二是讀寫模塊的天線部分的設(shè)計(jì)及其與射頻讀寫芯片的連接。該系統(tǒng)主要由AT89C51、MFRC500、看門狗以及RS-232通信模塊組成，MFRC500是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員，系統(tǒng)的工作方式是先由AT89C51控制MFRC500驅(qū)動(dòng)天線對(duì)misfire卡進(jìn)行讀寫操作，然后與PC之間進(jìn)行通信，并把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，結(jié)構(gòu)圖下圖所示。圖3.4IC卡信息識(shí)別系統(tǒng)下面對(duì)電路圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的原理分析，MFRC500有兩個(gè)發(fā)送信號(hào)端口，分別是TX1和TX2，在設(shè)計(jì)上采用的是中心抽托設(shè)計(jì)的方式，這樣能夠有效的解決電路運(yùn)行時(shí)的信號(hào)干擾問(wèn)題，系統(tǒng)的工作功率設(shè)計(jì)有一振蕩器來(lái)提供，石英材質(zhì)無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性都能很好的勝任，其在導(dǎo)通的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生高次諧波，針對(duì)這種情況需要在發(fā)送信號(hào)的端口加入低通的濾波器，如圖中所示，濾波器的組成結(jié)構(gòu)有：L0和CO，系統(tǒng)也必須匹配天線系統(tǒng)，天線作為無(wú)線信號(hào)的接收端，收到目標(biāo)信號(hào)后會(huì)由天線匹配電路，將信號(hào)發(fā)送至RX端口，使用內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)作為RX管腳的輸入，并且還需要RX和VMID引腳之間連接一個(gè)分壓器。當(dāng)然我們還需要考慮到各類元件運(yùn)行產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，引入一個(gè)電容到VMID引腳口，并且直接到地。3．5IC卡識(shí)別電路3.5通信模塊要達(dá)成設(shè)計(jì)好的水表系統(tǒng)智能通信功能，需要確定與上位機(jī)的通信機(jī)制，本設(shè)計(jì)主要采用RS-458與上位機(jī)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息通信，SN75176芯片是作為收發(fā)器實(shí)現(xiàn)RS-485DE電平轉(zhuǎn)換，SN75176芯片的結(jié)構(gòu)環(huán)境里面加入了纏粉驅(qū)動(dòng)器和差分接收器，其中驅(qū)動(dòng)器和接受其的功能參數(shù)需要做一定了解，這是支撐收發(fā)功能核心元件，具體參數(shù)如下：驅(qū)動(dòng)器輸入D使能DE輸出ABHHHHLHLL×L三態(tài)三態(tài)接收器差分輸入VID使能RE輸出RVID≤0.2VLH-0.2V＜VID＜+0.2VL×VID≤-0.2VLL×H三態(tài)最初是數(shù)據(jù)模擬信號(hào)輸出簡(jiǎn)單過(guò)程量，后來(lái)儀表接口是RS232接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個(gè)問(wèn)題。下面我們就簡(jiǎn)單介紹一下RS-485。RS-485:由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。例如，RS-485也采用平衡傳輸方式，也要在傳輸線連接終接電阻等。RS-485可采用二線與四線的連接方式。當(dāng)采用二線制時(shí)，可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。當(dāng)采用四線制時(shí)，RS-485和RS-422一樣，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主設(shè)備，其余為從設(shè)備。無(wú)論采用二線還是四線的連接方式，RS-485總線都支持最多接入32個(gè)串口接收節(jié)點(diǎn)。RS-485共模輸出電壓為-7~+12V；RS-485接收器最小輸入阻抗為12kQ；RS-485兼容RS-422，因此RS-485驅(qū)動(dòng)器可在RS-422網(wǎng)絡(luò)中使用。RS-485最大傳輸距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbit/s。我們對(duì)元件有了充分了解，就需要設(shè)計(jì)通信之間的電路圖，下面給出通信模塊電路設(shè)計(jì)圖。圖3-6通信模塊電路設(shè)計(jì)圖3.6顯示電路1. 顯示電路是表達(dá)系統(tǒng)處理信息后的結(jié)果，用于使用者查閱水表使用情況，針對(duì)于此，系統(tǒng)的顯示電路模塊選擇了3位8段LED數(shù)碼管作為顯示元件，液晶顯示模塊：LCD1602顯示器是由若干個(gè)點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。該液晶的位與位之間有一個(gè)點(diǎn)距的距離，同樣的行與行之間也有一個(gè)點(diǎn)距的距離，來(lái)分隔兩個(gè)相鄰的字符，這樣的設(shè)計(jì)便于用戶查看數(shù)據(jù)，水表系統(tǒng)的信息顯示包含相對(duì)較多的信息內(nèi)容，字符信息顯示清晰度、數(shù)字內(nèi)容排列序列是反應(yīng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的技術(shù)功能要求，該型號(hào)的顯示器可以完成顯示模塊的硬件支撐功能。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片是常見(jiàn)的MAX7219，MAX7219集成了多種功能，例如BCD譯碼器功能、多路掃描功能、段位驅(qū)動(dòng)功能，內(nèi)部集成8X8位的SRAM，這種靜態(tài)元件用于存儲(chǔ)顯示器的相關(guān)信息。在電路連接方面，AT89C51單片機(jī)的引腳接口連接也很簡(jiǎn)單，其中P3.5、P3.6、P3.7作為連接口，分別連如顯示模塊的DIN數(shù)據(jù)輸入口、LOAD鎖定輸入口、CLK時(shí)鐘輸入口。具體的電路結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。圖3-7顯示電路圖3.7報(bào)警電路報(bào)警電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要用于系統(tǒng)識(shí)別后出現(xiàn)一定情況進(jìn)行報(bào)警提示的功能，用來(lái)提醒使用者某個(gè)指標(biāo)的異常，在電路設(shè)計(jì)上按照常規(guī)報(bào)警模塊來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要基于晶體管和揚(yáng)聲器，例如蜂鳴器，單片機(jī)的P1.6作為連接端口，直接對(duì)應(yīng)晶體管的導(dǎo)通，進(jìn)行信號(hào)輸出的控制，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警。如果出現(xiàn)溫度異常，無(wú)法匹配預(yù)設(shè)比對(duì)數(shù)值的時(shí)候，單片機(jī)主控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信號(hào)指令，借由上訴原理，激發(fā)報(bào)警電路運(yùn)行發(fā)生報(bào)警提示。圖3-8報(bào)警電路圖3.8電源電路電源功能電路，需要考慮實(shí)際使用，必須保證電源電路的穩(wěn)定性和持續(xù)性，家用水表一般都是接入220V交流電，針對(duì)于此，我們匹配220V的交流電源對(duì)應(yīng)的電磁感染濾波器，減小電網(wǎng)接入產(chǎn)生噪聲干擾的影響，并且加入電源的變壓器，對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)接入整流濾波器和穩(wěn)壓器7805。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)定輸入電壓為5V，在低功耗的基礎(chǔ)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖3-9電源電路圖3.9智能水表的整體電路圖智能水表的整體電路圖3.10如下所示：圖3.10智能水表整體電路

第四章智能水表的軟件設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)智能水表流量采集、信息顯示、閥門控制等功能，軟件設(shè)計(jì)主要有:主程序、初始化模塊、IC卡設(shè)備模塊、LED顯示模塊等、閥門控制模塊等，針對(duì)每個(gè)模塊都有程序管理編程，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的核心控制，統(tǒng)一協(xié)調(diào)每個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)，最終完成智能水表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成型。4.1智能水表的設(shè)計(jì)思路前文介紹了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和細(xì)節(jié)要點(diǎn)，硬件功能結(jié)合軟件程序，才能實(shí)現(xiàn)孵化箱智能系統(tǒng)的執(zhí)行，軟件的設(shè)計(jì)邏輯要求嚴(yán)密，必須要對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行邏輯有清晰的認(rèn)識(shí)，結(jié)合算法進(jìn)行編程，將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，單片機(jī)會(huì)按照程序語(yǔ)言的指令控制各種信息，編寫程序的步驟設(shè)計(jì)了主程序、初始化程序、顯示子程序等。4.2智能水表的主程序主程序作為智能水表的主控軟件程序，發(fā)揮著重要作用，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，首先需要完成各種模塊對(duì)應(yīng)端口的初始化操作，調(diào)節(jié)各類參數(shù)指標(biāo)，初始化程序主要控制內(nèi)部存儲(chǔ)初始、特殊功能寄存器參數(shù)設(shè)置、LED顯示模塊運(yùn)行參數(shù)設(shè)置。在該系統(tǒng)里面我們采用的是中斷機(jī)制，主程序?qū)?huì)比對(duì)中斷參數(shù)設(shè)定，更具數(shù)值對(duì)應(yīng)的吻合與否，判斷出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，是否需要做相應(yīng)的調(diào)整。程序執(zhí)行操作周期性的掃描，當(dāng)沒(méi)有出現(xiàn)中斷信號(hào)指令的時(shí)候，系統(tǒng)整體進(jìn)入半待機(jī)的工作狀態(tài)，此時(shí)的系統(tǒng)功耗很低，電源能量主要維持核心基礎(chǔ)模塊運(yùn)行，這樣能夠極大的節(jié)約能源消耗，保證水表系統(tǒng)的使用耐久度。當(dāng)中斷信號(hào)指令發(fā)出，系統(tǒng)開(kāi)始整體運(yùn)行，對(duì)中斷信號(hào)的模塊進(jìn)行處理，以此循環(huán)。4.3智能水表的子程序單片機(jī)的子程序分為以下幾個(gè)模塊，初始化模塊、水量計(jì)量模塊、卡處理模塊、閥門處理模塊、顯示模塊。每個(gè)模塊逐一運(yùn)行，占用全部的資源，中斷程序盡量做到最小的堆棧、最大的RAM利用率。每個(gè)模塊都可以獨(dú)自處理事物，更加方便獨(dú)立編程、調(diào)試、測(cè)試。在單片機(jī)的調(diào)控下智能水表的的操作按照以下圖所示步驟進(jìn)行，如圖4-1。圖4-1各模塊程序流程圖依次是水量事件處理程序、卡事件處理程序、顯示事件處理程序、閥門事件處理程序之后返回水量時(shí)間處理檢測(cè)是否處理完畢，完畢之后既是完成了智能水表的工作流程，進(jìn)入低功耗模式，等待被中斷喚醒。4.3.1初始化模塊初始化是對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器單元清零，將特殊功能寄存器設(shè)置初值、液晶顯示設(shè)置等。接下來(lái)進(jìn)入到主循環(huán)，判斷電源、電壓是不是沒(méi)有錯(cuò)誤的，要是所有都正常就打開(kāi)閥門供水。要是有低電壓出現(xiàn)，系統(tǒng)就會(huì)提示欠壓，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警，以提醒用戶更換新的電池；當(dāng)剩余水量即將用盡時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)報(bào)警，以便提醒用戶充值，要是用戶沒(méi)有及時(shí)的充值，當(dāng)剩余水量為零的時(shí)候，閥門就會(huì)關(guān)閉。初始化模塊的功能：1）完成對(duì)單片機(jī)中各功能模塊的控制寄存器初始化設(shè)置；2）完成對(duì)單片機(jī)I/O口的初始化設(shè)置；3）判斷RAM數(shù)據(jù)的可靠性；4）調(diào)用狀態(tài)檢測(cè)程序?qū)λ頎顟B(tài)進(jìn)行初始化設(shè)置。4.3.2流量監(jiān)測(cè)模塊流量監(jiān)測(cè)模塊主要功能：1）確認(rèn)有效地流量脈沖；2）依據(jù)剩余的水量判斷對(duì)用水量不足時(shí)關(guān)閉閥門，而且作為報(bào)警關(guān)閉閥門標(biāo)志位；3）對(duì)實(shí)際的用水量進(jìn)行處理；水量計(jì)量模塊程序流程圖如圖4-3。圖4-3水量計(jì)量模塊程序流程圖4.3.3IC卡處理模塊IC卡處理模塊的主要功能：1）判斷IC卡是否為本裝置相應(yīng)的卡；2）判斷IC卡的密碼正確與否；3）根據(jù)卡類型與設(shè)置信息進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的操作。在設(shè)計(jì)中，不同類別的IC卡有著不一樣的認(rèn)證方式，同一類的IC卡在不同的階段也有著不一樣的認(rèn)證方式，所以認(rèn)證的過(guò)程很是復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)中單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)卡進(jìn)行認(rèn)證的功能子程序。程序流程圖如圖4-4。圖4-4IC卡處理模塊程序流程圖4.3.4LCD顯示模塊子程序在智能水表設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的顯示模塊和單片機(jī)采用間接方式相連接。顯示模塊是一個(gè)慢顯示的器件，因此在執(zhí)行每一條指令之前，要確認(rèn)好模塊的忙標(biāo)志位為低電平，表達(dá)不忙的意思，若不是如此，此指令失效。要顯示字符的時(shí)候，要先輸入顯示字符的地址，告訴模塊顯示字符的地方在哪里。4.3.5閥門模塊根據(jù)智能水表的狀態(tài)與其他模塊的設(shè)定，來(lái)判斷閥門是不是動(dòng)作，同時(shí)監(jiān)控動(dòng)作的過(guò)程，當(dāng)不可以一次到位時(shí)候，可以連續(xù)且有條件的4次動(dòng)作，來(lái)保證動(dòng)作的可靠性。當(dāng)接連的5次動(dòng)作不能發(fā)揮作用的時(shí)候，設(shè)置為閥門損壞的標(biāo)志，以保障閥門的問(wèn)題不會(huì)變大。4.4智能IC卡水表通信過(guò)程與協(xié)議4.4.1非接觸IC卡與讀卡器的通信過(guò)程非接觸式IC卡與讀卡器的交易過(guò)程，實(shí)際上就是IC卡和讀卡器之間的數(shù)據(jù)交換和對(duì)IC卡內(nèi)EEPROM存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程。在數(shù)據(jù)交換過(guò)程中，為了確?？ê妥x卡器之間數(shù)據(jù)的同步及數(shù)據(jù)能被正確接收、識(shí)別，需要建立系統(tǒng)的通信協(xié)議。在交易的過(guò)程中，非接觸式IC卡遵守通信協(xié)議，根據(jù)接收的指令，在有限狀態(tài)機(jī)的控制下執(zhí)行一個(gè)工作過(guò)程，從而完成所需要的功能。接下來(lái)就分別介紹讀卡器與IC卡之間的通信協(xié)議、MFRC500的命令集及卡對(duì)指令的執(zhí)行過(guò)程。4.4.2通信協(xié)議非接觸式IC卡與讀卡器之間采用半雙工的通信方式進(jìn)行通信，使用13.56MHz高頻電磁波作為載波，數(shù)據(jù)以106kbit/s進(jìn)行傳送。在非接觸式IC卡與讀卡器之間的異步通信中，采用了起止位同步法的幀結(jié)構(gòu)，有以下3種幀結(jié)構(gòu)。（1）復(fù)位請(qǐng)求指令的幀結(jié)構(gòu):起始位、7個(gè)數(shù)據(jù)位和停止位(不包括奇偶校驗(yàn)位)。（2）標(biāo)準(zhǔn)的幀結(jié)構(gòu):起始位、n個(gè)字符(每個(gè)字符為8位數(shù)據(jù)位，還有1位奇偶校驗(yàn)位)和停止位。（3）防沖突指令的幀結(jié)構(gòu):標(biāo)準(zhǔn)指令結(jié)構(gòu)包括7個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，分為兩部分，讀卡器傳輸給IC卡的數(shù)據(jù)為第一部分，包括一字節(jié)的選卡操作碼(SEL)、一字節(jié)的有效位個(gè)數(shù)(NVB，有效位個(gè)數(shù)確定其后讀卡器發(fā)出的卡序列號(hào)的數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù))和卡序列號(hào)(UID，在0位到40位之間)，第一部分?jǐn)?shù)據(jù)最小長(zhǎng)度為16位，最大長(zhǎng)度為55位；IC卡返回給讀卡器的數(shù)據(jù)為第二部分，是IC卡返回的卡序列號(hào)(讀卡器發(fā)出)的剩余部分，第二部分?jǐn)?shù)據(jù)最大長(zhǎng)度為40位，最小長(zhǎng)度為1位。當(dāng)這兩部分以字節(jié)為單位分開(kāi)時(shí)，第一部分的最后一位后加一位奇偶校驗(yàn)位。4.5MFRC500的命令集與內(nèi)部寄存器4.4.1MFRC500的命令集MFRC500的狀態(tài)由可執(zhí)行特定功能的命令集決定，這些命令可通過(guò)將相應(yīng)的命令代碼寫入Command寄存器來(lái)啟動(dòng)，處理一個(gè)命令所需要的變量和數(shù)據(jù)主要通過(guò)FIFO緩沖區(qū)進(jìn)行交換。對(duì)MFRC500的命令集的介紹可參考相關(guān)手冊(cè)。4.4.2MFRC500的內(nèi)部寄存器MFRC500共有64個(gè)寄存器，8個(gè)寄存器為一頁(yè)，每頁(yè)的第一個(gè)寄存器為頁(yè)寄存器，其地址分別為0x00、0x08、0x10、0x18、0x20、0x28、0x30、0x38。命令寄存器可用于啟動(dòng)或停止命令執(zhí)行，通過(guò)寫入相應(yīng)命令碼至命令寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其所需變量和數(shù)據(jù)主要由FIFO緩沖器交換。FIFO數(shù)據(jù)寄存器是內(nèi)部64字節(jié)FIFO緩沖器中的數(shù)據(jù)輸入與輸出端口，輸入輸出數(shù)據(jù)流在FIFO緩沖器中完成轉(zhuǎn)換，可以并行輸入輸出。Interrupt寄存器是中斷請(qǐng)求標(biāo)志寄存器，當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，需要由該寄存器的相關(guān)標(biāo)志位來(lái)判斷中斷的類型。4.5非接觸IC卡的指令流程非接觸式IC接收到讀卡器的指令后，經(jīng)過(guò)指令譯碼，在有限狀態(tài)機(jī)的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并返回相應(yīng)的處理結(jié)果。非接觸式IC卡與讀卡器之間的一個(gè)完整的交易過(guò)程。(1)初始化系統(tǒng)的初始化包括單片機(jī)的初始化和對(duì)MFRC5