基于PIC16F84單片機(jī)的IC卡智能水表設(shè)計(jì)
1、引言
長期以來,自來水用戶的用水量管理依靠人工抄表,然后由收費(fèi)員到各家收費(fèi)或各用戶去銀行交費(fèi)。這種傳統(tǒng)的收取水費(fèi)的做法需要的工作人員多,費(fèi)時、費(fèi)力、效率低,常常出現(xiàn)用戶欠費(fèi)、遲繳或漏繳水費(fèi)等問題。
采用IC卡智能水表后,可以改變自來水收費(fèi)及管理的現(xiàn)狀,達(dá)到下列管理目標(biāo):
1) 智能水表代替?zhèn)鹘y(tǒng)水表,用IC卡實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi),實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)后用水”、持卡結(jié)算的理想管理模式,從根本上杜絕欠繳、遲繳、漏繳水費(fèi)的現(xiàn)象,使自來水公司應(yīng)收費(fèi)用及時到位。
2) 建立自來水公司計(jì)算機(jī)信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對自來水供應(yīng)、自來水用戶及自來水公司員工的科學(xué)化管理;建立完善的財(cái)務(wù)核算管理,使自來水公司的日常工作和管理流程化、自動化、科學(xué)化,提高自來水公司的服務(wù)質(zhì)量和競爭力。
3) 減輕工作人員的勞動強(qiáng)度,消滅(減少)現(xiàn)金交易,減少人為差錯和杜絕貪污案件的發(fā)生。
4) 提供方便的統(tǒng)計(jì)查詢功能,便于全面、及時地了解情況,為決策提供依據(jù)。IC卡水表系統(tǒng)是由IC卡水表、通用IC卡及計(jì)算機(jī)收費(fèi)管理網(wǎng)絡(luò)組成,起核心是IC卡水表。
2、硬件設(shè)計(jì)
IC卡計(jì)費(fèi)水表主要由閥門、流量傳感器、微處理器、IC卡讀/寫器、顯示器及電源等組成,其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1IC卡智能水表原理框圖
1) 微處理器
為降低整個水表的功耗,微處理器選用Microchip公司的低功耗芯片PIC16F84。該芯片工作于休閑狀態(tài)時,耗電量僅為級。另外,采用FLASH的串行存儲芯片93C46作為數(shù)據(jù)存儲器。93C46是一個串行的EEPROM,占用體積小,功耗低,且操作簡單,主要用來存放 IC卡識別字、發(fā)行密碼及用水計(jì)量等數(shù)據(jù),以作為水表識別與計(jì)計(jì)量的依據(jù)。
2) 閥門
對水表而言,閥門是被控對象,控制著進(jìn)水的開/關(guān)狀態(tài)。目前可控的閥門主要是電磁閥,但常規(guī)的電磁閥是靠電的通/斷來控制閥門的開/關(guān)的,即要讓閥門一直開著,就必須一直通電,因此耗電較大,不符合本水表低功耗的要求。因此,必須對現(xiàn)有的電平開關(guān)式電磁閥進(jìn)行改進(jìn),采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥,即閥門開/關(guān)由電脈沖來實(shí)現(xiàn)。使得對閥門開/關(guān)只需瞬時供電從而減少耗電量。
3) 流量傳感器
流量傳感器是水表中的傳感器部分,是實(shí)現(xiàn)正確計(jì)量的基礎(chǔ)??紤]到現(xiàn)有的模擬式水表中,旋翼式水表結(jié)構(gòu)簡單,測量范圍寬,靈敏度高,外形尺寸小,精確度已被廣大用戶所接受;因此本水表的流量傳感器還是基于模擬水表的旋翼式結(jié)構(gòu),而通過在葉輪上安裝磁鋼與微型干簧管等機(jī)構(gòu),將葉輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電信號,以實(shí)現(xiàn)頻率脈沖計(jì)數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水流量的計(jì)量。其耗電小,并保持了原有的結(jié)構(gòu)簡單、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。
4) IC卡讀/寫器
IC卡讀/寫器是IC卡水表的輸入接口。當(dāng)IC卡插入讀/寫器時,首先讀入的是卡中的密碼,以判斷此IC卡的合法性;水表在判斷了卡的合法性后,讀入所購水量并和水表內(nèi)剩余水量累加,同時將卡上購水量單元清零;回寫水表上用水量、剩余水量等信息,以便下次購水時自來水公司讀取,實(shí)現(xiàn)水表信息的回饋功能。
5) 顯示器
液晶顯示器作為水表的輸出接口,顯示剩余水量、電池狀態(tài)及開關(guān)狀態(tài)等信息。它們的有效工作時間都比較短。用戶看完后,沒有必要讓它一直顯示;為此,可利用水表上的防水蓋提供信號。即當(dāng)蓋子打開時,使它們進(jìn)入工作狀態(tài);而當(dāng)蓋子蓋上時,是它們停止工作,從而達(dá)到節(jié)電的目的。
6) 供電電源
本水表采用交/直兩用電源。平時水表由交流電通過表內(nèi)的小型變壓器輸出供電,而備用電池處于充電狀態(tài)。一旦停電,水表就由內(nèi)部備用電池供電。
下圖給出了智能水表主系統(tǒng)的原理圖:
圖二 系統(tǒng)原理圖
3、軟件設(shè)計(jì)
PIC16F84是Microchip公司的產(chǎn)品,具有低電壓、低功耗、高速度、指令少、可反復(fù)擦寫等優(yōu)點(diǎn),但是采用匯編語言的可移植性較差,故本系統(tǒng)采用可移植性較好的C語言編程。
IC卡智能水表軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是看門狗的初始化、進(jìn)入睡眠及其喚醒等處理部分。從功能來看,有這樣一些模塊:IC卡接口模塊(包括IC卡有效性判斷及讀/寫IC卡)、閥門控制模塊、流量脈沖、用水量處理模塊及顯示模塊等。其框架如圖三。
圖三 流程框圖
4、結(jié)束語
此模塊硬件電路采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,可根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展系統(tǒng)的控制功能,目前該模塊在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)性能良好,有待于進(jìn)一步應(yīng)用于市場開發(fā)。
參考文獻(xiàn):
【1】沈紅衛(wèi) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析 北京航空航天大學(xué)出版社
【2】張根源 IC卡計(jì)費(fèi)水表的設(shè)計(jì)[J] 現(xiàn)代科學(xué)儀器 2000(6)
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