基于PIC16F84單片機的IC卡智能水表設計

1、引言

長(cháng)期以來(lái)，自來(lái)水用戶(hù)的用水量管理依靠人工抄表，然后由收費員到各家收費或各用戶(hù)去銀行交費。這種傳統的收取水費的做法需要的工作人員多，費時(shí)、費力、效率低，常常出現用戶(hù)欠費、遲繳或漏繳水費等問(wèn)題。

采用IC卡智能水表后，可以改變自來(lái)水收費及管理的現狀，達到下列管理目標：

1） 智能水表代替傳統水表，用IC卡實(shí)現預付費，實(shí)現“先付費后用水”、持卡結算的理想管理模式，從根本上杜絕欠繳、遲繳、漏繳水費的現象，使自來(lái)水公司應收費用及時(shí)到位。

2） 建立自來(lái)水公司計算機信息管理網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現對自來(lái)水供應、自來(lái)水用戶(hù)及自來(lái)水公司員工的科學(xué)化管理；建立完善的財務(wù)核算管理，使自來(lái)水公司的日常工作和管理流程化、自動(dòng)化、科學(xué)化，提高自來(lái)水公司的服務(wù)質(zhì)量和競爭力。

3） 減輕工作人員的勞動(dòng)強度，消滅（減少）現金交易，減少人為差錯和杜絕貪污案件的發(fā)生。

4） 提供方便的統計查詢(xún)功能，便于全面、及時(shí)地了解情況，為決策提供依據。IC卡水表系統是由IC卡水表、通用IC卡及計算機收費管理網(wǎng)絡(luò )組成，起核心是IC卡水表。

2、硬件設計

IC卡計費水表主要由閥門(mén)、流量傳感器、微處理器、IC卡讀/寫(xiě)器、顯示器及電源等組成，其硬件結構如圖1所示。

圖1IC卡智能水表原理框圖

1） 微處理器

為降低整個(gè)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(shí)，耗電量?jì)H為級。另外，采用FLASH的串行存儲芯片93C46作為數據存儲器。93C46是一個(gè)串行的EEPROM，占用體積小，功耗低，且操作簡(jiǎn)單，主要用來(lái)存放 IC卡識別字、發(fā)行密碼及用水計量等數據，以作為水表識別與計計量的依據。

2） 閥門(mén)

對水表而言，閥門(mén)是被控對象，控制著(zhù)進(jìn)水的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。目前可控的閥門(mén)主要是電磁閥，但常規的電磁閥是靠電的通/斷來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)/關(guān)的，即要讓閥門(mén)一直開(kāi)著(zhù)，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，必須對現有的電平開(kāi)關(guān)式電磁閥進(jìn)行改進(jìn)，采用雙穩態(tài)電磁閥，即閥門(mén)開(kāi)/關(guān)由電脈沖來(lái)實(shí)現。使得對閥門(mén)開(kāi)/關(guān)只需瞬時(shí)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)現正確計量的基礎?？紤]到現有的模擬式水表中，旋翼式水表結構簡(jiǎn)單，測量范圍寬，靈敏度高，外形尺寸小，精確度已被廣大用戶(hù)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構，而通過(guò)在葉輪上安裝磁鋼與微型干簧管等機構，將葉輪的旋轉轉換成電信號，以實(shí)現頻率脈沖計數，進(jìn)而實(shí)現水流量的計量。其耗電小，并保持了原有的結構簡(jiǎn)單、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。

4） IC卡讀/寫(xiě)器

IC卡讀/寫(xiě)器是IC卡水表的輸入接口。當IC卡插入讀/寫(xiě)器時(shí)，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剩余水量累加，同時(shí)將卡上購水量單元清零；回寫(xiě)水表上用水量、剩余水量等信息，以便下次購水時(shí)自來(lái)水公司讀取，實(shí)現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(kāi)關(guān)狀態(tài)等信息。它們的有效工作時(shí)間都比較短。用戶(hù)看完后，沒(méi)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。即當蓋子打開(kāi)時(shí)，使它們進(jìn)入工作狀態(tài)；而當蓋子蓋上時(shí)，是它們停止工作，從而達到節電的目的。

6） 供電電源

本水表采用交/直兩用電源。平時(shí)水表由交流電通過(guò)表內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，水表就由內部備用電池供電。

下圖給出了智能水表主系統的原理圖：

圖二 系統原理圖

3、軟件設計

PIC16F84是Microchip公司的產(chǎn)品，具有低電壓、低功耗、高速度、指令少、可反復擦寫(xiě)等優(yōu)點(diǎn)，但是采用匯編語(yǔ)言的可移植性較差，故本系統采用可移植性較好的C語(yǔ)言編程。

IC卡智能水表軟件設計的關(guān)鍵是看門(mén)狗的初始化、進(jìn)入睡眠及其喚醒等處理部分。從功能來(lái)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(xiě)IC卡）、閥門(mén)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、結束語(yǔ)

此模塊硬件電路采用模塊化的設計方法，可根據實(shí)際需要擴展系統的控制功能，目前該模塊在實(shí)驗室試驗性能良好，有待于進(jìn)一步應用于市場(chǎng)開(kāi)發(fā)。

參考文獻：

【1】沈紅衛 單片機應用系統設計實(shí)例與分析 北京航空航天大學(xué)出版社

【2】張根源 IC卡計費水表的設計[J] 現代科學(xué)儀器 2000（6）