基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计附程序+图.docx
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基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计附程序+图
摘要
第1章绪论
1.1本研究课题的背景及意义
1.2本研究课题的发展趋势
1.3本文的工作
第2章设计思想与方案论证
2.1设计思想
2.2方案比较
1.方案一：
脉冲发讯集中抄收式智能水表系统
2.方案二：
基于CAN总线的智能水表自动抄收系统
3.方案三：
基于89C2051单片机的IC卡智能水表系统
2.3方案选择
第3章IC卡智能水表的硬件设计
3.1主系统的构成
3.2微处理器
3.2.1单片机的选型
1.单片机的系统适应性
2.单片机的市场供应情况
3.单片机的可开发性
3.2.2单片机AT89C2051简介
3.2.3晶振与复位电路的设计
3.3传感器的选择
3.3.1霍尔接近开关传感器
3.3.2光电检测传感器
3.3.3Wiegand（韦根）传感器
1.Wiegand传感器组成
2.Wiegand传感器工作原理
3.Wiegand传感器工作方式
4.WG系列韦根传感器原理及其特点
3.4信号处理模块的设计
3.5电磁阀的选择与设计
1.采用光电耦合器进行隔离（如图3.10所示）
2.在电磁阀供电端跨接压敏电阻抗干扰
3.6片外数据存储器的设计
3.7IC卡及其接口电路的设计
3.7.1基于AT24C0X系列的IC卡
3.7.2IC卡的接口电路的设计
3.8人机交互接口的设计
3.8.1报警电路的设计
3.8.2显示电路的设计
3.9电源的设计
3.9.1电池能量的检测
3.9.2超级电容的应用
3.10检测模块的设计
第4章IC卡智能水表的软件设计
4.1主程序的设计
4.2外部中断0子程序
4.3外部中断1子程序
4.4IC卡的读写软件设计
4.4.1SDA和SCL信号
4.4.2IC卡的写操作
4.4.3IC卡的读操作
4.4.4IC卡芯片的控制字节和器件寻址
4.4.6IC卡处理程序流程图
4.5片外数据存储器读写软件设计
4.6显示子程序
第5章关于IC卡智能水表的关键问题及解决办法
5.1IC卡智能水表的低功耗问题
5.2低功耗解决方案
1.选择低功耗电磁阀
2.选择低功耗器件
3.选择低的工作电压和低的工作频率
5.3IC卡智能水表的安全性问题
5.4安全性问题解决方案
1.售水用IC卡（用户卡）的安全性
2.表内信息的安全性
第6章系统调试
6.1调试设备
6.2硬件调试
1.静态调试
2.动态调试
6.3软件调试
6.4调试现象
总结
参考文献
附录程序清单
摘要
很长一段时间以来，自来水用户的用水量管理依靠人工抄表，然后由收费人员到各家去收费或用户到指定地点自行缴纳。
这种传统收取水费的方式需要的工作人员多、费时、费力、效率低，常常出现用户欠缴、迟缴或漏缴水费等问题。
为了解决这些问题，本文在研究国内外智能水表发展现状的基础上，设计了一个基于单片机实现的IC卡智能水表控制系统。
本系统以AT89C2051单片机为核心部件，通过韦根传感器检测用水量，运用IC卡读写及加密技术，实现购水与用水量管理。
本文完成了系统的硬件电路设计和软件设计。
硬件电路采用模块化设计，包括用水量检测电路、IC卡接口电路、电磁阀驱动电路、报警电路、LED显示电路等，详细分析了各模块的工作原理；系统软件采用汇编语言编制，给出了具体的程序流程图。
系统具有自动供停水、插卡智能识别、身份验证、掉电保护、LED显示、电磁阀门智能开关控制、防干扰、防拆卸等功能。
关键词：
单片机；韦根传感器；IC卡；智能水表；低功耗
Abstract
Foraverylongtime,themanagementofusedwaterofwateruserreliesonman-madestyle,thatneedoperatorstoarriveatuser’shometocollectfeesorusersreachappointedplacetohandinfeesbythemselves.Thistraditionalstylehaslotsofdisadvantagessuchasneedingmanyoperators,timeconsumingandlowefficiency.Furthermoreproblemslikearrears,draggingonwaterfeesetc.alwaysappear.Inordertosolvetheseproblems,thispaperdesignsanintelligentICcardwatermetercontrolsystembasedonthesingle-chipcomputer.Thecoreofthesystemisasingle-chipmicrocomputerAT89C2051,thewiegandsensorisusedtomeasurewaterconsumption,themanagementsofwaterpurchasingandconsumptionarerealizedbyICcard’swriting,readingandencryptiontechnology.
Thispaperhasfinishedthesystematichardwarecircuitsdesignandsoftwaredesign.Hardwarecircuitadoptsmoduledesign,includingwaterflowmeasuringcircuit,ICcardinterfacecircuit,electromagneticvalveurgecircuit,warningcircuit,LEDdisplaycircuit,etc.Theworkingprinciplesofeverymoduleareanalyzedindetails.Thesoftwareofthesystemisfinishedinassemblerlanguage,theflowchartsareprovided.
Thesystemhasmanyfunctionssuchassupplyingorcuttingoffwaterautomatically,intelligentrecognitionofICcardanduser’sidentityverifying,power-failprotection,LEDdisplay,intelligentswitchcontrolofelectromagnetismvalveetc.Italsocanpreventthesystemfromdisturbanceanddisassembling.
Keywords：
Single-chipcomputer；Wiegandsensor；ICcard；Intelligentwatermeter；
lowpowerconsumption
第1章绪论
本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。
对当前水资源形势、传统水表和IC卡智能水表的特点及其水表的未来发展趋势作了概况。
另外，简要说明了本文所做的工作。
1.1本研究课题的背景及意义
环境与发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题，保护环境是全人类的共同任务。
水资源作为生态环境中的重要资源，是人类生活的生产中不可取代的资源，对一个国家的生存和发展也是极为重要的。
水资源是一切生命的源泉，是人类不可缺少的物质条件，没有水人类就不能生存，没有水人类赖以自下而上的物质生产就不能发展。
目前，我国的水资源问题十分严峻。
在我国600多个城市中，目前有400多个城市供水不足，其中严重缺水的城市有110个，城市年缺水总量达60亿立方米。
根据世界银行的数据，我国人均水资源占有量只有2200立方米，这个数字仅相当于世界人均水资源占有量的四分之一。
专家预测，当我国人口增至16亿时，人均水资源将下降到1750立方米，接近国际公认的水资源紧张标准。
从长远来看，搞好水资源的管理具有重大而深远的意义。
自来水事业作为用水资源的重要组成部分，它关系到人民生产和生活的各个方面。
由于历史的原因，我国大部分城市居民使用自来水，都是在区域性水站供水基础上，逐步发展成为以单位住宅区或以楼栋、单元为一户由自来水公司抄表收费的。
目前，这种经营方式已越来越不适应社会主义市场经济发展的要求，成为人民物资生活迅速提高和供水企业落后的经营方式之间产生的主要矛盾。
长期以来，我国自来水用户的用水量依靠人工抄表，然后由收费员到各家收费或令各用户去银行（或其他指定地点）交费。
这种传统收取水费的做法需要的工作人员多，费时费力，效率低，常常遇到用户欠缴、迟缴或漏缴水费等问题。
为适应国家对用水制度的改革，研究和利用现代化智能技术对自来水实行自动监控，减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少每月抄表收费带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，用现代化科学技术手段改变自来水供水管理体制的落后现状势在必行。
随着社会经济的发展和人们生活水平的日益提高，智能化电子产品已逐步深入家庭，我们提出了IC卡智能水表的方案。
IC卡智能水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。
这与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是一个很大的进步。
IC卡智能水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制，同时可以进行用水数据存储的功能。
由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门操表收费到用户自己去营业所交费的转变。
IC卡交易系统还具有交易方便，计算准确，可利用银行进行结算的特点。
IC卡智能水表及其管理系统的出现，将从根本上解决了已上问题。
采用IC卡智能水表进行交易结算，不但实现了用水收费的电子化，而且还改变了先用水后收费的不合理状况，使的供水部门能预先收取部分费用，有利于公用事业的发展。
IC卡智能水表具有成本低、可靠性高、使用寿命长及安全性好等优点，可提高居民用水收费的管理水平，确保供水部门能及时收取水费。
因此，IC卡智能水表成为相关科研单位关注的重点，具有很好的经济效益与社会效益[1][2]。
1.2本研究课题的发展趋势
随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化将是一个必然的发展方向。
这不仅是中国的一种趋势，也将成为世界性的趋势。
而在近十年里，单体式智能IC卡类仪表又将会是发展主流。
从理论上说，网络式智能仪表系统应当是更好的一种计量管理模式，并且是最终发展方向。
但是目前，由于网络式智能仪表系统的建立条件不成熟，且没有相关系统相配合，所以，单独在一个部门大规模推动建立网络式智能仪表系统的优点显现不出来。
而且，仅仅为了提取用水信息就要构建一个信息网络，从经济角度讲也不合算。
建立网络式智能仪表信息系统的理想模式应当是，由公共网络部门建立起社会化的网络系统，而要使用这个网络的具体部门只要向其进行申请，将自己行业的智能计量终端挂接上去就可以了。
同时，这种网络式智能仪表管理系统又与个人金融网络系统结合使用。
这种网络系统，应当才是好的和有效率的网络系统。
显然，整个社会现在正在努力推进着网络化的工作，在可以预见的时间里，这种把千家万户连接起来的网络系统就会逐步形成。
所以，既然整个社会正在进行着这种工作，那么，每个部门为了自己行业的一种特别目的去建立自己单独的网络，显然将与这种可以面向社会提供各种接入服务的网络系统相冲突，并且根本不可能有经济优势，既然这样，现在进行的小行业小区域组网工作就是一种浪费，而且对解决供水部门的管理问题并没有什么根本性的帮助。
那么，现在普遍采用的单体式智能仪表模式与将来的网络化管理模式是否会发生冲突呢，我的看法是不会，相反，还会促进网络化管理模式的形成。
因为，单体式智能仪表模式与将来的网络模式并不矛盾。
因为不管什么网络模式，最终必须要有智能终端与其进行联结。
现在采用的单体式智能仪表将来就可以作为网络管理系统的智能仪表终端。
所以，它们不是一种冲突关系，而是一种相承关系。
如果现在就能充分意识到这一点，并寻找合理的技术方案，在将来实现网络化时就会占有主动的地位。
根据以上的分析，我认为，现在采用的单体式智能仪表发展模式是合理的，是适合现时需求并具有主流特征的。
当然，在密集度较高的建筑群里采用的一线四表控制系统也是值得推广和具有合理发展前景的。
为了推动IC卡智能水表的发展，全国有许多研究机构投入力量对IC卡类智能产品进行了开发研究，很多自来水公司也积极参与了此项开发工作并成功的开发出了自己的产品。
从理论角度看，IC卡智能水表已经进入了成熟期。
但是，为什么现在IC卡智能水表的推动工作还很困难呢？
这不难理解。
因为从实际情况看，现在的IC卡智能水表确实还存在着许多影响其大规模推广使用的问题。
这些问题集中起来主要是1.价格太高；2.质量不可靠；3.存在安全隐患。
随着科学技术的不断发展，IC卡智能水表将会不断发展完善。
比如，现在这种在老式水表上取信号的模式，将会由先进的水流量信号提取装置代替，机械计量和机械显示部分会被淘汰，而表和阀将会集中在一体等等。
总的说来，IC卡智能水表是一种先进的计量仪表，对这种先进仪表的大规模推广使用将会有力促进中国供用水管理的现代化进程。
中国在这个方面的超前发展会使这种计量模式得到优先完善，并有可能成为中国的一个有竞争力的产品出口到其它国家[2][3]。
1.3本文的工作
详细分析课题任务，对IC卡智能水表的发展现状进行分析，并对现代传感器技术、IC卡技术和智能水表控制的原理进行了深入的研究，并将其综合。
然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件结构及其原理图和相关软件程序，并进行访真调试。
下面对本设计的主要研究工作做个简述。
1.根据设计要求，提出几种方案，对它们进行了全面的论证；
2.根据系统需要，合理选择微处理器，并且详细地阐述了它的基本功能特性；
3.介绍了相关现代传感技术，选择出信号采集的最佳方案；
4.根据低功耗要求，对电磁阀的选择与设计进行了深入的研究；
5.详细分析了E2PROM的工作原理；
6.对IC卡技术做了简明扼要的分析，并对其软件的读写原理进行了详细的讨论；
7.应用LED显示技术，可随时查询累计用水总量、可用水量；
8.改进了普遍应用电源方案，详细地介绍了超级电容技术及其在本设计中的应用；
9.对整个系统的软、硬件进行了深入的分析，并且绘制了相关硬件电路图、软件流程图，还编写了相关软件程序。
第2章设计思想与方案论证
本章对智能水表的设计思想做了详细的介绍，并在设计思想的基础上提出了三种智能水表的设计方案，还针对它们各自的工作原理和优缺点进行了简要分析。
最终确定为采用基于AT89C2051单片机的IC卡智能水表方案。
2.1设计思想
智能水表区别于传统的人工抄表就是应该具有一定的智能控制功能。
针对目前供水部门与用户的实际情况，本设计对智能水表应该具有的功能提出了以下设计思想：
1.统计功能：
当用户插入有效卡时，将购买水量与剩余水量自动相加，并且存入E2PROM以防丢失；当用户用水时，将剩余水量与用水量 自动相减，并且存入E2PROM以防丢失。
2.自动供停水功能：
当剩余水量为0时，自动关闭阀门；购水后，阀门开启。
3.显示功能：
采用6位LED显示，可随时查询累计用水总量及可用剩余水量。
4.报警功能：
当剩余水量减少到一定量时，报警提示用户购水。
5.掉电自动保护数据功能：
掉电后，数据依然可以被保存。
当恢复供电后，数据自动恢复。
6.一户一卡的功能：
通过设立用户信息和用户校验码的方式实现一户一卡。
即一个水表只能使用一个用户专用卡，插入其他卡片无效。
7.欠电自动关闭系统的功能：
当电池电压或电池容量掉到规定数值后，意味着电池可能已经快没有电了，此时，水表应会自动将阀门关闭并使系统处于休眠状态，并报警提示。
8.防拆卸功能：
在表体和接头管件上设置铅封口并可进行防伪铅封处理，以防止随意拆卸水表的行为。
即使被拆卸后，单片机立即关闭阀门，以防偷水。
2.2方案比较
针对上述设计思想，提出了三种智能水表的设计方案。
下面对它们的工作原理及其优缺点进行了简要地分析。
1.方案一：
脉冲发讯集中抄收式智能水表系统
工作原理：
由表具不断发出脉冲信号，经采集器对脉冲信号进行采集、累加、存储和数据上传。
优点：
发讯式集抄系统目前在国内已普遍采推广应用方便,价格较低，只要生产厂商、系统集商严格把好每一环节的质量关，且发讯不随时间产生疲劳损伤，此系统不失为一种可供选择的、适于一定历史时期的过渡产品。
缺点：
（1）初始化及维护工作量大；
（2）磁铁强磁场干扰；（3）电能耗费。
2.方案二：
基于CAN总线的智能水表自动抄收系统
工作原理：
自动抄收系统主要由小区管理中心计算机（主控机）、水表数据采集器、采集服务器、中继站等几个部分组成，是一种智能化多用户能耗集中自动抄收系统。
其原理是将原能耗计量表的流量转换为脉冲信号，经信号传输线至系统总线，由接口电路通过有线传输或主机直接抄读，最后经微机管理，实现耗能数据的自动处理。
优点：
CAN现场总线的方式来传送数据，以克服市场已有传送方式所存在的不足之处，其传送方式可实现10公里范围的小区抄收工作，同时性能比同类系统稳定可靠。
采用点对点、一点对多点、全局广播等几种方式，数据收发灵活，可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，便于实现设备异常主动报警。
节点故障自动关闭，不影响网络性能，提高了系统的稳定性，且不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，方便了系统的调试和维护。
缺点：
前期经济投入太多，需要大量的专业网络维护人员，维护工作量大。
设计过于复杂，太难，且不容易实现[4]。
3.方案三：
基于89C2051单片机的IC卡智能水表系统
工作原理：
以接触IC卡或非接触射频卡作为媒介，将各种信息输入表中控制系统来自动开关阀门（供水或停水），由用户到自来水公司网点先预购买水量，再将用水量通过IC卡输入表中控制系统，等水量用尽即自动关阀并中断水的供应，报警器在设定水量用完之前会自动报警以提醒用户购水，达到“先买水、后用水”的目的。
优点：
在用户不缴费的情况下可自动断水，有效控制收费单位的资金回笼，不需要人工上门抄表、收费，减少抄表员。
缺点：
（1）电磁阀在长期开启状态下由于水垢和水中杂质而影响阀门关闭，使用户在不缴费的情况下继续用水，而收费单位还一无所知，一旦发现也无法向用户追缴多用水费；
（2）IC卡表也是由发讯脉冲进行累加计量，如果人为强磁干扰或强电瞬间电击，也会造成芯片损坏，从而无法计量；（3）锂电池在长期使用中是否能达到设计年限还有待考证，到期后由谁负责更换是个问题。
随着微电子技术、现代传感器技术的快速发展，以上该方案的缺点我们通过可行的具体方案基本可以解决了。
该方案所设计的IC卡智能水表主要由开关阀门控制模块、流量采样模块、微处理器、电源模块、IC卡读写模块、数据存储器模块、显示模块等组成[2]。
2.3方案选择
从投入成本来看，方案二需要建立一整套的网络系统，所需设备多，前期所需经济投入最大，方案一次之，方案三最低。
从设计的难易程度来看，方案三融合了微电子技术、现代传感器技术、IC卡技术等，这些技术都已经相当成熟，最容易实现，方案二最难，方案一次之。
从维护成本来看，方案二是由一个专用的网络系统组建而成，需要专业的网络技术维护人员，它的维护成本最高，方案一次之，方案三最低。
从长期效益来看，随着技术的成熟，社会各行各业网络化进程的加速，方案二必定是今后的发展趋势，它所达到的效益最佳，方案三次之，方案一最差。
综合考虑以上三种方案，根据现在的各种实际情况、现有技术水平和设计要求，我们选择了第三种方案基于89C2051单片机的IC卡智能水表系统来进行设计。
第3章IC卡智能水表的硬件设计
本章是本文的核心内容，主要介绍的是系统硬件部分的设计。
我们采用了模块化的设计方法，针对系统的工作原理和各个硬件模块的原理和电路进行了具体的介绍。
还对各种器件的选择（如微处理器、传感器等）做了详细的分析。
3.1主系统的构成
根据设计要求，所要设计的系统除了解决最基本的正常供水还应具有一定的智能功能。
主系统的框架图如图3.1所示。
由图中可以看出，系统由这样一些功能模块组成：
微处理器、流量传感器、信号处理模块、IC卡接口电路、E2PROM数据存储电路、显示电路、报警电路、电源模块、电磁阀驱动电路以及其他辅助电路。
所有模块的设计均考虑了低功耗的要求，本系统采用外接3节5号电池供电，内部采用超级电容作为备用。
系统时钟采用外接晶振方式，约为6MHz。
图3.1主系统框图
IC卡智能水表工作原理：
首先由用户购买IC卡（即用户卡），并携IC卡至收费工作站交费购水，工作人员将购买水量等信息写入卡中。
用户将卡插入IC卡水表，卡表内单片机识别IC卡密码并确认无误后，将卡中购买水量与表内剩余水量相加后，写入卡表内存储器，同时必须将IC卡内购水值清零。
当用户用水时，由流量传感器采进来的信号以脉冲形式触发单片机的外部中断
，换醒单片机，进行用水处理。
用户在用水过程中，卡表内剩余水量相应减少。
当剩余水量低于一定量，如5m3，卡表报警提示用户购水。
当E2PROM中存储的水量用完时，单片机自动关闭电磁阀。
用户只有重新购水，才能使电磁阀打开。
此外，在发生人为故意破坏时，阀门也会关闭[2]。
3.2微处理器
微处理器是本设计中的核心器件。
我们一般都选用单片机来进行控制。
下面给出了对它的选型与功能介绍。
3.2.1单片机的选型
单片机的选型从以下几个方面考虑：
1.单片机的系统适应性
适应性指单片机能否完成应用系统的控制功能，它主要从以下几个方面体现。
（1）单片机的CPU是否有合适的处理能力。
（2）单片机是否有系统所需要的I/O端口数。
（3）单片机是否含有系统所需的中断源和定时器。
（4）单片机片内是否有系统所需的外接口。
（5）单片机的极限性能是否能够满足要求。
2.单片机的市场供应情况
3.单片机的可开发性
本设计系统至少需要14个I/O端口数，其中需要2个外部中断源，一个全双工串行通信口，需要2K字节可重擦写程序存储器。
结合上述选型依据，虽然其通用的80C51系列的单片机具有电源电压适应范围宽、抗干扰能力和驱动能力强、价格便宜等特点。
然而对本设计来说，根据其系统所要应用的需要：
主要是其应用的引脚、应用所需要的容量以及在制作过程中所要考虑的体积、价格及供应等因素。
显然AT89C2051单片满足I/O端口数、所需要的容量等要求。
AT89C2051单片机与80C51单片机相比具有体积小、价格低等优点。
同时AT89C2051单片机和80C51单片机是完全兼容的，它与80C51的显著区别在于它内部有一个闪存。
另外考虑到在调试过程中实验器材的现实情况，本设计系统将
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