基于AT89S52控制的非接觸式智能水表的設計①

江靜 張雪松

(1.華北科技學院機電工程學院，北京東燕郊 101601;2.東北電子技術研究所光電信息安全控制試驗室，河北三河 065201)

基于AT89S52控制的非接觸式智能水表的設計①

江靜1②張雪松2

(1.華北科技學院機電工程學院，北京東燕郊 101601;2.東北電子技術研究所光電信息安全控制試驗室，河北三河 065201)

以基于射頻IC卡的智能水表系統為研究對象，探討了基于AT89S52低功耗單片機在智能水表上的應用。首先提出預付費智能水表系統的設計方案;其次對系統硬件電路結構進行了設計;再次介紹了系統軟件設計原則以及控制流程。實際測試證明，該智能水表系統具有可靠性強、功耗低、精度高等特點，達到了預期的設計目標。

預付費智能水表;射頻IC卡;低功耗單片機;

0 引言

長期以來，我國城鎮居民都是先用水后交費，采用人工抄表、按戶收費的方式。但是該方式存在著工作量大，收費周期長，收費困難，效率低下等缺點［1］。開發智能化水表系統，從根本上改變用戶先用水后交費的現狀，成為供水機構著力需要解決的問題。

射頻IC卡智能水表是一款具有預付費功能的計量裝置［2］，它是以干式水表為基表，加裝高可靠性自動控制裝置組成。該智能表能夠按用戶預付費購得的水量，自動開閥供水，剩余水量到報警值或為零時，自動關閥中斷供水，LCD顯示屏可顯示表的各種狀態字，提醒用戶進行購水或更換電池等操作［3］，適用于城市居民自來水的計量和收費，避免了偷水、漏水、冒水事件的發生，通過電子計費達到了節水和科學管理的目的同時改變了傳統的城市供水管理方式。

1 系統方案設計

射頻卡智能水表的工作原理是，在普通轉盤計數的水表中加裝干簧管和永磁鐵，在信號端產生兩個計量脈沖［4］。當接收到有效計量脈沖時，單片機由休眠模式轉為工作模式，由微處理器執行相應的計費程序。水表內預先存儲階梯水價及相關用水參數，智能水表能根據當月用水量實時地核算出水表內的剩余金額。

采用ATMEL公司的AT89S52低功耗，高性能CMOS 8位單片機作為控制單元［5］。對水表而言，閥門是被控對象，控制著進水的開/關狀態，本設計中采用球閥，低功耗、耐高溫、壓力損失小，并且球閥易維護。為了有效防止各種可能的干擾抖動而產生的多計數現象，本設計中采用雙干簧管傳感器作為流量傳感器，實現流量的計量。采用射頻讀寫芯片MF RC500作為輸入接口，當IC卡貼近感應區時，通過讀卡芯片讀入所購水量并和水表內剩余水量累加，同時將卡上購水量單元清零，總用水量實時累計，并寫入射頻卡水表內存儲器。采用OCMJ4X8A液晶顯示器作為智能水表的輸出接口，顯示費用、剩余水量、電池狀態及開關狀態等信息。

2 硬件電路

基于射頻IC卡智能水表硬件部分主要包括微處理器、升壓電路、電源檢測電路、脈沖采集電路、閥門控制電路、射頻IC卡讀/寫電路、數據存儲器電路、液晶顯示電路、泄漏檢測電路及聲音報警電路等。具體分析微處理器、升壓電路、電源檢測電路、流量傳感器的選型、射頻IC卡讀/寫電路以及液晶顯示電路。

2.1 微處理器部分

智能水表是一個小型的電池供電系統，CPU的選型應著重從低電壓、低功耗、高帶載能力考慮。選用低功耗、高性能的CMOS 8位單片機AT89S52。片內含8k Flash只讀程序存儲器，兼容標準MCS－51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器。微處理器部分如圖1所示。

圖1 單片機AT89S52

2.2 鋰電池升壓電路

本設計采用鋰電池供電，一節鋰電池電壓只有3.6V，而單片機工作電壓是5V，因此需要升壓電路來實現5V的電壓。需要采用MAX756轉換芯片來實現。電路如圖2所示，為了提高輸入電壓和輸出電壓的質量，分別在其輸入點和輸出點設置電容濾波器，在本電路中，輸入端采用C23(150uF)電容濾波，輸出端采用C24 (10uF)電容濾波。L3與C23組成LC濾波電路，如果把伴有許多干擾信號的直流電通過LC濾波電路，交流干擾信號將被電容變成磁感和熱能消耗掉。

圖2 鋰電池升壓電路

2.3 電源檢測電路

本系統采用鋰電池作為供電電源，使用一段時間后，電池電量會減少，為了保證整個系統，特別是閥門的正常工作，需要對電源進行實時檢測。當電能不能滿足系統要求時，及時報警提醒用戶更換電池。具體地講，應該在系統掉電到一個門限電壓時，通過相應的電壓檢測電路把信號傳遞給CPU，及時對系統進行軟件復位。采用低電壓檢測芯片HT7033進行電壓檢測，電源檢測電路如圖3所示。當電壓正常時，芯片的VOUT腳為高電平;當電源電壓小于3.3V時，HT7033的VOUT腳輸出低電平，單片機檢測到該信號后，徹底關閥并且報警，直到用戶更換完電池。

圖3 電源檢測電路

2.4 流量傳感器的選型

目前，普遍采用的磁敏元件有干簧管和霍爾元件兩種［6］。干簧管因其靜態時的零功耗性能在電池供電的微功耗智能水表中占有明顯的優勢，而優質干簧管100萬次以上的工作壽命也完全能滿足水表的使用周期。

在實際生活中，我們經常會遇見這樣的情況：當自來水管中進入一定量的空氣后，打開籠頭用水，水管會瞬間不停震動，如果此時磁鋼與干簧管的位置剛好處于臨界狀態，就會不停地將脈沖信號發給CPU，使CPU無法正確計數。然而，雙干簧管雙脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機計數，當兩個脈沖輸入端依次有脈沖輸入的時候才產生一個有效脈沖計數，兩個脈沖有互鎖功能，P2.6和P2.7作為脈沖輸入端。當兩個輸入端依次有脈沖輸入時，定時器T1產生中斷，從而對脈沖信號進行計數，進而實現水流量的計量。也就是說單一的一個干簧管即使多次閉合也無效，從而有效地解決了臨界點顫動而誤發信號的問題。同時，這種設計還可以有效防止人為附加磁鐵而造成的計數不準，因為當單片機檢測到兩管同時閉合時，便認為有外磁干擾，停止計數并同時報警，如圖4所示：

圖4 雙干簧管傳感器

2.5 射頻卡讀寫電路

讀寫模塊的硬件設計中關鍵有兩個部分。一是單片機與MF RC500芯片的連接，這是實現單片機控制MF RC500正常工作的硬件基礎。二是讀寫模塊的天線部分的設計及其與射頻讀寫芯片的連接，這部分的性能將直接決定射頻讀寫操作能否正常進行。

讀寫電路主要是由AT89S52對MF RC500進行控制與通信，MF RC500驅動外圍電路對Mifare1卡進行讀寫操作。讀卡時，卡片內有一個LC串聯諧振電路，其頻率與讀寫電路的發射頻率相同，這樣在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容充電有了電荷。當電容器充電達到2V時，此電容就作為電源為卡片上的其他電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接收讀寫器發來的數據與保存，如圖5所示。

圖5 讀寫電路基站部分

2.6 顯示電路

顯示電路作為水表的輸出接口，顯示費用、剩余水量、電池狀態及開關狀態等信息。本設計中顯示模塊采用OCMJ4X8A液晶顯示屏，可以方便地顯示漢字及圖形;可一次顯示系統所有狀態信息;電路結構簡單，便于控制，功耗低。在水表蓋上安裝一個行程開關，當關上水表蓋時，撞擊行程開關，使開關斷開，關閉LCD電源，不顯示數據;當打開水表蓋時，松開行程開關，LCD電源接通，正常顯示數據，液晶顯示電路如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路

3 軟件設計

主程序主要用于控制水量多少及關閥判斷，平時處于睡眠狀態。單片機上電復位后主程序采用順序執行的方法，逐個掃描各個自定義標志位，檢查是否有動作發生，若有發生則轉入相應子程序處理，處理完后回到主程序，繼續掃描其后的標志位，最后進入低功耗狀態，等待下一次中斷喚醒，喚醒后同樣循環一遍，又進入低功耗狀態。

主要軟件模塊包括：射頻卡讀寫模塊，漏水檢測模塊，脈沖計量模塊，低電壓檢測模塊等，如圖7所示。上電后首先對系統進行初始化。初始化包括對內部存儲器單元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶顯示的設置等。接著進入主循環，判斷故障、電源電壓是否正常等，若一切正常則開閥供水。無論在什么情況下只要有低電壓信號出現，系統就提示欠壓，蜂鳴器報警，液晶顯示，提示用戶更換電池。當剩余水量低于設定值時，系統液晶顯示提醒用戶“請購水”，如果用戶沒有及時購水重新插卡充值，當剩余水量為負時，系統控制閥門關閉，停止供水。

當表內剩余水量＜N元時(N的取值取決于當地的平均水價與預留水量1噸的乘積)，表內蜂鳴器發出提示音，以提醒用戶水量剩余不多，請速購水。表內剩余量為0時，切斷閥門，停止供水，從而完成用水必須先交費的方式。射頻卡中斷程序在射頻卡貼近感應區時，讀取卡中數據，執行購水量的累加，并打開閥門恢復供水。主程序在被喚醒后，執行一次程序后進入睡眠狀態。

圖7 主流程圖

4 結論

本文主要工作完成了射頻IC卡智能水表的設計，以智能水表為研究對象，首先對預付費IC卡水表進行了系統的研究;然后以低功耗微處理器AT89S52為核心，采用無線射頻(RFID)技術，實現了非接觸式IC卡智能水表的設計。由于水表采用電池供電，因此重點進行了系統的低功耗研究和設計，在論證確定系統整體方案后，從電路硬件和軟件兩方面入手，對系統進行整體設計。

［1］姚存治.智能水表及集中抄表的現狀和發展趨勢［J］.中國科技博覽，2009，(18)：103－104

［2］游戰清，李蘇劍.無線射頻識別技術(RFID)理論與應用［M］.北京：電子工業出版社，2004

［3］王愛英.智能卡技術－IC卡［M］.北京：清華大學出版社，2000

［4］劉錚.非接觸式射頻IC卡技術應用與研究［D］.湖南大學碩士學位論文，2002

［5］王幸之.AT89系統單片機原理與接口技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004

［6］韓樹屏，李烜.智能水表的應用現狀及前景展望［J］.機械制造與自動化，2008，(4)：88－90

Design of contactless intelligent water meter based on AT89S52

JIANG Jing1，ZHANG Xuesong2

(1.Department of Mechanics and Electricity Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601;2.Electro－optical Information Security Control Laboratory，Northeast Institute of Electronics Technology，Sanhe Hebei065201)

The system of intelligent water meter based on radio frequency IC card was studied.Low－power single－chip microcontroller AT89S52 in the application of intelligent water meter was discussed.This paper proposes the program about prepayment intelligent water meter;the structure of hardware circuit is designed and the principles of software design and system control main flow are introduced.The test proved that intelligent water meter has high reliability，low power consumption and high precision，so as to achieve the expected aims.

prepayment intelligent water meter;radio frequency IC card;low－power single－chip microcontroller

TP271+.5

A

1672－7169(2012)01－0078－04

2012－01－06。基金項目：中央高校基本科研業務費資助(JD1201B)。

江靜(1979－)，女，江蘇連云港人，碩士，中國礦業大學博士研究生，華北科技學院機電工程學院講師，研究方向：為控制理論與控制工程。