发布时间 : 星期三 文章基于单片机的IC卡智能水表控制系统设计附程序+图更新完毕开始阅读6dd0da7804a1b0717fd5ddc6
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。
电磁阀进水流量传感器供给用户信号处理模块IC卡接口电路驱动电路微处理器片外EEPROM显示/报警电路电源模块 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INT0，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，本设计系统将选用AT89C2051单片机作为
23 主控芯片。 3.2.2 单片机AT89C2051简介 AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（Flash）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储的技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。 功能特性概述： AT89C2051提供以下标准功能：2K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051克将至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 图3.2是AT89C2051的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方行封装方式。 U1112345678910VPP/RstP3.0/RxDP3.1/TxDXTAL1XTAL2P3.2P3.3P3.4P3.5GNDAT89C2051VCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.7201918171615141312113.2.3 晶振与复位电路的设计 图3.2 AT89C2051的引脚图 单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片处通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。 振荡器的工作频率一般在1.2～12MHz之间，当然在一般情况下频率越快越好。可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性。一般采用石英晶振作定时控制元件；在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振；有时也可以引入外部时脉信号。 C1、C2虽然没有严格要求，但电容的大小影响振荡器的振荡的稳定性和起振的快速性。在设计电路板时，晶振，电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。 在本设计中，我们采用的外接晶振频率约6MHz，因此机器周期约2μs。 RESET引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。如使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4μs才能完成复位操作。产生复位信号的电路图如下所示[5]。 VCCVCCC210uFS3SW-PBC4R151KR168.2KY16MHzC3GNDXTAL230pFXTAL1RESET30pFAT89C2051 图3.3 复位电路和时钟电路 3.3 传感器的选择 转化基于传统水表流量检测原理，在本设计中采用将传统的机械转动计量方式转化为电脉冲信号的方案。因此，需要找到一种可以将机械位移为电脉冲信号的传感器。 3.3.1 霍尔接近开关传感器 TitleSize集成式霍尔开关传感器是基于霍尔效应原理，当霍尔效应片垂直于磁场时，对霍尔Number效应片施加控制电流时，在垂直于电流和磁场方向上就产生电动势，称之为霍尔电动势。Date:File:23由霍尔片和处理电路构成了集成化霍尔开关传感器，其基本原理是将由霍尔效应片所产A418-May-2C:\\Docum生的电动势由内部差分放大器进行放大，然后被送往施密特触发器。当外加磁场的强度小于霍尔开关的磁场工作强度时，差分放大器的输出电压不足以开启施密特触发器，霍尔开关处于关闭状态。当外加磁场的强度大于霍尔开关的磁场工作强度时，差分放大器的输出电压达到或大于施密特触发器的开启电压阈值，霍尔开关处于开启状态。 集成式霍尔开关传感器的主要优点是：可靠性强、抗干扰性能好、温度特性优良、电源电压范围宽、输出电流能力强、兼容性好、能与CMOS集成电路直接接口，动作