发布时间 : 星期四 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
电源，以保证掉电后的一系列正常动作[14]。
3.9.2 超级电容的应用
传统的智能水表在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池
的优点是重量轻、能量大、自放电率低等。虽然如此，由于智能水表都没有设计再充电电路，锂电池使用到一定时间后，将无法为控制电路提供能量，不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表，这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事情。更危险的是，电池电量不足的情况出现是随机的，如果不精确和及时的监测电池电量，将无法可靠地关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接影响到它的推广和使用。针对这一问题，水表生产厂家设计了很多方案，如：尽量降低功耗，在静态时控制漏电流在10μA以内，保证电池可以连续使用5年以上，这对电路的设计和元器件的选型提出了更高的要求，增加了设计难度和成品检测的工序，如加上可靠的电池电量监测电路，也会使成本增加。 为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题，已有不少厂家尝试了一种全新的方案，那就是用超级电容（Super-Capacitor）代替锂电池应用于智能水表。超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，性能介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源，见图3.17
图3.17 超级电容
D以美国库柏（Cooper）超级电容为例，与锂离子电池进行比较，有如下一些明显特性：
1. 超低串联等效电阻（ESR），功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）为水表控制电机阀或电磁阀的可靠开启提供了保障。 C 2. 超长寿命，充放电大于50万次，是锂离子电池的500倍，是镍氢和镍镉电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。 3. 可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应。 4. 免维护，可密封。 5. 温度范围宽-40～+70℃，普通电池是-20～60℃。 与内装锂电池的智能水表相比，这种方案是用超级电容替换锂电池封装在水表中，同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容的充电，在需要开启水阀时，由外接干电池提供能量将水阀开启；在需要关断水阀时，如果外接电池不能提供能量将水阀关断，那么超级电容将在此刻提供能量来关断水阀。如同一个储水箱，平时将水存储起来，在停水时才起作用。 R14200BT1BATTERYD2VCCBDIODEC10.22FLOADA 图3.18 超级电容的应用电路 1 2图3.18是应用示意图。正常情况下，电池通过电阻R14、二级管D1向负载和超级电容充电。电阻R14的作用是限制电流过大，因为超级电容内阻很小，充电时电流较大可能造成电池损坏。二级管D1防止反向电流。当电池电压过低，或突然断电时（如取下电池），由超级电容继续为电路提供电源，同时，超级电容存储的能量足以关断阀门。
这种方案明显优于以前的设计，优点如下：将电池从水表中分离出来，从而可以不考虑电池寿命对水表的影响，大大延长了水表的使用时间；另一方面，超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性，在外接干电池电量不足时，仍能利用存储在超级电容上的能量将水阀关断；以前一味追求的漏电流指标，主要是为了保障电池的使用寿
命，改用超级电容后，漏电流指标变得不再重要。如果电池电量不足，用户可以随时更换。这样，不仅使电路设计简化，减少产品的出厂检验工序，还使产品的成本降低[15]。 这种方案克服了现阶段智能水表的缺点，为智能水表的发展找到了一条新的途径。目前国内已有多家水表生产厂应用该方案，实践证明，它是切实可行的。所以本设计亦采用了这种方案。在本设计中，我们选用了深圳市索普康电子有限公司的超级电容，其型号为5R5H105、产品规格为3.3V0.22F。
3.10 检测模块的设计
检测模块主要对以下四种情况进行检测 (1) 水表被拆卸；(2) 电池欠压或取出电池；(3) 有按键按下；(4) 有IC卡插入。当有以上四种情况之一时，外部中断INT1（P3.5）产生中断。当产生中断后，中断程序马上依次检测P3.6口(F_KEY)、P3.2口(V_MONI)、P3.3口(OPEN_D)、P1.5口(SW_T)，如图3.19所示，以确认是哪种情况产生的中断后作出相应处理。该电路由一个电压检测器HT7039、两个与非门、一个或非门、一个常闭开关和一个常开开关组成。例如，当电池欠压或取出电池时，HT7039输出为低电平，U8输出为高电平，那么U9输出为低电平（即P3.5为低电平），产生中断。其他情况同理可
4得[11] [14]。 56VCC1U7U82S1SW SPSTVCCU9DT_F(P3.5)GNDoutNANDU10HT7033S2SW SPSTNANDNOR3SW_T（有IC卡插入）OPEN_D（调用显示）V_MONI（电池电压检测）F_KEY（防拆卸） 图3.19 检测模块电路 C
第4章 IC卡智能水表的软件设计
本软件我们用MCS-51汇编语言编制，采用了结构化，模块化的程序设计方法。它由主程序、外部中断0子程序、外部中断1子程序、IC卡与片外数据存储器的读写软件设计、显示子程序等模块组成。本章还给出了详细的流程图。具体程序见附录B。
4.1 主程序的设计
主程序主要完成系统的初始化，各种情况的判断如电压情况、按键是否按下、水量判断等，在适当情况下还要进行显示、关闭阀门等操作，平时处于睡眠状态。当表内剩余水量小于5 m3时，表内蜂鸣器发出提示报警，以提醒用户剩余水量不多，请速购水；当表内剩余水量为0 m3时，切断阀门，停止供水，直到新的水量被购来为止。从而达到用水必须预先交费的目的，省去了人工抄表收费环节。主程序的流程图如图4.1所示[16-18]。具体程序见附录B。
4.2 外部中断0子程序
外部中断0子程序也即水表脉冲计量程序，它只要是对用户水量进行处理。当用户在进行用水操作时，由流量传感器产生的脉冲信号使INT0进入中断响应程序。
根据机械水表的测量原理，水的流量与水表齿轮的转速可以近似成一定的线性关系。显然，水表齿轮所转的圈数与传感器产生的脉冲信号是一一对应的关系。根据这一原理，我们可确定流量的计算公式为：
Q?K?N (4.1)
在式(4.1)中，Q为流量，单位为m3 ；K为基表系数，单位为m3／r；N为转数，单位为r。在这里，由于K（基表系数）是一个常数。因此，Q与N是一一对应关系。我们采用了6位数据显示，其中只含有一位小数。当Q为0.1 m3时，由于K已知，N即可以求出。在本系统编程中，我们设定M为测得脉冲数，N为Q为0.1 m3时对应的转数值，“剩余水量-1,用水总量+1”中的“1”表示0.1 m3的水量[3]。其具体流程图如图4.2所示。具体程序见附录B。