基于PIC单片机的低功耗无磁IC卡水表设计
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智能家居 低压电器(2 0 0 8 N Q 1 0)现代建筑 电气篇 基于 P I C单片机的低功耗无磁 I C卡水表 设计 冰 武斌,忻龙彪(河北建筑工程学院,河北 张家口0 7 5 0 2 4)摘要:I c卡水表用于对流经管道的水量进行精确计量,具有智能数字显示功能,可实现对用水的预付费管理。重点介绍 了低功耗 I c卡水表的设计方法。该水表选用 P I C微处理器、P C F 8 5 6 3时钟 日历芯片、E P R O M及其他微功耗器件和电路来实现水量 的计量和控制,具有可靠性高和功耗低的特点。关键词:I c卡水表:P I C单片机;低功耗;无磁计量;智能水表;流量传感器 中图分 类号:T U 9 9 1 6 3文献标识 码:B文章编号:1 0 0 1 5 5 3 1(2 0 0 8)1 0-00 1 1-0 3 武 斌(1 9 6 6 一),男,副教授,研究方 向为测 控系 统、嵌 入式系统。De s i g n o f No n m a g n e t i c I C Ca r d W a t e r M e t e r wi t h Lo w Po we r Co ns umpt i o n Ba s e d o n PI C M i c r 0 c 0 n t r 0 Ue r 1 VU Bi n,XI N L o n g Bi a o (He b e i I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e C i v i l E n g i n e e r i n g,Z h a n g j i a k o u 0 7 5 0 2 4,C h i n a)Abs t r a c t:The I C c a r d wa t e r me t e r whi c h c a n r e a l i z e i n t e l l i g e nt a n d d i g i t a l d i s p l a y i s u s e d t o me a s ur e t he wa t e r c u r r e n t i n p i p e a nd ma na ge p r e pa y i n g o f wa t e r A d e s i g n o f I C wa t e r me t e r wi t h v e r y l o w po we r c o ns ump t i o n wa s i n t r o d u c e d T h i s d e s i g n a d o p t e d t h e a d v a n c e d P I C mi c r o p r o c e s s o r,P C F 8 5 6 3 c l o c k c a l e n d a r c h i p a n d E P RO M,o t h e r l i t t l e c o n s u mp t i o n c o mp o n e n t s a n d c i r c u i t s t o r e a l i z e t h e me a s u r e me n t a n d c o n t r o l o f wri t e r v o l u me,i t h a d h i g h r e l i a b i l i t y a n d v e r y l o w p o w e r c o n s u mp t i o n Ke y wo r ds:I C c ar d wa t e r m e t e r;PI C mi c r o c o nt r ol l e r;l ow p owe r c o ns umpt i o n;no nmag ne t i c m e a s-ur e m e nt;i nt e l l i g e nt wa t e r m e t e r;flux s e nor 0 引 言 1 I C卡智能水表 的功能 现代电子技术极大地提高了传统建筑装备的 技术水平,是构建智能建筑 的重要技术基 础。采 用先进 的 I c卡技术、微控制器技术、通信技术来 改型换代传统的水、暖、电、气等计量仪表,使计量 精度更高,能耗更低,实现设备智能化、网络化,符 合智能建筑设备技术 的发展方 向,同时提高 了相 关能源部门的管理效率。本文设计 的新型低功耗 I C卡水 表采用无磁 测量 机构,计量准确,抗外部 干扰能力强,保护 功 能完善,可靠性高,具有智能数字显示功能,可实 现对用水的预付费管理,具有广泛的应用前景。(1)可对购水量及水费进行累计,根据所购 水量,自动执行供 停水。(2)具有 自动报警功能。当用户用水量剩余 较少,电池不足时,水表发出声音报警信号,提醒 用户及时购水和更换 电池。(3)可随时查询累计用水量、本月用水量、可 用水量,并通过水表液 晶显示。(4)当用户插入用于购水的 I C卡时,水表 自 动将 日期、购水量、累计水量等信息保存至内部 E P R O M,这些数据被严格保护。(5)具有 自动保护 功能。内部装有 应急 电 忻龙彪(1 9 6 4 一),男,副教授,从事建筑智能化方面的研究工作。基金项目:河北省建设厅计划项目(2 0 0 5-2 1 2)维普资讯 http:/ 低压 电器(2 0 0 8 N o_ 1 0)现代建筑电气篇 智能家居 池,当电源电压失效或水表被擅 自拆卸时,当前用 水数据被保存,系统将 自动关 闭阀门,并记录时间,以备查验。此外具有手动关闭按钮,以便检修。(6)表号、卡号对应,防止盗用和丢失。2 涡流无磁测量原理 流量传感 器选择基 于模 拟水表 的旋翼式 结 构,叶轮的一半是无磁性不导 电 b区,另一半是 具有铁磁性金属的 a区。把两个相 同谐振回路 中 的电感置于对侧,由于铁磁物质的涡流作用,将使 其中一个 线 圈失谐,等效 电感减少,阻尼 电阻增 大,导致振荡 幅度 减少,两个线 圈的变化趋势相 反。通过两个测量谐振回路的不 同检波幅度的差 值放大,比较整形后可 以形成脉冲,实现对转动的 测量。图 1 所示为测量原理示意图。图 2所示为 双检波的幅度差值,经差值放大后比较、整形可以 形成稳定脉冲。检 测 振荡 检波 差放整形 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 防 拆 t-手 动 l 唤 醒l 事 件l 图 1 涡流无 磁测 量原理 图2 脉冲形成原理 3 硬件组成及功能 I c卡水表 的硬件系统主要包括微处理器、I c 卡接 口、液 晶显示器、流量检测器、电磁阀控制接 口及其他辅助电路,如图 3所示。l 一 L驱C动D 图3 I C卡水表硬件组成 3 1 单片机的选用 P I C 1 6 F 7 3 2 8是一个广泛用于工业仪表 的低 功耗 R S I C单片机,在 4 MH z主频 时工作 电流只 有 2 m A,在 3 2 k H z时工作电流只有 2 0 A,而待 机 电流只有 1 tx A,具有 4 K B的 R O M和 1 9 2 B y t e 的 R A M、2 2个 I O引脚,体积小,适合 I c卡水表 使用。P I C 1 6 F 7 3 2 8内置 3个 定 时器(T i m e r 0 T i m e r 2)、2个捕捉 :P WM模块和 1 个 同步串 行通信端 口,具有 5通道 8 b i t 精度 A D C,在 I c卡 水表设计中将这些功能关闭以降低功耗,用 软件 模拟配 置 3个 i 2 C接 口,分 别 用 于 读 卡、内部 E P R O M通信和 P C F 8 5 6 3通 信,模拟 了 1个三线 一1 2 一 阀门 驱动 串口与液 晶模块通信。P I C 1 6 F 7 3-2 8也提供 了 1 1 个 中断源,并 可 由软件来设置它们 的优先权,在 I c卡水表设计 中使用 了外部 及端 口 R B 4R B 7 的中断和唤醒功能,实现手动操作、查询、保护、报 警等功能。用 T I M1 异 步计数功能对用水量进行 统计。3 2 I C卡及卡座 I c卡采用美 国 A t m e l 公司的 A T 2 4 C X X系列 存储式 I c卡。它采 用 2 55 0 V低 电压供 电,具有 双线 串行接 口,可实现双 向数据传送,支 持 I S O I E C 7 8 1 6 3同步协议,写 擦除次数 1 0 0万 次,数据保存期 1 0 0 a。该系列 I c卡的输 出端 5 6 7 2 3 4 C 1 一一 一心 载 删 0 4 T R 一 一 I 翥 维普资讯 http:/ 智能家居 低压电器(2 0 0 8 N o 1 0)现代建筑 电气篇 符合 I S O I E C 7 8 1 6 2标准,是 目前 国内使用最 多 的 I C卡之一。3 3 时钟日历芯片 P C F 8 5 6 3是低功耗的可编程时钟日历芯片,休 眠电流只有 0 2 5 I x A,工作 电压范 围为 1 0 5 5 V,它通过 I C总线接 口与上位机通信,具有 1 个 中断输 出,可实时提供完整时间,并具有报警 功能。该设计 中使用 了 日报警功能,通过 中断唤 醒主机进行 日或月数据处理。3 4 液晶显示部件 设计中采用 了型号为 Z Y 8 8 6 B的液晶显示屏 和驱动模块 H T 1 6 2 1。驱动模块具有 串行数据接 口,易于控制。显示的数字从左 向右依次为 5位 整数位、1位小数点位、2位小数位。当插入 I C卡 后,显示模块将依次显示购买水量、剩余水量、累 计水量等。执行 L C D O F F命令用于关 闭 L C D偏 压发生器;执行 S Y S D I S命令 可以停止系统时钟,这时显示部分功耗降至最低。切断 电源可使 L C D功耗为 0。3 5板载 P R oM 2 4 WC 0 2是具有 I C总线接 口、2 5 6 B y t e 容量 的 E P R O M,用来存储一些有关水表参数 的数据。单 片机每次被唤醒后,首先要读取 E P R O M 中的 内容,然后对相应数据进行处理,对其 内容进行累 加记忆。该操作完 成后再将更 新 的数据存放 到 E P R O M中。E P R O M 中存 有 I C水 表 的重 要 数 据,包括 I C卡密码、水表表号、购水次数、上次购 水量、本次购水量、保留购水量、剩余水量、累计用 水量、过零水量、非法插卡次数、报警水量、限购水 量、水表底数等。3 6电源 及 阀门 水表的电源 主要采用高性 能锂锰 电池供 电。该设计有两路低压报警,目的是当电池电量不足 时提醒用户 及 时更换 电池。程 序采 用 了中断方 式。当内部 电源电压低于 4 6 V时,发 出第一次 低压报警信号,液晶慢闪提示用户及时更换电池 有关信息。当单片机电压低于4 0 V时发出第二 次低压报警信号,水表将关阀,并且液晶显示。此 外,该设计 中备有直流插 口,可由外部供 电。阀门 采用直流 3 2 6 5 V双稳态脉冲电磁阀,具有体 积小、功耗低、可靠性强等特点,适合低功耗水表 设计使用。4 系统低功耗设计 系统采用低功耗 的 P I C单片机,工作于低主 频 2 MH z,具有睡眠唤醒机制,单片机待机工作时 处于睡眠状态,外设在未被唤醒时处于掉 电状态,从而使系统功耗降到最低。同时采用耗电小的单 色液晶显示,显示液 晶屏及其驱动芯片只是在上 电复位、报警、查询操作时才显示信息,平时处于 关断状态。此外,单片机被唤醒瞬间,使得外设得 电,操作完成后 断电。单 片机得 电后将进入初始 化,然后进入休眠模式。当单片机被 中断唤醒时,首先判断是哪种 唤醒方式,之后进入相应服务程 序。单片机从掉 电状态中被唤醒有 4种方式:(1)I C卡唤醒。当插入 I C卡后,使 I C 1的引 脚 5、6接通,N 6导通,从而使单片机得 电后导通,进入读卡服务程序。(2)连通唤醒。当有水流通过,带动旋翼时,信号处理电路将产生脉冲,单片机处于睡眠状态,只通过 T I M1端实 现异 步计数,在 日唤醒或溢 出 时使单片机得电后工作,进入计量服务程序。(3)P C F 8 5 6 3的定时唤醒。时钟日历芯 片 P C F 8 5 6 3可对单片机进行定时 唤醒,在这里只设 日唤醒,即在每天的某时刻进行定时唤醒,处理水 量数据,读取 时间并判断是否为每个月的 1 号,目 的是便于对用户用水量等信息进行 日、月累计 的 记录,便于管理。(4)其他事件唤醒。如低电压唤醒、手动操 作、查询唤醒等,把此类信号同时加到 R B 1 R B 3,以便在中断时查询,执行相应服务程序。5 主程 序设计 单片机工作的主流程如 图4所示。E2 P ROM 的数据查询+M 数据处理、开 闭阀 f+蜂鸡器提示、开显示+待机 睡眠处理 图4 单片机工作主流程(下转第 4 1页)一1 3 维普资讯 http:/ 电气安全 低压电器(2 0 0 8 N o 1 0)现 代建筑电气篇(上接第 1 3页)6 结 语 本文设计的 I c卡水表 已经得到 了应用。实 践证明,该 I c卡水表设计合理、运行稳定、待机时 间长,采用该技术设计 的 I c卡热力表和 I c卡天 然气表也进入实用 阶段。I c卡表有助 于实现建 筑、水、暖、电、气等能源管理的智能一卡通。【参 考 文 献】1 李庆瑞,袁魏华,葛建峰基于 P I C 1 6 F 8 4单片机 的 I c卡智能水表的研制 J 微计算机信息,2 0 0 6 (6):4-6 2 王云平,邵定国,李朝东MS P 4 3 0单片机在新型智 能水表开发中的应用 J 计量技术,2 0 0 5(1 0):1 1 1 3 3 贾灵 基于 MS P 4 3 0 F W4 2 7的无磁水表设计 J 单 片机与嵌入式系统应用,2 0 0 6(5):8 4 8 6 4 王韧 I c卡智能水表的设计与实现 J 仪表技术,2 0 0 3(4):1 5 1 7 5 施威铭研究室 P I C单片机轻松入门 M 北京:清 华大学出版社,2 0 0 1 6 何信龙,李雪银 P I C 1 6 C 7 X入 门与应用范例 M 北京:清华大学出版社,2 0 0 2 7 林容益 P I C单片机进阶控制应用 M 北京:清华 大学 出版社,2 0 0 2 收 稿 日期:2 0 0 8 0 2 2 7 (上接第 3 2页)了以下措施:将舞 台灯光 回路 中性线截面增大为 相线的 2倍;剧场调光电源和剧场舞 台音响 电源 分别取 自不 同变压器;剧 院声控室远离舞台灯光 控制室;舞台照 明线路远 离电声、电视及 通信 线 路;配电线路穿金属管敷设;在低压配电柜采用带 有消除高次谐波 的无功补偿电容和消谐装置。3 结 语 中小型剧场 的配 电设 计不同于大型剧 院,电 气设计应从安全可靠、节能 的角度考虑,又要具有 一定 的经济实用性和灵活性,惟有这样才能充分 满足中小城市人民 日益高涨 的精神文化需求。【参 考 文 献】1 洪元颐,李宏毅 建筑工程电气设计(上)M 北 京:中国电力出版社,2 0 0 3 2 刘莹,石华 大型剧院用电负荷特性及配 电设计介 绍 J 建筑电气,2 0 0 7(7):1 8-2 1 收 稿 日期:2 0 0 7 1 2 1 4 维普资讯 http:/
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