基于单片机的IC卡智能化水表控制系统设计[附程序图].doc

. .摘 要第1章 绪 论1.1 本研究课题的背景与意义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3.3.3 Wiegand(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与其特点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3.7 IC卡与其接口电路的设计3.7.1 基于AT24C0X系列的IC卡3.7.2 IC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4.4 IC卡的读写软件设计4.4.1 SDA和SCL信号4.4.2 IC卡的写操作4.4.3 IC卡的读操作4.4.4 IC卡芯片的控制字节和器件寻址4.4.6 IC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与解决办法5.1 IC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5.3 IC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卡读写与加密技术，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AbstractFor a very long time, the management of used water of water user relies on man-made style, that need operators to arrive at users home to collect fees or users reach appointed place to hand in fees by themselves. This traditional style has lots of disadvantages such as needing many operators, time consuming and low efficiency.Further more problems like arrears, dragging on water fees etc. always appear. In order to solve these problems, this paperdesigns an intelligent IC card water meter control system based on the single-chip computer. The core of thesystem is asingle-chip microcomputer AT89C2051, the wiegand sensoris used to measure water consumption, the managements of water purchasing and consumption are realized by IC cards writing, reading and encryptiontechnology.This paper has finished the systematic hardware circuits design and software design. Hardware circuit adopts module design, including water flow measuring circuit, IC card interface circuit, electromagnetic valve urge circuit, warning circuit, LED display circuit,etc. The working principles of every module are analyzed in details. The software of the system is finished in assembler language, the flow charts are provided.The system has many functions such as supplying or cutting off water automatically, intelligent recognition of IC card and users identity verifying, power-fail protection, LED display, intelligent switch control of electromagnetism valve etc. It also can prevent the system from disturbance and disassembling.Keywords：Single-chip computer；Wiegand sensor；IC card；Intelligent water meter； low power consumption第1章 绪 论本章介绍了本研究课题的背景与意义，阐述了其发展状况。对当前水资源形势、传统水表和IC卡智能水表的特点与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 本研究课题的背景与意义环境与发展，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与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卡智能水表与其管理系统的出现，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、使用寿命长与安全性好等优点，可提高居民用水收费的管理水平，确保供水部门能与时收取水费。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23。 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与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与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与可用剩余水量。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与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) 初始化与维护工作量大；(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、电磁阀驱动电路以与其他辅助电路。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，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，卡表单片机识别IC卡密码并确认无误后，将卡中购买水量与表剩余水量相加后，写入卡表存储器，同时必须将IC卡购水值清零。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与在制作过程中所要考虑的体积、价格与供应等因素。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，置一个精密比较器，片振荡器与时钟电路。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，串行通信口与中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的容，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。图3.2 AT89C2051的引脚图3.2.3 晶振与复位电路的设计单片机部带有时钟电路，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1.212MHz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2s。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4s才能完成复位操作。产生复位信号的电路图如下所示5。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。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生的电动势由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，动作响应时间短以与体积小巧、寿命长和使用方便等。 但是，从对上述对霍尔开关传感器的原理描述中可以看出，霍尔开关传感器中必须对霍尔效应片输入控制电流、同时其部还有差分放大器等具有较大功耗的器件，典型的集成式霍尔开关传感器耗电为mA级，因此，霍尔开关传感器不适合应用在本低功耗设计中。3.3.2 光电检测传感器 当光照射在半导体材料的PN结上时PN结的两侧将产生光生电动势，如外部用导线连接，将有光电流流过，通常的光电检测传感器都是基于这一原理。 目前的光电检测传感器就是利用上述原理，以光电二极管为例，把发光二极管和光电二极管相对放置便组成了光电检测电路，当被检测物体通过二者之间时，由于光电二极管所接受的光的强度发生变化，其产生的光电动势也发生变化，将这种变化进行放大和处理，就能产生反映有无物体通过二者之间的电压脉冲信号。然而，由于在此结构中必须用到发光二极管（对于不需要发光二极管的光电检测传感器，功耗得到了降低，但是，其容易收到环境光线变化的影响，可靠性和检测精确度较低），因此，其功耗电也较高，不宜用在本低功耗设计中。3.3.3Wiegand(韦根)传感器1. Wiegand传感器组成Wiegand传感器由三部分组成：(1)Wiegand线；(2)检测线圈，将其缠绕在Wiegand线上，或放置在Wiegand线附近；(3)磁铁。常用结构示意如图3.4所示。图3.4 Wiegand传感器组成2. Wiegand传感器工作原理Wiegand线是由一根铁磁材料制成的永磁体，由外壳和芯组成，如图3.5所示。在强磁场的作用下，芯与外壳有一样的磁极性。将Wiegand线放在与线芯极性相反的外部弱磁场附近，能使线芯的极性发生改变，线放在与线芯极性相反的外部弱磁场附近，能使线芯的极性发生改变，而外壳的极性不变。随着外磁场强度的增加，外壳的极性也随之发生变化，这样置于Wiegand线附近的线圈就能检测出极性的转换，并产生电压脉冲输出。通常Wiegand线与检测线圈是装配在一起构成Wiegand组件。3. Wiegand传感器工作方式根据Wiegand线外部磁场引入的方式不同，Wiegand传感器有两种驱动方式：非对称驱动方式和对称驱动方式。非对称驱动方式开始把Wiegand组件置于一种称为渗透磁场的强磁场中，此时Wiegand线的外壳和芯按同一方向极化，如图3.6(a) 所示；再把组件置于一种称为复位磁场的弱磁场中，此时芯的极性反向,而外壳的极性不变，如图3.6(b) 所示；然后把组件置于渗透磁场中，Wiegand线芯与外壳的极性又恢复到图3.6(a)的情况，由于Wiegand线中磁场的变化，导致在检测线圈中一个周期产生单一方向的电压脉冲，如图3.6(c)所示。图3.6 非对称驱动方式在对称驱动方式中，采用两块磁场强度大小相等但极性相反的磁铁，一块磁铁首先将Wiegand线的外壳和芯按同一方向进行渗透，如图3.7(a)所示；再将Wiegand线切换到第二块磁铁，在这过程中，首先线芯的极性改变，如图3.7(b)所示；然后外壳的极性发生改变，这一作用在检测线圈中产生一个方向的电压脉冲输出，如图3.7(c) 所示；接着，再将Wiegand线转回到第一块磁铁，首先芯的极性改变为起始的极性，如图3.7(d) 所示；其次外壳的极性也随之改变为起始的极性，这一过程产生相反方向的电压脉冲输出如图3.7(e) 所示6。图3.7 对称驱动方式4.WG系列韦根传感器原理与其特点WG系列韦根传感器是利用韦根效应制成的一种新型磁敏传感器。其工作原理是传感器中磁性双稳态功能合金材料在外磁场的激励下，磁化方向瞬间发生翻转，从而在检测线圈中感生出电信号，实现磁电转换。它具有以下特点：(1) 传感器工作时无须使用外加电源，适用于微功耗仪表，如电子水表、电子气表和其它智能型仪表。(2) 使用双磁极交替触发工作方式，触发磁场极性变化一周，传感器输出一对正负双向脉冲电信号，信号周期为磁场交变周期。(3) 输出信号幅值与磁场的变化速度无关，可实现“零速”传感。(4) 无触点、耐腐蚀、防水，寿命长。(5) 利用线、同轴线可实现电信号远传。由于WG系列韦根传感器具有以上的众多的特点，特别是其几乎不需要外界能量的输入。因此，选择它作为本低功耗设计的传感器。在这里，我们选择了艾驰电子科技的WG系列韦根传感器产品，其型号为WG101。具体使用方法为：在水表的计量齿轮上安装小磁钢，当用户用水，齿轮转动，小磁钢将会转过Wiegand丝传感器，这时传感器产生一个高电平脉冲信号，经过整形、放大处理后输入至单片机进行计数计量。选择此传感器作输入信号测量的传感器，既满足了准确计量的基本要求，又满足了低功耗设计的需要，是本低功耗设计的重要组成部分。3.4 信号处理模块的设计 WG系列WG101韦根传感器所产生的正向脉冲信号一般为1V2V之间。为了保证系统能更加稳定的工作，必须对传感器所产生的脉冲信号进行放大、整形处理。我们采用下面的一个简单电路（如图3.8所示）可以很好的达到脉冲信号的放大、整形作用。经过处理后的电平信号，送单片机的外部中断（P3.2）进行计数处理。当计满N（N表示为设定的转数值），用水总量加1，剩余水量减1（“1”在本设计中代表0.1m3的水）。由于WG系列韦根传感器使用双磁极交替触发工作方式（即对称驱动方式），当水表叶轮转动一周，触发磁场极性变化一周，韦根传感器输出一对正负双向脉冲电信号。当韦根传感器输出为正向脉冲时，NPN管导通，脉冲检测信号W_IN输出为高电平；当韦根传感器输出为负向脉冲时，NPN管截止，脉冲检测信号W_IN输出为低电平。即水表叶轮转动一周，脉冲检测信号W_IN存在一个由高到低的跳变。由于我们设定外部中断（P3.2）为跳变触发方式，即电平发生由高到低的跳变时触发。因此，水表叶轮转动一周，外部中断产生一次中断5。图3.8 信号处理电路图3.5 电磁阀的选择与设计 对于水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开/关状态。目前可控制的阀门主要是电磁阀，但常规的电磁阀是靠电的通/断来控制阀门的开/关的，即要让阀门一直关着，就必须一直通电，因此耗电较大，不符合本水表低功耗的要求。因此，必须对现有电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门的开/关控制由电脉冲来实现。使得对阀门开/关只需瞬时供电，从而减少耗电量。在这里我们选择：执行机构采用继电器HRS2H-S-DC3V，驱动带自锁的脉冲电磁阀MP15A-3V，两者仅需+3V电源供电。正常供水情况下，电磁阀自锁于常开状态，驱动机构不消耗电能，只有当购买的吨位数用完时，才由固态继电器驱动电磁阀关闭开关，并自锁于常闭状态，重新购水插卡后，再次送电开启。当水量为零时，控制阀自动关闭，水路即被切断，此时用户须重新持卡购水。在正常情况下控制阀处于接通状态，只有当特殊事件发生时，控制阀才从接通状态变为关闭状态。三种事件状态下控制阀的通断情况如图3.9所示7。图3.9 控制阀的关断情况值得注意的是，由于继电器和脉冲开关电磁阀都是较大容量的感性负载，因而在切断这些感性负载时，会产生很大的电流和电压变化率，从而形成瞬变噪声干扰，成为系统中电磁干扰的主要原因，引外，继电器通断所造成的电火花和很强的电弧也产生了很大的电磁干扰。因此，在系统中必须设计相应的抗干扰电路来消除此电磁干扰，本系统所采用的抗干扰措施主要有以下两点：1. 采用光电耦合器进行隔离(如图3.10所示)当P1.1输出为高电平时候NPN管Q1导通，在光电耦合器SW-GD（型号为4N25）中的发光二级管发光，三级管导通。此时，电阻R10上就存在一个高电平使NPN管Q1导通。继电器即得电产生动作。D1为续流保护的作用。图3.10 光电耦合器隔离电路从图3.10中可以看出，单片机控制的I/O口和继电器控制端口之间用光电耦合器进行了隔离，这样，由于继电器通断所造成的电火花和电弧就不会影响到单片机系统了8。2. 在电磁阀供电端跨接压敏电阻抗干扰 压敏电阻是一种非线性电阻性元件，它对外加的电压十分敏感，外加电压的微小变动，其阻值会发生明显的变化，因此电压的微增量可引起大的电流增量。 压敏电阻又分为碳化硅压敏电阻、硅压敏电阻、锗压敏电阻以与氧化锌压敏电阻，其中较为常用的是氧化锌（ZnO）压敏电阻，其电气性能如图3.11