基于AT89S52控制的非接触式智能水表的设计①

江静 张雪松

(1.华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601;2.东北电子技术研究所光电信息安全控制试验室，河北三河 065201)

基于AT89S52控制的非接触式智能水表的设计①

江静1②张雪松2

(1.华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601;2.东北电子技术研究所光电信息安全控制试验室，河北三河 065201)

以基于射频IC卡的智能水表系统为研究对象，探讨了基于AT89S52低功耗单片机在智能水表上的应用。首先提出预付费智能水表系统的设计方案;其次对系统硬件电路结构进行了设计;再次介绍了系统软件设计原则以及控制流程。实际测试证明，该智能水表系统具有可靠性强、功耗低、精度高等特点，达到了预期的设计目标。

预付费智能水表;射频IC卡;低功耗单片机;

0 引言

长期以来，我国城镇居民都是先用水后交费，采用人工抄表、按户收费的方式。但是该方式存在着工作量大，收费周期长，收费困难，效率低下等缺点［1］。开发智能化水表系统，从根本上改变用户先用水后交费的现状，成为供水机构着力需要解决的问题。

射频IC卡智能水表是一款具有预付费功能的计量装置［2］，它是以干式水表为基表，加装高可靠性自动控制装置组成。该智能表能够按用户预付费购得的水量，自动开阀供水，剩余水量到报警值或为零时，自动关阀中断供水，LCD显示屏可显示表的各种状态字，提醒用户进行购水或更换电池等操作［3］，适用于城市居民自来水的计量和收费，避免了偷水、漏水、冒水事件的发生，通过电子计费达到了节水和科学管理的目的同时改变了传统的城市供水管理方式。

1 系统方案设计

射频卡智能水表的工作原理是，在普通转盘计数的水表中加装干簧管和永磁铁，在信号端产生两个计量脉冲［4］。当接收到有效计量脉冲时，单片机由休眠模式转为工作模式，由微处理器执行相应的计费程序。水表内预先存储阶梯水价及相关用水参数，智能水表能根据当月用水量实时地核算出水表内的剩余金额。

采用ATMEL公司的AT89S52低功耗，高性能CMOS 8位单片机作为控制单元［5］。对水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开/关状态，本设计中采用球阀，低功耗、耐高温、压力损失小，并且球阀易维护。为了有效防止各种可能的干扰抖动而产生的多计数现象，本设计中采用双干簧管传感器作为流量传感器，实现流量的计量。采用射频读写芯片MF RC500作为输入接口，当IC卡贴近感应区时，通过读卡芯片读入所购水量并和水表内剩余水量累加，同时将卡上购水量单元清零，总用水量实时累计，并写入射频卡水表内存储器。采用OCMJ4X8A液晶显示器作为智能水表的输出接口，显示费用、剩余水量、电池状态及开关状态等信息。

2 硬件电路

基于射频IC卡智能水表硬件部分主要包括微处理器、升压电路、电源检测电路、脉冲采集电路、阀门控制电路、射频IC卡读/写电路、数据存储器电路、液晶显示电路、泄漏检测电路及声音报警电路等。具体分析微处理器、升压电路、电源检测电路、流量传感器的选型、射频IC卡读/写电路以及液晶显示电路。

2.1 微处理器部分

智能水表是一个小型的电池供电系统，CPU的选型应着重从低电压、低功耗、高带载能力考虑。选用低功耗、高性能的CMOS 8位单片机AT89S52。片内含8k Flash只读程序存储器，兼容标准MCS－51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器。微处理器部分如图1所示。

图1 单片机AT89S52

2.2 锂电池升压电路

本设计采用锂电池供电，一节锂电池电压只有3.6V，而单片机工作电压是5V，因此需要升压电路来实现5V的电压。需要采用MAX756转换芯片来实现。电路如图2所示，为了提高输入电压和输出电压的质量，分别在其输入点和输出点设置电容滤波器，在本电路中，输入端采用C23(150uF)电容滤波，输出端采用C24 (10uF)电容滤波。L3与C23组成LC滤波电路，如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路，交流干扰信号将被电容变成磁感和热能消耗掉。

图2 锂电池升压电路

2.3 电源检测电路

本系统采用锂电池作为供电电源，使用一段时间后，电池电量会减少，为了保证整个系统，特别是阀门的正常工作，需要对电源进行实时检测。当电能不能满足系统要求时，及时报警提醒用户更换电池。具体地讲，应该在系统掉电到一个门限电压时，通过相应的电压检测电路把信号传递给CPU，及时对系统进行软件复位。采用低电压检测芯片HT7033进行电压检测，电源检测电路如图3所示。当电压正常时，芯片的VOUT脚为高电平;当电源电压小于3.3V时，HT7033的VOUT脚输出低电平，单片机检测到该信号后，彻底关阀并且报警，直到用户更换完电池。

图3 电源检测电路

2.4 流量传感器的选型

目前，普遍采用的磁敏元件有干簧管和霍尔元件两种［6］。干簧管因其静态时的零功耗性能在电池供电的微功耗智能水表中占有明显的优势，而优质干簧管100万次以上的工作寿命也完全能满足水表的使用周期。

在实际生活中，我们经常会遇见这样的情况：当自来水管中进入一定量的空气后，打开笼头用水，水管会瞬间不停震动，如果此时磁钢与干簧管的位置刚好处于临界状态，就会不停地将脉冲信号发给CPU，使CPU无法正确计数。然而，双干簧管双脉冲通过由电容和电阻组成的防抖电路输入单片机计数，当两个脉冲输入端依次有脉冲输入的时候才产生一个有效脉冲计数，两个脉冲有互锁功能，P2.6和P2.7作为脉冲输入端。当两个输入端依次有脉冲输入时，定时器T1产生中断，从而对脉冲信号进行计数，进而实现水流量的计量。也就是说单一的一个干簧管即使多次闭合也无效，从而有效地解决了临界点颤动而误发信号的问题。同时，这种设计还可以有效防止人为附加磁铁而造成的计数不准，因为当单片机检测到两管同时闭合时，便认为有外磁干扰，停止计数并同时报警，如图4所示：

图4 双干簧管传感器

2.5 射频卡读写电路

读写模块的硬件设计中关键有两个部分。一是单片机与MF RC500芯片的连接，这是实现单片机控制MF RC500正常工作的硬件基础。二是读写模块的天线部分的设计及其与射频读写芯片的连接，这部分的性能将直接决定射频读写操作能否正常进行。

读写电路主要是由AT89S52对MF RC500进行控制与通信，MF RC500驱动外围电路对Mifare1卡进行读写操作。读卡时，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写电路的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容充电有了电荷。当电容器充电达到2V时，此电容就作为电源为卡片上的其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器发来的数据与保存，如图5所示。

图5 读写电路基站部分

2.6 显示电路

显示电路作为水表的输出接口，显示费用、剩余水量、电池状态及开关状态等信息。本设计中显示模块采用OCMJ4X8A液晶显示屏，可以方便地显示汉字及图形;可一次显示系统所有状态信息;电路结构简单，便于控制，功耗低。在水表盖上安装一个行程开关，当关上水表盖时，撞击行程开关，使开关断开，关闭LCD电源，不显示数据;当打开水表盖时，松开行程开关，LCD电源接通，正常显示数据，液晶显示电路如图6所示。

图6 液晶显示电路

3 软件设计

主程序主要用于控制水量多少及关阀判断，平时处于睡眠状态。单片机上电复位后主程序采用顺序执行的方法，逐个扫描各个自定义标志位，检查是否有动作发生，若有发生则转入相应子程序处理，处理完后回到主程序，继续扫描其后的标志位，最后进入低功耗状态，等待下一次中断唤醒，唤醒后同样循环一遍，又进入低功耗状态。

主要软件模块包括：射频卡读写模块，漏水检测模块，脉冲计量模块，低电压检测模块等，如图7所示。上电后首先对系统进行初始化。初始化包括对内部存储器单元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶显示的设置等。接着进入主循环，判断故障、电源电压是否正常等，若一切正常则开阀供水。无论在什么情况下只要有低电压信号出现，系统就提示欠压，蜂鸣器报警，液晶显示，提示用户更换电池。当剩余水量低于设定值时，系统液晶显示提醒用户“请购水”，如果用户没有及时购水重新插卡充值，当剩余水量为负时，系统控制阀门关闭，停止供水。

当表内剩余水量＜N元时(N的取值取决于当地的平均水价与预留水量1吨的乘积)，表内蜂鸣器发出提示音，以提醒用户水量剩余不多，请速购水。表内剩余量为0时，切断阀门，停止供水，从而完成用水必须先交费的方式。射频卡中断程序在射频卡贴近感应区时，读取卡中数据，执行购水量的累加，并打开阀门恢复供水。主程序在被唤醒后，执行一次程序后进入睡眠状态。

图7 主流程图

4 结论

本文主要工作完成了射频IC卡智能水表的设计，以智能水表为研究对象，首先对预付费IC卡水表进行了系统的研究;然后以低功耗微处理器AT89S52为核心，采用无线射频(RFID)技术，实现了非接触式IC卡智能水表的设计。由于水表采用电池供电，因此重点进行了系统的低功耗研究和设计，在论证确定系统整体方案后，从电路硬件和软件两方面入手，对系统进行整体设计。

［1］姚存治.智能水表及集中抄表的现状和发展趋势［J］.中国科技博览，2009，(18)：103－104

［2］游战清，李苏剑.无线射频识别技术(RFID)理论与应用［M］.北京：电子工业出版社，2004

［3］王爱英.智能卡技术－IC卡［M］.北京：清华大学出版社，2000

［4］刘铮.非接触式射频IC卡技术应用与研究［D］.湖南大学硕士学位论文，2002

［5］王幸之.AT89系统单片机原理与接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004

［6］韩树屏，李烜.智能水表的应用现状及前景展望［J］.机械制造与自动化，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。基金项目：中央高校基本科研业务费资助(JD1201B)。

江静(1979－)，女，江苏连云港人，硕士，中国矿业大学博士研究生，华北科技学院机电工程学院讲师，研究方向：为控制理论与控制工程。