基于PIC16F84单片机的IC卡智能水表设计

2013-08-20王帅

河南广播电视大学学报 2013年3期

王帅

（河南广播电视大学，郑州 450000）

随着我国用水制度的不断发展，用高新技术实现对自来水的智能监控，降低供水部门的资金压力，避免定时定期抄表收费带来的不便，采用先进技术来实现用水管理的现代化、智能化已迫在眉睫。IC卡水表以其智能化、低成本、易于实现联网等优势，在用水管理方面越来越受到青睐。本文主要介绍了一款基于PIC16F84单片机的IC卡智能水表，性价比较高，具有良好的可靠性，比较适合在社会推广，有很好的发展前景。

一、设计方案

1.总体系统功能。

该系统具有如下功能：

（1）能实现自动送水和断水；

（2）当水量接近下限时实现自动报警；

（3）能显示累计用水量和可用水量，也可实现对累计用水量的清除；

（4）历次购买水量可以累加；

（5）能够实现自我保护；

（6）具有看门狗功能，防止断电；

（7）具有抗干扰和加密功能。

2.设计框图。

该系统主要由电磁阀、流量传感器、单片机、IC读卡器、液晶显示及供电系统等组成，硬件结构如图1所示。

（1）MCU 选型。

图1系统原理框图

本系统采用美国微芯半导体公司的PIC16F84作为处理器。该芯片功耗低，价格便宜。由于该芯片内部没有自带RAM，所以需外加数据存储器，该电路选用了串行E2PROM 93C46，该芯片操作方便，主要用于存储用水计量、密码以及IC卡的控制字。

PIC16F84单片机的功能框图如图2所示。

图2 PIC16F84的功能框图

（2）电磁阀。

本系统采用双稳态电磁阀，摈弃了传统电平式的控制方法，采用瞬时供电方式，避免了电平开关式电磁阀的高耗电缺点。

（3）流量传感器。

采用旋翼式流量传感器，可将水流量参数转换成脉冲频率参数，由微处理器实现对计算。该流量传感器耗电量小，结构简单，具有较高的精度。

（4）IC 卡读写器。

IC卡读写器首先通过读入卡中的密码检查IC卡的合法性，然后读入购水量与存储器中剩余水量相加，得到新的水量，并将IC卡中的已购水量删除。

二、系统硬件设计

1.系统原理图。

（1）主系统。

由前面的设计方案确定了主系统原理图如图3所示。该系统结构比较简单，主要由以下几个模块组成：MCU、IC卡接入电路、液晶显示电路、流量监测电路、电磁阀控制电路及其他输入/输出电路等模块组成。该电路特别在低功耗方面做重点考虑，电磁阀主要工作在6V，其他电路均工作在3V，主时钟电路采用RC振荡电路，频率约为71KHz。

图3系统原理图

图4供电系统电路图

（2）电源。

该系统电源采用交/直流供电方式。原理图如图4所示。

2.电路原理说明。

电源监测电路原理：该模块相当于一个看门狗的作用，当电平信号降低到一定值时，监测电路会产生一个有效信号，该信号可作为一个中断源发出MCU的中断，CUP响应中断采取紧急措施保护响应数据。该模块的核心是盛群半导体公司生产的HT7044A芯片，监测参考电平为4.4V。该模块工作电流为，输入电压范围0~24V，比较适合低功耗的嵌入式系统应用。该芯片特性曲线如图5所示。

由特性曲线可以看出该芯片的作用相当于一个施密特触发器，但输入电压低于4.4V比较电压时，其输出为低电平信号，作为中断信号触发微处理器响应中断，系统在掉电前做出紧急处理，避免水表计量发生错误。

该系统稳压电路采用盛群半导体公司的HT1030B 3端稳压器，该稳压器输入电压可达12V，输出电流可稳定在3V，且输出电流60mA，功耗较低，压差较小。

IC卡接口系统主要采用串行通信方式、包含有时钟接口和数据接口，另外需要电源及开关状态信号输出接口，使用24C系列，为了确保IC卡的安全性，由PIC16F84的RB7端口为IC卡提供电源。

三、系统软件设计

软件系统设计中需要考虑电源监测模块的初始化、掉电后的保护及重新上电后的恢复等处理部分。总共包含了如下几个模块：IC卡识别、IC卡数据读/写、磁卡加密/解密、电磁阀控制、流量检测、用水量计算及人机交互界面模块。程序流程图如图6所示。

四、结束语

基于PIC16F84的IC卡智能水表控制系统，采用逻辑加密技术，实现用水管理智能化。本系统上电自动运行，设计成本少，用户使用方便，电路可靠且具有较强的保护功能。在绝大部分电路上都采用了串行通信方式，节省了单片机的接口，利于使用小口线低成本的单片机，从而降低了开支，还可以节省板材；电源电路可通过变压器直接与家庭电路相连，也可以使用4节干电池，使用方便且易于维护。