基于AT89C51的IC卡智能水表設(shè)計

摘要：IC卡智能水表以AT89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)IC卡的讀寫，液晶顯示的控制，電磁閥的控制，脈沖的提取，同時具有安全保護(hù)電路、記憶單元電路、通信接口電路，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。在設(shè)計中編程語言使用了C51，并采用模塊化設(shè)計方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。本系統(tǒng)具有性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：AT89C51；IC卡；液晶顯示；記憶模塊

    為適應(yīng)國家用水制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術(shù)對自來水實(shí)行自動控制，減輕供水管理部門因“先供水后收費(fèi)”造成的資金壓力，減少每月抄表、收費(fèi)所帶來的麻煩和因收費(fèi)問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段改變自來水管理體制的落后現(xiàn)狀，勢在必行?；趩纹瑱C(jī)的IC智能水表不但可以提高供水部門的工作效率，而且在技術(shù)上為節(jié)約用水、合理用水創(chuàng)造了條件，由于這些特點(diǎn)，基于單片機(jī)的IC智能水表得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計
    該系統(tǒng)系統(tǒng)硬件電路主要由IC卡讀寫電路、液晶顯示控制電路、電磁閥控制電路、脈沖提取電路、安全保護(hù)電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以AT89C51為核心控制芯片，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。它能方便地讀取IC卡的數(shù)據(jù)，并控制電磁閥和液晶顯示器的工作，同時還可以將水表的數(shù)據(jù)存入E2ROM進(jìn)行永久保存并可通過串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了該水表的智能化的功能。系統(tǒng)硬件方框總圖如圖1所示。

2 硬件組成與原理
    硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方方面面很多，除了實(shí)現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)基本功能以外，主要還要考慮如下幾個因素：1)系統(tǒng)穩(wěn)定度；2)器件的通用性或易選購性；3)軟件編程的易實(shí)現(xiàn)性；4)系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)，因此只有合理的硬件設(shè)計才能更好的與軟件控制相結(jié)合，從而達(dá)到整體性好，人性化強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
2．1 控制電路
    控制電路實(shí)質(zhì)是單片機(jī)最小系統(tǒng)?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)的核心，考慮到程序的大小選用了AT89C51單片機(jī)。它由晶體振蕩電路以及輕觸按鍵構(gòu)成復(fù)位電路構(gòu)成，主要是實(shí)現(xiàn)對外圍電路的控制功能，使各模塊電路正常有序的工作。
    晶體震蕩電路結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時鐘頻率，作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。
    單片機(jī)復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，本設(shè)計中用的是按鍵電平復(fù)位，即當(dāng)電路已在運(yùn)行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵后松開，即能使RST為一段時間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位的操作。
2．2 IC卡讀寫電路
    控制電路實(shí)質(zhì)是單片機(jī)最小系統(tǒng)。它主要完成了對射頻卡(MIFARE 1卡)的讀寫操作。H6152讀寫器對射頻卡進(jìn)行讀寫后通過串口電平轉(zhuǎn)換電路將RS232電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所識別的TTL電平，從而實(shí)現(xiàn)了使用AT89C51單片機(jī)來控制射頻卡的讀寫過程。硬件電路由單片機(jī)模塊、串口電平轉(zhuǎn)換模塊和H6152讀寫模塊3部分電路組成。
2．3 液晶顯示電路
    顯示電路用于在人機(jī)接口中反饋信息，主要由液晶模塊構(gòu)成。硬件設(shè)計中選用了低功耗CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的帶KS0108B控制器的GXM12864全點(diǎn)陣圖形式液晶，AT89C51的P0口直接與液晶模塊的數(shù)據(jù)總線DB0～DB7相連；P2口的0、1、3、5、6引腳分別和液晶模塊的／CSB、／CSA、E、R／W、D／I相連，在單片機(jī)程序執(zhí)行過程中，對它們作相應(yīng)的控制。通過編程可實(shí)現(xiàn)對液晶顯示屏的任意位置的顯示、滾動顯示和反顯等功能。
2．4 記憶單元電路
    本系統(tǒng)采用美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM芯片AT24C01是，它內(nèi)含256x8位存儲空間，具有工作電壓寬(2．5～5．5 V)、擦寫次數(shù)多(大于10 000次)、寫入速度快(小于10 ms)等特點(diǎn)。利用單片機(jī)AT89C51與24C01進(jìn)行I2C通信，實(shí)現(xiàn)對某一地址內(nèi)數(shù)據(jù)的讀／寫校驗(yàn)操作。
2．5 電磁閥控制電路
    電磁閥選用脈沖式電磁閥，這種電磁閥在開啟時只需在其控制線AB兩端加一正向脈沖(幅度DC12 V寬度大于20 ms)，水閥一旦開啟則會自動保持。當(dāng)關(guān)斷時則在AB兩端加一反向脈沖，水閥就會關(guān)閉。因?yàn)檫@種電磁閥開啟后不需給電磁閥持續(xù)供電，所以它的功耗非常低，因而特別適合用在IC卡水表中作為水表開啟送水或欠費(fèi)停水的執(zhí)行單元。電路設(shè)計上采用多路模擬開關(guān)組合成一組雙刀雙擲開關(guān)，在AT89C51的控制下，將正脈沖或負(fù)脈沖加到電磁閥的控制線AB兩端。
2．6 其他模塊電路
2．6．1 脈沖提取電路
    脈沖提取電路，用于提取IC卡水表的計量脈沖?？稍谠械睦鲜綕袷剿砑尤氪裴樅透苫晒?，磁針隨著用水的流動而旋轉(zhuǎn)使得干簧管動作發(fā)出開關(guān)信號，作為計量信號。也可以利用干式磁傳水表已有的開關(guān)信號輸出，作為計量信號。
2．6．2 安全保護(hù)電路
    安全保護(hù)電路，利用AT89C51可編程的I／O中斷口接到水表的外封裝上實(shí)現(xiàn)保護(hù)。使封裝完好時I／O線相當(dāng)于接地，為低電平，一旦封裝被非法打開，I／O線就不與地連接，其電平變?yōu)楦唠娖?，此時CPU將發(fā)生安全保護(hù)中斷，立即關(guān)斷電磁閥中斷供水。這樣就能有效地防止私拆或惡意破壞水表的事件發(fā)生。
2．6．3 通信接口電路
    通信接口電路，利用AT89C51的串行通信口，選用MAX2338芯片形成485接口電路。外部數(shù)據(jù)讀取設(shè)備可通過水表的485接口，將水表的數(shù)據(jù)讀出，實(shí)現(xiàn)自動抄表功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進(jìn)行全面測試也是檢驗(yàn)錯誤排除故障的重要手段。這里我們選用了移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的C語言來實(shí)現(xiàn)編程。程序設(shè)計中，主要包括IC卡讀寫模塊、液晶顯示模塊、記憶單元處理模塊等幾個模塊。
3．1 IC卡讀寫模塊
    單片機(jī)控制卡片讀寫器H6152，對非接觸式IC卡進(jìn)行讀寫的程序流程圖，如圖2所示。

3．2 液晶顯示模塊
    單片機(jī)控制液晶顯示器件GXM12864，欲顯示以用水量和剩余水量的程序流程圖如圖3所示。

3．3 記憶單元處理模塊
    本設(shè)計利用單片機(jī)與24C01進(jìn)行I2C通信，實(shí)現(xiàn)對某一地址內(nèi)數(shù)據(jù)的讀／寫校驗(yàn)操作。這里假設(shè)地址0x02內(nèi)裝的是水表顯示的已用和剩余水量的數(shù)據(jù)。默認(rèn)是讀取其數(shù)據(jù)，當(dāng)然也可以設(shè)置為其他地址了。其程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)論
    本設(shè)計通過51單片機(jī)控制H6152系列讀寫模塊對Mifarel IC智能卡進(jìn)行讀寫操作，控制液晶顯示等模塊，設(shè)計出使用戶先買水后用水的一種智能化水表，使水費(fèi)收取工作邁向自動化。其設(shè)計主要包括IC卡讀寫、液晶顯示、記憶單元、電磁閥控制4個模塊。