基于P87LPC764单片机的TM卡水表控制系统设计

1 引言

随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象日益严重，尤其是与人类生存息息相关的水资源。随着我国信息产业的飞速发展，实现自来水收费管理的电子化、信息化及网络化已成为可能。水表系统的智能化可以大大提高供水管理部门的工作效率，节约费用，用以改善供水设施，提高居民饮用水质量。本文以一种智能卡式水表控制系统为研究对象，它结合了控制技术、计算机技术等多方面技术，是一种跨专业的电子信息化系统。

2 智能水表控制系统的总体结构

智能水表控制系统具体实现水表的自动计量水流量、读写TM卡、控制阀门、显示报警等功能。控制系统电路由低功耗单片机、流量计、E²PROM存储电路、TM卡读写电路、LCD显示控制电路、阀门控制检测电路、电压检测电路等组成。结构原理如图1所示。

图1 智能水表控制系统结构原理

当用户将含有购水量等信息的TM卡插入水表上卡座内时，控制阀在电控系统控制下开通供水通道。用户每用一个计量单位（10升），计量电路便发出一组计量脉冲序列，该脉冲序列如经电控系统判定为有效，即可从已购水量中减去一个计量单位。当剩余水量达到报警值时，液晶汉字显示“请购水”；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。

3 智能水表控制系统的硬件设计

TM卡水表控制系统由低功耗单片机、流量计量电路、E²PROM存储电路、TM卡读写电路、LCD显示控制电路、阀门控制检测电路、电压检测电路、实时时钟电路等组成。

1、单片机

作为TM卡水表控制系统核心部件的微控制器采用PHILIPS 51LPC系列中的P87LPC764单片机。这种单片机运行速度快、编程灵活、低功耗，自带4K字节OTP程序存储器、128字节的RAM，32字节用户代码区可用来存放序列码及设置参数，并且具有丰富的I/O功能和较强的中断能力，能够很好地满足TM卡水表控制系统高集成度、低成本、低功耗的要求。

2、E²PROM存储电路

在智能卡水表控制系统中，信息的存储是非常重要的方面。因此，在本控制系统中，存储器采用2K容量的串行CMOS E²PROM--CAT24WC02，它是低电压（1.8～6V）、低功耗、长寿命（一百万次编程和擦除周期）的器件，采用I²C总线数据传输协议，使用方便。用来存储总购水量、总用水量、上次购水量、卡号、水表状态等信息。接口电路如图2所示。

图2 I²C器件接口电路

3、TM卡读写电路

信息的载体--TM卡，采用单总线协议通讯，所有的读写操作均经一信号线（总线）和地线完成，所以读写电路极简单。在次不做详细阐述。

4、LCD显示控制电路

LCD驱动器采用HT1621，它是128点、内存映象和多功能的LCD驱动器，特有的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合，用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条。在本设计中，采用电阻和PNP三极管来控制HT1621的电源，降低功耗，延长LCD的使用寿命。LCD平时处于关闭状态，当有TM卡插入、并确认有效卡或有其它状况时，LCD开启并显示本次购水、已用水量、可用水量、阀门状态等信息。

5、水量计量电路

水表的基表采用符合ISO4064B标准的单流旋翼式冷水水表，技术参数如表1所示。该表计数机构与测量机构经磁耦合传动，采用干簧管水量计量发讯，每流经10升水时产生一脉冲；表内设有磁保护装置，具有较强的抗外磁干扰能力。水量计量脉冲通过由电容和电阻组成的防抖电路输入单片机，每输入一个脉冲，在存储器中减去相应水量。

表1单流旋翼式冷水水表技术参数

6、阀门控制检测电路

阀门控制是水表控制系统中一个很敏感部分，关启阀门的可靠性差，将会给供水部门带来很大的问题。因此，我们自行设计了结构巧妙、关闭可靠、DC2.6-3.6V控制的电动陶瓷阀门，有效地解决阀门关闭不可靠问题。如图3所示为电动阀门的正反控制电路，当正向端输入高电平，反向端输入低电平时，阀门开启；反之，阀门闭合。当单片机P1.6口输入低电平、P1.7口输入高电平时，三极管Q3、Q5、Q6导通，Q2、Q4、Q7截止，故正向端（ON）输出高电平，反向端（OFF）输出低电平，开启阀门，开启到位时，由单片机P1.5口输入检测信号，动作停止；反之，三极管Q2、Q4、Q7导通，Q3、Q5、Q6截止，正向端输出低电平，反向端输出高电平，关闭阀门，同样由单片机P1.6口输入关闭到位检测信号。

图3 电动阀门的控制电路

7、电源电压检测电路

为提高水表运行的可靠性和安全性，采用分级电源电压实时检测，电压实时检测芯片采用RH