基于51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|稳压器,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。

　　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RH5VL28和RH5VL30。当电源电压正常时,芯片的Vout脚为高电平;当电源电压小于3.0V时,RH5VL30的Vout脚输出低电平,单片机检测到该信号后,控制液晶显示模块显示欠