软件——基于单片机的智能水表的设计

软件——基于单片机的智能水表的设计内容摘要：

供水管理部门的工作效率、节约费用，用以改善供 水设施，提高居民饮水质量；同时还能为加强自来水使用的监督管理提供手段，从而在技术上为节约用水合理用水创造条件。 微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表机构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，智能化仪表在测量过程自动化。 智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。 随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高。 我国目前智能水表新产品开发基本上是借鉴国外 先进模式，因为国外在此方面的研究设计起步较早。 例如 ABB 公司的 KENT 水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时间及各户用水量，建有机械式与电子式读数功能，而且还配有 IBM PC 兼容机接口，可以进行电话通信；德国 Sameco 公司的新型水表可显示上一年与本年度用水量以及日期与时间等，并开发电卡式水表；此外，日本、以色列等国也相继推出自己的新产品。 国内的一些企业也对多种智能化水表系统作了研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并未投入大批量生产。 从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展目标 来看，我国的传统水表必须进行改进，才能适应社会和经济的发展。 基于单片机的智能水表的设计 2 传统水表 传统水表的发展经历了漫长年代，它涉及社会生活的各个方面。 它对改善人类生活、促进社会发展和科技进步起到了无法估量的作用。 直到现在在很多领域还能继续发挥作用。 传统水表的主要结构 传统水表主要结构由硬件构成，以相对固定形式确定下来，所实现的功能较单一。 只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能，用户在使用过程中无法对其功能进行改变。 它一般具有输入信号接口、内部处理电路和实时显示三部分。 对于一些仪表功能如自凋零、自校准、自动 调节量程等的设置是由用户在仪表设备面板上手工完成。 传统水表的主要特点 传统水表的主要特点是自成体系，自我包容，用户无法更改。 传统水表功能单一，只具流量采集和机械指针显示用水量的功能。 同时，一台普通传统水表具有相对独立性，不能与其他水表设备进行通信，而只能用于现场测量，测量结果不能处理、存储、显示，局限性很大。 另外，传统水表无法升级换代，而且开发周期长、经费投入大。 随着科技水平不断发展，人们对传统水表提出以下几方面的要求：测量精度高、功能强、可靠性好，测量全能自动化、智能化，小型化、使用灵活方 便、升级方便，同时还能进行测量数据的处理、存储和显示，具有和其他设备进行数据通讯等功能。 这些新的要求不仅促使着传统水表不断地改进和发展，也孕育着新一代水表 —— 智能水表的产生。 智能水表 随着为电子技术的不断发展，集成了处理器、存储器、定时器 /计数器、并行和串行接口、看门狗甚至 A/D、 D/A 转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片 —— 单片机出现了。 智能水表是一种以单片机为主体，结合计算机技术与测量控制技术，利用现代微电子技术、现代传感技术、智能 IC 卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交 易的新型水表。 智能水表是除了可对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。 智能水表除了可对水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行自动控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。 出于其数据传递和交易结算通过 IC 卡进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费基于单片机的智能水表的设计 3 的转变。 IC 卡交易系统还具有交易方便，计算准确，可以利用银行进行结算的特点。 智能水表的特点 与传统水表相比，智能水表有以下特点： 1．对供水部门来说，可以实现先交费再供水的用 水模式。 这是大家都普遍认可的一个优点。 这对解决水费托拖欠这个过去难以解决的问题会有帮助。 供水部门推行 IC 卡水表的经验表明，人们普遍接受这一模式，供水部门不仅解决了拖欠交费的老大难问题，还可以提前收到资金。 对用户来说，由于水费的支出在总支出中占的比重很小，这种改变，对用户来说，只是把水费的交付时间提前了一段时间，所以，用户并不敏感。 但对供水部门来说，这种变化则是不能小看的。 随着水资源的紧张和水的商品属性逐步被社会认可，水的交易将会逐渐采用一般商品的交易模式，显然，先交费后用水，是更合理的一种交易模式。 2．改 变了入户抄表收费的模式。 这种模式改变的意义是巨大的。 由于城市规模不断扩大和居民户数快速增加，供水部门抄表和收费的工作量将不断加大。 沿用传统的上门抄表模式，将很难适应这种变化。 而现在由于各种原因的影响，人工入户抄表的效率已经在逐渐下降并且这种模式的成本在不断增加。 解决这个问题，可以采用多种途径，但依靠技术进步来解决这个问题，应当是更值得提倡的方式。 显然，采用智能 IC 卡水表及其管理系统，将可以从根本上改变由供水部门派人去千家万户抄表收费的模式。 只要供水部门合理设置交费机构，基本上不会给用户带来麻烦。 如果得到金融 系统的配合，还可以减少布点的成本。 因此大规模采用智能 IC 卡水表技术对降低供水部门的管理成本是会有显著帮助的。 而使用 IC 卡进行交易结算，用户可以自主决定交费时间和数量，增大了用户的自主性。 特别是随着人们家庭安全意识和隐私意识的增强，入户抄表和上门收费等随意进入私人住户的做法将逐渐不受欢迎甚至受到抵制，这是一个必须给予重视的社会发展趋势。 而使用智能 IC 卡进行交易结算，将可以有效解决这个会带来很多社会隐患的问题。 3．可以有效解决一些技术难题。 比如 ,随着水资源的紧张，将会逐步实行超计划水价甚至阶梯式水价等较为复杂 的用水管理模式。 这些，将对供水交易提出较高的技术要求。 采用普通水表和人工抄表的模式，是难以解决这些技术问题的，而采用智能 IC 卡水表，将很容易解决这些问题。 4．随着科学技术的发展，供水行业也需要逐步实现用高科技手段进行供水管理。 采用传统水表，这个跨越是很难完成的，而采用智能 IC 卡水表，将为运用计算机技术进行现代化管理奠定一个技术基础。 5．当然，使用智能 IC 卡水表还有其他优点，比如可以有效解决尽量扯皮、用水纠纷，贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。 基于单片机的智能水表的设计 4 6．与远传抄表系统相比，智能 IC 卡水表具有使用和维护成 本很低，没有布线造成的混乱和高故障率等问题。 智能 IC 卡水表的以上优点，将会使智能 IC 卡水表逐渐被社会所接受并成为一种基本配置。 国内外智能水表的发展现状及发展趋势 目前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表的智能卡式水表系统的研究开发，如宁波水表厂、上海自来水公司水表厂等都在相继开发远传水表，由于智能网络远传水表系统需要配套远传通信网络支持，其初期投资大，因此只适用于在一些新建住宅小区组成相对独立的小网，所以目前尚未大量投入市场；而采用先付费后用水的管理模式，在当前收费困难、人工抄表效率 低下的情况下，更能获得供水管理部门的青睐。 智能网络远传水表系统 就目前来讲，智能网络远传水表又可分为分线制集中抄表方式和总线制智能抄表方式。 （ 1）分线制集中抄表方式 各种分线制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定时顺序采集来自多路分户线的水表信号，并进行数据处理、存储。 各采集器之间采用总线制连接，最后连接到计算机。 其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器。 分线制集中抄表模式单纯从技术上讲较成熟，也节约成本（多户表共享一个采集器），但从实际情况看，分线制集中抄表模式存在如下缺点： ① 由于每次水表的计量信号是通过分户线穿越较长距离到达采集器，中途任何一个环节出现疏漏都将使采集器采集不到数据，而且铺设分户线不仅使安装任务繁重，也存在许多隐患：短线，断线等。 错综复杂的线路更使得维护工作困难重重。 ② 采集器均安装于现场，需专业人员调试系统并定期巡视维护，专业队伍日益“壮大”，维护费用也相应剧增。 ③ 分线制集中抄表模式的风险不仅仅是各表风险的简单累加。 如果采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集器上所有数据丢失，集 中抄表的风险无法有效分散，与测控系统强调的集中管理、分散控制的分布式设计死相违背。 （ 2）总线制智能抄表方式 总线制智能水表由于采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，水表的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能水表本身完场，手抄器或电脑不参与底层数据采集仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。 另外因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保存（仅影响水表数据的读出），无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。 但由于单表内设置单片机和后备电源，成本较高，推广普及基于单片机的智能水表的设计 5 较慢。 由于各表输出的总线只需挂接，可以减少分线制抄表方式大量烦琐的布线、系统调试任务以及后期使用过程中线路、系统维护等繁重劳动强度，也方便高层次设计如网络结构的设计、与其他系统（如安防、照明、空调、消防）共享开放式网络的设计，进而为用户提供完善、综合的配套服务。 卡式智能水表系统 智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展、单个智能卡及刷卡机性能价格比日益提高的特定时期应运而生的。 主要由智能卡式水表、智能卡、读卡器、收费管理信息系统等组成。 用户须在供水部门指定售卡点，购水后刷卡方能使用。 它具有有限用水量、 解决用水收费纠纷的功能，这是其他抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能卡水表如同普通水表，无需铺设管线及线路维护，安装方便、维护简单；另外，智能卡水表自带数据采集模块、电源部分、电磁阀（电动阀）控制，由智能卡读入预购水量等信息，使用简单，动作可靠，并且它的前期投资费用低，因此日益受到供水管理部门的青睐。 根据我国金卡工程的长远发展建设来看，单纯地将普通机械式水表转化成机械式 +电子式固然已迈出了重要的一步，但是还不够完善，因为水表的计量预收费及管理自动化将是大势所趋。 未来信息技术的发展必将朝着网 络化的方向发展，作为楼宇自动化发展的方向的一个重要方面 |—— 智能化水表系统。 因此如何设计合适的平台，将自动抄表系统、远程监控报警系统、家居安防系统等无“缝隙”地与数据网及控制网连接起来，开发出能体现优良的综合性、互操作性、方便实际现场安装维护的一体化智能系统将成为今后一段时期内的热点。 基于单片机的智能水表的设计 6 第 2 章 智能水表的硬件设计 本水表电路的硬件设计原则是在低功耗的前提下实现多功能。 系统硬件电路由 IC 卡读写电路、液晶显示控制电路、电磁阀控制电路、脉冲提取电路、安全保护电路、记忆单元电路、通信接口电路组成。 它能方便地读取 IC 卡的数据，并控制电磁阀和液晶显示器的工作，同时还可以将水表的数据存入 E2PROM 进行永久保存并可通过串口送至表外的数据终端，大大地提高了该水表的智能化的功能。 本水表采用电池供电。 设计思想 智能水表区别于传统的人工抄表就是应该具有一定的智能控制功能。 针对目前供水部门与用户的实际情况，本设计对智能水表应该具有的功能提出了以下设计思想： 1. 统计功能 ：当用户插入有效卡时，将购买水量与剩余水量自动相加，并且存入 E2PROM以防丢失；当用户用水时，将剩余水量与用水量 自动相减，并且存入 E2PROM 以防丢失。 2. 自动供停水功能：当剩余水量为 0 时，自动关闭阀门；购水后，阀门开启。 3. 显示功能： 采用 6 位 LED 显示 ，可随时 查询 累计用水总量及可用剩余水量。 4. 报警功能： 当剩余水量减少到一定量时 ，报警提示用户购水。 5. 掉电自动保护数据功能 ： 掉电后，数据依然可以被保存。 当恢复供电后，数据自动恢复。 6. 一户一卡的功能：通过设立用户信息和用户校验码的方式实现一户一卡。 即一个水表只能使用一个用户专用卡，插入其他卡片无效。 7. 欠电自动关闭系统的功能 ： 当电池电压或电池容量掉到规定数值后，意味着电池可能已经快 没有电了，此时，水表应会自动将阀门关闭并使系统处于休眠状态，并 报警 提 示。 8. 防拆卸功能 ： 在表体和接头管件上设置铅封口并可进行防伪铅封处理，以防止随意拆卸水表的行为。 即使被 拆卸 后，单片机立即关闭阀门，以防偷水。 智能水表的工作原理 智能水表以单片机为主体，结合计算机技术与测量控制技术，利用现代微电子技术、现代传感技术、智能 IC 卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算。 智能水表除了可对水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行自动控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数 据存储的功能。 出于其数据传递和交易结算通过 IC基于单片机的智能水表的设计 7 卡进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的转变。 智能水表以 AT89C2051 为核心控制芯片，完成整个水表信号的读、写处理，监控水表工作的功能。 该 CPU 芯片内置 4K 的程序存储器，有 32 个多功能的 I/O 口，具有多个可编程的中断 I/O口和数据串行通信口。 并且，该芯片功耗低，特别适用于水表控制线路多、功能全、功耗低的要求。 智能 水表 工作时， 首先由用户 购买 IC 卡（即用户卡），并携 IC 卡至收费工作站交费购水，工作人员将购买水量等信息写入卡中。 用户将卡插 入 IC 卡水表，卡表内单片机识别 IC 卡密码并确认无误后，将卡中购买水量与表内剩余水量相加后，写入。