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重点论文网    工科论文    自动化论文    基于PLC16F87智能IC卡水表
创建时间:01-08

基于PLC16F87智能IC卡水表

开题报告
 
IC卡智能水表
  长期以来,自来水用户的用水量管理依靠人工抄表,然后又收费员到各家收费或各用户去银行或其他指定地点缴费。这种传统收取水费的做法需要的工作人员多,费时,费力效率低,常常出现用户欠缴,迟缴或漏缴等问题。
   为适应国家用水制度的改革,研究和利用现代化智能技术对自来水实行监控,减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力,减少每月抄表,收费带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷,用现代化科学技术手段改变自来水供水管理体制的落后现状,势在必行。
   IC卡水表系统的出现,从根本上解决了这个问题。不但实现了用水收费的电子化,而且还改变了先用水后缴费的不合理状况,使得供水部门能预先收取部分费用,有利于工业事业的发展。IC卡水表具有成本低,可靠性高,使用寿命长及安全性好等优点,可提高居民用水收费的管理水平,确保供水部门能及时收取水费。因此,IC卡水表成为相关科研单位关注的重点。具有很好的经济效益与社会效益。
   采用IC卡智能水表后,可以改变自来水收费及管理的现状,达到以下管理目标:
(1)    智能水表代替传统水表,用IC卡实现预付费,实现“先付费后用水”,持卡结算的理想管理模式,从根本上杜绝欠缴,迟缴,漏缴水费的现象,使自来水公司应收费用及时到位。
(2)    建立自来水公司的计算机信息管理网络系统,实现对自来水供应,自来水用户及自来水公司的员工的科学化管理;建立完善的财务核算管理,使自来水公司的日常工作和管理流程化,自动化,科学化,提高自来水公司的服务质量和竞争力。
(3)    减轻工作人员的劳动强度,消灭减少现金交易,减少人为差错和杜绝贪污案件的发生。
(4)    提供方便的统计查询功能,便于全面,及时的了解情况,为决策提供依据是IC卡水表系统是由IC卡水表,通用IC卡及计算机收费管理网络组成,其核心是IC 卡水表。
   2. IC卡水表极其分类
   (1)IC卡水表的工作原理
    IC卡水表的工作原理是,用户先买IC卡(用户卡),并携IC卡至收费工作站缴费购水,工作人员将购水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表(以下简称卡表),卡表内单片机识别IC卡密码并确认无误后,将卡中购水量与表内剩余水量相加后,写入卡表内存储器,进而控制电磁阀开启。
    用户用水过程中,卡表内剩余水量相应减少。当剩余水量低于一定量,如1立方米时,卡表报警,提示用户购水。当水量用完时,卡表内电磁阀自动关闭,停止供水。当用户重新购水读卡存入后,打开电磁阀供水。
  (2)IC卡水表分类
   从控制阀的结构分类,有电磁阀式卡表和电机阀式卡表;从卡的形式分类,有TM卡水表和IC卡水表。
电磁阀式卡表是相对成熟的IC卡水表,它最大的优点是能耗底,可靠性好;最大的缺点是对水质的要求高,水中泥沙和异物会影响电磁阀的可靠性
   电机阀式卡表是最近才出现的一种卡表,这种卡表最大的优点是对水质的要求不高;缺点是能耗较大,可靠性差,阀的结构复杂。
   TM卡水表是IC卡水表中的一中,TM卡水表中的一种。TM卡的优点是保密性好,体积小;缺点是通用性差,随着卡技术的发展,被淘汰的风险大
  IC卡水表是现时使用最广的卡表。IC卡通用性好,卡来源广,和金融系统的电子货
币卡较易对接。
   然而,目前IC卡水表的研制尚未形成一个标准,尚有许多技术细节有待研究。希
望此设计能对IC卡计费水表的设计方法与实现,能对IC卡水表的设计与应用有一定
的借鉴意义。
  6.1.2 IC卡智能水表方案
 1.IC卡智能水表的功能
作为供水计量,自动计费的IC卡智能水表应具有以下功能:
   (1)根据所购水量,自动执行供,停水
    当用户将购得的水卡(IC)卡插入水表时,表内系统在确认该卡有效后,自动打
开阀门,进行正常供水。一旦用水量达到水卡所购水量,水表将自动关闭阀门,切断供水。
   (2)具有自动报警功能
    为便于用户及时购买水卡,当用水量剩下最后一定量时,水表开始通过指示灯闪
烁等方式发出警报信号,提醒用户应及时购水。
   (3)可随时提供累计用水量,本月用水量及可用水量
    为了便于用户及时掌握用水情况,用户可通过水表的液晶显示屏,查看累计用水量
,本月的用水量及可用水量(指卡表内所剩余的水量).
    (4)可对购水量进行累计
    当用户插入购水后的IC卡时,水表自动将水表接于水量与本次购水量进行累计.
    (5)具有自动保护功能
     当水表被擅自拆御时,表内自动保护系统将自动关闭阀门,停止供水,并记录拆御
时间,以备查.
    (6)断电保护功能
    IC卡水表采用电池供电,水表的水量等重要参数均存储在EEPROM芯片内,其数据
可保存10年以上,因此具有掉电保护功能,维护用户和自来水公司的利益.
    (7)加密功能
    对IC卡及卡表内的信息进行加密,做到一卡一表,使系统不易被仿制和非法使用.
2.IC卡智能水表的总体方案 
   根据上述功能要求,确定系统方案如下:
   IC卡记费水表主要由阀门,流量传感器,微处理器,IC卡读写器,显示器及电源等
   (1)微处理器
   为降低整个水表的功耗,微处理器,可选用MICROCHIP公司的低功耗芯片PIC16F84.
该芯片工作于休闲状态时,耗电量仅为UA级.另外,采用FLASH EEPROM的串行存储器芯
片93C46作为数据存储器,.93C46是一个串行EEPROM,占用体积小,功耗低,且操作简单
主要用来存放IC卡识别字,发行密码及用水计量等数据,以作为水表识别与计量的依据
   PIC16F84单片微处理器的功能框图可参看下图:
PIC16F84是双列直擦式(DIP)封装,最大时钟频率可达4MHZ,现在为MICROCHIP公司
的独家产品. PIC16F84芯片体积虽然不大,但仍然是一个完整的计算机.它有一个中央
处理器(CPU),程序处理器(ROM),数据存储器(RAM)及2个输入输出口(I/O),和其他品种
的单片机一样,CPU是此单片机的首脑,从程序存储器中读取和执行指令.在取指和执行
时,还可以同时对数据寄存器进行取数(PIC16F84采用哈佛结构).程序存储器和数据储
器各有一条总线与CPU相连.有些CPU将CPU内部的寄存器与其外部的RAM分开管理;
但PIC单片机不是这样,它的通用数据RAM也归为寄存器,称为FILE寄存器.在PIC16
F84中,有68B的通用RAM,其地址为0CH-4FH.
   除了通用的数据寄存器外, PIC16F84还有一些专用寄存器,其中最常用的工作寄存
器为W寄存器,CPU将工作数据存放在W寄存器中.寄存器W的作用与其他单片机中的 
累加器A相像,此外,还有几个专用的寄存器,它们分别以某种方式控制PIC的运作.数
据存储器的檫写可达1000 000次,数据可保持40年以上.
   PIC16F84的程序存储器是由FLASH(闪速)EEPROM构成.它可用电来记录和檫除,而
在段电时仍可以保留其内容,当然有些型号的PIC单片机程序存储器用的是EPROM,需
要用紫外线檫除,还有一些型号的单片机,是一次性可编程(OTP)的产品(一经编程便不
能再檫除.
   PIC16F84的特性可简单归纳为:
   PIC16F84有2个输入输出口,即A口和B口.每个口的每个引脚可单独设定为输入或
输出.每个口的位是从0开始编号的.当A口为输出方式时,其第四位(即RA4)为开路集
电极或开路漏极输出,而B口及A口其他各位为常规的全CMOS驱动电路.这些功能必须
注意,否则会在编程时出错.CPU对每个端口都按1B(8位)来处理,但A口只有5位引脚,
PIC输入与CMOS兼容,所以PIC输出可驱动TTL或CMOS逻辑芯片.每个输出引脚可以流
出或吸入20MA电流,即使一次只用了一个引脚亦是如此.这样就可以直接驱动LED.13
位的I/O引脚,可以单独直接控制.
   具8位的计时/计数器(TMRO),并带有8位可编程预分频器;具有通电复位(POR), 
功耗上升(POWER-UP)计时器(PWRT).振荡器启动计时器(OST)及看门狗计时器.(WDT);
为了能可靠工作,它有自己的IC振荡器.
   具有睡眠方式,以降低功耗.
   具有4种可选择的振荡器,RC(低成本的RC振荡器),XT(标准的晶体/谐振器),HS
(高速晶体/谐振器),LP(低功耗,低频率的晶体).工作电压的范围为2.0-6.0V.
    PIC单片机最常用的时钟有3种:
    为直接是输入外部时钟,时钟信号由外部振荡电路产生.
    为PIC的内部时钟电路,在从外部接上确定时钟频率的元件,即电阻R和电容C.
    仍利用PIC片内振荡电路,但外接石英晶体,因而能产生更精确的,更稳定的时钟信
号;但石英晶体通常比电阻,电容贵,若利用电视机上的常用的晶体(如3.58MHZ晶体),
则价格仍较低廉.
   (2)阀门
    对于水表而言,阀门是被控对象,控制着进水的开关状态.目前可控制的阀门主要
是电磁阀,但常规电磁阀是靠电的通断来控制阀门开关的,即要让阀门一直开着,就必
须一直通电,因此耗电较大,不符合本水表低功耗的要求.因此必须对现有电平开关式
电磁阀进行改进,采用双稳态电磁阀,即阀门控制开关由电脉冲来实现.使的对阀门开
关只需瞬时供电.从而减少耗电量.
   流量传感器是水表中的传感器部分,是实现正确计量的基础.考虑到现有的模式水
表中,旋翼式水表结构简单,灵敏度高,外型尺寸小,精确度已经被广大用户所接受;因
此,本水表的流量传感器还是基于模拟水表的旋翼式结构,而同过在叶轮上安装磁钢和
微型干簧管等机构,将叶轮的旋转转换成电信号,以实现频率脉冲计数,进而实现水流
量的记量.其耗电小,并保持了原有结构简单,精确度高的优点.
   在原水表的读数指示0.01立方米位上安装磁敏元件,使0.01立方米位转一圈,磁敏
元件上产生一个脉冲信号,即0.1立方米水量对应一个脉冲.磁敏元件选用日本1555型
AT值选用15-20.磁敏材料选用高性能的稀土合金性材料.
   (4)IC卡读写器
    IC卡读写器是IC卡水表的输入接口,当IC卡插入读写器时,首先读入的是卡中的
密码,以判断此IC卡的合法性,水表在判断了卡的合法性后,读入所购水量并与水表内
的剩余水量累加,同时将卡上购水量单元清零;回写水表上用水量等信息,以便下次购
水时自来水公司读取,实现水表信息的回馈功能.
   (5)显示器
   液晶显示器作为水表的输出接口,显示剩余水量,电池状态及开关状态等信息,它们
的有效工作时间都比较短,用户看完后,没有必要让它一直显示,为此,可利用水表上的
防水盖提供信号,即当盖子打开时,使它们进入工作状态,而当盖子盖上时,使它们停止
工作,从而达到节电的的目的.
   (6)供电电源
   本水表采用交直2用电源.平时水表由交流电通过表内的小型变压器输出供电,而备
用电池处于充电状态.一旦停水,水表就由内部备用电池供电.

参考文献
 <<PIC系列单片机的开发应用技术>>
 <<PIC系列单片机原理和程序设计>>
 <<PIC系列单片机应用设计与实例>>
 <<PIC系列单片机接口技术及应用系统设计>>
 <<PIC系列单片机实用教程---基础篇>>
 <<PIC16F87X单片机接口技术及应用系统设计>>
 <<PIC16F87X单片机原理与专题应用>>
 <<PIC单片机原理及应用>>`等

文献综述
 
1.    课题的目的与意义
   随着改革开放和市场经济的不断发展,社会对提高供水服务质量的要求呼声强烈,“一户一表,按户收费”成为当前的一个焦点问题,引起了各地政府的高度重视。“一户一表”工作的开展,是对传统营销方式的突破,不仅顺应了时代潮流,同时也有利于供水企业自身的发展。仅以宁波为例,市政府将实施“一户一表”5万户作为近年来市长为民办事的“实事工程”,这充分说明实施“一户一表”是供水企业当前肩负的一项使命,具有紧迫性、现实性和艰巨性。
  经调查,目前国内有100多家水表生产厂,年生产能力都在100万块以上60家煤气表生产厂,年生产能力在100万块以上,所有厂家95%以上是指针和数字显示,现在市场年需求量约在3000万块以上。可没有一家是真正生产IC卡表的厂家。我们国家是个缺少能源的国家,每年有20%的能源被白白浪费掉,所以急需有“IC”卡这样的表问世,即解决了能源浪费的问题,又在国家建设中起到不可估量的作用。可以说市场广阔、前景无限。

2.    课题的发展现状和前景展望
中国的智能水表市场规模之大,无需用数字衡量,而市场的升温之快,远超出意料之外。可以这样说,目前总体状况是:科研落后于生产,生产远落后于市场需求。国内目前智能水表行业企业中,年产5000块批量的不到10家,年销量上3万块的还没有。其中完全自主开发的不到10%,而稳定可靠的则更少。
2.1总生产规模 
全国总产量为每年1201万~1500万只,其中出口为每年201万~ 250万只,总产量中宁波占65%~70%,每年约700万~800万只,其中出口为每年80万~100万只。 
2.2总产值 
全国总产值约6.5亿~7.5亿元人民币,其中出口创汇1亿~1.5 亿元人民币,总产值中宁波地区占4.55亿~5亿元人民币,其中出口创汇0.5亿~0.7亿元人民币。 
2.3生产厂家 
   全国整机生产约150~201家左右(有证),另外还有很多无证生产厂家,其中有出口质量许可证的5家;宁波地区整机厂家约80~100家左右,已参加宁波水表协会的54家(有证),其中有出口许可证的2家。
  河北洪通科技有限公司是国内最早研发IC卡智能水表的厂家之一,拥有独立的研发中心,具有自主知识产权。已成功建立起全国销售网络,2012年实现销售水表101612块。为扩大规模,提高产量,适应市场需求,我公司又投资兴建占地50亩的IC卡水表生产基地,其车间、厂房、库房等配套设施可满足年产40万块的批量。
  天津市赛恩电子技术有限公司先后发研制开发出一卡通的IC卡水表,IC卡电表、IC卡燃气表、IC卡热水表和IC卡热(冷)量表及其远程集抄可控型水、电、气、暖表等共计四大品种、二十几个系列、近百种规格的产品群。迄今为止,赛恩智能表已在国内多个地区运行使用近三十万台套。共计销售收入9000余万元,净利润1201万元,六年中平均销售额增长35%以上。 
2.4经济效益 
  全国水表行业近三年来总产值约6.5亿~7.5亿元人民币。从整体上分析,在全国仪器仪表大行业下算比较好的,不但使国家不引进国外水表,而且每年有201万~250万只水表出口国外,为国家创汇 1500万~2010万美元。据不完全统计,全国水表行业在仪器仪表大行业中占10位以内。 


3.    课题的主要内容和要求
IC卡智能水表
    IC卡智能水表是目前市场上开发研制的新一代高科技产品,采用多流速水表为基表,加以微电脑数据处理单元构成的供水系统。具有结构合理、质量稳定、性能可靠,预付费、免抄表、防窃水、抗干扰能力强、断电后数据长期保存,重量轻、体积小、外形美观,长度与普通水表相同,安装方便等特点。
  IC卡智能水表,是一种采用微电子与微机技术相结合对民用自来水进行计量与控制的高新技术产品,它以具有保密逻辑的集成电路IC卡,作为自来水公司与用户间购水及水信息的传递媒体,与IC卡预收费管理系统配套使用,可实现微机自动化管理。供水部门可安全方便地进行管辖区的用水管理。

一:IC卡水表功能特点:
IC卡读写操作提示功能
购水提示及应急功能
电池欠压关阀提示功能
错卡提示功能
防磁干扰
防伪功能
水表故障检测及应急功能
水量累计递减功能
水量转储功能
记忆功能
议价计费功能
信息记录、保存功能 
二:IC卡水表技术规格:
电源:DC 3.6V
功率:0.1mW
电池寿命:6年
体积:195×82×120mm
重量:1.8kg
压力损失:≤0.1MPa
口径:15-20mm
水温:冷0℃-30℃,热30℃-90℃
计量等级:符合ISO4064 B级
          
三:IC卡水表售水系统特点:
系统管理软件功能强大,界面操作简便
插表卡能方便的将水表数据倒入新水表
采用软硬件双重加密IC卡,能有效防止盗水
超低功耗设计,电池工作时间更长
有多种统计、告警功能,能及时发现异常情况
四:IC卡水表软件功能结构图
 
 
1保证计量精度的提高
(1)    记数精度
水流量流过水表,水表进行一个基本单位的记录与处理的流量称为记数精度,低精度会造成计费不准确.根据水的价格,以及管理部门的结算习惯,计量精度为1/30立方米.
(2)    数据准确性
基本采样机构采用供水部门长期应用的二级水表,数字化的计数应与二级水表相同,实现十万个基本脉冲,二者度数相同.
(3)    数据安全性
掉电保证数据不丢失,掉电保证关闭阀门,一表一卡,数据传递加密.
(4)    表容量设计
 等同采用的模拟基表,总处理流量10万立方米.
(5)    无故障使用时间
   目前水管理部门制定的检定周期为3-5年,各项设计应保证不出故障下连续工作6年以上.主要考虑电源,单节电池供电,采用2AH能俚电池,保证在20KG压力下正常开阀,保证6年以上的工作时间.
(6)    操作设计
  为使用户方便使用水表,设计液晶显示界面,显示用水信息,应有购水信息,已用水量信息,阀门状态,电池状态.为了节电液晶显示通常是关闭的,只有插卡后才显示,为避免意外事故影响用水,应该在系统不正常时有告警提示,除了液晶显示是提示外,关阀是更可以引起用户注意的方式.剩余水量不足,关阀提示,用户注意到后可以插入IC卡观察液晶显示判断阀门状态,同时阀门打开.电量不足关阀提示,用户注意到后可以插入IC卡观察液晶显示判断状态,同时阀门打开.
  IC卡的选择
  目前IC卡在连接方式上分有接触式和非接触式两种,非接触式卡操作时不用直接连,使用方便,但是存在功耗大,不是非常稳定等因数,接触式卡必须在水表上设计插槽,不如非接触式卡方便,而且插槽容易受损.但是,考虑到功耗与稳定性等因素,还是采用接触式卡.
  IC卡种类上主要有CPU卡,加密卡,存储卡,综合考虑成本,安全等因素,建议采用SLE4442加密卡,配以加密算法,保证数据安全.
4.研究方法步骤和措施
1.要想做好IC卡智能水表的设计,其硬件设计,软件设计
IC卡智能水表的电原理图
(1)主系统
按照上述设计方案,设计的主系统电原理图如图所示,由图可以看出,系统由这样的一些功能模块主成:微处理器.IC卡借口,流量检测接口,电磁阀控制接口及其他辅助电路.所以模块的设计均考虑了低功耗的要求,其中电磁阀的工作电压为6V,而其他部分工作电源电压为3V,系统时钟采用阻容方式,约为71KHZ..
(2)电源
水表的电源设计十分重要.按照上述方案,作为家用水表,采用交直流供电方式,电原理图如图所示
2.电路分析极其说明
   下面分析水表的电路设计思想.
1.    电源检测
电源电压检测电路的作用是:当电源电压下降到一定值时,产生一个有效的电平信号,通知CPU进行紧急掉电处理,本水表采用的是HOLTEK公司的HT7044A,监测电压为4.4V,这种电压监测电路为TO-92或SOT-89封装,体积小,功耗低(工作电流为4UA)输入电压范围宽(高达24V),非常适合水表等小型化嵌入式系统的应用,其工作曲线如图
当电源电压低于4.4V时,输出为低电平信号,,通过RB2使微处理器中断并进行应急处理,避免IC卡表出错或被袭击.
2.    电源稳压
本水表主系统的工作电压为3V,采用HOLTEK公司的HT1030B 3端稳压器的输入电
  压,交流电供电时的3端稳压采用78M06。两者通过2个开关二极管D6,D7(4148)切换。当完全采用直流供电时,交流部分可以取消。
  3.IC卡接口
     由于本系统使用24CXX系列IC卡,因此IC卡接口部分仅为串行时钟(SCL),串行数据(SDA),电源(VCC),地(GND),及IC卡插卡检测微动开关信号(SW)。为了确保卡的安全,IC卡的电源地是由单片机的口线RB7实现的。
  4 液晶显示器接口
      液晶显示器为专用定制,采用3线串行方式与微处理器接口,接插口为CZ3。其中:CE/为片选信号,WR/为显示数据写入控制信号,均为低电平有效;DATA为串行数据信号。主要显示内容有:当前剩余水量(1位小数),脉冲状态及阀门状态。由于口线的驱动能力有限,所以所有的液晶接口均通过小功率的三极管9014驱动。
  5 在系统编程(ISP)接口
     由于PIC16F84的程序驱动器采用FLASH EEPROM介质,因而具有在系统编程(ISP)
  能力。设置ISP接口的目的是:(1)单片机可直接焊接在系统板上,提高可靠性(2)方便水表程序的升级更新和维护等。主系统中的CZ2接口即用于在系统编程,其信号规范符合MICROCHIP公司关于PIC16F84的编程要求,通过专用编程器进行ISP。
   6 电磁阀驱动接口
     电磁阀F1用于送水,停止控制,是由单片机的RA2,RB0实现的。当RA2为低电平时,继电器J1线圈得电动作,电磁阀打开。当RB0为低电平时,双稳态电磁阀失电关闭。D3,D4为续流二级管。
2  IC卡智能水表的软件框架
     IC卡智能水表软件设计的关键是看门狗的初始化,进入睡眠极其唤醒等处理部分。从功能来看,由这样一些模块(包括IC卡有效性判断读写及IC卡的解密与加密),阀门控制模块,流量脉冲,用水量处理模块及显示模块等。

前言
智能IC卡水表一种根据用户IC卡购水量实现自动计量计费,自动控制用水的民用高科技产品,具有传统人工抄表收费式水表无法比拟的优越性。当前,淡水的匮乏是全人类共同关注的问题,智能水表的出现为城市,特别是严重缺水的城市提供了一种科学、有效的节水手段,文中介绍了该产品的核心技术——基于PLC单片机的智能IC卡水表的控制模式,电控系统的硬件电路构成、系统软件设计极其实际应用,该系统不但具有常规智能水表的自动计量计费,自动控制用水的功能,还可实现定额用水、超额加价的目的,借此可以对超额用水实行惩罚收费。
长期以来,自来水用户的用水量管理依靠人工抄表,然后又收费员到各家收费或各用户去银行或其他指定地点缴费。这种传统收取水费的做法需要的工作人员多,费时,费力效率低,常常出现用户欠缴,迟缴或漏缴等问题。
   为适应国家用水制度的改革,研究和利用现代化智能技术对自来水实行监控,减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力,减少每月抄表,收费带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷,用现代化科学技术手段改变自来水供水管理体制的落后现状,势在必行。
   IC卡水表系统的出现,从根本上解决了这个问题。不但实现了用水收费的电子化,而且还改变了先用水后缴费的不合理状况,使得供水部门能预先收取部分费用,有利于工业事业的发展。IC卡水表具有成本低,可靠性高,使用寿命长及安全性好等优点,可提高居民用水收费的管理水平,确保供水部门能及时收取水费。因此,IC卡水表成为相关科研单位关注的重点。具有很好的经济效益与社会效益。
 

目录
摘要…………………………………………………………………………
Abstract……………………………………………………………………..
第1章    概述……………………………………………………………… 1
第2章    系统的构成及发展趋势………………………………………… 5
  2.1智能IC卡水表的组成…………………………………………….. 5
  2.2 智能水表的发展趋势……………………………………………... 6
第3章    阀门的设计……………………………………………………… 8
  3.1考究的外型设计…………………………………………………… 8
  3.2操作设计…………………………………………………………… 9
  3.3阀门的开启系统…………………………………………………… 9
  3.4阀门的发展情况…………………………………………………… 9
第4章    IC卡的介绍…………………………………………………….. 11
  4.1 IC卡……………………………………………………………….. 11
  4.2主程序……………………………………………………………... 11
  4.3外部中断子程序…………………………….…………………….. 11
  4.4密码校验子程序…………………………………………………... 11
  4.5 IC卡信息纽扣………………………………….…………………. 12
  4.6 1-Wire通信协议与读写控制程序…………….………………….. 13
第5章    硬件电路的构成及设计…………………………………………14
  5.1 PLC单片机及电路组成……………………………………………14
  5.2掉电存储器…………………………………………………………16
  5.3 IC卡接口电路……………………………………………………...16
  5.4液晶显示电路………………………………………………………17
  5.5 时钟电路…………………………………………………………...17
5.6电压监测电路………………………………………………………17
5.7阀控电路……………………………………………………………18
5.8耗水检测电路………………………………………………………18
5.9智能卡水表控制器的发展情况……………………………………18
5.10其他………………………………………………………………..19
第6章    软件设计…………………………………………………………20
第7章    低功耗设计………………………………………………………37
  7.1 低功耗问题………………………………………………………...37
  7.2 IC卡能耗构成……………………………………………………...37
7.2.1选择低功耗电磁阀…………………………………………..37
7.2.2选择低功耗器件……………………………………………..38
7.2.3选择低的工作电压和低的工作频率……………………….38
7.2.4选择低功耗的系统运行模式………………………………..38
第8章    安全性问题……………………………………………………..40
  8.1 安全性…………………………………………………………….40
  8.2 安全性问题解决方案…………………………………………….40
8.2.1售水用IC卡(用户卡)的安全性………………………….40
8.2.2 表内信息的安全性…………………………………………..40
  8.2.2.1 IC卡的有效认证………………………………………...40
  8.2.2.2 防开表装置……………………………………………...40
  8.2.2.3 防人为磁干扰装置…………………………………….. 41
第9章 总结与体会……………………………………………………. 42
参考文献…………………………………………………………………43
致谢………………………………………………………………………44
附录………………………………………………………………………45

第1章 概述
随着社会的发展,各部门都在提高工作效率,但目前,供水部门的水费征收仍采用传统的方式,已经远远步能适应快节奏的现代生活,为解决水费征收效率低、群众意见大的实际情况情况,智能水表应运而生,本问介绍的IC卡预付费水表是以传统水表为母表,用单片机实现控制用水的新型仪表,该水表的单片机控制电路需在原水表的基础上重新设计控制盒并将其与水阀组装在一起,为了提高IC卡水表的精密性、可靠性、稳定性,在设计中采用了人性化的设计理念。该水表在降低功耗,提高使用寿命,降低成本的同时,不但能实现预付费,还能实现远程控制及信息的远程传输,在其开发研制过程中还针对目前国内一些IC卡水表存在的问题,优化其软件和硬件的设计,并采用了Microchip公司新推出的单片机PIC16F87,实现了水表的智能化,使该水表具有自动计数,、自动化供水断水,自动保存数据、自动告警、限制日用水量等功能。

1.1智能水表的行业发展状况

我国智能水表是在智能电表的基础上发展起来的。80年代初,我国辽宁省从国外引进了使用投币式预付费电度表,用户通过购买特制的硬币用电。但是不久供电部门就将耗费巨资安装的设备全部拆除了,因为有人用水冻成冰币投入币箱,即可免费用电,又不留任何偷电证据。虽然如此,鉴于预付费系统所具有的显而易见的优越性,国内一直没有停止开发。不久磁卡式问世,因为存在失磁的缺点,很快便被淘汰,直到90年代才有IC卡电表产生。随着IC卡电表的产生,IC卡水表也经一些厂家研究产生了。但那时的产品抽样合格率仅为31.8%。而据业内人士透露,即使合格的产品也存在着多种致命的技术隐患。
当时的IC卡卡座是那种卡口较宽的结构,用户可以通过破坏IC卡的卡口,造成死机、数据混乱、最终使计费系统瘫痪。同时当时使用IC卡密码容量业有限比较容易被破解,正是IC卡存在的这些缺点,北京供电局1998年12月8日曾召开过“IC卡电能表安装与否”为主题的研讨会,会上一些专家进行了IC卡表具遭攻击的情况演示,一些表具在受到人为的攻击后出现停止计数、功能瘫痪等现象。那次会议得出了对接触式IC卡表具的使用安全性持否定态度的结论。
当时,一方面很多厂家已认识到实现IC卡水表的预付费控制势在必行,但大家又都在担心接触式IC卡预付费水表容易受到攻击,于是代码付费水表被研制出来。也正是在98年前后一些智能水表企业诞生或完成转轨生产智能水表。但
由于当时智能水表的功耗、计量传感、阀门及高成本的问题并没有解决,整个行业还不规范,,还没有一个统一的标准。90年代末在黑龙江、山东、天津等地安装的智能水表大多由于上述原因而出现了各种问题,所以智能水表的推广曾一度受阻,各厂家受到不同程度的损失,但各个厂家对水表的研究仍是方兴未艾。
随着智能水表行业的发展,智能水表在多个城市得到应用。特别是到了2001年国家建设部发布了IC卡冷水水表的行业规范标准CJ/T133-2001;这个标准规范了智能水表的技术指标,为智能水表的发展和普及起到了重要的作用。2001年12月,银川市自来水抄表到户领导小组办公室和宁夏机电设备招标局首次对5万块IC卡智能水表进行了公开招标采购。此后哈尔滨、天津、杭州、南昌、广州等城市也都启动了自来水管网改造工程,使智能水表的应用在2002年达到了一个高潮。很多城市自来水改造工程采用的是居民交一部分、政府交一部分、供水企业负担一部分的模式进行,并取得了良好的效果。这些工程的启动也大大得推动了智能水表行业的发展。

1.    2智能水表技术的发展

随着智能水表行业的发展,智能水表的技术也在不断地发展成熟。智能水表系统包括IC卡水表及销售管理软件,这个系统主要由:IC卡水表、智能卡、读写器、销售管理软件组成。IC卡水表是整个软件的核心部件,它安装在用户的用水管路中,主要起用水计量、显示和控制的作用。IC卡主要功能是记录用户从银行或用水管理单位购买的水量信息,传给IC卡水表。读写器主要是完成IC卡的读写操作及与计算机的通信功能。销售管理软件是记录用户购水信息,完成计算机与读写器的通信功能的软件。智能水表一般由:电控板、基板、电控阀门、电池、液晶显示屏极其计量传感器等部件组成。它又可划分为:计量基表、控制器和电控阀三大部分。
1.智能卡在水表中的发展情况
智能卡作为智能水表中的信息传媒,决定了智能水表的数据传输形式,在智能水表技术中起重要作用。目前智能卡有磁卡、IC卡、RF卡及TM卡等。
磁卡:是通过磁条记录信息量的智能卡,由于受电源、潮湿、卡口等因数影响,磁卡技术一直没有应用于智能水表的收费控制中。
接触式IC卡:从其功能上分为三种,(1)存储器卡。(2)带加密逻辑存储器卡:内有安全逻辑的一种存储器卡(3)CPU智能卡:内有CPU(中央处理单元)的一种存储器卡。存储器卡采用存储器芯片作为卡芯,只有硬件组成,包括数据存储器和安全逻辑控制等;智能卡采用微处理器作为卡芯,由硬件和软件共同组成,包括硬件单片机(微处理器)、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、软件IC卡监控程序或操作系统COS(IC Card Operating System)等。存储器卡在技术上又可以分为两类,分别是普通存储器卡和逻辑机密存储器卡,作为普通存储器卡的卡芯芯片只含有数据存储器,通常称为存储卡;逻辑加密存储器卡则采用带有安全逻辑的芯片作为卡芯,可对数据存取进行密码保护,通常称为加密卡。
TM卡:实际上也是一种IC(集成电路)卡,只不过一般IC卡是五线卡或六线卡,并且是标准封装,而TM卡是一线卡,特殊封装方式。这种卡与设备直接接触,所以读写端一般是暴露的,比IC卡的卡口更容易遭到外界施加电压的干扰,因此说TM卡虽然携带方便(可以做成钥匙状),但其安全性能(数据安全和设备安全)要比IC卡产品安全性能更差。
RF卡:实际也是IC卡的一种,简称射频卡,是采用无线电波进行数据交换的,因此水表电子控制系统可以进行完全密封,防水性能最好。但是射频卡本身没有电池,需要设备首先产生电磁辐射,通过感应电为RF卡提供能源,待RF工作后,通过高频电波与设备交换信息,因此数据交换不可靠,抗外界干扰能力差,产品成本也较高。
在智能水表的发展中,最先在90年代初推出了接触式IC卡,那时的IC卡是加密性能较差的存储器卡,抗干扰能力较

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