毕业论文基于单片机的IC卡智能水表设计

基于单⽚机的IC卡智能⽔表设计摘要

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⾃动控制，减轻供⽔管理部门因“先供⽔后收费”造成的资⾦压⼒，减少每⽉抄表、收费所带来的⿇烦和因收费问题带来的纠纷，⽤现代科学技术⼿段改变⾃来⽔管理的落后现状，势在必⾏。基于单⽚机的IC智能⽔表不但可以提⾼供⽔部门的⼯作效率，⽽且在技术上为节约⽤⽔、合理⽤⽔创造了条件，由于这些特点，基于单⽚机的IC智能⽔表得到了越来越⼴泛的应⽤。

本论⽂主要设计研究基于单⽚机的IC卡智能⽔表电路，其主要功能是以ATC51单⽚机为核⼼，实现IC卡的读写，液晶显⽰的控制，电磁阀的控制，脉冲的提取，同时具有安全保护电路、记忆单元电路、通信接⼝电路，完成整个⽔表信号的读、写处理，监控⽔表⼯作的功能。本⽂对每个模块逐⼀进⾏了研究，全⾯详细地论述了硬件电路的设计流程，对本设计中⾮接触式IC卡读写电路模块、液晶显⽰电路模块和H6152读写电路模块等⼯作原理及功能进⾏了详细了说明。关键词：单⽚机；IC卡；液晶显⽰；记忆模块

Design of the Water Meter IC Card System Based OnSing-chipAbstract

In order to adapt the reform of the nation system of water supply,studying and making use of the modern intelligence

technique to realize the automatic supervision of the water supply,lightening the funds pressure because of“supply wate r firstbehind charge”of the department supplying water,reducing the trouble and dispute of copying the form and charging

monthly,using the modern science technique change the current administration structure of using water and water supplyindustry is imperative under the situation.The application of intelligent water meter not only improves work efficiency ofintelligent water meter not only improves work efficiency of the department supplying water and realizes using water

electronically but also creates a condition for using water frugally and rationally.Because of these charactetistics,intelligentwater meter obtained more and more widespread application.

In this paper, the main design based on single-chip pre-charges the IC card water meter system hardware circuit design, itsmain function is based on ATC51 single-chip microcomputer as the core, the realization of IC card reader, LCD displaycontrol, the control solenoid valve, pulse extraction, at the same time security protection circuit, memory cell circuit,communication interface circuit, the signal meter to

complete the reading, writing and processing, monitoring the work function of water meters. In this paper, one by one for eachmodule studied. Full detail of the hardware circuit design flow, for the design of the Central African contactless IC card readercircuit module, liquid crystal display circuit module and circuit module, such as reading and writing H6152 working principleand function are described in detail.

Key words: SCM; IC Card ; Liquid crystal display; Memory modules毕业设计（论⽂）原创性声明和使⽤授权说明原创性声明

本⼈郑重承诺：所呈交的毕业设计（论⽂），是我个⼈在指导教师的指导下进⾏的研究⼯作及取得的成果。尽我所知，除⽂中特别加以标注和致谢的地⽅外，不包含其他⼈或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历⽽使⽤过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个⼈或集体，均已在⽂中作了明确的说明并表⽰了谢意。作者签名：⽇期：指导教师签名：⽇期：使⽤授权说明

本⼈完全了解⼤学关于收集、保存、使⽤毕业设计（论⽂）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论⽂）的印刷本和电⼦版本；学校有权保存毕业设计（论⽂）的印刷本和电⼦版，并提供⽬录检索与阅览服务；学校可以采⽤影印、缩印、数字化或其它复制⼿段保存论⽂；在不以赢利为⽬的前提下，学校可以公布论⽂的部分或全部内容。作者签名：⽇期：学位论⽂原创性声明

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摘要.................................................................................................................................. I Abstract............................................................................................................................ II 第1章绪论............................................................................... 错误！未定义书签。1.1课题背景及意义 (1)1.2 传统⽔表 (2)

1.2.1 传统⽔表的主要结构 (2)1.2.2 传统⽔表的主要特点 (2)1.3 智能⽔表 (3)1.3.1 智能⽔表的特点 (3)

1.3.2 国内外智能⽔表的发展现状及发展趋势 (5)第2章智能⽔表的组成和单⽚机的选择 (7)2.1智能⽔表系统硬件组成 (7)2.2 ATC51单⽚机简介 (8)2.2.1 C51单⽚机的基本组成 (8)2.2.2 C51单⽚机引脚及其功能 (9)第3章系统各模块硬件电路设计 (11)3.1 IC卡读写电路 (11)3.1.1 Mifare 1射频IC卡 (11)3.1.2 H6152读写模块 (14)

3.1.3 IC卡读写电路的原理及说明 (15)3.2 液晶显⽰电路 (19)3.2.1 液晶显⽰模块 (19)3.2.2 电源模块 (21)3.2.3 单⽚机模块 (23)3.3 记忆单元电路 (23)3.3.1 I2C总线简介 (23)

3.3.2 AT24C01简介 (25)3.3.3 硬件原理图 (26)3.4 电磁阀控制电路 (27)3.5 其它模块电路 (27)第4章系统各模块软件设计 (29)4.1 IC卡读写软件设计 (29)4.1.1 H6152内部寄存器 (29)

4.1.2 H6152通信协议与控制命令 (31)4.1.3 IC卡读写电路程序流程图及部分程序 (36)4.2 液晶显⽰电路软件设计 (37)4.2.1液晶控制驱动器指令集 (37)4.2.2程序流程图及部分程序 (39)4.3 记忆单元电路软件设计 (40)第5章结论 (41)参考⽂献 (42)谢辞 (44)附录：电路图 (45)第1章绪论1.1课题背景及意义

随着社会科学技术的⾼速发展，资源短缺现象⽇益严重，尤其是与⼈类⽣存嘻嘻相关的⽔资源。⽔是宝贵的环境资源，也是我国可持续发展战略的重要物质基础。但是，我国是世界上⼈均⽔资源拥有量是分贫乏的国家之⼀，节约和保护⽔资源是我国当前⼀项是分重要的战略措施。节约⽔资源包括两个⽅⾯的措施，⼀是⼤⼒推⼴应⽤节⽔新技术；⼆是加强⽤⽔的科学管理，在某种意义上来说，加强⽤⽔科学管理是当前的⾸要任务。要加强⽤⽔的科学管理，最重要的是加速研究开发科学先进、应⽤⽅便的节⽔科学管理仪表以及这种仪表的普及应⽤。因此研制⼀种低功耗、计量精确⽅便的智能⽔表显得极为重要。

长期以来，我国城镇居民所使⽤的⽔表普遍是普通机械旋翼湿式⽔表，这种⽔表价格低廉，性能⽐较稳定，但是还采⽤⼈⼯抄表、按户收费的模式。此⽅式存在着⼯作量⼤，收费周期长，收费困难，效率低下等缺点。随着我国信息产业的飞速发展，⾦卡⼯程的全⾯实施，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，提⾼居民饮⽔质量；同事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坟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IBMPC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。1.2 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。1.2.1 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。1.2.2 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。1.3 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。1.3.1 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得⽐重很⼩，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是这种模式的成本不断增加。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，⼊户抄表和上⾯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。采⽤普遍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，这个跨越式很难完成的，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。

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。1.3.2 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⽅⾯的研究开发，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；⽽后者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。

1、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。2、智能卡式⽔表系统

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。第2章智能⽔表的组成和单⽚机的选择2.1智能⽔表系统硬件组成

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，组成框图如图2.1 所⽰。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，以ATC51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。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E2ROM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。

图2.1 硬件总体框图2.2 ATC51单⽚机简介2.2.1 C51单⽚机的基本组成

在⼀⼩块芯⽚上，集成了⼀个微型计算机的各个组成部分，即C51单⽚机芯⽚内包括：（1）⼀个8位的微处理器（CPU ）。

（2）⽚内256字节数据存储器RAM/SFR ，⽤以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显⽰的数据等。（3）⽚内4KB 程序存储器Flash ROM ，⽤以存放程序、⼀些原始数据和表格。（4）4个8位并⾏I/O 端⼝P0-P3,每个端⼝既可以⽤作输⼊，也可以⽤作输出。（5）两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数⽅式。（6）具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。IC

（7）⼀个全双⼯UART的串⾏I/O⼝，⽤于实现单⽚机之间或单⽚机与PC 机之间的串⾏通信。（8）⽚内振荡器和时钟产⽣电路，但⽯英晶体和微调电容需要外接。（9）具有节电⼯作⽅式，即休闲⽅式和掉电⽅式。以上各个部分通过⽚内⼋位数据总线相连接。2.2.2 C51单⽚机引脚及其功能

如图2.2所⽰为单⽚机ATC51的引脚图。

图2.2 单⽚机ATC51的引脚图

（1）XTAL1（19脚）：振荡器反相放⼤器的及内部时钟发⽣器的输⼊端。

（2）XTAL2（18脚）：振荡器反相放⼤器的输出端。

（3）RST（9脚）：复位输⼊，当振荡器⼯作时，RST引脚出现两个机器周期以上⾼电平将使单⽚机复位。

（4）P0⼝（39～32脚）：P0⼝是⼀个漏极开路的8位准双向I/O端⼝。作为漏极开路的输出端⼝，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0⼝作为输⼊⼝使⽤时，应先向⼝锁存器写⼊全1，此时P0⼝的全部引脚浮空，可作为⾼阻抗输⼊。

（5）P3⼝（10～17脚）：P3⼝是⼀组带有内部上拉电阻的8位双向I/O多功能⼝。P3⼝输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P3⼝写⼊“1”时，它们被内部上拉电阻拉⾼并可作为输⼊端⼝，此时，被外部拉低的P3⼝将⽤上拉电阻输出电流。当CPU不对P3⼝进⾏SFR寻址访问时，即⽤作第⼆功能输出/输⼊线时，由内部硬件使锁存器Q置1。

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处低电平10ms来完成。在芯⽚擦除操作中，代码陈列全被写“1”且在任何⾮空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执⾏。此外，ATC51设有稳态逻辑，⽀持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停⽌⼯作。但RAM，定时器，计数器，串⼝和中断系统仍在⼯作。在掉电模式下，保存RAM 的内容并且冻结振荡器，禁⽌所⽤其他芯⽚功能，直到下⼀个硬件复位为⽌。表2.1 P3⼝与第⼆功能表