摘要：本文介绍了一种基于低功耗芯片PIC16F84的IC卡智能水表的设计，文中给出了系统的硬件设计和软件设计。该IC卡水表具有低成本、低功耗、可靠性高等优点，可广泛应用于各城市供水系统。
关键字：PIC16F84，IC卡智能水表
1、引言
长期以来，自来水用户的用水量管理依靠人工抄表，然后由收费员到各家收费或各用户去银行交费。这种传统的收取水费的做法需要的工作人员多，费时、费力、效率低，常常出现用户欠费、迟缴或漏缴水费等问题。
采用IC卡智能水表后，可以改变自来水收费及管理的现状，达到下列管理目标：
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、及时地了解情况，为决策提供依据。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，起核心是IC卡水表。
2、硬件设计
IC卡计费水表主要由阀门、流量传感器、微处理器、IC卡读/写器、显示器及电源等组成，其硬件结构如图1所示。
图1 IC卡智能水表原理框图
1） 微处理器
为降低整个水表的功耗，微处理器选用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 级。另外，采用FLASH的串行存储芯片93C46作为数据存储器。93C46是一个串行的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计量的依据。
2） 阀门
对水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开/关状态。目前可控的阀门主要是电磁阀，但常规的电磁阀是靠电的通/断来控制阀门的开/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，必须对现有的电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门开/关由电脉冲来实现。使得对阀门开/关只需瞬时供电从而减少耗电量。
3） 流量传感器
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。考虑到现有的模拟式水表中，旋翼式水表结构简单，测量范围宽，灵敏度高，外形尺寸小，精确度已被广大用户所接受；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，而通过在叶轮上安装磁钢与微型干簧管等机构，将叶轮的旋转转换成电信号，以实现频率脉冲计数，进而实现水流量的计量。其耗电小，并保持了原有的结构简单、精确度高的优点。
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，读入所购水量并和水表内剩余水量累加，同时将卡上购水量单元清零；回写水表上用水量、剩余水量等信息，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，是它们停止工作，从而达到节电的目的。
6） 供电电源
本水表采用交/直两用电源。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。一旦停电，水表就由内部备用电池供电。
下图给出了智能水表主系统的原理图：
图二 系统原理图
3、软件设计
PIC16F84是Microchip公司的产品，具有低电压、低功耗、高速度、指令少、可反复擦写等优点，但是采用汇编语言的可移植性较差，故本系统采用可移植性较好的C语言编程。
IC卡智能水表软件设计的关键是看门狗的初始化、进入睡眠及其唤醒等处理部分。从功能来看，有这样一些模块：IC卡接口模块（包括IC卡有效性判断及读/写IC卡）、阀门控制模块、流量脉冲、用水量处理模块及显示模块等。其框架如图三。
图三 流程框图
4、结束语
此模块硬件电路采用模块化的设计方法，可根据实际需要扩展系统的控制功能，目前该模块在实验室试验性能良好，有待于进一步应用于市场开发。
又一篇：）
智能水表的心脏阀门结构和试验方法（转，部分）
慧聪网 2005年1月24日11时1分 信息来源：华立仪表集团股份有限公司
智能水表开发至现在已经有近8年的时间。8年时间在市场上投入使用的智能水表出现一些质量、技术问题。这些问题最终集中在执行器上。开发商对执行器多多少少都做过基本功能的实验，来验证其功能在实际使用中的可靠性。为什么经过验证的执行器在用户正式的使用中会出现意想不到的问题呢？我以为有设计结构、试验方法、试验环境上的综合问题。以下就执行器的综合性问题阐述我个人的观点。
一、 设计结构
1. 执行器工作的基本原理
目前市场上执行器的种类包括：电磁先导阀、电机先导阀、电机球阀、平面叠阀。
电磁先导阀的工作原理：电磁阀开启时，对阀封压力腔进行泄压，管道内的水压将阀封推开，智能水表就正常工作；电磁阀关闭时，即关闭了泄压腔的孔，此时在阀封上的腔内的水压迅速上升，直至将阀封压住阀口，关闭了出水口。
电机先导阀是采用减速机构，为了解决运动件的密封问题，运动杆采用了磁驱动原理操纵泄压孔的开启与关闭，从而达到阀封的开与关。它与电磁先导阀原理相像，只是时间和反应速度比电磁先导阀慢。出现的问题与电磁先导阀是一样的。
电机球阀工作原理：由减速机构将电机的转速减慢，将扭矩加大用以推动球阀进行旋转，达到开启与关闭的功能。对于球阀本身的制造工艺要求比较高，球阀的旋转力度要有一个很标准的参数，即旋转球阀必须控制在一组工艺参数的范围内。并且，驱动球运转杆的密封也是一个关键，其中采用的基本是O型橡胶圈进行密封，所以，橡胶圈过于紧将增加扭矩，过于松将会导致密封不严而泄漏。
平面叠阀工作原理：由减速机构将电机的转速减慢，将扭距加大用以推动平面叠阀进行旋转，达到开启与关闭的功能。密封性是由水压上片来保证。平面叠阀对阀片的摩擦平面的平面度和光洁度要求相当的高，而且对于采用的材料要求也有很高的要求。为了解决这些问题，平面叠阀下叠片采用了陶瓷基材，上片采用了其它强度高的耐磨损材料，完全按化工机械密封的原理制造与加工，既保证了合理的接触面，又保证了最小的摩擦系数。
2. 结构分析
电磁先导阀和电机先导阀在自来水管道实际使用中，已经出现了由于长时间水质问题导致先导孔的堵塞、泄压阀杆吸附铁质微粒造成阀杆被卡死等问题，通过市场的使用与反馈的信息，开发商已经了解到这种结构的执行器不适宜我国水司目前的水质使用。由此，开发商又转向了球阀和平面叠阀。现在使用球阀的更多一点。以下对球阀、平面叠阀的结构进行综合分析：
电机球阀：在球阀的结构上，提高工艺水平，将球阀的扭矩控制在一个不会泄漏又在一定的扭矩参数范围。这一项工艺要求包含两个方面的要求，第一，球阀与密封压紧圈之间的松紧程度，既要保持在一定压力下关闭时不会泄漏；又要在外作用力下旋转所使用的扭矩在一个参数范围。这个参数值应：
F>f1+f2+f3+
式中：F——电机驱动减速机构输出的扭矩力；
f1——球旋转的扭矩力；
f2——旋转杆橡胶密封的扭矩力；
f3——管道动态水压对球阀的作用力；
目前市场电机球阀的开关时间从：8秒至14秒有几种，其中对8秒左右结构的电机球阀和14秒左右的电机球阀进行过试验。试验的环境为1.0MPa，供电方式是电池直接供给。试验用的是新电池。试验的结果：
8秒电机球阀在0.6MPa的动态环境关阀很困难，有时甚至关不上；
14秒电机球阀在1.0MPa的动态环境关阀比较正常，没有出现关阀失误现象。
根据两种试验的结果，我们可以看出，扭矩对球阀是很重要的。我们假设：电机是相同的参数，那么如果8秒时间的比速是1，则14秒时间的比速则是1.75。所以，电机球阀的关键是减速机构的比速大小问题，但是前面说的几个工艺问题也是很重要的。
平面叠阀：在机械密封结构的基础上发展起来的一种阀门。阀门的特点是水平式的，流向是上进下出，因此阀门关闭时水的压力对上阀片是起很大作用的，压力越高密封性能越好。工作时阀片是作平面旋转运动，需要克服的是阀片之间的摩擦系数，而水压对它的影响没有球阀那样大。但要克服上叠片在水压强下的摩擦力。叠片之间得摩擦力通过实际试验，几孚没有增加多少的力。试验是在同一只水表上进行并按下列方法：
⑴将电流表串接在开关电路内，操纵开阀、关阀开关进行控制；
⑵IC卡水表安装在105m扬程的水泵管路中，水表接口前接压力表和三通安装阀门用以调节管路供水的压力；
⑶开启水泵将压力调整在1.0MPa左右时，对阀门进行开关的运行试验；
⑷通过调整阀门将压力逐步调整至1.5MPa。
试验是在动态环境中进行，与实际使用工矿完全一致，在水压1.0MPa时所需要的电流是：关阀起步50mA，当将要关闭时，电流突然上升至110mA左右；开阀时电流：开阀起步时电流110mA左右，当阀门一开启电流迅速下降至50mA。
在水压1.5MPa时所需要的电流是：关阀起步55mA，当将要关闭时，电流突然上升至120mA左右；开阀时电流：开阀起步时电流120mA左右，当阀门开启水从表内流出电流迅速下降至55mA。
从试验结果看到，水压对叠片阀的影响是很小的，反应在电流上的变化也就是5mA至10mA。水压从1.0MPa升至1.5MPa增加了50％；电流从50mA升至55mA和从110mA升至120mA左右，增加了10％左右，因此，在叠片阀中水压升高对阀门开启的力影响是比较小的，关系是1：5。当然这必须是在特定的材料与摩擦系数的基础上。
平面叠阀的减速机构开关时间为8秒和14秒。对两种时间的阀门进行了试验，试验环境为1.0MPa，供电方式是电池直供给。试验用的是新电池。试验结果：
8秒平面叠阀在1.0MPa的动态环境开关正常；
14秒平面叠阀在1.5MPa的动态环境开关正常。
3. 小结
