1引言
智能IC卡水表是一種集計(jì)量功能及控制功能為一體的水量計(jì)量裝置，是一種利用現(xiàn)代微電于技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、IC卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并能進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。該水表的研發(fā)從根本上改變了自來(lái)水公司傳統(tǒng)工作方式，形成了買(mǎi)卡用水的服務(wù)模式。為避免水費(fèi)流失、降低自來(lái)水公司經(jīng)營(yíng)成本提供了先進(jìn)的管理手段。解決了長(zhǎng)期困擾供水行業(yè)的水費(fèi)拖欠問(wèn)題，更重要的是使公民的用水觀念和供水部部門(mén) 的管理方式發(fā)生了根本改變。本文介紹了基于AT90S8515單片機(jī)為核心的智能IC卡水表的流量計(jì)量原理，闡述了該系統(tǒng)的組成、控制模式、軟硬件設(shè)計(jì)及其優(yōu)點(diǎn)。
2新型智能IC卡水表的功能要求
(1)讀卡、寫(xiě)卡功能： 由售水部門(mén)的讀／寫(xiě)卡端口把用戶的購(gòu)水信息（購(gòu)水量、金額、發(fā)生日期等）寫(xiě)入IC卡再由IC卡水表的讀卡端口將把所需信息讀入內(nèi)存，用于控制水表系統(tǒng)的動(dòng)作。掉電不丟失信息。
(2)信息顯示功能：要求液晶顯示器能顯示累積用水量，實(shí)時(shí)顯示表中閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可實(shí)時(shí)顯示表的工作狀態(tài)是否正常（是否為非法操作）；是否需要更換電池；是否在“插卡狀態(tài)”；是否應(yīng)該“拔卡”等。采用液晶屏顯示水量，單位編號(hào)。
(3)用水監(jiān)測(cè)功能：實(shí)現(xiàn)定量供水，，超額改變計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)供水?dāng)嗨?、自?dòng)保存數(shù)據(jù)等。
(4)錯(cuò)務(wù)操作保護(hù)功能：要求系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別諸如打開(kāi)電池盒或?qū)C(jī)內(nèi)硬件隨意改動(dòng)等“非法操作”。一發(fā)現(xiàn)“非法操作” 單片機(jī)即發(fā)出關(guān)閥信號(hào)并在液晶顯示器上顯示“ 非法操作”。
(5)對(duì)閥門(mén)的控制功能：在正常工作時(shí)閥門(mén)開(kāi)啟，當(dāng)金額不足或需要更換電池時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉并報(bào)警提示用戶；“非法操作”時(shí)．閥門(mén)關(guān)閉。
3智能IC卡水表總體方案
(1)水表系統(tǒng)的組成及工作原理
IC卡水表系統(tǒng)主要由閥門(mén)、流量傳感器、單片機(jī)、IC卡讀寫(xiě)器、顯示器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電池等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(2) 以單片機(jī)為核心的電子電路接收到流量傳感器送來(lái)的脈沖信號(hào)后，，進(jìn)行運(yùn)算和處理， 然后顯示所需信息。
(3)由單片機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必要時(shí)關(guān)畢閥門(mén)。
(4)只要在插卡器中插入IC卡，單片機(jī)即執(zhí)行讀／寫(xiě)卡操作，并根據(jù)卡中的信息內(nèi)容進(jìn)行不同的處理，并命令閥門(mén)處于某種狀態(tài)(開(kāi)或關(guān))。同時(shí)使顯示器做出相關(guān)的顯示。
(2)系統(tǒng)的控制及單片機(jī)的應(yīng)用
水表系統(tǒng)的硬件控制原理如圖2所示，主要包括單片機(jī)、掉電檢測(cè)電路、脈沖采樣電路、存儲(chǔ)器、IC卡接口、閥門(mén)控制電路、顯示電路和電源電路等。
(1)水表的計(jì)量特性
水表是一種積算流過(guò)管道內(nèi)水的體積的儀表，它直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)口徑管道上，借助于水流動(dòng)能進(jìn)行]二作。水表與渦輪流量計(jì)同屬速度式葉輪儀表，利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量葉輪的總轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)反映流體總水量的大小。IC卡水表采用感應(yīng)式渦 輪流量計(jì)，它的變送器部分是將嵌有永磁材料的渦輪測(cè)量頭插入被測(cè)管道的特定位置， 當(dāng)渦輪在水流作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)交替接近或遠(yuǎn)離安裝在表殼上的霍爾傳感器，產(chǎn)生周期性的電脈沖信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)此電脈沖信號(hào)采集計(jì)數(shù)，再經(jīng)一定的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)水量的累積計(jì)量。由于流量采樣直接取自機(jī)械計(jì)數(shù)器，所以IC卡水表的計(jì)量準(zhǔn)確度實(shí)際上由冷水水表決定。
水表在無(wú)阻力條件下，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度W與流量Q成線性關(guān)系：
式中：R渦輪葉片平均半徑；A管道流通面積；θ渦輪葉片與軸線夾角；q始動(dòng)流量，通過(guò)標(biāo)定獲得。
只要檢測(cè)出渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度W就可得到流量Q值；對(duì)流量Q進(jìn)行累積，就可得到總水量。渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)是通過(guò)霍爾元件輸出的電脈沖數(shù)確定的，假設(shè)渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)為N，則：
￡是無(wú)阻力矩的情況下得到的理論儀表系數(shù)。在理想狀態(tài)下，對(duì)于一個(gè)特定的渦輪，￡是一個(gè)常數(shù)，轉(zhuǎn)數(shù)N不隨流量Q的變化而變化。但是，智能IC卡水表在利用霍爾傳感器將轉(zhuǎn)數(shù)變換成電脈沖時(shí)，傳感器的輸出轉(zhuǎn)數(shù)N與實(shí)際的流量Q之間并不能保持簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，即渦輪每轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)，流過(guò)的水量并不是完全相同的，而是與流速有一定的關(guān)系，這是由于渦輪本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和具體結(jié)構(gòu)上的差異以及磨損、泄漏等因素造成的。
眾所周知，在設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x器時(shí)，希望被測(cè)量與儀器輸出信號(hào)之間呈線形關(guān)系，以確保整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)有相同的儀表系數(shù)。但是，對(duì)于理想狀態(tài)下具有線性刻度特性的流量計(jì)，在實(shí)際情況下，由于各種因素的影響，使流量計(jì)的實(shí)際特性偏離其理論上的線性特性，所以設(shè)計(jì)者只能通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)與線性逼近去減小線性誤差。線性度是指具有線性刻度特性的流量計(jì)的校準(zhǔn)曲線對(duì)一條理論上的直線的吻合程度。校準(zhǔn)曲線與這一條理論線之間的最大偏差稱(chēng)為線性度誤差。
長(zhǎng)期以來(lái)，供水管理部門(mén)和水表制造廠家一直為提高水表微水流下的靈敏度和降低始動(dòng)流量而努力。問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是葉輪旋轉(zhuǎn)就需要間隙，有間隙就會(huì)有漏泄。所以只能確保各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，盡可能地減小漏泄水流，降低始動(dòng)流量，可以從以下幾個(gè)方面去考慮：
①降低轉(zhuǎn)動(dòng)體的質(zhì)量及其慣量矩；
②采用優(yōu)質(zhì)低摩擦軸承；
③減少葉輪與輪盒間隙，從而減少泄漏；
④設(shè)置阻抑件，迫使漏泄水進(jìn)入輪葉間，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力；
⑤從軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行補(bǔ)償。
(2)智能IC卡水表軟件設(shè)計(jì)
AT90S單片機(jī)是美國(guó)Atmel公司近年來(lái)推出的新型單片機(jī)，它采用先進(jìn)的RISC技術(shù)，具有低功耗、低價(jià)格、高性能、全靜態(tài)、易使用等特點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件采用AT90S系列的C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，它與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言兼容程度高，開(kāi)發(fā)調(diào)試的集成環(huán)境和人機(jī)界面良好。主程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖4所示。
主程序主要用于系統(tǒng)初始化，判斷是否符合用水條件。經(jīng)比較、判斷后，才執(zhí)行相應(yīng)的開(kāi)啟、關(guān)斷、顯示等功能。
②三個(gè)外部中斷子程序
第一個(gè)外部中斷子程序是由插卡動(dòng)作觸發(fā)。這個(gè)中斷服務(wù)程序包括IC片密碼的認(rèn)證、卡中可用水量的讀入及不同條件下相應(yīng)的處理；第二個(gè)外部中斷子程序是用于耗水檢測(cè)。水表葉輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)柵格，就觸發(fā)一次中斷，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)，從而可進(jìn)行耗水量的計(jì)算；第三個(gè)掉電中斷程序是CPU在檢測(cè)到電池失壓后， 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電平跳變，觸發(fā)中斷并報(bào)警提示， 聞?dòng)嵑箨P(guān)閉單片機(jī)。同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到flash中。保證下次 電復(fù)位后安全讀出。
③其它功能子程序
其它功能子程序包括電源監(jiān)控子程序、聲音報(bào)警子程序、LCD液晶顯示予程序等。每個(gè)子程序模塊都負(fù)責(zé)一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。
5結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的以AT90S8515單片機(jī)為核心的表閥一體化IC卡智能水表。硬件上都采用了低壓、低頻、靜態(tài)低功耗器件，具有體積小、功耗低、計(jì)量準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)、使用安裝方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)。它的使用為供水管理部門(mén)進(jìn)一步提高服務(wù)水平提供了硬件保證。
參考文獻(xiàn)：
[1]蘇彥勛，范砧．液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[M]、北京：中國(guó)計(jì)量出版社．1994．
第一作者簡(jiǎn)介：汪建新，男，1962年生，內(nèi)蒙古包頭人，博士研究生。教授。研究領(lǐng)域：機(jī)械工程及機(jī)電一體化技術(shù)。已發(fā)表論文3O余篇。
智能IC卡水表是一種集計(jì)量功能及控制功能為一體的水量計(jì)量裝置，是一種利用現(xiàn)代微電于技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、IC卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并能進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。該水表的研發(fā)從根本上改變了自來(lái)水公司傳統(tǒng)工作方式，形成了買(mǎi)卡用水的服務(wù)模式。為避免水費(fèi)流失、降低自來(lái)水公司經(jīng)營(yíng)成本提供了先進(jìn)的管理手段。解決了長(zhǎng)期困擾供水行業(yè)的水費(fèi)拖欠問(wèn)題，更重要的是使公民的用水觀念和供水部部門(mén) 的管理方式發(fā)生了根本改變。本文介紹了基于AT90S8515單片機(jī)為核心的智能IC卡水表的流量計(jì)量原理，闡述了該系統(tǒng)的組成、控制模式、軟硬件設(shè)計(jì)及其優(yōu)點(diǎn)。
2新型智能IC卡水表的功能要求
(1)讀卡、寫(xiě)卡功能： 由售水部門(mén)的讀／寫(xiě)卡端口把用戶的購(gòu)水信息（購(gòu)水量、金額、發(fā)生日期等）寫(xiě)入IC卡再由IC卡水表的讀卡端口將把所需信息讀入內(nèi)存，用于控制水表系統(tǒng)的動(dòng)作。掉電不丟失信息。
(2)信息顯示功能：要求液晶顯示器能顯示累積用水量，實(shí)時(shí)顯示表中閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可實(shí)時(shí)顯示表的工作狀態(tài)是否正常（是否為非法操作）；是否需要更換電池；是否在“插卡狀態(tài)”；是否應(yīng)該“拔卡”等。采用液晶屏顯示水量，單位編號(hào)。
(3)用水監(jiān)測(cè)功能：實(shí)現(xiàn)定量供水，，超額改變計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)供水?dāng)嗨?、自?dòng)保存數(shù)據(jù)等。
(4)錯(cuò)務(wù)操作保護(hù)功能：要求系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別諸如打開(kāi)電池盒或?qū)C(jī)內(nèi)硬件隨意改動(dòng)等“非法操作”。一發(fā)現(xiàn)“非法操作” 單片機(jī)即發(fā)出關(guān)閥信號(hào)并在液晶顯示器上顯示“ 非法操作”。
(5)對(duì)閥門(mén)的控制功能：在正常工作時(shí)閥門(mén)開(kāi)啟，當(dāng)金額不足或需要更換電池時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉并報(bào)警提示用戶；“非法操作”時(shí)．閥門(mén)關(guān)閉。
3智能IC卡水表總體方案
(1)水表系統(tǒng)的組成及工作原理
IC卡水表系統(tǒng)主要由閥門(mén)、流量傳感器、單片機(jī)、IC卡讀寫(xiě)器、顯示器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電池等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(2) 以單片機(jī)為核心的電子電路接收到流量傳感器送來(lái)的脈沖信號(hào)后，，進(jìn)行運(yùn)算和處理， 然后顯示所需信息。
(3)由單片機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必要時(shí)關(guān)畢閥門(mén)。
(4)只要在插卡器中插入IC卡，單片機(jī)即執(zhí)行讀／寫(xiě)卡操作，并根據(jù)卡中的信息內(nèi)容進(jìn)行不同的處理，并命令閥門(mén)處于某種狀態(tài)(開(kāi)或關(guān))。同時(shí)使顯示器做出相關(guān)的顯示。
(2)系統(tǒng)的控制及單片機(jī)的應(yīng)用
水表系統(tǒng)的硬件控制原理如圖2所示，主要包括單片機(jī)、掉電檢測(cè)電路、脈沖采樣電路、存儲(chǔ)器、IC卡接口、閥門(mén)控制電路、顯示電路和電源電路等。
(1)水表的計(jì)量特性
水表是一種積算流過(guò)管道內(nèi)水的體積的儀表，它直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)口徑管道上，借助于水流動(dòng)能進(jìn)行]二作。水表與渦輪流量計(jì)同屬速度式葉輪儀表，利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量葉輪的總轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)反映流體總水量的大小。IC卡水表采用感應(yīng)式渦 輪流量計(jì)，它的變送器部分是將嵌有永磁材料的渦輪測(cè)量頭插入被測(cè)管道的特定位置， 當(dāng)渦輪在水流作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)交替接近或遠(yuǎn)離安裝在表殼上的霍爾傳感器，產(chǎn)生周期性的電脈沖信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)此電脈沖信號(hào)采集計(jì)數(shù)，再經(jīng)一定的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)水量的累積計(jì)量。由于流量采樣直接取自機(jī)械計(jì)數(shù)器，所以IC卡水表的計(jì)量準(zhǔn)確度實(shí)際上由冷水水表決定。
水表在無(wú)阻力條件下，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度W與流量Q成線性關(guān)系：
式中：R渦輪葉片平均半徑；A管道流通面積；θ渦輪葉片與軸線夾角；q始動(dòng)流量，通過(guò)標(biāo)定獲得。
只要檢測(cè)出渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度W就可得到流量Q值；對(duì)流量Q進(jìn)行累積，就可得到總水量。渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)是通過(guò)霍爾元件輸出的電脈沖數(shù)確定的，假設(shè)渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)為N，則：
￡是無(wú)阻力矩的情況下得到的理論儀表系數(shù)。在理想狀態(tài)下，對(duì)于一個(gè)特定的渦輪，￡是一個(gè)常數(shù)，轉(zhuǎn)數(shù)N不隨流量Q的變化而變化。但是，智能IC卡水表在利用霍爾傳感器將轉(zhuǎn)數(shù)變換成電脈沖時(shí)，傳感器的輸出轉(zhuǎn)數(shù)N與實(shí)際的流量Q之間并不能保持簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，即渦輪每轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)，流過(guò)的水量并不是完全相同的，而是與流速有一定的關(guān)系，這是由于渦輪本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和具體結(jié)構(gòu)上的差異以及磨損、泄漏等因素造成的。
眾所周知，在設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x器時(shí)，希望被測(cè)量與儀器輸出信號(hào)之間呈線形關(guān)系，以確保整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)有相同的儀表系數(shù)。但是，對(duì)于理想狀態(tài)下具有線性刻度特性的流量計(jì)，在實(shí)際情況下，由于各種因素的影響，使流量計(jì)的實(shí)際特性偏離其理論上的線性特性，所以設(shè)計(jì)者只能通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)與線性逼近去減小線性誤差。線性度是指具有線性刻度特性的流量計(jì)的校準(zhǔn)曲線對(duì)一條理論上的直線的吻合程度。校準(zhǔn)曲線與這一條理論線之間的最大偏差稱(chēng)為線性度誤差。
長(zhǎng)期以來(lái)，供水管理部門(mén)和水表制造廠家一直為提高水表微水流下的靈敏度和降低始動(dòng)流量而努力。問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是葉輪旋轉(zhuǎn)就需要間隙，有間隙就會(huì)有漏泄。所以只能確保各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，盡可能地減小漏泄水流，降低始動(dòng)流量，可以從以下幾個(gè)方面去考慮：
①降低轉(zhuǎn)動(dòng)體的質(zhì)量及其慣量矩；
②采用優(yōu)質(zhì)低摩擦軸承；
③減少葉輪與輪盒間隙，從而減少泄漏；
④設(shè)置阻抑件，迫使漏泄水進(jìn)入輪葉間，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力；
⑤從軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行補(bǔ)償。
(2)智能IC卡水表軟件設(shè)計(jì)
AT90S單片機(jī)是美國(guó)Atmel公司近年來(lái)推出的新型單片機(jī)，它采用先進(jìn)的RISC技術(shù)，具有低功耗、低價(jià)格、高性能、全靜態(tài)、易使用等特點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件采用AT90S系列的C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，它與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言兼容程度高，開(kāi)發(fā)調(diào)試的集成環(huán)境和人機(jī)界面良好。主程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖4所示。
主程序主要用于系統(tǒng)初始化，判斷是否符合用水條件。經(jīng)比較、判斷后，才執(zhí)行相應(yīng)的開(kāi)啟、關(guān)斷、顯示等功能。
②三個(gè)外部中斷子程序
第一個(gè)外部中斷子程序是由插卡動(dòng)作觸發(fā)。這個(gè)中斷服務(wù)程序包括IC片密碼的認(rèn)證、卡中可用水量的讀入及不同條件下相應(yīng)的處理；第二個(gè)外部中斷子程序是用于耗水檢測(cè)。水表葉輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)柵格，就觸發(fā)一次中斷，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)，從而可進(jìn)行耗水量的計(jì)算；第三個(gè)掉電中斷程序是CPU在檢測(cè)到電池失壓后， 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電平跳變，觸發(fā)中斷并報(bào)警提示， 聞?dòng)嵑箨P(guān)閉單片機(jī)。同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到flash中。保證下次 電復(fù)位后安全讀出。
③其它功能子程序
其它功能子程序包括電源監(jiān)控子程序、聲音報(bào)警子程序、LCD液晶顯示予程序等。每個(gè)子程序模塊都負(fù)責(zé)一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。
5結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的以AT90S8515單片機(jī)為核心的表閥一體化IC卡智能水表。硬件上都采用了低壓、低頻、靜態(tài)低功耗器件，具有體積小、功耗低、計(jì)量準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)、使用安裝方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)。它的使用為供水管理部門(mén)進(jìn)一步提高服務(wù)水平提供了硬件保證。
參考文獻(xiàn)：
[1]蘇彥勛，范砧．液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[M]、北京：中國(guó)計(jì)量出版社．1994．
第一作者簡(jiǎn)介：汪建新，男，1962年生，內(nèi)蒙古包頭人，博士研究生。教授。研究領(lǐng)域：機(jī)械工程及機(jī)電一體化技術(shù)。已發(fā)表論文3O余篇。
