雙電源智能型IC卡水表的研制

摘要：簡單介紹了IC卡水表的測控電路組成及程序設(shè)計框圖，并分析了自行設(shè)計的“采樣%26;amp;供電模塊”的工作原理及采用雙電源的必要性。首次提出了對IC卡水表的閥門進(jìn)行模糊控制的思想及控制方案，使IC卡水表具有了真正意義上的智能特性。實(shí)踐證明，該模糊控制方案可有效地解決IC卡水表使用壽命的“閥門瓶頸”問題。 關(guān)鍵詞：智能型IC卡水表 閥門瓶頸 雙電源 模糊控制 在我國，IC卡水表大約出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代初期，經(jīng)過10多年的快速發(fā)展已漸趨成熟。尤其是近幾年，隨著設(shè)計水平的提高及生產(chǎn)的規(guī)?；诟鞔笾谐鞘兄械玫搅嗽絹碓蕉嗟氖褂?。 IC卡水表是集測控于一身的機(jī)電一體化產(chǎn)品，除了具備一般儀表所需的基本功能，還有其自身的特點(diǎn)。例如，對其必須采取防水防潮措施；再如IC卡水表必須具備低成本、低功耗、小外形及高精度的特點(diǎn)，即IC卡水表的四要素。在設(shè)計過程中必須基于此四要素進(jìn)行設(shè)計，方能滿足產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用要求。1 IC卡水表的測控電路組成及軟件設(shè)計 1.1 IC卡水表的測控電路組成 測控電路組成框圖見圖1?？紤]到低成本的要求，本系統(tǒng)主要芯片采用AT89C2051-12PI、PCF8564及AT24C01等。 其基本工作原理為：采用事件觸發(fā)機(jī)制，即通常不上電，因此耗電只是PCF8563的休眠狀態(tài)消耗，約250nA左右[1]。彩三類事件觸發(fā)方式，即干簧管吸合時發(fā)生的“計數(shù)事件"、進(jìn)行卡操作時發(fā)生的“插卡事件”及預(yù)置于日歷時鐘芯片的定時醒鬧時發(fā)生的“定時事件”。當(dāng)發(fā)生此三類事件時，測控電路自行上電，按預(yù)置的工作過程進(jìn)行處理，結(jié)束后自行斷電。根據(jù)居民的用水情況，需要測控電路工作的時間一般每日約0.3秒～1分鐘不等。考慮到低功耗要求，采用事件觸發(fā)機(jī)制是科學(xué)合理的。有些設(shè)計采用液晶長期顯示方式，雖然理論計算壽命時功耗要求能夠得到滿足，但根據(jù)我國的實(shí)際運(yùn)作情況，無進(jìn)行長期顯示的必要，顯然此設(shè)計方式不足取，除非電池特性要求如此，如采用鋰亞硫酰氯電池時。 1.2 軟件設(shè)計 基本的軟件功能框圖見圖2。依上述三類事件的工作，要求測控板啟動工作工作狀態(tài)，幫程序首先判斷是哪類事件發(fā)生并細(xì)化類型后分別處理。例如卡操作事件情況下，再次判斷是何種功能卡要求操作等。 由于小型化及低成本的要求，程序未采用冗余量較大的C語言，而采用匯編語言進(jìn)行編制，使程序代碼控制在2K字節(jié)[2]之內(nèi)，故可選用小外形及低成本的單片機(jī)。 個別大中型城市推出了梯級水價，梯級水價的計算在日歷時鐘芯片及存儲器芯片的基礎(chǔ)上主要由軟件完成。在現(xiàn)有國情下，真正的大面積執(zhí)行尚需時日。在執(zhí)行梯級水價導(dǎo)致軟件量增加時，可選用AT89C4051-12PI及AT24C16甚或AT24C256等芯片滿足要求，菘它所有硬件設(shè)計均可不作更改。 2 采樣%26;amp;供電模塊的工作原理 采樣%26;amp;供電模塊電路原理圖如圖3所示。在圖3中，Q1及Q2組成開關(guān)電路，控制測控板的上電及掉電。當(dāng)用水使GHG1吸合即發(fā)生采樣事件時，則開始C1的充電過程，充電電流使開關(guān)組導(dǎo)通上電，完成采樣計數(shù)功能。當(dāng)繼續(xù)用水使GHG2吸合時便使C1放電，以便下一次的采樣事件發(fā)生時有效。如此設(shè)計可防止由于水壓不穩(wěn)定所致的GHG1的頻繁吸放而誤計。C1的另外一個作用是：即便GHG1長期吸合也可保持測控板處于失電狀態(tài)，保證低功耗性能。C4的作用是抑制GHG1的機(jī)械抖動對計數(shù)的影響。C2的作用是在C1充滿電而尚未放電期間遭到磁攻擊時提供另一路觸發(fā)脈沖，使測控板上電以便進(jìn)行關(guān)閉閥門、記錄磁攻擊時間及次數(shù)等工作。經(jīng)上述分析可見，C1、C2應(yīng)盡量選用漏電流小的電容，以便提高模塊的工作性能。3 雙電源設(shè)計 所謂雙電源，即測控電路及閥門驅(qū)動各使用一組電池。經(jīng)觀察大量的實(shí)際測控板的電壓波形發(fā)現(xiàn)，單電源供電情況下，在電機(jī)啟動瞬間有時會出現(xiàn)電壓下跳現(xiàn)象，一般達(dá)到1.5V100ms的程序，尤其是電池電量不太充足時更易發(fā)生。由于采用浮動電壓工作方式，雖然有時系統(tǒng)仍正常工作，但此脈沖形式的干擾輸入對控制系統(tǒng)的影響是不言而喻的。這不僅影響單片機(jī)及其它芯片的工作穩(wěn)定性，而且將對電池造成嚴(yán)重?fù)p傷。電池電量充足時不易發(fā)生此類問題，大量安裝使用幾年后此問題將帶來較嚴(yán)重的后果。 已有一些代表性廠家采用了雙電源設(shè)計，但采取共地設(shè)計。這不僅很難徹底解決上述問題，甚至可能因兩組電池電壓不同步而導(dǎo)致危險情況發(fā)生。采取光耦隔離后測試，測控板電壓在電機(jī)驅(qū)動時只有微小波紋疊加，即便電池電量不充足，也絕無電壓跳變現(xiàn)象發(fā)生，保證了測控板工作的長期穩(wěn)定性。雖然增加了材料成本，但降低了售后服務(wù)成本，提高了企業(yè)信譽(yù)度，總體效益是令人滿意的。 4 閥門模糊控制器設(shè)計 4.1 模糊控制的必要性 隨著計測準(zhǔn)確度的提高，近年來設(shè)計人員開始更加注重測控的另一方面，即控制，如開始采用智能控制技術(shù)控制閥門、為保護(hù)電池使用壽命而采用電機(jī)的軟啟動技術(shù)等。雖然水表行業(yè)規(guī)定六年強(qiáng)檢，但根據(jù)我國的實(shí)際運(yùn)作情況，IC卡水表應(yīng)具有更高的使用壽命方能體現(xiàn)產(chǎn)品的價值。目前功耗已非主要矛盾，電池自身的壽命基本決定了IC卡水表的使用壽命。現(xiàn)今而言更為關(guān)鍵的是，由于閥門的銹蝕導(dǎo)致驅(qū)動電流增大進(jìn)而造成電池的損傷及閥門的失效，從而造成IC卡水表的失效。因?yàn)榇似款i問題，大大降低了其使用壽命，甚至有些IC卡水表只使用兩年左右便失效，大大低于預(yù)期壽命。此故障還將隨著在役年限的增加越來越凸顯。 近10年來，設(shè)計人員采用過如先導(dǎo)閥、磁力助推閥、不銹鋼閥芯、陶瓷閥芯及潤滑劑等，但效果不明顯。亦有采用定時開關(guān)閥門的設(shè)計，即設(shè)時間間隔為D，如按六年使用壽命計算，則： D=（2190E1）/E 式中，E——電池組2的總的可用電量；E1——開關(guān)一次閥門所需的電量。 此方法雖然在一定程序上可以緩解此問題，但因時因地不同所導(dǎo)致的閥門銹蝕程序是不同的，以一定之規(guī)去適應(yīng)復(fù)雜變化的銹蝕情況顯然是不科學(xué)的，不僅不利于合理使用有限的電量，而且勢必造成一定的故障率。而銹蝕情況的數(shù)學(xué)模型是很難或不可能精確建立的，此種情況采用模糊控制理論往往可以取得令人滿意的結(jié)果。4.2 控制變量的確定 為了克服模糊算法計算量大這一缺點(diǎn)，采用了查表法進(jìn)行模糊控制。即采用MATLAB模糊邏輯工具箱進(jìn)行離線設(shè)計，得到符合控制要求的模糊控制表，存入系統(tǒng)的存儲器中。 本研究以采集的電控閥的驅(qū)動電流值I與設(shè)定電流值Ig的偏差e=I-Ig及相鄰兩次偏差變化率ec為輸入變量，下次開關(guān)電控閥的時間調(diào)整量U為輸出變量，建立典型的雙輸入單輸出PD結(jié)構(gòu)模糊控制器，并利用模糊推理系統(tǒng)編輯器（FIS）對控制參量進(jìn)行設(shè)定。 4.3 變量的模糊化 試驗(yàn)表明，驅(qū)動電流的安全范圍在50～100mA之間，正常情況下，電控閥每10天左右開關(guān)一次可以保證閥門不銹蝕。本設(shè)計選擇75mA作為驅(qū)動電流的給定值，選定10天作為給定驅(qū)動周期，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整范圍設(shè)定為2～18天。則e的基本論域設(shè)定為[-25，25]，ec的基本論域也設(shè)定為[-25，25]，u的基本論域設(shè)定為[-8，8]。限于篇幅，具體設(shè)計過程此處從略。 經(jīng)上述分析及兩萬多具在役IC卡水表的實(shí)際使用情況，可以得出如下結(jié)論： （1）采用雙電源可明顯提高測控板的工作可靠性，保護(hù)電池并提高 IC卡水表的使用壽命及降低故障率。 （2）采用模糊控制技術(shù)可更加有效地使用有限電量并避免閥門銹死，徹底解決了IC卡水表使用壽命的“閥門瓶頸”問題。