摘要：簡單介紹了IC卡水表的測控電路組成及程序設計框圖，并分析了自行設計的“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90年代初期，經過10多年的快速發(fā)展已漸趨成熟。尤其是近幾年，隨著設計水平的提高及生產的規(guī)?；?，在各大中城市中得到了越來越多的使用。 IC卡水表是集測控于一身的機電一體化產品，除了具備一般儀表所需的基本功能，還有其自身的特點。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，即IC卡水表的四要素。在設計過程中必須基于此四要素進行設計，方能滿足產品的實際應用要求。
1 IC卡水表的測控電路組成及軟件設計 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"、進行卡操作時發(fā)生的“插卡事件”及預置于日歷時鐘芯片的定時醒鬧時發(fā)生的“定時事件”。當發(fā)生此三類事件時，測控電路自行上電，按預置的工作過程進行處理，結束后自行斷電。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)機制是科學合理的。有些設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)我國的實際運作情況，無進行長期顯示的必要，顯然此設計方式不足取，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，而采用匯編語言進行編制，使程序代碼控制在2K字節(jié)[2]之內，故可選用小外形及低成本的單片機。 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組成開關電路，控制測控板的上電及掉電。當用水使GHG1吸合即發(fā)生采樣事件時，則開始C1的充電過程，充電電流使開關組導通上電，完成采樣計數(shù)功能。當繼續(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行關閉閥門、記錄磁攻擊時間及次數(shù)等工作。經上述分析可見，C1、C2應盡量選用漏電流小的電容，以便提高模塊的工作性能。
3 雙電源設計 所謂雙電源，即測控電路及閥門驅動各使用一組電池。經觀察大量的實際測控板的電壓波形發(fā)現(xiàn)，單電源供電情況下，在電機啟動瞬間有時會出現(xiàn)電壓下跳現(xiàn)象，一般達到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。這不僅影響單片機及其它芯片的工作穩(wěn)定性，而且將對電池造成嚴重損傷。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重的后果。 已有一些代表性廠家采用了雙電源設計，但采取共地設計。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，測控板電壓在電機驅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，但降低了售后服務成本，提高了企業(yè)信譽度，總體效益是令人滿意的。 4 閥門模糊控制器設計 4.1 模糊控制的必要性 隨著計測準確度的提高，近年來設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控制閥門、為保護電池使用壽命而采用電機的軟啟動技術等。雖然水表行業(yè)規(guī)定六年強檢，但根據(jù)我國的實際運作情況，IC卡水表應具有更高的使用壽命方能體現(xiàn)產品的價值。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)今而言更為關鍵的是，由于閥門的銹蝕導致驅動電流增大進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。因為此瓶頸問題，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，設計人員采用過如先導閥、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。亦有采用定時開關閥門的設計，即設時間間隔為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致的閥門銹蝕程序是不同的，以一定之規(guī)去適應復雜變化的銹蝕情況顯然是不科學的，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，采用了查表法進行模糊控制。即采用MATLAB模糊邏輯工具箱進行離線設計，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動電流值I與設定電流值Ig的偏差e=I-Ig及相鄰兩次偏差變化率ec為輸入變量，下次開關電控閥的時間調整量U為輸出變量，建立典型的雙輸入單輸出PD結構模糊控制器，并利用模糊推理系統(tǒng)編輯器(FIS)對控制參量進行設定。 4.3 變量的模糊化 試驗表明，驅動電流的安全范圍在50～100mA之間，正常情況下，電控閥每10天左右開關一次可以保證閥門不銹蝕。本設計選擇75mA作為驅動電流的給定值，選定10天作為給定驅動周期，在此基礎上進行調整，調整范圍設定為2～18天。則e的基本論域設定為[-25，25]，ec的基本論域也設定為 [-25，25]，u的基本論域設定為[-8，8]。限于篇幅，具體設計過程此處從略。 經上述分析及兩萬多具在役IC卡水表的實際使用情況，可以得出如下結論： (1)采用雙電源可明顯提高測控板的工作可靠性，保護電池并提高 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。
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