基于MSP430F413的新型智能水表的設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)水表落后產(chǎn)生的一系列問題，國家建設(shè)部提出了城鎮(zhèn)居民住宅“三表出戶”的要求。所以目前國內(nèi)的很多水表生產(chǎn)廠家都在進(jìn)行產(chǎn)品新型化的探索，大部分采用單片機(jī)技術(shù)，智能水表系統(tǒng)的實(shí)用性研究己成為當(dāng)前儀表行業(yè)的熱點(diǎn)之一。本文介紹的就是一種基于MSP430F413單片機(jī)的智能水表的設(shè)計(jì)。

本論文以智能IC卡水表系統(tǒng)為研究對象，重點(diǎn)探討了基于MSP430F413型超低功耗單片機(jī)在低功耗智能儀表上的應(yīng)用與開發(fā)。論文首先提出利用IC卡技術(shù)智能水表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案；設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制的硬件電路結(jié)構(gòu)和研究了軟件控制流程的實(shí)現(xiàn)，采用軟硬件結(jié)合的方法，對系統(tǒng)的低功耗、抗干擾性設(shè)計(jì)及安全性問題作了一定的分析與研究。
 
MSP430F413簡介

TI公司MSP430 F413系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們針對不同的應(yīng)用而由各種不同模塊組成。它們具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗。數(shù)字控制的振蕩器（DCO）可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6μs的時(shí)間內(nèi)被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列單片機(jī)的16位定時(shí)器是應(yīng)用于工業(yè)控制如紋波計(jì)數(shù)器、數(shù)字化電機(jī)控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內(nèi)置的硬件乘法器大大增強(qiáng)了其功能并提供了與軟硬件相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理能力。

智能水表的工作原理

本文設(shè)計(jì)的智能水表的工作原理：用戶先購買IC卡（用戶卡），并攜帶IC卡至收費(fèi)工作站交費(fèi)購水，工作人員將購水量等信息寫入卡中。用戶將卡插入IC卡水表表座內(nèi)時(shí)，IC卡水表內(nèi)單片機(jī)識別IC卡密碼，校驗(yàn)并確認(rèn)無誤后，將卡中購水量與表內(nèi)剩余水量相加后（初次使用時(shí)，剩余水量為零），寫入IC卡水表內(nèi)的存儲(chǔ)器，進(jìn)而控制電閥開通閥門供水。

用戶在用水過程中，帶磁感器的葉輪在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過磁傳遞，帶動(dòng)上表罩上的梅花齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)并使多極齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械累計(jì)計(jì)量，每當(dāng)計(jì)量到0.01m3時(shí)由位于0.01m3處的計(jì)量傳感器向單片機(jī)發(fā)出同步的計(jì)量脈沖信號，此時(shí)，MSP430F413將輸入的有效脈沖計(jì)入并計(jì)算用水量，IC卡水表內(nèi)剩余水量就會(huì)相應(yīng)的減少一個(gè)計(jì)量單位，累計(jì)用水量就會(huì)增加一個(gè)計(jì)量單位，LCD顯示屏上顯示剩余水量等相關(guān)用水?dāng)?shù)據(jù)。當(dāng)剩余水量低于一個(gè)定量時(shí)（有一個(gè)事先設(shè)定好的最低剩余水量值），IC卡水表的報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)（蜂鳴器響起），提醒用戶及時(shí)到供水部門再次購水，這時(shí)，LCD顯示屏上顯示“請購水”字樣。當(dāng)剩余水量為-1時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電閥自動(dòng)關(guān)閉，切斷水源，停止供水并報(bào)警。在用戶重新購水讀卡存入后，再開通電閥供水。在正常情況下，閥門處于開通狀態(tài)，當(dāng)遇到剩余水量為-1或者電池電壓小于3V等其他特殊情況時(shí)閥門會(huì)由開通變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能水表系統(tǒng)主要由微處理器、流量傳感器、電動(dòng)閥門、IC卡讀/寫器、LCD液晶顯示及電源等組成，

圖1 智能水表的原理框圖

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

① 電源低電壓檢測電路
本系統(tǒng)采用三節(jié)干電池4.5V作為供電電源，使用一段時(shí)間后，干電池會(huì)放電，為了保證整個(gè)系統(tǒng)，特別是閥門的正常工作，需要對電源進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)電能不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，及時(shí)報(bào)警提醒用戶更換電池，以免造成不必要的麻煩。

為提高智能水表運(yùn)行的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)中采用電源電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測電路。如圖3所示。電壓檢測芯片采用日本理光R3111H301C低電壓檢測芯片，R3111H301C輸出電壓為3.0V，最大工作電流為3.0μA，一般情況下的工作電流僅為1.0μA，高精度集成，完全滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)電源電壓正常時(shí)，芯片的輸出腳輸出為高電平；當(dāng)電源電壓小于3.0V時(shí)，輸出腳輸出低電平，即P1.1輸出低電平，P1.1下降沿中斷有效，單片機(jī)檢測到該信號時(shí)即轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序處理，這時(shí)LCD液晶顯示“換電池”字樣，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示用戶更換電池，MSP430F413內(nèi)部基本定時(shí)器使能中斷，定時(shí)1s檢測電壓是否回升，如果回升蜂鳴器再次發(fā)出一聲警報(bào)提示，LCD液晶上的“換電池”顯示字樣清除。如沒有回升，則關(guān)閉閥門，直到用戶更換電池，才再次開啟閥門供水。由于MSP430F413工作用電壓是3.0V，所以需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片將4.5V電壓轉(zhuǎn)換成3.0V供MSP430F413和其他外圍模塊使用，本電路中用的是RH5RL30AA—電壓調(diào)整芯片，它具有高精度的輸出電壓，工作電流極低只有1.1μA。

② 脈沖采集電路

本系統(tǒng)中水表的基表采用符合ISO 4064B標(biāo)準(zhǔn)的旋翼式冷水水表。該表計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)與測量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動(dòng)，采用干簧管傳感器計(jì)量發(fā)訊，每流經(jīng)0.01m3水時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。為了有效防止各種可能的干擾抖動(dòng)而產(chǎn)生的多計(jì)數(shù)現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)中采用雙干簧管雙脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機(jī)計(jì)數(shù)，當(dāng)兩個(gè)脈沖輸入段依次有脈沖輸入的時(shí)候才產(chǎn)生一個(gè)有效脈沖計(jì)數(shù)，兩個(gè)脈沖有互鎖功能，P1.3和P1.4作為脈沖輸入端。每輸入一個(gè)脈沖，在存儲(chǔ)器中減去相應(yīng)水量。表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置，具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力。

③ 閥門控制電路

閥門控制是水表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感的部分，關(guān)啟閥門的可靠性差，將會(huì)給供水部門帶來很大的問題。本系統(tǒng)采用的是電動(dòng)球閥，工作電壓3V，工作時(shí)電流僅50mA。設(shè)計(jì)中利用直流電機(jī)帶動(dòng)半球閥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的方式來控制閥門的開啟和關(guān)閉。利用MSP430F413單片機(jī)的P6.6和P6.7來控制閥門的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，利用MSP430F413內(nèi)部比較器（P1.6CA0，P1.7CA1）檢測堵轉(zhuǎn)電流來控制電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，CA0＞CA1，一旦堵轉(zhuǎn)，電流迅速增大，CAOUT=0，來通知MSP430F413電機(jī)轉(zhuǎn)到位。定時(shí)器定時(shí)1s檢測電機(jī)是否到位，有效地解決閥門關(guān)閉不可靠問題。當(dāng)正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時(shí)，閥門開啟；反之，閥門閉合。當(dāng)單片機(jī)P6.7口輸入低電平、P6.6口輸入高電平時(shí)，正向端（ON）輸出高電平，反向端（OFF）輸出低電平，開啟閥門，開啟到位時(shí)，由單片機(jī)P1.5口輸入檢測信號，動(dòng)作停止；反之，正向端輸出低電平，反向端輸出高電平，關(guān)閉閥門，同樣由單片機(jī)P1.5口輸入關(guān)閉到位檢測信號。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

圖4是主程序流程圖。單片機(jī)上電復(fù)位后主程序采用順序執(zhí)行的方法，逐個(gè)掃描各個(gè)自定義標(biāo)志位，檢查是否有動(dòng)作發(fā)生，若有發(fā)生則轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序處理，處理完后回到主程序，繼續(xù)掃描其后的標(biāo)志位，最后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒，喚醒后同樣循環(huán)一遍，又進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由于各信號以中斷的方式進(jìn)入的，所以要特別注意中斷的優(yōu)先級及中斷的嵌套問題。采用模塊化方法設(shè)計(jì)各個(gè)子程序。根據(jù)不同功能，定義了不同的功能模塊。明確入口出口，相互之間的調(diào)用關(guān)系，以供調(diào)用。主要軟件模塊有：IC卡讀寫模塊，液晶顯示模塊，計(jì)量模塊，F(xiàn)LASH讀寫模塊，低電壓保護(hù)模塊等。上電后首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化包括對內(nèi)部存儲(chǔ)器單元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶顯示的設(shè)置等。接著進(jìn)入主循環(huán)，判斷故障、電源電壓是否正常等，若一切正常則開閥供水。無論在什么情況下只要有低電壓信號出現(xiàn)，系統(tǒng)就提示欠壓，蜂鳴器報(bào)警，液晶顯示，提示用戶更換電池:當(dāng)剩余水量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)液晶顯示提醒用戶“請購水”，如果用戶沒有及時(shí)購水重新插卡充值，當(dāng)剩余水量為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)控制閥門關(guān)閉，停止供水。

圖3電源低電壓檢測電路

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗往往和電源電壓的大小成一定比例關(guān)系，電源電壓高，系統(tǒng)的功耗相應(yīng)的也會(huì)增大，因此在功耗要求很嚴(yán)格的智能水表控制系統(tǒng)中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統(tǒng)中選用三節(jié)堿性干電池4.5V供電。本文所設(shè)計(jì)的智能水表的能耗主要由三部分構(gòu)成：第一部分是控制器中單片機(jī)（CPU）液晶正常運(yùn)行時(shí)的持續(xù)性能耗，這是主要的功耗；第二部分是IC卡水表執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電閥）動(dòng)作時(shí)的瞬時(shí)能耗；第三部分是IC卡水表一些輔助功能如聲音報(bào)警等的能耗。上述智能水表能耗的第一、二部分占了總能耗的95%以上。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮：選擇低功耗電動(dòng)閥；選擇低功耗器件（CMOS型）；選擇低的工作電壓和低的工作頻率；軟件設(shè)計(jì)時(shí)選擇低功耗的系統(tǒng)運(yùn)行模式。

4 系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計(jì)從兩方面來考慮，一是在硬件設(shè)計(jì)上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种坪拖蓴_，例如采用電磁干擾濾波器，如圖5所示。另一方面是從系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采取一定措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力，即使系統(tǒng)受到干擾，也能自動(dòng)地快速恢復(fù)正常上作。如:盡量減少中斷源，采用中斷與查詢相結(jié)合的方法，保持盡.可能短的中斷開放時(shí)間，隨開隨關(guān)；在程序關(guān)鍵的地方人為地插入空操作指令，保護(hù)CPU在受到干擾，程序“彈飛”時(shí)指令不被拆散等軟件措施。

圖5 電磁干擾濾波器在系統(tǒng)中的應(yīng)用

結(jié)束語

實(shí)踐證明：本文所設(shè)計(jì)的智能水表從管理上講對用戶實(shí)行“先買水后用水”的預(yù)付費(fèi)管理方式，在一定程度上改善傳統(tǒng)管理模式的種種弊端，符合我國的基本國情，有很強(qiáng)的適用價(jià)值。