基于MSP430F413的新型智能水表的設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)水表落后產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，國(guó)家建設(shè)部提出了城鎮(zhèn)居民住宅“三表出戶(hù)”的要求。所以目前國(guó)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(duì)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(kāi)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(duì)系統(tǒng)的低功耗、抗干擾性設(shè)計(jì)及安全性問(wèn)題作了一定的分析與研究。
 
MSP430F413簡(jiǎn)介
TI公司MSP430 F413系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，其中包括一系列器件，它們針對(duì)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(hù)先購(gòu)買(mǎi)IC卡（用戶(hù)卡），并攜帶IC卡至收費(fèi)工作站交費(fèi)購(gòu)水，工作人員將購(gòu)水量等信息寫(xiě)入卡中。用戶(hù)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(shí)別IC卡密碼，校驗(yàn)并確認(rèn)無(wú)誤后，將卡中購(gòu)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(xiě)入IC卡水表內(nèi)的存儲(chǔ)器，進(jìn)而控制電閥開(kāi)通閥門(mén)供水。
用戶(hù)在用水過(guò)程中，帶磁感器的葉輪在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)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(hào)，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(hù)及時(shí)到供水部門(mén)再次購(gòu)水，這時(shí)，LCD顯示屏上顯示“請(qǐng)購(gòu)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(hù)重新購(gòu)水讀卡存入后，再開(kāi)通電閥供水。在正常情況下，閥門(mén)處于開(kāi)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(mén)會(huì)由開(kāi)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(mén)、IC卡讀/寫(xiě)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(cè)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(mén)的正常工作，需要對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)電能不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求時(shí)，及時(shí)報(bào)警提醒用戶(hù)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(cè)電路。如圖3所示。電壓檢測(cè)芯片采用日本理光R3111H301C低電壓檢測(cè)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(mǎn)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(cè)到該信號(hào)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(hù)更換電池，MSP430F413內(nèi)部基本定時(shí)器使能中斷，定時(shí)1s檢測(cè)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(méi)有回升，則關(guān)閉閥門(mén)，直到用戶(hù)更換電池，才再次開(kāi)啟閥門(mén)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(cè)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(guò)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(mén)控制電路
閥門(mén)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(mén)的可靠性差，將會(huì)給供水部門(mén)帶來(lái)很大的問(wèn)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(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。利用MSP430F413單片機(jī)的P6.6和P6.7來(lái)控制閥門(mén)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，利用MSP430F413內(nèi)部比較器（P1.6CA0，P1.7CA1）檢測(cè)堵轉(zhuǎn)電流來(lái)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(lái)通知MSP430F413電機(jī)轉(zhuǎn)到位。定時(shí)器定時(shí)1s檢測(cè)電機(jī)是否到位，有效地解決閥門(mén)關(guān)閉不可靠問(wèn)題。當(dāng)正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟；反之，閥門(mén)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(kāi)啟閥門(mén)，開(kāi)啟到位時(shí)，由單片機(jī)P1.5口輸入檢測(cè)信號(hào)，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(mén)，同樣由單片機(jī)P1.5口輸入關(guān)閉到位檢測(cè)信號(hào)。
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(hào)以中斷的方式進(jìn)入的，所以要特別注意中斷的優(yōu)先級(jí)及中斷的嵌套問(wèn)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(xiě)模塊，液晶顯示模塊，計(jì)量模塊，F(xiàn)LASH讀寫(xiě)模塊，低電壓保護(hù)模塊等。上電后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化包括對(duì)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(kāi)閥供水。無(wú)論在什么情況下只要有低電壓信號(hào)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(hù)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(hù)“請(qǐng)購(gòu)水”，如果用戶(hù)沒(méi)有及時(shí)購(gòu)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(mén)關(guān)閉，停止供水。

圖3電源低電壓檢測(cè)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?chē)?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(lái)考慮，一是在硬件設(shè)計(jì)上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)抑制和消除干擾，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(lái)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(xún)相結(jié)合的方法，保持盡.可能短的中斷開(kāi)放時(shí)間，隨開(kāi)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(yǔ)
實(shí)踐證明：本文所設(shè)計(jì)的智能水表從管理上講對(duì)用戶(hù)實(shí)行“先買(mǎi)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(guó)的基本國(guó)情，有很強(qiáng)的適用價(jià)值。