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，通過磁傳遞，帶動上表罩上的梅花齒輪轉(zhuǎn)動并使多極齒輪轉(zhuǎn)動，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)剩余水量就會相應(yīng)的減少一個(gè)計(jì)量單位，累計(jì)用水量就會增加一個(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（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)動電閥自動關(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、電動閥門、IC卡讀/寫器、LCD液晶顯示及電源等組成，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能水表的原理框圖

　　1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

　　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。

圖3電源低電壓檢測電路