丹東思凱電子發(fā)展有限責(zé)任公司 郭 威
中文摘要:如何提高用水管理的自動化水平, 如何為供水部門提供一種有效的監(jiān)管手段, 是供水部門一個亟待解決的課題。使用具有通訊功能的智能水表是解決這一問題的最佳方案。本文給出了一種基于MSP430 單片機的智能水表的設(shè)計方案, 著重闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件流程, 并介紹了MSP430 的單片機及外圍器件的技術(shù)參數(shù)。
英文摘要:It is urgent to improve the automation level and effective controlling method for water supply sections. The intelligent water meter with communication functions is the best solution to it. The design of the water meter based on MSP430 MPU is given in this paper. Also, the hardware organization and the software flowage introduced here, along with the technical parameters of MPU and it’s peripheral equipment.
對于傳統(tǒng)水表, 人工抄表和收費一直是兩個效率很低的環(huán)節(jié)。在我國普遍采用“先用水后收費”的管理方式, 所以用戶拖欠水費的現(xiàn)象時常發(fā)生, 供水部門又缺乏用水管理的有效手段。這款基于嵌入式智能系統(tǒng)的新型水表是目前解決傳統(tǒng)水表缺陷的一種較好的解決方案。由于民用水表不同于工業(yè)用儀表, 必須要滿足低功耗、低成本的要求。正是基于以上考慮,選擇了德州儀器(TI) 公司的超低功耗單片機MSP430F413作為主控芯片, 開發(fā)了一種遠(yuǎn)程通訊端口的智能水表。這種水表除具有傳統(tǒng)水表的功能外,預(yù)存水量、水量不足提示、磁干擾報警等功能, 大大提高了用水管理效率。本論文以智能CPU卡水表系統(tǒng)為研究對象，重點探討了基于MSP430F413型超低功耗單片機在低功耗智能水表上的應(yīng)用與開發(fā)。
1、MSP430F413單片機簡介
TI公司MSP430 F413系列單片機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的時間內(nèi)被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列單片機的16位定時器是應(yīng)用于工業(yè)控制如紋波計數(shù)器、數(shù)字化電機控制、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。
2、CPU卡簡介
CPU卡：是一款新型IC卡，也稱智能卡，卡內(nèi)的集成電路中帶有微處理器CPU、存儲單元（包括隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM（FLASH）、用戶數(shù)據(jù)存儲器EEPROM）以及芯片操作系統(tǒng)COS。數(shù)據(jù)存儲采用文件形式。裝有COS的CPU卡相當(dāng)于一臺微型計算機，不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護等功能。在本水表板上配合ESAM模塊一起使用，能夠進行卡與模塊間的相互認(rèn)證，具有線路保護功能，使傳輸數(shù)據(jù)安全可靠。
3、CPU卡水表工作原理
本文設(shè)計的智能水表的工作原理：用戶先購買用戶卡，工作人員將購水量等信息寫入卡中。用戶將卡插入水表表座內(nèi)時，水表內(nèi)ESAM模塊識別CPU卡，認(rèn)證并確認(rèn)無誤后，將卡中購水量與表內(nèi)剩余水量相加后，寫入模塊存儲器，進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，實現(xiàn)機械累計計量，每當(dāng)計量到一個計數(shù)單位時由位于計數(shù)單位處的計量傳感器向單片機發(fā)出同步的計量脈沖信號，水表內(nèi)剩余水量就會相應(yīng)的減少一個計量單位，累計用水量就會增加一個計量單位，液晶上顯示剩余水量等相關(guān)用水?dāng)?shù)據(jù)。當(dāng)剩余水量低于最低剩余水量值，報警系統(tǒng)啟動（蜂鳴器響起），提醒用戶及時到供水部門再次購水，這時，液晶上顯示“3”字樣。當(dāng)剩余水量為-1時，單片機驅(qū)動電閥自動關(guān)閉，切斷水源。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等其他特殊情況時閥門會由開通變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。
4、系統(tǒng)方案設(shè)計
本文設(shè)計的智能水表系統(tǒng)主要由微處理器、流量傳感器、電動閥門、IC卡讀/寫器、LCD液晶顯示及電源等模塊組成。
圖1 智能水表的原理框圖
系統(tǒng)硬件包括液晶顯示電路、時鐘電路、閥門控制電路、報警電路、電壓檢測電路、脈沖采集電路，IC卡接口電路、防拆電路等幾分。
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，使用一段時間后，干電池會放電，為了保證整個系統(tǒng)，特別是閥門的正常工作，需要對電源進行實時檢測，當(dāng)電能不能滿足系統(tǒng)要求時，及時報警提醒用戶更換電池，。為提高智能水表運行的可靠性和安全性，設(shè)計中采用電源電壓實時監(jiān)測電路。如圖3所示。電壓檢測芯片采用低電壓檢測芯片，如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)計的要求。當(dāng)電源電壓正常時，芯片的輸出腳輸出為高電平；當(dāng)電源電壓小于3.0V時，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，單片機檢測到該信號時即轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序處理，這時LCD液晶顯示欠壓標(biāo)志，同時蜂鳴器報警提示用戶更換電池，MSP430F413內(nèi)部基本定時器使能中斷，定時1s檢測電壓是否回升，如果回升蜂鳴器再次發(fā)出一聲警報提示，LCD液晶上的欠壓標(biāo)志清除。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
為了有效防止各種可能的干擾抖動而產(chǎn)生的多計數(shù)現(xiàn)象，本設(shè)計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計數(shù)，當(dāng)兩個脈沖輸入段依次有脈沖輸入的時候才產(chǎn)生一個有效脈沖計數(shù)，兩個脈沖有互鎖功能，P1.3和P1.4作為脈沖輸入端。每輸入一個脈沖，在存儲器中減去相應(yīng)水量。如果兩個干簧同時有脈沖輸入的時候，表上液晶提示出現(xiàn)磁干擾，顯示“2”并且關(guān)閉閥門。
③ 閥門控制電路
采用是電動球閥，工作電壓3V，工作時電流僅50mA。設(shè)計中利用直流電機帶動半球閥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的方式來控制閥門的開啟和關(guān)閉。利用MSP430F413單片機的P6.6和P6.7來控制閥門的正反轉(zhuǎn)動，利用MSP430F413內(nèi)部比較器（P1.6CA0，P1.7CA1）檢測堵轉(zhuǎn)電流來控制電機運行。當(dāng)電機正常工作時，CA0＞CA1，一旦堵轉(zhuǎn)，電流迅速增大，CAOUT=0，來通知MSP430F413電機轉(zhuǎn)到位。定時器定時1s檢測電機是否到位，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，閥門開啟；反之，閥門閉合。當(dāng)單片機P6.7口輸入低電平、P6.6口輸入高電平時，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，由單片機P1.5口輸入檢測信號，動作停止；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P1.5口輸入關(guān)閉到位檢測信號。
5、系統(tǒng)軟件的設(shè)計
單片機上電復(fù)位后主程序采用順序執(zhí)行的方法，逐個掃描各個自定義標(biāo)志位，檢查是否有動作發(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，又進入低功耗狀態(tài)。由于各信號以中斷的方式進入的，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)計各個子程序。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：CPU卡讀寫模塊，液晶顯示模塊，計量模塊，F(xiàn)LASH讀寫模塊，低電壓保護模塊等。上電后首先對系統(tǒng)進行初始化。初始化包括對內(nèi)部存儲器單元清零、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，系統(tǒng)液晶顯示提醒用戶“請購水”，如果用戶沒有及時購水重新插卡充值，當(dāng)剩余水量為負(fù)時，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
6、低功耗的設(shè)計
盡量選擇低的電源電壓。軟件系統(tǒng)采用LPM3方式，選用三節(jié)堿性干電池4.5V供電。能耗主要由三部分構(gòu)成：第一部分是控制器中單片機（CPU）液晶正常運行時的持續(xù)性能耗，這是主要的功耗；第二部分是IC卡水表執(zhí)行機構(gòu)（電閥）動作時的瞬時能耗；第三部分是IC卡水表一些輔助功能如聲音報警等的能耗。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，選擇低功耗電動閥；選擇低功耗器件（CMOS型）；選擇低的工作電壓和低的工作頻率。
7、軟硬件抗干擾設(shè)計
一是在硬件設(shè)計上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种坪拖蓴_，例如采用電磁干擾濾波器，磁干擾報警。如圖5所示。另一方面是從系統(tǒng)軟件設(shè)計上采取一定措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力，如:盡量減少中斷源，采用中斷與查詢相結(jié)合的方法，盡可能短的中斷開放時間，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CPU在受到干擾，程序“彈飛”時指令不被拆散等軟件措施。
圖4 電磁干擾濾波器在系統(tǒng)中的應(yīng)用
結(jié)束
實踐證明：本文所設(shè)計的智能水表從管理上講對用戶實行預(yù)付費管理方式，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，有很強的適用價值，給居民和水表公司帶來了很大方便。
