基于MSP430F41的IC卡式智能水表工作原理

引言

當前水資源缺乏是世界性的難題，水資源短缺將會(huì )成為制約國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的重要因素。目前我國水資源形勢是資源性的短缺與使用上的浪費并存，而價(jià)格是資源優(yōu)化配置的調節杠桿，因此合理的水價(jià)是節約用水的關(guān)鍵。

為適應國家用水制度的改革，在原有智能水表的基礎上，增加了階梯計費復費率核算功能。水表接收階梯水價(jià)的相關(guān)用水參數，根據水表當月用水量的變化，實(shí)時(shí)調整水表內部的當前(階梯)單價(jià)，并根據用水參數和當月內的用水量實(shí)時(shí)地核算出水表內的剩余金額，方便水表用戶(hù)和供水部門(mén)的管理。減輕供水部門(mén)因“先供水后收費”造成的資金壓力和社會(huì )存在的水資源浪費，本文研制的IC卡智能水表系統可有效地解決上述問(wèn)題。

1系統組成及工作原理

基于MSP430F413的IC卡式智能水表組成如圖：

IC卡智能水表是通過(guò)計量及控制流經(jīng)自來(lái)水管道水的體積總量來(lái)工作的。當有計量脈沖到來(lái)時(shí)，單片機由睡眠轉為工作狀態(tài)，通過(guò)微處理器進(jìn)行相應的計費處理：既當用戶(hù)在單位時(shí)問(wèn)段(一般按月計算)用水達到一定噸限時(shí)，隨著(zhù)用水量的增加水價(jià)格呈階梯狀上升變化，用水量越多，所使用的水價(jià)就越高。水表接收階梯水價(jià)的相關(guān)用水參數，實(shí)時(shí)調整水表內部的當前(階梯)單價(jià)，并根據用水參數和當月內的用水量實(shí)時(shí)地核算出水表內的剩余金額等用水數據。當用戶(hù)用水的剩余量達到預設的告警量時(shí)(告警量由水表管理部門(mén)設定)，水表會(huì )自動(dòng)關(guān)閥告警，從而提醒用戶(hù)盡快購水。當將已充值的IC卡插入水表內進(jìn)行充值時(shí)，IC卡水表內單片機首先識別IC卡密碼并確認無(wú)誤后，讀入所購水金額并與水表內剩余金額累加，水表根據售水部門(mén)的階梯水價(jià)，實(shí)時(shí)計費、定期結算。結算后當前用水量歸零，總用水量實(shí)時(shí)累計，并寫(xiě)入IC卡水表內存儲器，進(jìn)而控制電磁閥開(kāi)啟，充值完畢水表的工作狀態(tài)和充值金額會(huì )在液晶顯示器上顯示，當人為拆卸水表或剩余水量低于設定值時(shí)，水表報警并及時(shí)關(guān)掉閥門(mén)，同時(shí)將數據保存在內部Flash中。

2硬件設計

IC卡智能水表的硬件系統主要包括以下電路：微處理器、IC卡接口、液晶顯示器、水表檢測、電源檢測、電控閥控制接口及聲音報警電路等。

(1)微處理器。微處理器是整個(gè)智能水表的核心，它擔負著(zhù)信息判斷、識別、運算、處理等工作。經(jīng)過(guò)性能、質(zhì)量、價(jià)格的多方對比，微處理器選用TI公司的MSP430F413單片機。該單片機是一種超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機，具有豐富的片內外圍，工作電壓為1．8V～3．6V，內置LCD驅動(dòng)器24×4段，可以縮小體積、降低成本，它特別適合應用在各種要求低功耗的場(chǎng)所，如應用在電池或手持設備上。
(2)IC卡接口。從節約成本的角度出發(fā)，IC卡接口采用的是復旦微電子股份有限公司出品的FM4442存儲卡。它采用0．6微米CMOS EEPROM工藝，內部有256字節用戶(hù)存儲器，32字節寫(xiě)保護區及3字節編程安全認證碼。外圍接口遵循IS07816協(xié)議標準(同步傳輸)。充分利用其內外部資源，用戶(hù)存儲器存儲用戶(hù)水量；保護存儲區和加密存儲器的編程可實(shí)現IC的個(gè)性化設計，提高使用的安全陛。它與單片機的接口電路如圖2所示：

(3)液晶顯示器。液晶顯示器作為水表的輸出接口，主要作用是輸出水表的各種運行狀態(tài)，及相關(guān)數據；此外還具有用戶(hù)提示的功能。為了降低功耗、節約成本，在設計時(shí)采用的是專(zhuān)門(mén)定制的液晶顯示器。其界面如圖3：

液晶顯示器作為水表的輸出接口，除了顯示電磁閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、表內剩余金額(當余額顯示為負時(shí)表示水表處于透支狀態(tài))、累積用水量、電池狀態(tài)、本月累積用水量、分段(階梯水價(jià)時(shí)，每種水價(jià)水量的噸限)顯示、單價(jià)(當前水價(jià))顯示、當前日期及當前時(shí)間之外，還兼具了提醒用戶(hù)及時(shí)充值的信息及出錯信息。

3軟件設計

IC卡智能水表軟件設計采用了模塊化處理，主控程序包括：系統初始化、狀態(tài)判斷、流量脈沖和用水量處理、報警提示和低功耗模式處理等，其中關(guān)鍵是計費處理部分和看門(mén)狗的初始化。功能子程序包括：IC卡的接IZl模塊(包括IC卡有效性判斷、讀／寫(xiě)及IC卡的解密與加密)、計費處理模塊(包括階梯水價(jià)分段計費判斷及處理)及閥門(mén)控制模塊等。系統的主程序流程圖，如圖3所示。

圖4主程序流程圖

系統初始化包括對MSP430F413的堆棧、各端口、中斷、LCD控制寄存器的設置，從而使CPU能正常工作；系統初始化以后，進(jìn)入低功耗模式，直到有各種中斷情況將其喚醒，再進(jìn)入相應中斷服務(wù)程序。

4系統功能

設計和研制出的IC卡式智能水表，除了集預付費、階梯水價(jià)計費、故障檢測等功能于一體外，還兼具以下特殊功能：

(1)自動(dòng)告警功能：當剩余水量用至設置的告警量時(shí)，水表將自動(dòng)關(guān)閥，切斷水源，提醒用戶(hù)購水。
(2)透支功能：當剩余水量用至設置的透支量時(shí)，水表將自動(dòng)關(guān)閥，切斷水源；此時(shí)，只有將“用戶(hù)卡”重新充值購水，才可使水表閥門(mén)開(kāi)啟。
(3)自動(dòng)保護功能：當水表遭遇磁干擾，水表將自動(dòng)關(guān)閥；同時(shí)，水表將各種干擾狀態(tài)記錄在案。水表設有防拆裝置，當遇到自行拆裝的情況時(shí)，將進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
(4)電池欠壓提示功能：當電池電量低時(shí)，控制器將自動(dòng)關(guān)閥，切斷水源，以提醒用戶(hù)更換電池；同時(shí)將剩余水量和實(shí)際用水量的記錄數據予以鎖定，更換新電池后，原用水信息數據不變。
(5)可隨時(shí)提供累計用水量、本月用水量及可用水量。為了便于用戶(hù)及時(shí)掌握用水情況，在使用過(guò)程中隨時(shí)可插“用戶(hù)卡”查看“累積用量”、“剩余量”、“單價(jià)”、“當月用量”。

5結論

本文研制的智能IC卡式水表已經(jīng)研制成功并投入生產(chǎn)，該水表集預付費、階梯水價(jià)計費、故障檢測、告警功能等功能于一體，具有讀數清晰、計量準確、管理控制方便等特點(diǎn)。并且水表內部具有用水的價(jià)格參數使口當前單價(jià)、階梯水價(jià)等)和準確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘傭作復費率核算的時(shí)間標準)，更重要的一點(diǎn)是充值時(shí)是按金額為單位進(jìn)行充值，而不是按水量來(lái)充的，避免了充值時(shí)存在互相轉換和找零的麻煩，有效的提高了居民用水計量收費管理的現代化水平，在實(shí)際應用中取得了良好效果。本文創(chuàng )薪點(diǎn)：在原有智能水表基礎上實(shí)現了階梯式水價(jià)計費和故障檢測等功能。有效解決當前收費和節約用水等問(wèn)題。