基于MSP430F413的新型智能水表的設計

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

　　本論文以智能IC卡水表系統為研究對象，重點(diǎn)探討了基于MSP430F413型超低功耗單片機在低功耗智能儀表上的應用與開(kāi)發(fā)。論文首先提出利用IC卡技術(shù)智能水表系統的總體設計方案；設計了系統控制的硬件電路結構和研究了軟件控制流程的實(shí)現，采用軟硬件結合的方法，對系統的低功耗、抗干擾性設計及安全性問(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，它們針對不同的應用而由各種不同模塊組成。它們具有16位RISC結構，CPU的16個(gè)寄存器和常數發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率。靈活的時(shí)鐘源可以使器件達到最低的功率消耗。數字控制的振蕩器（DCO）可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6μs的時(shí)間內被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列單片機的16位定時(shí)器是應用于工業(yè)控制如紋波計數器、數字化電機控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內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，提高了數據處理能力。

　　智能水表的工作原理

　　本文設計的智能水表的工作原理：用戶(hù)先購買(mǎi)IC卡（用戶(hù)卡），并攜帶IC卡至收費工作站交費購水，工作人員將購水量等信息寫(xiě)入卡中。用戶(hù)將卡插入IC卡水表表座內時(shí)，IC卡水表內單片機識別IC卡密碼，校驗并確認無(wú)誤后，將卡中購水量與表內剩余水量相加后（初次使用時(shí)，剩余水量為零），寫(xiě)入IC卡水表內的存儲器，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動(dòng)，通過(guò)磁傳遞，帶動(dòng)上表罩上的梅花齒輪轉動(dòng)并使多極齒輪轉動(dòng)，實(shí)現機械累計計量，每當計量到0.01m3時(shí)由位于0.01m3處的計量傳感器向單片機發(fā)出同步的計量脈沖信號，此時(shí)，MSP430F413將輸入的有效脈沖計入并計算用水量，IC卡水表內剩余水量就會(huì )相應的減少一個(gè)計量單位，累計用水量就會(huì )增加一個(gè)計量單位，LCD顯示屏上顯示剩余水量等相關(guān)用水數據。當剩余水量低于一個(gè)定量時(shí)（有一個(gè)事先設定好的最低剩余水量值），IC卡水表的報警系統啟動(dòng)（蜂鳴器響起），提醒用戶(hù)及時(shí)到供水部門(mén)再次購水，這時(shí)，LCD顯示屏上顯示“請購水”字樣。當剩余水量為-1時(shí)，單片機驅動(dòng)電閥自動(dòng)關(guān)閉，切斷水源，停止供水并報警。在用戶(hù)重新購水讀卡存入后，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)。

　　系統方案設計

　　本文設計的智能水表系統主要由微處理器、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，硬件結構圖如圖1所示。

圖1 智能水表的原理框圖

　　1 系統硬件的設計

　　系統硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件原理框圖

　　① 電源低電壓檢測電路

　　本系統采用三節干電池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，特別是閥門(mén)的正常工作，需要對電源進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當電能不能滿(mǎn)足系統要求時(shí)，及時(shí)報警提醒用戶(hù)更換電池，以免造成不必要的麻煩。

　　為提高智能水表運行的可靠性和安全性，設計中采用電源電壓實(shí)時(shí)監測電路。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(mǎn)足系統低功耗設計的要求。當電源電壓正常時(shí)，芯片的輸出腳輸出為高電平；當電源電壓小于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，單片機檢測到該信號時(shí)即轉入中斷服務(wù)程序處理，這時(shí)LCD液晶顯示“換電池”字樣，同時(shí)蜂鳴器報警提示用戶(hù)更換電池，MSP430F413內部基本定時(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)電壓轉換芯片將4.5V電壓轉換成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