基于MSP430F413的新型智能水表的設計

　?、?脈沖采集電路

　　本系統中水表的基表采用符合ISO 4064B標準的旋翼式冷水水表。該表計數機構與測量機構經(jīng)磁耦合傳動(dòng)，采用干簧管傳感器計量發(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)生的多計數現象，本設計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計數，當兩個(gè)脈沖輸入段依次有脈沖輸入的時(shí)候才產(chǎn)生一個(gè)有效脈沖計數，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，在存儲器中減去相應水量。表內設有磁保護裝置，具有較強的抗外磁干擾能力。

　?、?閥門(mén)控制電路

　　閥門(mén)控制是水表控制系統中一個(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。本系統采用的是電動(dòng)球閥，工作電壓3V，工作時(shí)電流僅50mA。設計中利用直流電機帶動(dòng)半球閥正轉或反轉的方式來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。利用MSP430F413單片機的P6.6和P6.7來(lái)控制閥門(mén)的正反轉動(dòng)，利用MSP430F413內部比較器（P1.6CA0，P1.7CA1）檢測堵轉電流來(lái)控制電機運行。當電機正常工作時(shí)，CA0＞CA1，一旦堵轉，電流迅速增大，CAOUT=0，來(lái)通知MSP430F413電機轉到位。定時(shí)器定時(shí)1s檢測電機是否到位，有效地解決閥門(mén)關(guān)閉不可靠問(wèn)題。當正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟；反之，閥門(mén)閉合。當單片機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P1.5口輸入檢測信號，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P1.5口輸入關(guān)閉到位檢測信號。

　　2 系統軟件的設計

　　圖4是主程序流程圖。單片機上電復位后主程序采用順序執行的方法，逐個(gè)掃描各個(gè)自定義標志位，檢查是否有動(dòng)作發(fā)生，若有發(fā)生則轉入相應子程序處理，處理完后回到主程序，繼續掃描其后的標志位，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)。由于各信號以中斷的方式進(jìn)入的，所以要特別注意中斷的優(yōu)先級及中斷的嵌套問(wèn)題。采用模塊化方法設計各個(gè)子程序。根據不同功能，定義了不同的功能模塊。明確入口出口，相互之間的調用關(guān)系，以供調用。主要軟件模塊有：IC卡讀寫(xiě)模塊，液晶顯示模塊，計量模塊，FLASH讀寫(xiě)模塊，低電壓保護模塊等。上電后首先對系統進(jìn)行初始化。初始化包括對內部存儲器單元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶顯示的設置等。接著(zhù)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出現，系統就提示欠壓，蜂鳴器報警，液晶顯示，提示用戶(hù)更換電池:當剩余水量低于設定值時(shí)，系統液晶顯示提醒用戶(hù)“請購水”，如果用戶(hù)沒(méi)有及時(shí)購水重新插卡充值，當剩余水量為負時(shí)，系統控制閥門(mén)關(guān)閉，停止供水。

圖4 系統軟件設計流程圖

　　3 系統低功耗的設計

　　在單片機控制系統中，系統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，系統的功耗相應的也會(huì )增大，因此在功耗要求很?chē)栏竦?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/智能水表">智能水表控制系統中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統中選用三節堿性干電池4.5V供電。本文所設計的智能水表的能耗主要由三部分構成：第一部分是控制器中單片機（CPU）液晶正常運行時(shí)的持續性能耗，這是主要的功耗；第二部分是IC卡水表執行機構（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，在設計時(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；軟件設計時(shí)選擇低功耗的系統運行模式。

　　4 系統抗干擾的設計

　　本系統中抗干擾設計從兩方面來(lái)考慮，一是在硬件設計上采取適當的措施來(lái)抑制和消除干擾，例如采用電磁干擾濾波器，如圖5所示。另一方面是從系統軟件設計上采取一定措施來(lái)提高系統的抗干擾能力，即使系統受到干擾，也能自動(dòng)地快速恢復正常上作。如:盡量減少中斷源，采用中斷與查詢(xún)相結合的方法，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中的應用

　　結束語(yǔ)

　　實(shí)踐證明：本文所設計的智能水表從管理上講對用戶(hù)實(shí)行“先買(mǎi)水后用水”的預付費管理方式，在一定程度上改善傳統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(jià)值。