基于 MSP430F413 的新型智能水表的设计

1. 基于MSP430F413的新型智能水表的设计 本论文以智能IC卡水表系统为研究对象，重点探讨了基于MSP430F413型超低功耗单片机在低功耗智能仪表上的应用与开发。论文首先提出利用IC卡技术智能水表系统的总体设计方案；设计了系统控制的硬件电路结构和研究了软件控制流程的实现，采用软硬件结合的方法，对系统的低功耗、抗干扰性设计及安全性问题作了一定的分析与研究。

2. 1 MSP430F413简介 • 主控芯片MSP430F413采用1.8-3.6V供电，有5种低功耗模式，最低耗电在0.7μA左右，活动模式耗电在250μA，I/0输入端口的漏电流最大仅50 nA，从低功耗模式转向活动模式只需6μs，这些特性使得单节2.4Ah的电池可以保证系统正常工作超过6年，达到了业界要求的工作年限标准。同时MSP430F413还集成了96段液晶驱动器，简化了水表的人机界面设计。

3. 2 智能水表的工作原理 • 本文设计的智能水表的工作原理：用户先购买IC卡（用户卡），并携带IC卡至收费工作站交费购水，工作人员将购水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表表座内时，IC卡水表内单片机识别IC卡密码，校验并确认无误后，将卡中购水量与表内剩余水量相加后（初次使用时，剩余水量为零），写入IC卡水表内的存储器，进而控制电阀开通阀门供水。

4. 3 系统方案设计 图1 智能水表的原理框图

5. 3.1 系统硬件的设计 图2 系统硬件原理框图 图2 系统硬件原理框图

6. 1) 微处理器。 • 微处理器是整个智能水表的核心,它担负着信息判断、识别、运算、处理等工作。经过性能、质量、价格的多方对比,微处理器选用TI公司的MSP430F413单片机。该单片机是一种超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机,具有丰富的片内外围,工作电压为1.8V～3.6V,内置LCD驱动器24×4段,可以缩小体积、降低成本,它特别适合应用在各种要求低功耗的场所,如应用在电池或手持设备上。

7. 2) IC卡接口。

8. 3) 液晶显示器

9. 4) 电源低电压检测电路

10. 5) 脉冲采集电路 • 本系统中水表的基表采用符合ISO 4064B标准的旋翼式冷水水表。该表计数机构与测量机构经磁耦合传动，采用干簧管传感器计量发讯，每流经0.01m3水时产生一个脉冲。为了有效防止各种可能的干扰抖动而产生的多计数现象，本设计中采用双干簧管双脉冲通过由电容和电阻组成的防抖电路输入单片机计数，当两个脉冲输入段依次有脉冲输入的时候才产生一个有效脉冲计数，两个脉冲有互锁功能，P1.3和P1.4作为脉冲输入端。每输入一个脉冲，在存储器中减去相应水量。表内设有磁保护装置，具有较强的抗外磁干扰能力

11. 6) 阀门控制电路 • 阀门控制是水表控制系统中一个很敏感的部分，关启阀门的可靠性差，将会给供水部门带来很大的问题。本系统采用的是电动球阀，工作电压3V，工作时电流仅50mA。设计中利用直流电机带动半球阀正转或反转的方式来控制阀门的开启和关闭。

12. 3.2 系统软件的设计

13. 3.3 系统低功耗的设计 • 本文所设计的智能水表的能耗主要由三部分构成：第一部分是控制器中单片机（CPU）液晶正常运行时的持续性能耗，这是主要的功耗；第二部分是IC卡水表执行机构（电阀）动作时的瞬时能耗；第三部分是IC卡水表一些辅助功能如声音报警等的能耗。上述智能水表能耗的第一、二部分占了总能耗的95%以上。因此，在设计时主要考虑：选择低功耗电动阀；选择低功耗器件（CMOS型）；选择低的工作电压和低的工作频率；软件设计时选择低功耗的系统运行模式。

14. 3.4 系统抗干扰的设计

15.  4 结束语 • 实践证明：本文所设计的智能水表从管理上讲对用户实行“先买水后用水”的预付费管理方式，在一定程度上改善传统管理模式的种种弊端，符合我国的基本国情，有很强的适用价值。