基于MSP430單片機的智能水表設計

葛欣

渤海大學工學院

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基于MSP430單片機的智能水表設計

葛欣

渤海大學工學院

本文介紹了基于低功耗單片機MSP430F413的智能水表的開發。包括智能水表的工作原理、MSP430單片機在低功耗方面的優勢及性能、智能水表的整體設計方案等等。

MSP430F413 智能水表 低功耗 IC卡技術

隨著社會的發展和科技的進入，智能化和信息化成為了當前的熱門話題。而在供水方面也有了不少的探索和研究。供水的傳統管理方式為：“先供水后收費”。這種方式造成供水部門在抄表、收費上的低效率，如何更改管理方式，提高效率、方便管理成為當前承需解決的問題。本文即是基于此，提出了一種基于MSP430F413超低功耗單片機為主控MCU的智能水表解決方案。

1　智能水表的工作原理

本設計由單片機作為主控，電動閥門作為供水開關，IC用于記錄購水量并將數據同步至單片機內，液晶用于數據顯示，蜂鳴器用于報警提示。本只能水表的使用流程如下：

首先，用戶需要在購水處購買IC卡和用水量，并由工作人員將所購買的用水量等信息錄入IC卡中。然后，用戶將IC卡插入水表上卡座內時，表內單片機啟動IC卡檢測及校驗程序，識別并驗證IC卡密碼，根據IC中的信息，更新表內剩余水量值（第一次使用時，卡內的剩余水量值為零）并存儲記錄。最后，單片機判斷剩余水量是否大約0，大于0則打開閥門供水。

水表用水量的統計采用單位水量（0.01立方米）的機械觸發，產生多傳感器組合信號，并由單片機處理和統計數據的方式。具體流程如下：

①供水時，水流帶動表內葉輪轉動，進而通過磁感器帶動齒輪轉動，實現機械累計。②每當機械累計量達到單位水量時，多傳感器向單片機發出組合信號。③單片機被喚醒并處理用水量數據，記錄和更新剩余水量。

當剩余水量低于某閾值時（單片機內設定的剩余水量不足的閾值），水表的報警系統啟動每個N分鐘（通過算法實現每次報警時間間隔遞增），蜂鳴器連續響5聲，用于提醒用戶剩余水量不足。當剩余水量為0時，停止供水。在用戶重新購水后，單片機執行卡檢測、密碼驗證、更新剩余水量后，驅動電閥供水。在遇到電池供電電壓過低時，3次報警提示后關閉供水。在剩余水量低于設定閥值時報警提示水量不足，當剩余水量為0時，關閉供水并報警。

2　MSP430F413簡介

MSP430F413是一款以超低功耗著稱的16位單片機，它的所有外設的時鐘都可以單獨關閉和打開，并且外設可以選擇不同的時鐘源，這種靈活的時鐘設置可以使基于此單片機的產品滿足性能的情況下，達到最低的功率消耗。同時，它采用16位RISC結構，CPU執行代碼效率高。其片上豐富的外設也簡化了外部設計電路，節省成本。

3　系統方案設計

本文設計的智能水表原理框圖如圖1，主要由以下幾部分構成，包括MSP430F413單片機、液晶顯示、電動供水閥、流量傳感器、IC卡讀寫器、及電源電路等。

圖1　

圖2　

4　硬件的設計

4.1硬件原理框圖（如圖2）

4.2數據采集電路

本智能水表的基表是旋翼式冷水水表，符合ISO 4064B標準。使用干簧管傳感器采集信號。配合單片機的IO口檢測，統計水量。為了提高檢測精度，本設計中使用2個干簧管組成雙脈沖計數邏輯，并在硬件設計上添加濾波電路，只有當兩個干簧管依次產生脈沖信號才記為一次有效計數，以有效減少因抖動造成單個干簧管多次觸發導致統計偏差。由于正常情況下，單片機處于低功耗模式下，因此，檢測干簧管產生的脈沖信號的引腳使用能夠喚醒單片機的P1.3口和P1.4口。每當有一次有效計數產生，則更新并記錄相應水量。同時，為防止外部電磁信號的干擾，表內設計了磁保護裝置，以保證采樣精度。

4.3低電壓檢測電路

為保證供電電壓的穩定，同時提供便攜的安裝，本水表不使用外接電源，而采用電池供電。帶來的問題是，如果提供保證水表能長久有效的正常工作的電量。為了解決此問題，一方面我們采用低功耗器件和IC，保證供電時常。另一方面，對電源低電壓進行實時檢測。當檢測到電池電量過低時，蜂鳴器報警。當電量低于某閾值時，停止供水并報警。

為滿足低功耗下實時供電電壓檢測的要求，采用低功耗的電壓檢測芯片R3111H301C。R3111H301C為低電壓檢測芯片，其正常的工作電流只有1.0μA。供電電壓正常時，芯片的輸出引腳為高電平；電壓小于3.0V時，輸出引腳為低電平。以此，在軟件設計中，使用能夠喚醒單片機的引腳P1.1作為電量檢測的IO口。IO口配置為高電平輸入，下拉中斷。當檢測電壓低于3.0V時，P1.1引腳被拉低，單片機被從低功耗模式下喚醒。處理中斷子程序，置低電量標志位，蜂鳴器報警，內部定時器開始定時。當在一段時間內電壓仍未恢復，報警未被清除，則停止供水，直至電源電壓恢復。

4.4閥門控制電路

水表進水閥門的控制是智能水表中一個很重要，也很敏感的器件。因為如果閥門關閉不牢，將可能導致偷漏水等現象，給供水部門帶來損失。而為保證閥門的穩定可靠，本設計所使用閥門為電動球閥。其工作電壓3.0V，工作電流約50mA。通過直流電機正反轉帶動半球閥轉動，進而控制供水閥門的開關。利用單片機的P3.0正、P3.1負驅動電機正轉，P3.0負、P3.1正驅動電機反轉，利用P1.5引腳檢測電機是否正轉到位；P1.6檢測檢測電機是否反轉到位。同時，為了防止電機轉動到位，而P1.5或P1.6未檢測到，而導致電機長期處于堵轉狀態而燒毀電機，本設計采用MSP430F413內部ADC采樣電路檢測堵轉電流來控制電機運行或停轉，以提供雙保險。正常情況下，電機正傳，控制閥門打開后，P1.5口能檢測到高電平中斷，則單片機控制電機停轉。電機反轉，控制閥門關閉后，P1.6口能檢測到高電平中斷，單片機控制電機停轉。在電機啟動正反轉時，ADC采集電路工作，同時定時器打開并開始計時。當定時器定時超過閾值，且ADC檢測值到電機堵轉，則繼續等待20ms后關閉電機。關于ADC采集電路的檢測，當電機未堵轉，則ADC采集的值幾乎為零。當電機堵轉時，ADC采集值將超過正常閾值，為保證電機可靠打開或關閉，在檢測到電機堵轉時，使電機再繼續轉動20ms后關閉電機。

4.5其他電路設計

其他電路包括液晶顯示設計、按鍵設計、防拆電路設計等。

液晶用于顯示當前當前時間、剩余水量、已用水量、購買添加水量歷史等信息。正常情況下，液晶不工作，用于保證系統的低功耗性能。只在有按鍵觸發時，才點亮屏幕并顯示相關信息。當無操作一段時間后，單片機將再次關閉屏幕。

按鍵功能包括設置時間、報警清除、點亮屏幕等功能。當單片機供電過低報警時，為保證緊急供水的需要，允許手動清除報警3次，手動清除報警后，每隔15分鐘會再次檢查供電。當3次手動清除后供電電壓仍未恢復，則強制關閉供水閥門。當供電電量恢復時，清除計數。

防拆電路是為了保證在用于更換電池時，閥門電路一定是關閉的。防止出現水表不供電，不工作，但閥門一直打開的情況。

5　系統軟件的設計

軟件設計邏輯上，中斷時置標志位，采用主程序逐個掃描相關標志位是否置位，置位則處理相關子程序處理并返回，繼續掃描標志位。當檢測次數超過規定次數時，進入芯片的低功耗模式。

只有中斷才可以將MSP430從低功耗LMP4下喚醒。當有中斷產生時，初始化相關外設并循環掃描相關標志位，處理相關信號或數據后再次進入低功耗狀態。其中，低電壓報警后，由于開啟內部定時器，因此進入的是低功耗模式LPM3，以保證內部定時器的運行。

程序主要實現了IC卡讀寫，液晶顯示，數據采集，低電量檢測、電機控制、定時等部分相關代碼，通過邏輯組合完成整個設計上的邏輯實現。

6　系統低功耗的設計

產品的低功耗是軟件和硬件結合的結果。硬件方面往往與微處理器選型、電源轉換芯片的特性、二極管和三極管的選型，其他電路的搭建等等有關。軟件方面則與代碼效率、使用芯片的低功耗等級、低功耗模式下IO口及外設模塊的處理有關。

本設計的功耗主要由四部分組成：一是單片機正常運行時的電量消耗；二是點亮液晶屏幕、蜂鳴器報警等的短時間電量電量消耗；三是電閥開啟或關閉時的瞬時電量消耗；四是硬件電路設計上的電量消耗，如電壓轉換電路、ADC采集電路等等；五是待機電量消耗。其中，前三部分占了總功耗的90%以上。

為實現本設計的低功耗要求，硬件上使用低功耗電動閥、IC器件。軟件上提高代碼效率、關閉不必要的外設始終、合理使用不同的芯片時鐘，減少芯片在正常運行和低功耗運行時的消耗。

7　系統抗干擾和穩定性的設計

任何設計都需要考慮其抗干擾能力和對周圍電磁環境的影響（即EMI）。本設計主要從硬件上提高其抗干擾能力和EMI性能，硬件上采用雙干簧管電路保證采集的準確性、良好的地線設計等。

系統穩定性上，則從軟件上入手。例如，只在中斷中置標志位，相應的子程序在主程序中執行；在單片機退出低功耗模式時打開看門狗，防止軟件跑飛等措施。

8　結束語

本文探討了一種基于低功耗單片機在智能水表上可行性和相關方法、評估了其設計的低功耗性能。文中提出了總體的設計方案，并給出了硬件設計思路，同時說明了軟件的實現方法，對其抗干擾及低功耗性能也做了相應評估。

［1］《MSP430x41x Mixed Signal Microcontroller》2008.12.11

［2］《MSP430F413 Device Erratasheet》2015.04.29