基于MSP430單片機的遠傳智能水表設計

周嘉俊

（浙江信息工程學校，浙江湖州，313000）

1 基于MSP430單片機遠傳智能水表系統分析

1.1 系統功能

該系統便于組建遠傳數據輸送網絡。可結合實際情況，傳輸方式可為無線或者有線。比如RS485、電力載波等傳輸方式；數據采集能夠定時或者實時進行，工作人員的勞動強度降低，經濟效益得到提高；數據的準確程度提高，減少抄表過程中的不良因素，系統管理的水平得到提高；能夠對水表進行實時監控，并對其異常現象及時查處；便于管理數據庫，自動生成報表，詳細記錄用戶的消費情況，便于用戶信息查詢。

1.2 拓撲構架

1.2.1 管理系統

該系統上位機的管理系統是基于數據庫，由管理軟件、計算機以及調制調節設備等構成的管理軟件，其集中抄表工作通過撥號通信來實現。其中上位機的管理軟件主要分為數據、水量水費、用戶、小區等管理模塊以及遠程通信、實時監控、參數設置等模塊。通過操作這些模塊可完成以下工作：用戶資料錄入，對水量水費進行統計；對數據進行隨時或者定時抄錄并處理加工；對水表運行狀況進行觀察、查詢；進行網絡繳費等。

1.2.2 集中設備

系統中，通過集中設備可進行總線隔離和數據中轉等，起到聯系水表和上位機的作用。主要功能是與水表進行通信，按照系統要求進行水表數據收納，再者是與上位機進行通信，向上位機的管理系統輸送數據信息。

1.2.3 終端設備

遠傳智能水表系統的終端是智能化水表，本文所設計的水表具有科技成分較高的自動化計量設備，具有計量、顯示、計費、管控等功能。利用通信技術、計算機、集中設備等聯網，該系統的功能較多、功耗低，可采集、傳輸用水信息，并對水表進行遠程操控。可實現數據的遠程抄錄、雙向輸送、水費結算、用水狀況的動態監測、遠程報警，同時還可以進行階梯收費等。

1.3 傳輸方式

結合實際應用，本設計數據傳輸采用總線式RS485方式，水表設有RS485接口，利用RS485總線連接基表和集中設備，在利用電話網和調制解調設備同上位機連接。RS485傳輸方式是通過信息的平衡發送及差分接收進行通信，發送端口，TTL信號通過驅動設備轉換為差分信號后在進行輸出，接收端口，差分信號通過接收設備轉換為TTL信號，所以信號抗干擾共模能力較強。同時該傳輸方式的另一個功能是可進行多個點位進行互聯，最多可連32個收發設備和驅動設備，接收設備具有±200mv的靈敏度，數據信息最遠可傳輸1.2km，傳輸的距離較遠。

1.4 設計原則

系統設計中，應當充分保證數據傳輸的真實性和可靠性，確保計量數據能夠真實、可靠地向管理系統輸送，輸送當中不丟失數據信息；充分考慮系統的性價比。為了提高市場的競爭實力，應當對系統設計價格進行考慮；便于維修。設計中盡可能降低集中設備的功能，為水表采集數據、儲存信息等提供保障；上位機和水表之間的通信有集中設備承擔，發生集中危險的風險降低，便于維修、養護；便于拓展、提升系統的功能。結合實際需求，拓展系統功能。比如，瀏覽、服務設備模式的拓展，為用戶線上信息查詢提供方便；增加管理系統，及時分析、統計水表計量的信息。

2 基于MSP430單片機遠傳智能水表系統整體設計

該遠傳智能水表系統主要由硬件系統和軟件系統組成，硬件系統負責采集居民用水的數據信息，并將其向后臺服務設備輸送，軟件系統負責分析后臺所接收的數據信息，然后向界面發送指令。如圖1所示。

圖1 系統整體設計

3 基于MSP430單片機遠傳智能水表系統硬件設計

遠傳智能水表的硬件部分主要包括主控芯片以及信息采集、控制、顯示、防拆、報警等電路。如圖2所示。

圖2 系統組成結構圖

該智能水表的動力源為電池，MSP430主控芯片功耗較低，LCD顯示，所用其他芯片及設備均具有滿足系統要求、低功耗的性能。

3.1 主控設備

本設計選擇美國TI生產的MSP430芯片為主控設備，應用不同芯片所含功能模塊也不同。MSP430為16位信號混合處理的RISC結構，常數發生及寄存設備有16個，運行代碼的效率得到提高，通過數控震蕩設備快速喚醒處于低功耗狀態下的器件，激活時間為6μs；定時設備為16位，在其內設置乘法設備，MSP430處理數據的能力提高。根據MSP430的特征，按照低成本、低功耗的原則進行硬件系統設計。本設計中所用的FET仿真設備由利達爾公司生產，該設備有14PIN和25PIN兩個接口，其中14PIN電纜與接口JTAG連接，25PIN電纜和PC并口進行連接，電纜連接完成后，針對PC并口進行設置，設置模式為ECP或者EPP，否則程序不能下載。

3.2 傳感設備

本設計所用的傳感設備為雙簧管，當其中一個管在吸合時被檢測到，記錄下這種狀態，然后在對另一個管進行檢測，當另一個管的吸合狀態被檢測到時，才為有效傳輸信號，如果只有一個管閉合，哪怕是閉合多次也為無效信號，處于顫動狀態下的臨界點發出錯誤信號的現象可有效避免。同時因磁鐵的人為附加而導致計數錯誤的現象得到有效控制。本設計中，水表自身引出四根線，其中地線兩根，數據線兩根，連接MSP430F449芯片和數據信息采集設備，兩個104電容量的設備將雙干簧管在閉合過程中發生的顫動可被消除掉。

3.3 顯示設備

本設計結合實際需求，選擇深圳晶象公司生產的JX1747RM偏光片，該LCD產品管腳28個，24個連接MSP430F449芯片，其中20個連接芯片SO-19管腳，并在驅動的段極應用，4個連接芯片COM1-3管腳，在驅動的公共極應用，另外4個固定于電路板。該種產品的工作溫度為-20℃-+70℃，偏壓比為1/3，占空比為1/4，驅動電壓為3.0V。MSP430F449顯示緩存設備有20×8位，字節20個，本設計顯存字節為9個。

3.4 控制設備

由于電磁閥具有較高的靈敏度、更換方便、容易辨識，且功耗較低，因此智能水表系統中，利用電磁閥對用水量進行控制。本設計中有5根線從水表的電機引出，其中電源線2根，檢測閥門開關線2根，地線1根，利用電機接口連接MSP430F449。電路控制利用MSP430F413引腳P6.6、P6.7對閥門轉動來實現。當P6.6高電平輸入、P6.7低電平輸入過程中，閉合SW1，電磁閥開啟；否則，電磁閥閉合。

3.5 接口設備

通過分析對比及實際應用，本設計通信接口使用RS485，同RS232相比，該產品成本、接收、驅動設備價格低，差動輸出所需壓差僅需一個電壓為+5V電源就可以實現。MAX485芯片由MAXIM公司制造，該芯片工作模式為半雙工，有一個接收設備和驅動設備組成，管腳8個，120μA-500μA的工作電流，300μA的靜態電流；可將32個收發設備掛在通信線路上；電源供電+5V；驅動設備具有過載保護的作用。

3.6 電源線路

本設計主要采用集中設備進行供電，220V的交流電直接同集中設備連接，在變壓設備的作用下將交流電轉化為5V。利用整流模塊將直流電轉化為5V，此時利用78L03模塊將直流電轉化為3V，為集中設備的主控芯片提供電能，同時，利用78L05模塊向集中設備別的芯片提供5V的電能。14K681具有電路保護作用，防止突發原因突然增大電壓而對電路造成破壞。

3.7 防拆線路

為了避免水表在使用過程中進行拆卸，本設計進行了防拆線路的設計，將一個開關加入到電路中，通常狀態為閉合，當拆卸水表時，斷開此開關，關閉水表閥門，更加確保了水表的安全性。

3.8 報警設備

本設計所用水表所用檢測電壓的芯片為日本RICON公司生產的R3111H301C，當電壓不超過3.0V時，報警設備會發出警告提示。該芯片測量電壓的精度較高，且功耗較低，在智能水表電壓檢測中非常適用，該芯片功耗0.8μA，典型值非常低，3.0±25%電壓檢測精度，0.9V-10V工作電壓。

4 基于MSP430單片機遠傳智能水表系統硬件設計

4.1 主控流程

該系統主控程序設計，需要以實際業務流程為依據，利用程序中斷降低系統功耗。由分析可知，遠傳智能化水表系統主要包括CPU運行、開關控制、發送信息、報警設備等輔助功能等三部分能耗，其中前兩部分能耗占據比例較大，所以本文通過中斷模式、鎖相環、MSP430F413倍頻等技術相結合，進行不同工作時間的設置。如圖3所示。

圖3 主控程序流程

4.2 子流程

4.2.1 顯示流程

LCD主要功能是通過顯示用水量、電池電量、日期、閥門狀態、本次金額以及剩余金額等信息。

4.2.2 信息采集流程

數據信息的采集程序通過雙干簧管對水量進行計量，當干簧管閉合一個時，標志位設置為1，當另外的干簧管閉合時，計數設備進行數字記錄，標志位清除，當干簧管兩個都閉合則表示異常。

4.2.3 控制流程

遠傳智能化水表系統，通過正反轉電機對開關閥門進行控制，開關閥門時，需要檢測閥門的到位情況，如果開關到位，電機還在運轉，則說明電路電流比較大，不僅增加電能消耗，還容易導致電機損毀，如果由于閥門老化或者出現故障而無法轉動，同樣需要停止電機運轉。

4.2.4 檢測流程

檢測欠壓流程主要對電源電壓功能進行檢測，當到達設定時間時，系統中斷，對實際電壓的下限值進行檢測。如果沒有超出下限范圍，中斷退出，其他功能繼續執行。如果超出下限值，則需要將電壓標志予以置低，并發出警報，如果電壓升高，大于下限值，將欠壓標志位清除，中斷退出；如果持續處于下限值以下，則需要循環檢測電壓，直至電壓升高到正常值。

4.2.5 通信流程

遠傳智能化水表系統終端是水表，其本身可進行數據的采集和記錄等，同時還可集中設備發出的指令予以執行，其中集中設備指令主要包括廣播指令和本表指令兩種類型。其中廣播指令需要全部水表進行執行，主要包括校對、凍結水表數據信息；本表指令為集中設備專門針對某一水表下達的指令，該水表需要對指令予以執行，并將執行結果向上位機傳輸。

4.3 中斷流程

基于MSP430的軟件設計，功耗降低的主要途徑是中斷方式的應用。鑒于智能化水表的功耗較低，在數據信息采集、通信中，通過程序中斷來處理。完成中斷處理后，再次進入低功耗狀態。本設計中所用的中斷程序有計量、欠壓、通信、拆除、干擾等中斷。

5 結束語

該遠傳智能化水表系統的設計在計量、繳費、管理等方面實現了自動化，確保精準的水量計量，避免了數據漏抄、誤抄等現象。該系統最大優勢是實行上位機系統管理高度實現水表抄錄的自動化，便于水費繳納；實現了水表運行狀態的實時查詢，異常狀況能夠及時被發現，便于處理；水表設計為低功耗，電池有6年以上的使用壽命，符合行業要求；管理系統的功能還可以拓展，在其他能耗表的設計中可以應用，遠傳聯網抄表得以實現。