基于MSP430单片机的智能水表设计

2016-10-19葛欣

数码世界 2016年9期

关键词：智能水表低功耗水量

葛欣

渤海大学工学院

基于MSP430单片机的智能水表设计

葛欣

渤海大学工学院

本文介绍了基于低功耗单片机MSP430F413的智能水表的开发。包括智能水表的工作原理、MSP430单片机在低功耗方面的优势及性能、智能水表的整体设计方案等等。

MSP430F413 智能水表低功耗 IC卡技术

随着社会的发展和科技的进入，智能化和信息化成为了当前的热门话题。而在供水方面也有了不少的探索和研究。供水的传统管理方式为：“先供水后收费”。这种方式造成供水部门在抄表、收费上的低效率，如何更改管理方式，提高效率、方便管理成为当前承需解决的问题。本文即是基于此，提出了一种基于MSP430F413超低功耗单片机为主控MCU的智能水表解决方案。

1　智能水表的工作原理

本设计由单片机作为主控，电动阀门作为供水开关，IC用于记录购水量并将数据同步至单片机内，液晶用于数据显示，蜂鸣器用于报警提示。本只能水表的使用流程如下：

首先，用户需要在购水处购买IC卡和用水量，并由工作人员将所购买的用水量等信息录入IC卡中。然后，用户将IC卡插入水表上卡座内时，表内单片机启动IC卡检测及校验程序，识别并验证IC卡密码，根据IC中的信息，更新表内剩余水量值（第一次使用时，卡内的剩余水量值为零）并存储记录。最后，单片机判断剩余水量是否大约0，大于0则打开阀门供水。

水表用水量的统计采用单位水量（0.01立方米）的机械触发，产生多传感器组合信号，并由单片机处理和统计数据的方式。具体流程如下：

①供水时，水流带动表内叶轮转动，进而通过磁感器带动齿轮转动，实现机械累计。②每当机械累计量达到单位水量时，多传感器向单片机发出组合信号。③单片机被唤醒并处理用水量数据，记录和更新剩余水量。

当剩余水量低于某阈值时（单片机内设定的剩余水量不足的阈值），水表的报警系统启动每个N分钟（通过算法实现每次报警时间间隔递增），蜂鸣器连续响5声，用于提醒用户剩余水量不足。当剩余水量为0时，停止供水。在用户重新购水后，单片机执行卡检测、密码验证、更新剩余水量后，驱动电阀供水。在遇到电池供电电压过低时，3次报警提示后关闭供水。在剩余水量低于设定阀值时报警提示水量不足，当剩余水量为0时，关闭供水并报警。

2　MSP430F413简介

MSP430F413是一款以超低功耗著称的16位单片机，它的所有外设的时钟都可以单独关闭和打开，并且外设可以选择不同的时钟源，这种灵活的时钟设置可以使基于此单片机的产品满足性能的情况下，达到最低的功率消耗。同时，它采用16位RISC结构，CPU执行代码效率高。其片上丰富的外设也简化了外部设计电路，节省成本。

3　系统方案设计

本文设计的智能水表原理框图如图1，主要由以下几部分构成，包括MSP430F413单片机、液晶显示、电动供水阀、流量传感器、IC卡读写器、及电源电路等。

图1　

图2　

4　硬件的设计

4.1硬件原理框图（如图2）

4.2数据采集电路

本智能水表的基表是旋翼式冷水水表，符合ISO 4064B标准。使用干簧管传感器采集信号。配合单片机的IO口检测，统计水量。为了提高检测精度，本设计中使用2个干簧管组成双脉冲计数逻辑，并在硬件设计上添加滤波电路，只有当两个干簧管依次产生脉冲信号才记为一次有效计数，以有效减少因抖动造成单个干簧管多次触发导致统计偏差。由于正常情况下，单片机处于低功耗模式下，因此，检测干簧管产生的脉冲信号的引脚使用能够唤醒单片机的P1.3口和P1.4口。每当有一次有效计数产生，则更新并记录相应水量。同时，为防止外部电磁信号的干扰，表内设计了磁保护装置，以保证采样精度。

4.3低电压检测电路

为保证供电电压的稳定，同时提供便携的安装，本水表不使用外接电源，而采用电池供电。带来的问题是，如果提供保证水表能长久有效的正常工作的电量。为了解决此问题，一方面我们采用低功耗器件和IC，保证供电时常。另一方面，对电源低电压进行实时检测。当检测到电池电量过低时，蜂鸣器报警。当电量低于某阈值时，停止供水并报警。

为满足低功耗下实时供电电压检测的要求，采用低功耗的电压检测芯片R3111H301C。R3111H301C为低电压检测芯片，其正常的工作电流只有1.0μA。供电电压正常时，芯片的输出引脚为高电平；电压小于3.0V时，输出引脚为低电平。以此，在软件设计中，使用能够唤醒单片机的引脚P1.1作为电量检测的IO口。IO口配置为高电平输入，下拉中断。当检测电压低于3.0V时，P1.1引脚被拉低，单片机被从低功耗模式下唤醒。处理中断子程序，置低电量标志位，蜂鸣器报警，内部定时器开始定时。当在一段时间内电压仍未恢复，报警未被清除，则停止供水，直至电源电压恢复。

4.4阀门控制电路

水表进水阀门的控制是智能水表中一个很重要，也很敏感的器件。因为如果阀门关闭不牢，将可能导致偷漏水等现象，给供水部门带来损失。而为保证阀门的稳定可靠，本设计所使用阀门为电动球阀。其工作电压3.0V，工作电流约50mA。通过直流电机正反转带动半球阀转动，进而控制供水阀门的开关。利用单片机的P3.0正、P3.1负驱动电机正转，P3.0负、P3.1正驱动电机反转，利用P1.5引脚检测电机是否正转到位；P1.6检测检测电机是否反转到位。同时，为了防止电机转动到位，而P1.5或P1.6未检测到，而导致电机长期处于堵转状态而烧毁电机，本设计采用MSP430F413内部ADC采样电路检测堵转电流来控制电机运行或停转，以提供双保险。正常情况下，电机正传，控制阀门打开后，P1.5口能检测到高电平中断，则单片机控制电机停转。电机反转，控制阀门关闭后，P1.6口能检测到高电平中断，单片机控制电机停转。在电机启动正反转时，ADC采集电路工作，同时定时器打开并开始计时。当定时器定时超过阈值，且ADC检测值到电机堵转，则继续等待20ms后关闭电机。关于ADC采集电路的检测，当电机未堵转，则ADC采集的值几乎为零。当电机堵转时，ADC采集值将超过正常阈值，为保证电机可靠打开或关闭，在检测到电机堵转时，使电机再继续转动20ms后关闭电机。

4.5其他电路设计

其他电路包括液晶显示设计、按键设计、防拆电路设计等。

液晶用于显示当前当前时间、剩余水量、已用水量、购买添加水量历史等信息。正常情况下，液晶不工作，用于保证系统的低功耗性能。只在有按键触发时，才点亮屏幕并显示相关信息。当无操作一段时间后，单片机将再次关闭屏幕。

按键功能包括设置时间、报警清除、点亮屏幕等功能。当单片机供电过低报警时，为保证紧急供水的需要，允许手动清除报警3次，手动清除报警后，每隔15分钟会再次检查供电。当3次手动清除后供电电压仍未恢复，则强制关闭供水阀门。当供电电量恢复时，清除计数。

防拆电路是为了保证在用于更换电池时，阀门电路一定是关闭的。防止出现水表不供电，不工作，但阀门一直打开的情况。