基于MSP430F413的新型智能水表的設(shè)計(jì)

　?、?脈沖采集電路

　　本系統(tǒng)中水表的基表采用符合ISO 4064B標(biāo)準(zhǔn)的旋翼式冷水水表。該表計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)與測(cè)量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動(dòng)，采用干簧管傳感器計(jì)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(jì)數(shù)現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)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(jī)計(jì)數(shù)，當(dāng)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(jì)數(shù)，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(chǔ)器中減去相應(yīng)水量。表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置，具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力。

　　③ 閥門控制電路

　　閥門控制是水表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感的部分，關(guān)啟閥門的可靠性差，將會(huì)給供水部門帶來(lái)很大的問(wèn)題。本系統(tǒng)采用的是電動(dòng)球閥，工作電壓3V，工作時(shí)電流僅50mA。設(shè)計(jì)中利用直流電機(jī)帶動(dòng)半球閥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的方式來(lái)控制閥門的開啟和關(guān)閉。利用MSP430F413單片機(jī)的P6.6和P6.7來(lái)控制閥門的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，利用MSP430F413內(nèi)部比較器（P1.6CA0，P1.7CA1）檢測(cè)堵轉(zhuǎn)電流來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，CA0＞CA1，一旦堵轉(zhuǎn)，電流迅速增大，CAOUT=0，來(lái)通知MSP430F413電機(jī)轉(zhuǎn)到位。定時(shí)器定時(shí)1s檢測(cè)電機(jī)是否到位，有效地解決閥門關(guān)閉不可靠問(wèn)題。當(dāng)正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時(shí)，閥門開啟；反之，閥門閉合。當(dāng)單片機(jī)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，開啟閥門，開啟到位時(shí)，由單片機(jī)P1.5口輸入檢測(cè)信號(hào)，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，同樣由單片機(jī)P1.5口輸入關(guān)閉到位檢測(cè)信號(hào)。

　　2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　圖4是主程序流程圖。單片機(jī)上電復(fù)位后主程序采用順序執(zhí)行的方法，逐個(gè)掃描各個(gè)自定義標(biāo)志位，檢查是否有動(dòng)作發(fā)生，若有發(fā)生則轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序處理，處理完后回到主程序，繼續(xù)掃描其后的標(biāo)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(hào)以中斷的方式進(jìn)入的，所以要特別注意中斷的優(yōu)先級(jí)及中斷的嵌套問(wèn)題。采用模塊化方法設(shè)計(jì)各個(gè)子程序。根據(jù)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(diào)用關(guān)系，以供調(diào)用。主要軟件模塊有：IC卡讀寫模塊，液晶顯示模塊，計(jì)量模塊，F(xiàn)LASH讀寫模塊，低電壓保護(hù)模塊等。上電后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化包括對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器單元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶顯示的設(shè)置等。接著進(jìn)入主循環(huán)，判斷故障、電源電壓是否正常等，若一切正常則開閥供水。無(wú)論在什么情況下只要有低電壓信號(hào)出現(xiàn)，系統(tǒng)就提示欠壓，蜂鳴器報(bào)警，液晶顯示，提示用戶更換電池:當(dāng)剩余水量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)液晶顯示提醒用戶“請(qǐng)購(gòu)水”，如果用戶沒(méi)有及時(shí)購(gòu)水重新插卡充值，當(dāng)剩余水量為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)控制閥門關(guān)閉，停止供水。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

　　3 系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)

　　在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)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(tǒng)的功耗相應(yīng)的也會(huì)增大，因此在功耗要求很嚴(yán)格的智能水表控制系統(tǒng)中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統(tǒng)中選用三節(jié)堿性干電池4.5V供電。本文所設(shè)計(jì)的智能水表的能耗主要由三部分構(gòu)成：第一部分是控制器中單片機(jī)（CPU）液晶正常運(yùn)行時(shí)的持續(xù)性能耗，這是主要的功耗；第二部分是IC卡水表執(zhí)行機(jī)構(gòu)（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(bào)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)選擇低功耗的系統(tǒng)運(yùn)行模式。

　　4 系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計(jì)從兩方面來(lái)考慮，一是在硬件設(shè)計(jì)上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采取一定措施來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，即使系統(tǒng)受到干擾，也能自動(dòng)地快速恢復(fù)正常上作。如:盡量減少中斷源，采用中斷與查詢相結(jié)合的方法，保持盡.可能短的中斷開放時(shí)間，隨開隨關(guān)；在程序關(guān)鍵的地方人為地插入空操作指令，保護(hù)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(tǒng)中的應(yīng)用

　　結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)踐證明：本文所設(shè)計(jì)的智能水表從管理上講對(duì)用戶實(shí)行“先買水后用水”的預(yù)付費(fèi)管理方式，在一定程度上改善傳統(tǒng)管理模式的種種弊端，符合我國(guó)的基本國(guó)情，有很強(qiáng)的適用價(jià)值。