基于MSP430单片机的智能水表设计

金华职业技术学院JINHUACOLLEGEOFPROFESSIONANDTECHNOLOGY毕业教学环节成果（2011届）题目基于MSP430单片机的智能水表设计2011年5月20日目录摘要1英文摘要1引言21智能水表的概述311水表的发展历史312智能水表的概念313智能水表的性能指标414智能水表的分类4141脉冲发讯集中抄收式水表4142无电源直读抄收式水表4143磁卡（IC）卡预付费水表52智能水表的设计流程521智能水表的基本组成522智能水表的工作原理723智能水表的主要元器件介绍7232液晶LCD16029233传感器（霍尔传感器和水流传感器）11234IC读卡器13235三端稳压管LM11173314236小型直流电机14237蜂鸣器143智能水表的制作1531智能水表组成电路的设计1532原理图设计1833PCB制作184智能水表的程序1941MSP430F149常用程序介绍19411中断介绍及存储器段介绍19412硬件乘法器19413P口19414定时器及数模转换19415时钟模块19416USART通信模块20417比较器模块20418数模转换模块2042程序设计流程图2043智能水表的程序源代码21结论与谢辞22参考文献23附件清单24附件1原理图25附件2PCB图25附件3程序源代码261基于MSP430单片机的智能水表设计摘要本文介绍由MSP430单片机为主控芯片的智能水表设计，主要介绍了对智能水表的基本组成、工作原理、主要组成元器件，源程序代码及MSP430常用程序代码等作了较详的介绍，使其在设计上具有读卡功能、可显示剩余水轮转数、插一次卡剩余转数增加200、水轮每转一圈转数减一等功能的智能IC接触式水表。关键词智能IC卡水表，MSP430F149单片机DESIGNOFINTELLIGENTWATERMETERBASEDONMSP430MICOCONTOLLER（MAJOROFAPPLIEDELECTRONICTECHNOLOGYINFORMATIONANDENGINEERINGCOLLEGE,ZENGBING）ABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESTHEMSP430MICROCONTROLLERASTHEMAINCHIPOFTHESMARTMETERDESIGN,INTRODUCESTHEBASICCOMPONENTSOFTHESMARTMETER,WORKINGPRINCIPLE,THEMAINCOMPONENTPARTS,SOURCECODEANDCOMMONCODEMSP430MADEAMOREDETAILEDDESCRIPTION,ETC,TOINTHEDESIGNOFACARDREADERFUNCTION,CANDISPLAYTHENUMBEROFREMAININGWATERCYCLE,INSERTACARD,THEREMAININGINCREASEOF200RPM,WHEELREVOLUTIONSPERREVOLUTIONBYFIRSTCLASSFUNCTIONCONTACTLESSSMARTICMETERKEYWORDICCARDWATERMETER，MSP430F1492引言随着社会经济的发展和科技的不断进步，人们生活条件逐步提高，同时对住宅的智能化要求也越来越多。对于传统水表，人工抄表和收费一直是两个效率很低的环节。在我国普遍采用“先用水后收费”的管理方式，用户拖欠水费的现象时常发生，供水部门缺乏用水管理的有效手段一户一表的推行，复费率阶梯水价的实施以及供水管理部门提高计量收费管理的需要，都要求对传统的机械式水表进行变革。现代电子技术、传感器技术的日趋成熟，实现自来水水费管理的电子化、信息化已成为可能。提高居民计量水表的科技水平，实现水表的纯电子数字化计量及远程输出，提高数字化计量水表的运行可靠性、安全性和寿命，是一个需要迫切解决的问题，是实现节约用水的重要手段。传统的水表数字化是指把机械计量数据转化为电子数字数据，常用的传感技术有干簧管传感器、光电传感器、霍尔传感器、韦根传感器、直浚传感器等。脉冲传感器变换和累计过程中易于受外部机械振动、电源、电磁干扰、水锤等因素影响，而致使计量传送结果出现错误且无法恢复；直读传感器受制于加丁工工艺易产生机械故障。这些传感技术各有优缺点，但无一例外的是仅仅将水表机械计量数据转化为电子数字数据以实现数据的传送，并不能优化水表的计量性能。因此，新型电子智能式水表已成为水表行业关注的的方向。31智能水表的概述11水表的发展历史从1825年英国克路斯发明了真正具有仪表特征的平衡罐式水表以来，水表的的发展已有近两百年的历史。1879年，李鸿章为操办海军，在旅顺口创建了我国第一家水厂，1883年英殖民主义者在上海创建了第二个水厂，水表开始进入我国。至20世纪初期，当时的水厂大都从国外进口部分零部件用以生产水表。在相当长的时间，英法德日等国家的水表一直占据中国水表行业的市场。1949年解放以后，随着城市供水事业的发展，我国的水表工业也相应的发展起来。从1955年起，我国的一些大中城市自来水公司向后开始生产水表。20世纪80年代初，根据当时水表的国际标准IS4046的要求，我国对小口径水表实行了全国统一的设计并加以改进推广。统一设计和水表零部件的塑料化，大大推动了我国水表工业进步与发展。20世纪90年代，我国的经济建设高速发展，水表行业也快速发展，同时各种智能型水表、水表抄表系统等产品也开始兴起。12智能水表的概念智能水表是一种利用现代微电子技术、现在传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表，是水表的另类派生产品之一。与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是很大的进步。智能水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能由于其数据传递和交易结算由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的改变。IC卡交易系统还具有交易方便，计算准确，可利用银行进行结算的特点。图11某型号智能水表样图413智能水表的性能指标水表的主要技术参数（1）水温该参数规定了水表使用的最高温度，使用者英选用合适的型号规格来满足自己的需求，否则将导致水表水流总量计量不准。（2）工作压力规定了水表计量水体的最大压力。水压超过此限度，可能会使水表损坏或渗漏。（3）流量系数其包括公称口径、最大流量、公称流量、分界流量、最小流量、始动流量。使用者可根据使用的需要选择公称口径和公称流量。（4）示值误差。（5）外形尺寸及重量水表的外形尺寸包括安装时需了解的各种参数如长宽高、连接螺纹。另外尺寸和重量与包装运输有关。14智能水表的分类目前市场上普遍采用的智能化水表主要有三类脉冲发讯式集中抄收系统表具传感器分为干簧管型、霍尔元件型、光电转换型；IC卡表分为插卡表、射频卡表；无电源直读式集抄系统传感器分为光电收发编码式、电阻逻辑编码式、接触开关编码式、条形码式，水表表具分为干式、湿式。141脉冲发讯集中抄收式水表工作原理由表具不断发出脉冲信号，经采集器对脉冲信号进行采集、累加、存储和数据上传。优点发讯式集抄系统目前在国内已普遍采用，推广应用方便，价格较低，只要生产厂商、系统集成商严格把好每一环节的质量关，且发讯不随时间而产生疲劳损伤。实践中存在的问题初始化及维护工作量大；磁铁强磁场干扰；电能耗费。142无电源直读抄收式水表工作原理在干式或湿式旋翼式水表码盘下每个与刻度对应的位置上装上红外收发光管或电阻或金属触点，当码盘上的透光孔或触点转到某一刻度时抄表，系统即供电。这时红外发光管发光，在对应位置上的红外接收管收到光信号后经单片机对信号进行判别、计算，将每一刻度上的数据传给集中器，再由集中器将所抄水表数据上传至计算机管理软件，该系统平时不工作、不用电、无功耗，所以称无电源简称“无源”，抄表时读取的是表具实时指针度数即直读。5优点自动读取指针位置或字轮读数，无需在集中抄收器中设定数据初始化的工作；无源远传采集器直接传送表具实时度数，平时不工作，故不受机械振动和电磁干扰的影响；系统日常工作无需供电，避免了由于供电不稳定或电源故障引起的计量误差及大量的维护工作，并大大降低了系统的使用和维护费用；由于无源远传系统的传感器记忆的是指针或字轮位置，即便水表发生倒转，自动抄表数据与表具指针或字轮的读数也始终保持一致，避免了用户与售水单位由于数据不一致而产生矛盾；即使发生断线，当接好线后仍然是水表内刻度指示的计量，自来水行业无任何损失。实践中存在的问题其制造成本较高；不易大面积推广应用；不易远传计量。143磁卡（IC）卡预付费水表工作原理以接触IC卡或非接触射频卡作为媒介，由用户到自来水公司网点先预购用水量，再将用水量通过IC卡输入表中控制系统，等水量用尽即自动关阀并中断水的供应，报警器在设定水量用完之前会自动报警以提醒用户购水，达到“先买水、后用水”的目的。优点在用户不缴费的情况下可自动断水，有效控制收费单位的资金回笼，不需要人工上门抄表、收费，减少抄表员。实践中存在的问题电磁阀在长期开启状态下由于水垢和水中杂质而影响阀门关闭，使用户在不缴费的情况下继续用水，而收费单位还一无所知，一旦发现也无法向用户追缴多用水费。IC卡表也是由发讯脉冲进行累加计量，如果人为强磁干扰或强电瞬间电击，也会造成芯片损坏，从而无法计量。锂电池在长期使用中是否能达到设计年限还有待考证，到期后由谁负责更换是个问题。若充值卡密码被盗或被破译，就会给售水单位造成极大损失。售水单位必须保证24H不间断服务，营业点分布要合理，维护人员接到电话即随时上门维修，否则会给用户带来极大的不便，易造成买水方用户与卖水方自来水行业之间的矛盾和自来水行业的利益损失。2智能水表的设计流程21智能水表的基本组成智能水表主要包括液晶显示、声音报警、电源监测、电控阀、IC卡通讯及水表传感器模块等。6MSP430F149单片机IC通讯水表传感器液晶显示水表电控阀电源监测声音报警图21智能水表硬件电路图1液晶显示为了有一个良好的人机界面，便于管理及用户使用，利用液晶显示相关数据和状态信息。2声音报警及电源监测为确保水表可靠运行，配备了电源监控系统。当电源电压降至一设定值后，水表会将有用信息保存，同时关闭水阀并发出报警信号。更换电池后，水表会自动恢复有用的数据并重新开始工作。当有异常情况发生时，如有人为破坏事件，或可用水数低于设定值或电池电压低于设定工作电压时，蜂鸣器会发出报警信号提示用户引起注意。3电控阀阀门开启系统由电控阀与电控阀驱动电路组成。在满足特定条件的情况下，单片机输出控制信号，经放大电路处理后，可以有效的控制电控阀的开启与关闭，以达到对用户用水的有效监控。4IC卡通讯当读卡器有IC卡插入时，卡座上的卡簧常开触点闭合，在单片机的I/O口检测到低电平输入，转入读写卡操作的程序。5水表传感器来自流量计传感器的水流信号经前置电路处理后，转换成一系列可测量的电压脉冲信号。722智能水表的工作原理电源监测模块采用稳压管LM1111733输出，当该芯片检测到电源电压低于规定时，会触发1个低电平信号，单片机检测到低电平信号时发出报警，并关闭阀门。水流传感部分采用磁敏元件干簧管。水流带动水表巾的磁体旋转，当磁铁靠近干簧管时，干簧管导通，此时单片机会在相应的端口检测到低电平。为了避免重复计数，在水表中安装了3个干簧管，只有当单片机先后检测到3个不同的干簧管导通时才算作1次有效的计数。当读卡器有IC卡捅入时，卡座上的卡簧常开触点闭合，在单片机的I/O口检测到低电平输入，转入读写卡操作的程序。主要的卡型分力开户卡、用户卡、管理卡、数据采集卡以及清零卡。对于不同权限卡，系统分别作以不同的处理。23智能水表的主要元器件介绍231智能水表的主芯片MSP430F149图22MSP430F149引脚图8TI公司MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，他们具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高代码效率。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功耗消耗。数字控制的振荡器（DCO）可以使器件从低功耗模式迅速唤醒在小于6S的时间内被激活到正常的工作方式。MSP430的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器，数字化电机控制、电表、水表、和手持式仪表等理想配置。内置的硬件乘法器大大加强了功能并提供软硬件想兼容的范围，提高了数据处理能力。下面介绍本文所用的主芯片MSP430F149。1MSP430F149单片机的特点1采用FLASH存储器作为程序代码及信息存储,因此可实现多次的写入和擦除,也可实现在线写入，且存储空间大，其中ROM为60K,RAM为2K。2在单片机内集成了一个12位精度、高效通用的A/D转换模块,即数据采集子系统。3片内有1个硬件乘法器,这个硬件乘法器是1个16位的外围模块,它并不集成于CPU中,因此它的运算独立于CPU,也不需要特殊的指令。4片内有2个串行通讯接口,支持通用异步协议UART协议和同步协议SPI协议5片内有2个16位的定时器,且带有多个捕获/比较寄存器,这样寄存器的使用将更加灵活。2MSP430F149单片机的数据采集子系统在MSP430F149中有1个12位精度的A/D转换模块ADC12,主要由5大功能模块组成,且都可独立配置,它们分别为带有采样/保持功能的ADC内核,可控制的转换存储,可控制的参考电平发生器,可控制和选择的时钟源,可控采样及转换时序电路。ADC12可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换,由ADC内核把模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。内核用到2个参考电平,即VR和VR作为转换范围的上下限和读数的量程值和“0”值。转换数值在输入信号大于等于VR时为满量程,小于等于VR时为“0”。对于ADC12的转换时钟,用户有各种选择来形成采样的时序。ADC12可以选择所有有效的MSP430片内时钟,也可以选择一个外围模块所含的时钟,对于选择时钟源可以引入一个18的分频因子。ADC12有4种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换,也可以在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换,采样顺序完全由用户定义。转换的结果9保存在16个转换寄存器中,这样ADC12可以进行多次转换而不需要软件干预,这一点提高了系统性能,也减少了软件开销。232液晶LCD1602图221602字符型液晶显示器实物图1602LCD主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表21所示编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据103VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK表21表21引脚接口说明表第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。第15脚背光源正极。第16脚背光源负极。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表22表所示序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回0000000013置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L6置功能00001DLNF7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容1111CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容表22表22控制命令表1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明1为高电平、0为低电平）指令1清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2光标复位，光标返回到地址00H。指令3光标和显示模式设置I/D光标移动方向，高电平右移，低电平左移S屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4显示开关控制。D控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5光标或显示移位S/C高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6功能设置命令DL高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N低电平时为单行显示，高电平时双行显示F低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的点阵字符。指令7字符发生器RAM地址设置。指令8DDRAM地址设置。指令9读忙信号和光标地址BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10写数据。指令11读数据。233传感器（霍尔传感器和水流传感器）12图23霍尔效应1霍尔传感器霍尔效应传感器采用一种半导体器件，检测电线中变动的电流所产生的磁场。在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应按照霍尔器件的功能可将它们分为霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出被检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。2水流传感器水流传感器的基本原理是在普通转盘计数的水表中加装干簧管和磁铁，干簧管固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘本系统001立方米位上，当转盘每转1圈，永磁铁经过于簧管1次即在信号端产生1个计量脉冲。在管道系统中，如果发生液流瞬变流动，管流的流速，压力等参数均随时间变化。速突然变化会引起一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象，管道将发生剧烈振动和较大的声响，这种剧烈的抖动可能造成干簧管簧片在很短时间里，频繁地吸合，发出大量的脉冲。造成计数偏差，为了避免这种现象的发生，如图3，将3个干簧管分别通过上拉电阻接入单片机的3个不同的IO口。水流带动中间叶片上的磁体旋转，当磁体靠近干簧管时，对应的干簧管导通。13234IC读卡器图24某IC读卡器IC卡读写器要能读写符合ISO7816标准的IC卡。IC卡接口电路作为IC卡与IFD内的CPU进行通信的唯一通道，为保证通信和数据交换的安全与可靠，其产生的电信号必须满足下面的特定要求。1完成IC卡插入与退出的识别操作IC卡接口电路对IC卡插入与退出的识别，即卡的激活和释放，有很严格的时序要求。如果不能满足相应的要求，IC卡就不能正常进行操作；严重时将损坏IC卡或IC卡读写器。1激活过程为启动对卡的操作，接口电路应按图1所示顺序激活电路RST处于L状态；根据所选择卡的类型，对VCC加电A类或B类，VPP上升为空闲状态；接口电路的I/O应置于接收状态；向IC卡的CLK提供时钟信号A类卡15MHZ，B类卡14MHZ。在RST处于状态H的情况下，如果应答信号在40000个时钟周期内仍未开始，RST上的信号将返回到状态L，且IC卡接口电路按照图2所示对IC卡产生释放。2释放过程当信息交换结束或失败时例如，无卡响应或卡被移出，接口电路应按图2所示时序释放电路RST应置为状态L；CLK应置为状态L除非时钟已在状态L上停止；VPP应释放如果它已被激活；I/O应置为状态A在TD时间内没有具体定义；VCC应释放。2通过触点向卡提供稳定的电源IC卡接口电路应能在表1规定的电压范围内，向IC卡提供相应稳定的电流。143通过触点向卡提供稳定的时钟IC卡接口电路向卡提供时钟信号。时钟信号的实际频率范围在复位应答期间，应在以下范围内A类卡，时钟应在15MHZ；B类卡，时钟应在14MHZ。复位后，由收到的ATR复位应答信号中的F时钟频率变换因子和D比特率调整因子来确定。时钟信号的工作周期应为稳定操作期间周期的4060。当频率从一个值转换到另一个值时，应注意保证没有比短周期的40更短的脉冲。235三端稳压管LM111733图25三端稳压管LM111733LM111733特点1可调版本的电压精度为1；2固定电压为12V的输出电压精度为2；3低漏失电压1A输出电流时仅为12V；3限流功能；4过热切断；5温度范围40C125C采用稳压管LM1111733输出，把5V的电源电压作为三段稳压管的输入，输出电压即为主芯片电压33V。236小型直流电机图26小型直流电机与单片机混搭使用时，通过主芯片控制的I/O口电平高低使得流过电机的电流有正反两个方向，电磁效应实现电机正反转。237蜂鸣器15图27蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器。在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音。主芯片驱动他激蜂鸣器的方式有两种一种是PWM输出口直接驱动，另一种是利用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。PWM输出口直接驱动是利用PWM输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。利用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。3智能水表的制作31智能水表组成电路的设计1）液晶显示模块VSDLRE024567JC_图31液晶显示模块图从电路结构、显示程序等方面考虑,选用1602LCD显示模块,可显示162个字符及图形,可与CPU直接接口,具有8位标准数据总线、4条控制线及电源线。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界。162）声音报警模块R14709KLSPEAQ3图32声音报警模块图蜂鸣器是在每次读卡操作不成功的时候发出报警指示音。由于MCU的I/O口驱动能力有限,一般不能直接驱动压电式蜂鸣器,因此选用PNP型晶体管组成晶体管驱动电路,单片机I/O口输出经驱动电路放大后即可驱动蜂鸣器。当IC卡内余额少于设定金额时,驱动蜂鸣器报警,计时超过设定后,蜂鸣器发出警报且计费加倍,当卡内余额小于设定金额时,控制器发出提示音,提醒将停止供水。3）电源监测模块CUF8DINOTG压V5B图33电源监测模块电源监测采用稳压管，当主芯片检测到电源电压低于5V时，LED0亮度减弱甚至灭掉，触发1个低电平信号，单片机检测到低电平信号时会发出报警，并关闭阀门，提醒用户要更换电池。174）电控阀模块123JPHUOER705DIN8ZLQ96图34电控阀模块图对于电机模块，我们通过控制2个I/O口上的电平高低使得流过电机的电流有正反2个方向，实现直流电机的正反转。在机械水表中加装霍尔元件和磁铁，构成基于磁电转换技术的传感器，安装在计数盘位上的磁铁随着计数转盘运转，每经过霍尔元件一次，即由霍尔元件输出一个计数脉冲。当阀门转到对应的状态上时，对应的I/O口触发1个上升沿的中断信号，从而及时通知单片机切断对直流电机的供电，避免因电机堵转造成对电机的损害，并极大可能的减少系统消耗的能量。5）IC卡通讯及水表传感器模块CGSATVB图35IC卡通讯及水表传感器模块图通过定时器控制，定时中断到来时先拉高P63口，然后检测A、B、C3个干簧管的导通状态，例如干簧管A处于导通状态，A口对地短路，当我们拉高P63时，从P64检测到的电平信号应该为1个低电平，而P65，P66检测到的电平信号仍然为高电平。以此来判断18是不是要进行计数操作。查询结束后将P63口置低，等待下一次的定时器中断到来。SLE4428卡是接触式逻辑加密存储卡。符合1S07816标准，具有1024个字节寻址E2PROM，每个字节具有不可恢复的写保护功能。片内具有2个字节的可编程密码保护功能，只有在正确校验PSC后数据才能被改写。SLE4428卡有8个管脚，与操作命令有关的是RST复位引脚，CLK时钟输入端，SDA双向数据端。所有的地址，数据和命令都通过SDA端输入输出。为了能够识别有卡插入,单片机进行读写卡操作，反之则不进行。32原理图设计根据课题的主要内容，并运用一些模拟数字电路的知识，通过查找资料，用美国TI公司产的MSP430系列单片机中的MSP430F1449芯片来设计智能IC接触式水表。主要任务目标是将智能水表的组成电路液晶显示、声音报警、电源监测、电控阀、IC卡通讯及水表传感器电路模块组合成智能IC水表的控制电路。根据课题的主要内容和任务目标，绘制的原理图见附录133PCB制作智能IC水表设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会受过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析1）从原理图到PCB的设计流程建立元件参数输入原理网表设计参数设置手工布局手工布线验证设计复查CAM输出。2）参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。3）元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。4）检查布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求。注意有些错误可以忽略，例如有些接插件的OUTLINE的一部分放在了板框外，检查间距时会出错。6）复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置，还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线。根据课题的主要内容和任务目标,绘制的PCB图件附录2194智能水表的程序41MSP430F149常用程序介绍411中断介绍及存储器段介绍1）中断在MSP430中得以广泛的应用，它可以快速进入中断程序，之后返回中断前的状态，其时序为PC执行程序中断允许置位SR中的GIE置位EINT（中断开）中断到，中断标志位（IFG）置位从中断向量表中读取中断程序的入口地址，进入中断程序执行中断程序中断允许位复位RETI中断返回回到原来地址。0H0FHSFR（特殊功能寄存器IE、IFG、MEM）010H0FFH（8位外传模块、I/O端口）0100H01FFH（16位外传模块、TIMER、ADC）0200H9FFHRAM区，数据存储区，可修改访问0A00H0FBFH专用FLASH引导FC0H10FFH为信息段1100HFFDFH为程序代码段FLASH型FFE0HFFFFH中断向量地址2）对存储器的访问可以用间接寻址，这对于查表处理很方便。412硬件乘法器硬件乘法器不集成在CPU内，是独立于CPU运行的，运算时只需将两个操作数放进相应的地址中，就可以直接在结果寄存器中取数据，CPU可以工作在低功耗模式，如果用间接寻址模式，可以超低工耗的乘法计算大量的表数据。413P口MSP430F149有6个8位的P口，其中P1、P2口占两个中断向量，共可以接16个中断源，还可以直接利用P口的输入输出寄存器，直接对外进行通信。因为所有的P口都是和其他外设复用的，因此在用端口之前都要用功能选择寄存器选定所用的功能是外设还是P口，选定之后还要在方向寄存器中确定是是输出还是输入。414定时器及数模转换MSP430中有两个16位定时器，还可以利用看门狗定时器。由于定时器的是16位的，则可以在秒数量级上定时，且具有2个中断向量，便于处理各种定时中断。可以通过定时器的比较模式实现数模转换功能。另外，定时器还具有捕获模式，我们可以通过定时器的捕获功能实现各种测量，比如脉冲宽度测量，如果和比较器结合，还可以测量电阻、电容、电压、电流、温度等。415时钟模块20MSP430F149的时钟可以自由选择,它包括一个内部DCO时钟和另外两个外部时钟，内部时钟，其中最高可达到1042KHZ；外部可以接两个时钟，一个可接钟表晶振或标准晶振，另一个接最高时钟频率为8MHZ的晶振，8M是单片机的最高工作频率，对于晶振的选择对基础时钟的控制，只需要对相应的控制寄存器写入相应的控制位就可以产生需要的时钟，还可以从相应的端口测的时钟频率。416USART通信模块MSP430有同步和异步两种方式，每一种方式都有独立的帧格式和控制寄存器，只需要按照需要和帧格式写入相应的寄存器就可以实现多机通信。由于MSP430的波特率产生比较自由，因此异步通信模式用的比较多。417比较器模块比较器的应用在MSP430中很广，可以做为可转换为电压的量的测量。1比较器属于硬件型的，虽然很准确，但由于有软件的控制,造成的时间误差可能很大。因此存在一段时间的振荡,这造成测量的误差大，不能很精确。2比较器的参考电平很方便，可以都自由加，但不能超过片子的最高电压33V,否则不能正常工作。418数模转换模块MSP430F149单片机中集成了14路12位A/D转换，其中8路属于外部的信号转换，3路是对内部参考电压的检测转换，1路是接温控的传感电压转换，每一路转换都有一个可控制的转换存储器，而且参考电平和时钟源都是可选择的，可以外部提供的。42程序设计流程图21开始上电复位系统初始化是否符合供水条件等待中断电控阀开开中断按键查询耗水检测电路LCD显示低功耗模式报警并保持阀门处于关闭状态NYNY图41主程序结构流程图本程序采用软件为IAR公司对MSP430系列的C语言开发，它与标准C语言兼容程序高，开发调试的集成环境和人机界面良好。主程序流程图如图411）主程序主程序主要用于系统初始化，判断是否符合用水条件。经比较、判断后，才执行相应的开启、关断、显示等功能。2）两个外部中断子程序一个外部中断子程序是由插卡动作触发。这个中断服务程序包括IC卡密码的认证、卡中可用水量的读入及不同条件下相应的处理动作；另一个外部中断子程序是用于耗水检测。水表叶轮每转动一个栅格，就触发一次中断，实现脉冲信号实时计数，从而可进行耗水量的计算。3）其它功能子程序其它功能子程序包括电源监控子程序、声音报警子程序、LCD液晶显示子程序等。每个子程序都负责一个功能模块的实现。43智能水表的程序源代码根据课题的主要内容和任务目标，源代码附录322结论与谢辞本文以功耗低，体积小，成本低的MSP430F149单片机为智能水表的主控芯片，设计一款具有读卡功能、可显示剩余水轮转数、插一次卡剩余转数增加200、水轮每转一圈转数减一等功能符合课题要求的超低功耗接触式IC卡水表，以达到精确测量控制用水的目的，相信在实践中加以改进会有很好的应用。大学三年的学习生涯即将结束了，在这三年期间，我学到了许多相关电子的知识，也了解了一些基本的设计思路与方法。因而，我运用所学到的知识来构思完成我的毕业设计，从中也可以体验到自己的专业知识的积累度和能力，使自己能够从中得到锻炼与提高，为自己以后的就业实践埋下一个好些的铺垫。这次毕业设计是在我实习时完成的，在此我要感谢一位朋友对我的帮助，同时也感谢在学校里负责带我们的余红娟老师，因为是她给我们提供的这次机会。在设计期间，我通过查阅大量有关资料，通过与同学相互交流学习，同时还有余老师指导，使自己在实习期间能够充分利用时间去完成毕业设计。固然也有自己不少的心血与努力。俗语道“一份耕耘，一份收获”，我也学会了很多有关智能水表的知识及其相关的设计电路与流程，使自己的专业知识能够丰富起来，同时我也感觉到自己的专业知识还非常的不足，经历了这次的毕业设计，我的相关知识也有了较大的提高。在整个设计期间，我懂得了许多，也培养了独立思考和自学的能力，增强了对自己工作能力的信心，从而使我充分体会到了在探索时的艰难和完成时的快乐。相信这对我以后的不论是学习工作还是生活都会有相当重要的作用和帮助。在此，我再一次感谢我的那位朋友，我的同学们，还有余红娟老师，感谢他们对我的指导与帮助，使我能够从中学到很多的课内外知识，也让提高了自己的某些个人能力。23参考文献1期刊论文李采超殳国华张士文基于MSP430单片机的接触式IC卡水表设计电工技术20082期刊论文王云平任力李朝东邵定国基于MSP430单片机的新型智能IC卡水表机械工程师20053邱银安周咏梅彭三城满君丰MSP430F149单片机及其应用研究株洲工学院学报200494期刊论文吴志成肇启明马步青郭红军国内智能化水表的应用现状与发展方向中国给水排水20035期刊论文王云平任力李朝东基于MSP430单片机在新型智能水表开发中的应用计量技术20056陈小忠MSP430单片机的开发及应用西安邮电学院63710061200377杨雪岩基于MSP430单片机的电子式水表设计济南大学控制工程学院计算机工程与应用20068郭三刺王晓侃王蕾孙忠良郭艳丽一种基于MSP430智能IC卡淋浴控制器的设计与研究工业仪表与自动化装置201024附件清单附件1原理图附件2PCB图附件3程序源代码25附件1原理图P15/TA076829CLKINOU34ROSCDSEMXBVFEUTHGJZW_YZPA压Q附件2PCB图26附件3程序源代码FLASH_OPERATION/INCLUDE“MSP430X14XH“/擦除信息断数据/VOIDINFO_FLASH_ERASEUNSIGNEDCHARERASE_ADDRESSFCTL2FWKEYFSSEL_1FN4FCTL1FWKEYERASEFCTL3FWKEYERASE_ADDRESS0XFF/将RAM区数据COPY至FLASH信息段/VOIDINFO_FLASH_COPYUNSIGNEDCHARSOURCE_ADDRESS,UNSIGNEDCHARTARGET_ADDRESS,UNSIGNEDINTFLASH_LENGTHUNSIGNEDINTIFCTL2FWKEYFSSEL_1FN4FCTL3FWKEYFCTL1FWKEYWRTFORI0I200PRAGMAVECTORPULSE_VECTER_INTERRUPTVOIDPULSE_INTVOIDELSEINTERRUPTPULSE_VECTERVOIDPULSE_INTVOIDENDIFELSEINTERRUPTPULSE_VECTERVOIDPULSE_INTVOIDE