0引言
 
    隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的日趨成熟， 實(shí)現(xiàn)自來(lái)水收費(fèi)管理的電子化、信息化已成為可能。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了各種形式的電子水表。按照抄表的方式主要可以分為網(wǎng)絡(luò)式和分立式。由于在某些場(chǎng)合需要對(duì)舊的水表系統(tǒng)改造，如果采用網(wǎng)絡(luò)式抄表方式需要進(jìn)行抄表線路的鋪設(shè)，這給施工帶來(lái)很大的問(wèn)題。而分立式的IC卡水表收費(fèi)系統(tǒng)則無(wú)需考慮這一問(wèn)題， 這為管理部門和用戶提供了極大的便利?；谶@一思路我們?cè)O(shè)計(jì)出了基于MSP430的超低功耗接觸式IC卡水表。

1系統(tǒng)原理及功能介紹 

1。1工作原理 

    1．1．1 MSP430F413簡(jiǎn)介 

    主控芯片MSP430F413采用1．8—3．6V供電，有5種低功耗模式，最低耗電在0.7 μA左右，活動(dòng)模式耗電在205μA，I／O輸入端口的漏電流最大僅50 nA， 從低功耗模式轉(zhuǎn)向活動(dòng)模式只需6μs，這些特性使得單節(jié)2．4Ah的電池可以保證系統(tǒng)正常工作超過(guò)6年，達(dá)到了業(yè)界要求的工作年限標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)MSP430F41 3還集成了96段液晶驅(qū)動(dòng)器， 簡(jiǎn)化了水表的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。 

    1．1．2系統(tǒng)簡(jiǎn)介 

    接觸式IC卡水表主要由MCU、電源監(jiān)測(cè)、IC卡讀寫模塊、電動(dòng)閥門、水流傳感器、液晶，非易失性存儲(chǔ)器、蜂嗚報(bào)警8個(gè)模塊組成(見(jiàn)圖1)。

圖1系統(tǒng)框圖

    電源監(jiān)測(cè)模塊采用HOTEK公司的HT7027A， 當(dāng)該芯片檢測(cè)到電源電壓低于2．7V時(shí)，會(huì)觸發(fā)1個(gè)低電平信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到低電平信號(hào)時(shí)發(fā)出報(bào)警，并關(guān)閉閥門。 

    水流傳感部分采用磁敏元件干簧管。水流帶動(dòng)水表中的磁體旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵靠近干簧管時(shí)，干簧管導(dǎo)通，此時(shí)單片機(jī)會(huì)在相應(yīng)的端口檢測(cè)到低電平。為了避免重復(fù)計(jì)數(shù)，在水表中安裝了3個(gè)干簧管，只有當(dāng)單片機(jī)先后檢測(cè)到3個(gè)不同的干簧管導(dǎo)通時(shí)才算作1次有效的計(jì)數(shù)。 

    當(dāng)讀卡器有IC卡插入時(shí)， 卡座上的卡簧常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，在單片機(jī)的I／O口檢測(cè)到低電平輸入，轉(zhuǎn)入讀寫卡操作的程序。主要的卡型分為開(kāi)戶卡、用戶卡、管理卡、數(shù)據(jù)采集卡以及清零卡。對(duì)于不同權(quán)限卡，系統(tǒng)分別作以不同的處理。 

1。2系統(tǒng)功能 

    (1)讀卡、寫卡， 并根據(jù)卡的內(nèi)容進(jìn)行開(kāi)戶，上傳水表數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)閥等操作。
    (2)增、減計(jì)數(shù)以及存儲(chǔ)當(dāng)前的剩余水量和總用水量。
    (3)液晶顯示。
    (4)當(dāng)計(jì)數(shù)滿足一定條件時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警、開(kāi)關(guān)閥動(dòng)作。 

    水表使用中剩余水量遞減，總用水量遞增。當(dāng)剩余水量小于X 噸時(shí)，液晶顯示“請(qǐng)購(gòu)水”，水表自動(dòng)關(guān)閥。此時(shí)插入用戶卡可重新開(kāi)啟閥門，但此時(shí)用戶務(wù)必盡快購(gòu)水，當(dāng)用水量小于y噸時(shí)，此時(shí)水表會(huì)第二次關(guān)閉閥門，這時(shí)只能憑借充過(guò)值的用戶卡才能開(kāi)啟閥門。其中Y<X，x，Y的值由出廠時(shí)廠家設(shè)定。

2硬件設(shè)計(jì) 

2．1外圍E PROM以及單片機(jī)內(nèi)部flash 

    MSP430F413內(nèi)部集成了256個(gè)字節(jié)的flash存儲(chǔ)器，但由于flash只能按段擦寫， 同時(shí)為了保證水表的數(shù)據(jù)能夠在單片機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題后不會(huì)丟失，采用24C02作為外部存儲(chǔ)器以確保數(shù)據(jù)保存的可靠性。水量等重要數(shù)據(jù)在單片機(jī)和外部存儲(chǔ)器內(nèi)均留有備份。為了極大可能的降低水表的功耗， 對(duì)于外部的EEPROM我們采用了導(dǎo)通式的供電方式，這一過(guò)程通過(guò)1個(gè)三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)需要對(duì)E PROM進(jìn)行讀寫操作時(shí)， 通過(guò)1個(gè)I／O口來(lái)控制三極管的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)EEPROM的供電控制。 

2．2閥門控制電路 

    2-2．1閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng) 

   對(duì)于電機(jī)模塊， 我們通過(guò)控制2個(gè)I／O口P6．6和P6．7上的電平高低使得流過(guò)電機(jī)的電流有正反2個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2電機(jī)閥門模塊原理圖

    2-2-2光電傳感器在閥門檢測(cè)上的應(yīng)用

    光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后將光信號(hào)作用于光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的輸出。常用的光電傳感器是采用發(fā)光二極管作為光源，光源經(jīng)過(guò)透鏡聚焦于空間某一點(diǎn)。如果在該點(diǎn)有障礙物，光就照不到光敏二極管上， 電路處于偏置狀態(tài)，PN結(jié)截止，反向電流很小。當(dāng)沒(méi)有障礙物遮擋時(shí)，光照到光敏二極管上時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子— — 空穴對(duì)，并在外．電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的共同作用下，漂移過(guò)PN結(jié)，產(chǎn)生光電流。此時(shí)，光電流與光照強(qiáng)度成正比，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。 

    為了保證單片機(jī)可以精確監(jiān)測(cè)閥門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，我們?cè)诳刂崎y門開(kāi)關(guān)的齒輪上安裝了2個(gè)光電傳感器 齒輪的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為90度，0度和90度分別對(duì)應(yīng)著開(kāi)和關(guān)2個(gè)狀態(tài)，光電傳感器就分別安裝在相互垂直的這兩端。 

    利用2個(gè)I／O口來(lái)檢測(cè)這兩個(gè)光電傳感器的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)閥門轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的狀態(tài)上時(shí)，對(duì)應(yīng)的I／0口觸發(fā)1個(gè)上升沿的中斷信號(hào)，從而及時(shí)通知單片機(jī)切斷對(duì)直流電機(jī)的供電，避免因電機(jī)堵轉(zhuǎn)造成對(duì)電機(jī)的損害，并極大可能的減少系統(tǒng)消耗的能量。

2．3計(jì)數(shù)電路 

    2．3．1水流傳感器 

    水流傳感器的基本原理是在普通轉(zhuǎn)盤計(jì)數(shù)的水表中加裝干簧管和磁鐵，干簧管固定安裝在計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤附近，永磁鐵安裝在計(jì)數(shù)盤(本系統(tǒng)O．O1立方米)位上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)1圈，永磁鐵經(jīng)過(guò)于簧管1次即在信號(hào)端產(chǎn)生1個(gè)計(jì)量脈沖。 

    在管道系統(tǒng)中， 如果發(fā)生液流瞬變流動(dòng)，管流的流速、壓力等參數(shù)均隨時(shí)間變化。流速突然變化會(huì)引起一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象，管道將發(fā)生劇烈振動(dòng)和較大的聲響， 這種劇烈的抖動(dòng)可能造成干簧管簧片在很短時(shí)間里，頻繁地吸合，發(fā)出大量的脈沖。造成計(jì)數(shù)偏差， 為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，如圖3，將3個(gè)干簧管分別通過(guò)上拉電阻接人單片機(jī)的3個(gè)不同的I／O口。水流帶動(dòng)中間葉片上的磁體旋轉(zhuǎn)， 當(dāng)磁體靠近干簧管時(shí)，對(duì)應(yīng)的干簧管導(dǎo)通。

圖3水流傳感器示意圖 

    為了防止因?yàn)樗幕亓饕鸬亩嘤?jì)數(shù)，我們?cè)诔绦蛑性O(shè)置了增計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)功能。當(dāng)水流方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)，干簧管的導(dǎo)通次序應(yīng)該依次為A-B-C-A，反之，當(dāng)水流方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)，導(dǎo)通次序?yàn)镃-B-A-C。這樣我們就可以根據(jù)干簧管的導(dǎo)通次序來(lái)判斷水流的方向。