基于MSP430單片機的遠(yuǎn)傳智能水表設(shè)計

周嘉俊

（浙江信息工程學(xué)校，浙江湖州，313000）

1 基于MSP430單片機遠(yuǎn)傳智能水表系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)便于組建遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)輸送網(wǎng)絡(luò)?？山Y(jié)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(shù)據(jù)采集能夠定時或者實時進(jìn)行，工作人員的勞動強度降低，經(jīng)濟效益得到提高；數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度提高，減少抄表過程中的不良因素，系統(tǒng)管理的水平得到提高；能夠?qū)λ磉M(jìn)行實時監(jiān)控，并對其異?，F(xiàn)象及時查處；便于管理數(shù)據(jù)庫，自動生成報表，詳細(xì)記錄用戶的消費情況，便于用戶信息查詢。

1.2 拓?fù)錁?gòu)架

1.2.1 管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)上位機的管理系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫，由管理軟件、計算機以及調(diào)制調(diào)節(jié)設(shè)備等構(gòu)成的管理軟件，其集中抄表工作通過撥號通信來實現(xiàn)。其中上位機的管理軟件主要分為數(shù)據(jù)、水量水費、用戶、小區(qū)等管理模塊以及遠(yuǎn)程通信、實時監(jiān)控、參數(shù)設(shè)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(jìn)行統(tǒng)計；對數(shù)據(jù)進(jìn)行隨時或者定時抄錄并處理加工；對水表運行狀況進(jìn)行觀察、查詢；進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)繳費等。

1.2.2 集中設(shè)備

系統(tǒng)中，通過集中設(shè)備可進(jìn)行總線隔離和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等，起到聯(lián)系水表和上位機的作用。主要功能是與水表進(jìn)行通信，按照系統(tǒng)要求進(jìn)行水表數(shù)據(jù)收納，再者是與上位機進(jìn)行通信，向上位機的管理系統(tǒng)輸送數(shù)據(jù)信息。

1.2.3 終端設(shè)備

遠(yuǎn)傳智能水表系統(tǒng)的終端是智能化水表，本文所設(shè)計的水表具有科技成分較高的自動化計量設(shè)備，具有計量、顯示、計費、管控等功能。利用通信技術(shù)、計算機、集中設(shè)備等聯(lián)網(wǎng)，該系統(tǒng)的功能較多、功耗低，可采集、傳輸用水信息，并對水表進(jìn)行遠(yuǎn)程操控?？蓪崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄錄、雙向輸送、水費結(jié)算、用水狀況的動態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程報警，同時還可以進(jìn)行階梯收費等。

1.3 傳輸方式

結(jié)合實際應(yīng)用，本設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸采用總線式RS485方式，水表設(shè)有RS485接口，利用RS485總線連接基表和集中設(shè)備，在利用電話網(wǎng)和調(diào)制解調(diào)設(shè)備同上位機連接。RS485傳輸方式是通過信息的平衡發(fā)送及差分接收進(jìn)行通信，發(fā)送端口，TTL信號通過驅(qū)動設(shè)備轉(zhuǎn)換為差分信號后在進(jìn)行輸出，接收端口，差分信號通過接收設(shè)備轉(zhuǎn)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(jìn)行多個點位進(jìn)行互聯(lián)，最多可連32個收發(fā)設(shè)備和驅(qū)動設(shè)備，接收設(shè)備具有±200mv的靈敏度，數(shù)據(jù)信息最遠(yuǎn)可傳輸1.2km，傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)。

1.4 設(shè)計原則

系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)充分保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸嵭院涂煽啃?，確保計量數(shù)據(jù)能夠真實、可靠地向管理系統(tǒng)輸送，輸送當(dāng)中不丟失數(shù)據(jù)信息；充分考慮系統(tǒng)的性價比。為了提高市場的競爭實力，應(yīng)當(dāng)對系統(tǒng)設(shè)計價格進(jìn)行考慮；便于維修。設(shè)計中盡可能降低集中設(shè)備的功能，為水表采集數(shù)據(jù)、儲存信息等提供保障；上位機和水表之間的通信有集中設(shè)備承擔(dān)，發(fā)生集中危險的風(fēng)險降低，便于維修、養(yǎng)護(hù)；便于拓展、提升系統(tǒng)的功能。結(jié)合實際需求，拓展系統(tǒng)功能。比如，瀏覽、服務(wù)設(shè)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(tǒng)，及時分析、統(tǒng)計水表計量的信息。

2 基于MSP430單片機遠(yuǎn)傳智能水表系統(tǒng)整體設(shè)計

該遠(yuǎn)傳智能水表系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集居民用水的數(shù)據(jù)信息，并將其向后臺服務(wù)設(shè)備輸送，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析后臺所接收的數(shù)據(jù)信息，然后向界面發(fā)送指令。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

3 基于MSP430單片機遠(yuǎn)傳智能水表系統(tǒng)硬件設(shè)計

遠(yuǎn)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(tǒng)組成結(jié)構(gòu)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(shè)備均具有滿足系統(tǒng)要求、低功耗的性能。

3.1 主控設(shè)備

本設(shè)計選擇美國TI生產(chǎn)的MSP430芯片為主控設(shè)備，應(yīng)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(jié)構(gòu)，常數(shù)發(fā)生及寄存設(shè)備有16個，運行代碼的效率得到提高，通過數(shù)控震蕩設(shè)備快速喚醒處于低功耗狀態(tài)下的器件，激活時間為6μs；定時設(shè)備為16位，在其內(nèi)設(shè)置乘法設(shè)備，MSP430處理數(shù)據(jù)的能力提高。根據(jù)MSP430的特征，按照低成本、低功耗的原則進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計。本設(shè)計中所用的FET仿真設(shè)備由利達(dá)爾公司生產(chǎn)，該設(shè)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(jìn)行連接，電纜連接完成后，針對PC并口進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置模式為ECP或者EPP，否則程序不能下載。

3.2 傳感設(shè)備

本設(shè)計所用的傳感設(shè)備為雙簧管，當(dāng)其中一個管在吸合時被檢測到，記錄下這種狀態(tài)，然后在對另一個管進(jìn)行檢測，當(dāng)另一個管的吸合狀態(tài)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(tài)下的臨界點發(fā)出錯誤信號的現(xiàn)象可有效避免。同時因磁鐵的人為附加而導(dǎo)致計數(shù)錯誤的現(xiàn)象得到有效控制。本設(shè)計中，水表自身引出四根線，其中地線兩根，數(shù)據(jù)線兩根，連接MSP430F449芯片和數(shù)據(jù)信息采集設(shè)備，兩個104電容量的設(shè)備將雙干簧管在閉合過程中發(fā)生的顫動可被消除掉。

3.3 顯示設(shè)備

本設(shè)計結(jié)合實際需求，選擇深圳晶象公司生產(chǎn)的JX1747RM偏光片，該LCD產(chǎn)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(qū)動的段極應(yīng)用，4個連接芯片COM1-3管腳，在驅(qū)動的公共極應(yīng)用，另外4個固定于電路板。該種產(chǎn)品的工作溫度為-20℃-+70℃，偏壓比為1/3，占空比為1/4，驅(qū)動電壓為3.0V。MSP430F449顯示緩存設(shè)備有20×8位，字節(jié)20個，本設(shè)計顯存字節(jié)為9個。

3.4 控制設(shè)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(tǒng)中，利用電磁閥對用水量進(jìn)行控制。本設(shè)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(guān)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(zhuǎn)動來實現(xiàn)。當(dāng)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(shè)備

通過分析對比及實際應(yīng)用，本設(shè)計通信接口使用RS485，同RS232相比，該產(chǎn)品成本、接收、驅(qū)動設(shè)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(xiàn)。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(shè)備和驅(qū)動設(shè)備組成，管腳8個，120μA-500μA的工作電流，300μA的靜態(tài)電流；可將32個收發(fā)設(shè)備掛在通信線路上；電源供電+5V；驅(qū)動設(shè)備具有過載保護(hù)的作用。

3.6 電源線路

本設(shè)計主要采用集中設(shè)備進(jìn)行供電，220V的交流電直接同集中設(shè)備連接，在變壓設(shè)備的作用下將交流電轉(zhuǎn)化為5V。利用整流模塊將直流電轉(zhuǎn)化為5V，此時利用78L03模塊將直流電轉(zhuǎn)化為3V，為集中設(shè)備的主控芯片提供電能，同時，利用78L05模塊向集中設(shè)備別的芯片提供5V的電能。14K681具有電路保護(hù)作用，防止突發(fā)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(jìn)行拆卸，本設(shè)計進(jìn)行了防拆線路的設(shè)計，將一個開關(guān)加入到電路中，通常狀態(tài)為閉合，當(dāng)拆卸水表時，斷開此開關(guān)，關(guān)閉水表閥門，更加確保了水表的安全性。

3.8 報警設(shè)備

本設(shè)計所用水表所用檢測電壓的芯片為日本RICON公司生產(chǎn)的R3111H301C，當(dāng)電壓不超過3.0V時，報警設(shè)備會發(fā)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(yuǎn)傳智能水表系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 主控流程

該系統(tǒng)主控程序設(shè)計，需要以實際業(yè)務(wù)流程為依據(jù)，利用程序中斷降低系統(tǒng)功耗。由分析可知，遠(yuǎn)傳智能化水表系統(tǒng)主要包括CPU運行、開關(guān)控制、發(fā)送信息、報警設(shè)備等輔助功能等三部分能耗，其中前兩部分能耗占據(jù)比例較大，所以本文通過中斷模式、鎖相環(huán)、MSP430F413倍頻等技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行不同工作時間的設(shè)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(tài)、本次金額以及剩余金額等信息。

4.2.2 信息采集流程

數(shù)據(jù)信息的采集程序通過雙干簧管對水量進(jìn)行計量，當(dāng)干簧管閉合一個時，標(biāo)志位設(shè)置為1，當(dāng)另外的干簧管閉合時，計數(shù)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字記錄，標(biāo)志位清除，當(dāng)干簧管兩個都閉合則表示異常。

4.2.3 控制流程

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

4.2.4 檢測流程

檢測欠壓流程主要對電源電壓功能進(jìn)行檢測，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時間時，系統(tǒng)中斷，對實際電壓的下限值進(jìn)行檢測。如果沒有超出下限范圍，中斷退出，其他功能繼續(xù)執(zhí)行。如果超出下限值，則需要將電壓標(biāo)志予以置低，并發(fā)出警報，如果電壓升高，大于下限值，將欠壓標(biāo)志位清除，中斷退出；如果持續(xù)處于下限值以下，則需要循環(huán)檢測電壓，直至電壓升高到正常值。

4.2.5 通信流程

遠(yuǎn)傳智能化水表系統(tǒng)終端是水表，其本身可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和記錄等，同時還可集中設(shè)備發(fā)出的指令予以執(zhí)行，其中集中設(shè)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(jìn)行執(zhí)行，主要包括校對、凍結(jié)水表數(shù)據(jù)信息；本表指令為集中設(shè)備專門針對某一水表下達(dá)的指令，該水表需要對指令予以執(zhí)行，并將執(zhí)行結(jié)果向上位機傳輸。

4.3 中斷流程

基于MSP430的軟件設(shè)計，功耗降低的主要途徑是中斷方式的應(yīng)用。鑒于智能化水表的功耗較低，在數(shù)據(jù)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(jìn)入低功耗狀態(tài)。本設(shè)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(jié)束語

該遠(yuǎn)傳智能化水表系統(tǒng)的設(shè)計在計量、繳費、管理等方面實現(xiàn)了自動化，確保精準(zhǔn)的水量計量，避免了數(shù)據(jù)漏抄、誤抄等現(xiàn)象。該系統(tǒng)最大優(yōu)勢是實行上位機系統(tǒng)管理高度實現(xiàn)水表抄錄的自動化，便于水費繳納；實現(xiàn)了水表運行狀態(tài)的實時查詢，異常狀況能夠及時被發(fā)現(xiàn)，便于處理；水表設(shè)計為低功耗，電池有6年以上的使用壽命，符合行業(yè)要求；管理系統(tǒng)的功能還可以拓展，在其他能耗表的設(shè)計中可以應(yīng)用，遠(yuǎn)傳聯(lián)網(wǎng)抄表得以實現(xiàn)。