基于MSP430F41的IC卡式智能水表工作原理

引言

當前水資源缺乏是世界性的難題，水資源短缺將會成為制約國民經濟和社會發(fā)展的重要因素。目前我國水資源形勢是資源性的短缺與使用上的浪費并存，而價格是資源優(yōu)化配置的調節(jié)杠桿，因此合理的水價是節(jié)約用水的關鍵。

為適應國家用水制度的改革，在原有智能水表的基礎上，增加了階梯計費復費率核算功能。水表接收階梯水價的相關用水參數，根據水表當月用水量的變化，實時調整水表內部的當前(階梯)單價，并根據用水參數和當月內的用水量實時地核算出水表內的剩余金額，方便水表用戶和供水部門的管理。減輕供水部門因“先供水后收費”造成的資金壓力和社會存在的水資源浪費，本文研制的IC卡智能水表系統可有效地解決上述問題。

1系統組成及工作原理

基于MSP430F413的IC卡式智能水表組成如圖：

IC卡智能水表是通過計量及控制流經自來水管道水的體積總量來工作的。當有計量脈沖到來時，單片機由睡眠轉為工作狀態(tài)，通過微處理器進行相應的計費處理：既當用戶在單位時問段(一般按月計算)用水達到一定噸限時，隨著用水量的增加水價格呈階梯狀上升變化，用水量越多，所使用的水價就越高。水表接收階梯水價的相關用水參數，實時調整水表內部的當前(階梯)單價，并根據用水參數和當月內的用水量實時地核算出水表內的剩余金額等用水數據。當用戶用水的剩余量達到預設的告警量時(告警量由水表管理部門設定)，水表會自動關閥告警，從而提醒用戶盡快購水。當將已充值的IC卡插入水表內進行充值時，IC卡水表內單片機首先識別IC卡密碼并確認無誤后，讀入所購水金額并與水表內剩余金額累加，水表根據售水部門的階梯水價，實時計費、定期結算。結算后當前用水量歸零，總用水量實時累計，并寫入IC卡水表內存儲器，進而控制電磁閥開啟，充值完畢水表的工作狀態(tài)和充值金額會在液晶顯示器上顯示，當人為拆卸水表或剩余水量低于設定值時，水表報警并及時關掉閥門，同時將數據保存在內部Flash中。

2硬件設計

IC卡智能水表的硬件系統主要包括以下電路：微處理器、IC卡接口、液晶顯示器、水表檢測、電源檢測、電控閥控制接口及聲音報警電路等。

(1)微處理器。微處理器是整個智能水表的核心，它擔負著信息判斷、識別、運算、處理等工作。經過性能、質量、價格的多方對比，微處理器選用TI公司的MSP430F413單片機。該單片機是一種超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機，具有豐富的片內外圍，工作電壓為1．8V～3．6V，內置LCD驅動器24×4段，可以縮小體積、降低成本，它特別適合應用在各種要求低功耗的場所，如應用在電池或手持設備上。
(2)IC卡接口。從節(jié)約成本的角度出發(fā)，IC卡接口采用的是復旦微電子股份有限公司出品的FM4442存儲卡。它采用0．6微米CMOS EEPROM工藝，內部有256字節(jié)用戶存儲器，32字節(jié)寫保護區(qū)及3字節(jié)編程安全認證碼。外圍接口遵循IS07816協議標準(同步傳輸)。充分利用其內外部資源，用戶存儲器存儲用戶水量；保護存儲區(qū)和加密存儲器的編程可實現IC的個性化設計，提高使用的安全陛。它與單片機的接口電路如圖2所示：

(3)液晶顯示器。液晶顯示器作為水表的輸出接口，主要作用是輸出水表的各種運行狀態(tài)，及相關數據；此外還具有用戶提示的功能。為了降低功耗、節(jié)約成本，在設計時采用的是專門定制的液晶顯示器。其界面如圖3：

液晶顯示器作為水表的輸出接口，除了顯示電磁閥門的開關狀態(tài)、表內剩余金額(當余額顯示為負時表示水表處于透支狀態(tài))、累積用水量、電池狀態(tài)、本月累積用水量、分段(階梯水價時，每種水價水量的噸限)顯示、單價(當前水價)顯示、當前日期及當前時間之外，還兼具了提醒用戶及時充值的信息及出錯信息。

3軟件設計

IC卡智能水表軟件設計采用了模塊化處理，主控程序包括：系統初始化、狀態(tài)判斷、流量脈沖和用水量處理、報警提示和低功耗模式處理等，其中關鍵是計費處理部分和看門狗的初始化。功能子程序包括：IC卡的接IZl模塊(包括IC卡有效性判斷、讀／寫及IC卡的解密與加密)、計費處理模塊(包括階梯水價分段計費判斷及處理)及閥門控制模塊等。系統的主程序流程圖，如圖3所示。

圖4主程序流程圖

系統初始化包括對MSP430F413的堆棧、各端口、中斷、LCD控制寄存器的設置，從而使CPU能正常工作；系統初始化以后，進入低功耗模式，直到有各種中斷情況將其喚醒，再進入相應中斷服務程序。

4系統功能

設計和研制出的IC卡式智能水表，除了集預付費、階梯水價計費、故障檢測等功能于一體外，還兼具以下特殊功能：

(1)自動告警功能：當剩余水量用至設置的告警量時，水表將自動關閥，切斷水源，提醒用戶購水。
(2)透支功能：當剩余水量用至設置的透支量時，水表將自動關閥，切斷水源；此時，只有將“用戶卡”重新充值購水，才可使水表閥門開啟。
(3)自動保護功能：當水表遭遇磁干擾，水表將自動關閥；同時，水表將各種干擾狀態(tài)記錄在案。水表設有防拆裝置，當遇到自行拆裝的情況時，將進入鎖定狀態(tài)。
(4)電池欠壓提示功能：當電池電量低時，控制器將自動關閥，切斷水源，以提醒用戶更換電池；同時將剩余水量和實際用水量的記錄數據予以鎖定，更換新電池后，原用水信息數據不變。
(5)可隨時提供累計用水量、本月用水量及可用水量。為了便于用戶及時掌握用水情況，在使用過程中隨時可插“用戶卡”查看“累積用量”、“剩余量”、“單價”、“當月用量”。

5結論

本文研制的智能IC卡式水表已經研制成功并投入生產，該水表集預付費、階梯水價計費、故障檢測、告警功能等功能于一體，具有讀數清晰、計量準確、管理控制方便等特點。并且水表內部具有用水的價格參數使口當前單價、階梯水價等)和準確的實時時鐘傭作復費率核算的時間標準)，更重要的一點是充值時是按金額為單位進行充值，而不是按水量來充的，避免了充值時存在互相轉換和找零的麻煩，有效的提高了居民用水計量收費管理的現代化水平，在實際應用中取得了良好效果。本文創(chuàng)薪點：在原有智能水表基礎上實現了階梯式水價計費和故障檢測等功能。有效解決當前收費和節(jié)約用水等問題。