龙8国际智能水表的研究与制作

　　智能水表的研究与制作摘要：随着微电子技术的快速发展以及国家相关政策的推动,民用计量仪表的智能化将是一个必然的发展趋势。因此,实现与广大人民群众利益密切相关的水表智能化势在必行。智能化水表的推行,不但可以提高供水管理部门的工作效率,也可在技术上为节约用水、合理用水创造条件。智能IC卡水表(http:\/\/.yktchina\/Smartmeter.html)是一种集计量功能及控制功能为一体的水量计量装置，是一种利用现代微电于技术、现代传感技术、IC卡(http:\/\/.yktchina\/card.html)技术对用水量进行计量并能进行用水数据传递及结算交易的新型水表。该水表的研发从根本上改变了自来水公司传统工作方式，形成了买卡用水的服务模式。为避免水费流失、降低自来水公司经营成本提供了先进的管理手段。解决了长期困扰供水行业的水费拖欠问题，更重要的是使公民的用水观念和供水部部门的管理方式发生了根本改变。

　　1.1水表的起源…………………………………………………………………………1

　　1.2水表的发展前景………………………………………………………………………2

　　1.3智能水表的行业发展状况……………………………………………………………3

　　1.4MSP430F413简介…………………………………………………………………4

　　2系统方案总体设计……………………………………………………………………5

　　2.1智能水表的工作原理………………………………………………………………5

　　2.2系统硬件的设计………………………………………………………………………6

　　2.3系统软件的设计……………………………………………………………………6

　　3系统硬件的设计……………………………………………………………………………7

　　3.1MSP430F413…………………………………………………………………………7

　　3.2电源低电压检测电路……………………………………………………………………9

　　3.3脉冲采集电路……………………………………………………………………………10

　　3.4阀门控制电路……………………………………………………………………………10

　　4系统低功耗的设计………………………………………………………………………11

　　5系统抗干扰的设计…………………………………………………………………………11

　　6结论………………………………………………………………………………………13

　　7致谢…………………………………………………………………………………………14

　　参考文献………………………………………………………………………………………15

　　附录…………………………………………………………………………………………17

　　随着社会的发展，各部门都在提高工作效率，但目前供水部门的收费征收仍采用传统的方式，已经远远不能适应快节奏的现代生活。为解决水费征收效率低、群众意见大的实际情况，智能水表应运而生，本问介绍的IC卡预付费水表是以传统水表为母表，用单片机实现控制用水的新型仪表。该水表的单片机控制电路需在原水表的基础上重新设计控制盒并将其原水阀组装在一起，为了提高IC卡水表的精密性、可靠性、稳定性，在设计中采用了人性化的设计理念。智能IC卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、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。这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，是一个很大的进步。智能IC卡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自动进行控制，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通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门操表收费到用户自己去营业所交费的转变。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。IC 卡水表的外观与一般水表的外观基本相似，其安装过程也基本相同。IC卡水表的使用很简单，从用户的角度看，就时把IC卡 (http:\/\/baike.soso\/ShowTitle.e?sp=SIC卡)卡片向水表里插一下。 IC 卡水表的工作过程一般如下：将含有金额的IC卡片插入水表中的IC卡读写器，经微机模块识别和下载金额后，阀门开启，用户可以正常用水。当用户用水时，水量采集装置开始对用水量进行采集，并转换成所需的电子信号供给微机模块进行计量，并在LCD显示模块上显示出来。当用户的用水金额下降到一定数值时，微机模块进行声音报警，提示用户应该去持卡交费购水。如超过用水金额，则微机模块会自动将电控阀门关闭，切断供水。直至用户插入已经交费的IC卡片重新开始开启阀门进行供水。

　　从1825年英国的克路斯发明了真正具有仪表特征的平衡罐式水表以来，水表的发展已有近二百年的历史。中国的水表使用和生产起步较晚。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建立了第二个水厂，水表开始进入中国。随着一些沿海城市相继建造水厂，至20世纪年代，当时的上海光华机械厂(现上海光华仪表厂前身)等从国外进口部分零件生产水表。在相当长的时间里，英法日德等国家的水表一直占据着中国水表行业，这些不同品种、规格繁杂的水表，由于标准不一、零件不能互换，给以后自来水公司的水表维修带来了很大的困难。

　　1949年解放后，随着城市供水事业的发展，中国的水表工业也相应地发展起来。从1955年起，上海、北京、天津、南京、武汉、广州等城市自来水公司先后开始生产水表。20世纪80年代初，水表行业在机械工业部上海市工业自动化仪表研究所组织下，根据当时水表国际标准ISO4046的要求，对小口径水表又推出了八位指针、整体叶轮的全国统一设计的水表。统一设计和水表零部件的塑料化，为组织水表专业化生产创造了有利的条件，大大推动中国水表工业进步与发展，满足了日益发展的城乡自来水工业的发展需求。20世纪90年代，中国的经济建设持续高速发展，水表行业也快速发展，企业数量和总产量都增加了一倍多，同时各种智能型水表、水表抄表系统等产品也开始兴起。

　　用计量等级高的水表，可使水表在包括微小流量在内的较大的流量范围内工作，也从根本上真正提高了水表灵敏度和计量能力。活塞式(又称容积式)水表的计量等级一般可达C级或D级，但对水质要求较高。

　　说明：国际上大多数国家要求使用达到计量等级B级以上的水表，国内行业里也有取消计量等级A级的水表的呼声。

　　在此拟定的水表新国际标准和国际建议中，还把基于电磁或电子原理工作的、用于测量水的流量计也包括在水表内。

　　远传水表、集中抄表系统和二次仪表相配套的水表是有发展前途的，因为它改善了水表抄读方法，提高了信息化\数字化和自动化程度，减少了对使用水表的用户的打扰和治安方面的忧虑。国内部分地区实施一户一表时，也采用这种型式的水表。

　　预付费水表 (http:\/\/baike.soso\/ShowTitle.e?sp=S预付费水表)适用于“先付费后用水”原则下的管理系统。我国一些地区收水费难\水费欠账赖账现象严重，使用预付费类水表彻底改变了抄表和用水量的结算方式，避免激化矛盾，同时提高了水表产品的技术含量，一些自来水公司和物业管理公司对这种产品表示欢迎。预付费水表可以及及时合理地收取水费，减少水费流失，减轻劳动强度，避免因抄表活动而给用户带来的不方便和不安全感。典型的产品有IC卡水表 (http:\/\/baike.soso\/ShowTitle.e?sp=SIC卡水表)(插卡式或感应式)、TM卡水表、代码交换式预付费水表等。

　　目前的国内水表一般为单流向水表，大部分在逆向流动(又称倒流或反向流)时也可走动并使累计数减少，现有的水表铅封机构并无防止水表倒装功能，因此有引起计量纠纷和作弊的可能。防倒流水表通过在表入口处加装单向阀可将水表的连接接管与水管铅封在一起，防止了人为倒装水表而作弊的可能。双向计量水表的功能是，在逆向流动时水表的计数机构仍然是累加的并且符合计量准确度的要求。

　　说明：现行国家标准中对防倒流水表或双向计量水表并无详细的规定，只要求水表能”经受意外逆流并显示这逆流量”。

　　我国智能水表是在智能电表的发展基础上生产的。 80年代初，我国东北辽宁省从国外引进使用投币式预付费电度表，用户通过购买特制的硬币用电。但是不久供电部门就将耗费巨资安装的设备全部拆除了：因为有人用冰冻成冰币投入币箱，即可免费用电，又不留任何偷电证据。鉴于预付费系统所具有的显而易见的优越性，国内一直没有停止开发。不久磁卡式问世，因为存在失磁的缺点，很快被淘汰。 直至90年代才有 IC卡电表产生。随着IC卡电表的产生，IC卡水表也在一些厂家研究产生了。但那时的产品抽样合格率仅为31.8％。而据业内人士透露，即使合格的产品也存在多种致命的技术隐患。

　　由于那时的IC卡插卡口较宽，用户可以采用一些方法攻击IC卡卡口，造成死机、数据混乱、最终使计费系统瘫痪。同时，那时的IC卡使用的密码容量也有限，比较容易被破解。 正是由于IC卡存在的这些缺点。北京供电局1998年12月8日曾召开过IC卡电能表安全与否为主题的研讨会，来自北京市经委科技处、质量处和供电局的主要领导一起听取了邢伟华的发言。

　　当时，一方面很多厂家已认识到实现IC卡水表的预付费控制势在必行，但大家又都担心接触式IC卡预付费水表易受攻击，于是代码付费水表被研究出，有的厂家在研究非接触式IC卡水表。也正是在97年，深圳华旭、天津卡星、北大三金、杭州鸿鹄、北京轻舟爱替相继诞生；随后河南新天、杭州竞达、北京康德曼、北京龙康、天津创世、宁波成功等目前一些智能水表企业诞生或完成转轨生产智能水表。但由于当时智能水表的功耗、计量传感、阀门及成本高等问题并没有解决，整个行业还不规范还没有一个统一的标准。90年代末在黑龙江、山东、天津等地安装的智能水表大多由于上述原因而出现了各种问题；所以智能水表的推广一度受阻，使各厂家受到不同程度的损失。但各个厂家对水表的研究也正是方兴未艾。

　　随着智能水表行业的发展，智能水表在多个城市得到应用。特别是到了2001年国家建设部发布了IC卡冷水水表的行业标准CJ/T133-2001；这个标准规范了智能水表的技术指标，为智能水表的发展和普及起到重要作用。2001年12月，银川市自来水抄表到户领导小组办公室和宁夏机电设备招标局首次对5万块IC卡智能水表进行了公开招标采购。此次，共有来自全国各地的12家企业参加了首批IC卡智能水表的竞标活动。评标委员会通过对所有投标厂商的资质、信誉、财务状况及投标产品的质量、性能、价格、交货期、付款条件、质量保证措施、售后服务承诺等方面的综合分析、比较，首先确定了深圳华旭、北京三金等5家单位为候选单位。据报道，银川市计划将在3年内对14万旧居民家庭的水表进行改造，14万块IC卡水表将分别在3次招标活动中确定。此次首批5万块水表安装入户后，将受到住户和有关单位的进一步实际检测，也将为今后两次的竞标打下基础。此时哈尔滨、天津、杭州、南昌、广州等城市也都启动了自来水管网改造工程，使智能水表的应用在2002年达到了一个高潮。很多城市自来水改造工程采用的是每户居民交一部分、政府交一部分、供水企业负担一部分模式进行的，取得很好的效果。这些工程的启动也大大地推动了智能水表的行业发展。long8-龙8(国际)唯一官方网站

　　TI公司MSP430 F413系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。它们具有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的代码效率。long8-龙8(国际)唯一官方网站灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。数字控制的振荡器（DCO）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于6μs的时间内被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列单片机的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的理想配置，其内置的硬件乘法器大大增强了其功能并提供了与软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力。

　　本文设计的智能水表系统主要由微处理器、流量传感器、电动阀门、IC卡读/写器、LCD液晶显示及电源等组成，

　　本文设计的智能水表的工作原理：用户先购买IC卡（用户卡），并携带IC卡至收费工作站交费购水，工作人员将购水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表表座内时，IC卡水表内单片机识别IC卡密码，校验并确认无误后，将卡中购水量与表内剩余水量相加后（初次使用时，剩余水量为零），写入IC卡水表内的存储器，进而控制电阀开通阀门供水。long8-龙8(国际)唯一官方网站

　　用户在用水过程中，带磁感器的叶轮在水流的冲击下转动，通过磁传递，带动上表罩上的梅花齿轮转动并使多极齿轮转动，实现机械累计计量，每当计量到0.01m3时由位于0.01m3处的计量传感器向单片机发出同步的计量脉冲信号，此时，MSP430F413将输入的有效脉冲计入并计算用水量，IC卡水表内剩余水量就会相应的减少一个计量单位，累计用水量就会增加一个计量单位，LCD显示屏上显示剩余水量等相关用水数据。当剩余水量低于一个定量时（有一个事先设定好的最低剩余水量值），IC卡水表的报警系统启动（蜂鸣器响起），提醒用户及时到供水部门再次购水，这时，LCD显示屏上显示“请购水”字样。当剩余水量为-1时，单片机驱动电阀自动关闭，切断水源，停止供水并报警。在用户重新购水读卡存入后，再开通电阀供水。在正常情况下，阀门处于开通状态，当遇到剩余水量为-1或者电池电压小于3V等其他特殊情况时阀门会由开通变为关闭状态。

　　单片机上电复位后主程序采用顺序执行的方法，逐个扫描各个自定义标志位，检查是否有动作发生，若有发生则转入相应子程序处理，处理完后回到主程序，继续扫描其后的标志位，最后进入低功耗状态，等待下一次中断唤醒，唤醒后同样循环一遍，又进入低功耗状态。由于各信号以中断的方式进入的，所以要特别注意中断的优先级及中断的嵌套问题。采用模块化方法设计各个子程序。根据不同功能，定义了不同的功能模块。明确入口出口，相互之间的调用关系，以供调用。主要软件模块有：IC卡读写模块，液晶显示模块，计量模块，FLASH读写模块，低电压保护模块等。上电后首先对系统进行初始化。初始化包括对内部存储器单元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶显示的设置等。接着进入主循环，判断故障、电源电压是否正常等，若一切正常则开阀供水。无论在什么情况下只要有低电压信号出现，系统就提示欠压，蜂鸣器报警，液晶显示，提示用户更换电池:当剩余水量低于设定值时，系统液晶显示提醒用户“请购水”，如果用户没有及时购水重新插卡充值，当剩余水量为负时，系统控制阀门关闭，停止供水。

　　MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。

　　强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（ RISC ）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

　　在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。

　　MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us 。

　　超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

　　首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8~3.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在 200~400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA 。

　　其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ FLL 和 FLL+ ）时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（ 32768Hz ） , 有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

　　由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统有一种活动模式（ AM ）和五种低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。在等待方式下，耗电为 0.7uA ，在节电方式下，最低可达 0.1uA 。

　　系统工作稳定 上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU ，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障， DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。

　　丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（ WDT ）、模拟比较器 A 、定时器 A （ Timer_A ）、定时器 B （ Timer_B ）、串口 0 、 1 （ USART0 、 1 ）、硬件乘法器、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 总线直接数据存取（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本定时器（ Basic Timer ）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕获 / 比较功能，大量的捕获 / 比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条 I/O 口线 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件 I 2 C 串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（ DMA ）模块。 MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

　　方便高效的开发环境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。

　　适应工业级运行环境 MSP430 系列器件均为工业级的，运行环境温度为 -40~+ 85 摄氏度 ，所设计的产品适合用于工业环境下。

　　本系统采用三节干电池4.5V作为供电电源，使用一段时间后，干电池会放电，为了保证整个系统，特别是阀门的正常工作，需要对电源进行实时检测，当电能不能满足系统要求时，及时报警提醒用户更换电池，以免造成不必要的麻烦。

　　为提高智能水表运行的可靠性和安全性，设计中采用电源电压实时监测电路。如图3.2所示。电压检测芯片采用日本理光R3111H301C低电压检测芯片，R3111H301C输出电压为3.0V，最大工作电流为3.0μA，一般情况下的工作电流仅为1.0μA，高精度集成，完全满足系统低功耗设计的要求。当电源电压正常时，芯片的输出脚输出为高电平；当电源电压小于3.0V时，输出脚输出低电平，即P1.1输出低电平，P1.1下降沿中断有效，单片机检测到该信号时即转入中断服务程序处理，这时LCD液晶显示“换电池”字样，同时蜂鸣器报警提示用户更换电池，MSP430F413内部基本定时器使能中断，定时1s检测电压是否回升，如果回升蜂鸣器再次发出一声警报提示，LCD液晶上的“换电池”显示字样清除。如没有回升，则关闭阀门，直到用户更换电池，才再次开启阀门供水。由于MSP430F413工作用电压是3.0V，所以需要一个电压转换芯片将4.5V电压转换成3.0V供MSP430F413和其他外围模块使用，本电路中用的是RH5RL30AA—电压调整芯片，它具有高精度的输出电压，工作电流极低只有1.1μA。long8-龙8(国际)唯一官方网站