基于MSP430单片机的远传智能水表设计

周嘉俊

（浙江信息工程学校，浙江湖州，313000）

1 基于MSP430单片机远传智能水表系统分析

1.1 系统功能

该系统便于组建远传数据输送网络。可结合实际情况，传输方式可为无线或者有线。比如RS485、电力载波等传输方式；数据采集能够定时或者实时进行，工作人员的劳动强度降低，经济效益得到提高；数据的准确程度提高，减少抄表过程中的不良因素，系统管理的水平得到提高；能够对水表进行实时监控，并对其异常现象及时查处；便于管理数据库，自动生成报表，详细记录用户的消费情况，便于用户信息查询。

1.2 拓扑构架

1.2.1 管理系统

该系统上位机的管理系统是基于数据库，由管理软件、计算机以及调制调节设备等构成的管理软件，其集中抄表工作通过拨号通信来实现。其中上位机的管理软件主要分为数据、水量水费、用户、小区等管理模块以及远程通信、实时监控、参数设置等模块。通过操作这些模块可完成以下工作：用户资料录入，对水量水费进行统计；对数据进行随时或者定时抄录并处理加工；对水表运行状况进行观察、查询；进行网络缴费等。

1.2.2 集中设备

系统中，通过集中设备可进行总线隔离和数据中转等，起到联系水表和上位机的作用。主要功能是与水表进行通信，按照系统要求进行水表数据收纳，再者是与上位机进行通信，向上位机的管理系统输送数据信息。

1.2.3 终端设备

远传智能水表系统的终端是智能化水表，本文所设计的水表具有科技成分较高的自动化计量设备，具有计量、显示、计费、管控等功能。利用通信技术、计算机、集中设备等联网，该系统的功能较多、功耗低，可采集、传输用水信息，并对水表进行远程操控。可实现数据的远程抄录、双向输送、水费结算、用水状况的动态监测、远程报警，同时还可以进行阶梯收费等。

1.3 传输方式

结合实际应用，本设计数据传输采用总线式RS485方式，水表设有RS485接口，利用RS485总线连接基表和集中设备，在利用电话网和调制解调设备同上位机连接。RS485传输方式是通过信息的平衡发送及差分接收进行通信，发送端口，TTL信号通过驱动设备转换为差分信号后在进行输出，接收端口，差分信号通过接收设备转换为TTL信号，所以信号抗干扰共模能力较强。同时该传输方式的另一个功能是可进行多个点位进行互联，最多可连32个收发设备和驱动设备，接收设备具有±200mv的灵敏度，数据信息最远可传输1.2km，传输的距离较远。

1.4 设计原则

系统设计中，应当充分保证数据传输的真实性和可靠性，确保计量数据能够真实、可靠地向管理系统输送，输送当中不丢失数据信息；充分考虑系统的性价比。为了提高市场的竞争实力，应当对系统设计价格进行考虑；便于维修。设计中尽可能降低集中设备的功能，为水表采集数据、储存信息等提供保障；上位机和水表之间的通信有集中设备承担，发生集中危险的风险降低，便于维修、养护；便于拓展、提升系统的功能。结合实际需求，拓展系统功能。比如，浏览、服务设备模式的拓展，为用户线上信息查询提供方便；增加管理系统，及时分析、统计水表计量的信息。

2 基于MSP430单片机远传智能水表系统整体设计

该远传智能水表系统主要由硬件系统和软件系统组成，硬件系统负责采集居民用水的数据信息，并将其向后台服务设备输送，软件系统负责分析后台所接收的数据信息，然后向界面发送指令。如图1所示。

图1 系统整体设计

3 基于MSP430单片机远传智能水表系统硬件设计

远传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、显示、防拆、报警等电路。如图2所示。

图2 系统组成结构图

该智能水表的动力源为电池，MSP430主控芯片功耗较低，LCD显示，所用其他芯片及设备均具有满足系统要求、低功耗的性能。

3.1 主控设备

本设计选择美国TI生产的MSP430芯片为主控设备，应用不同芯片所含功能模块也不同。MSP430为16位信号混合处理的RISC结构，常数发生及寄存设备有16个，运行代码的效率得到提高，通过数控震荡设备快速唤醒处于低功耗状态下的器件，激活时间为6μs；定时设备为16位，在其内设置乘法设备，MSP430处理数据的能力提高。根据MSP430的特征，按照低成本、低功耗的原则进行硬件系统设计。本设计中所用的FET仿真设备由利达尔公司生产，该设备有14PIN和25PIN两个接口，其中14PIN电缆与接口JTAG连接，25PIN电缆和PC并口进行连接，电缆连接完成后，针对PC并口进行设置，设置模式为ECP或者EPP，否则程序不能下载。

3.2 传感设备

本设计所用的传感设备为双簧管，当其中一个管在吸合时被检测到，记录下这种状态，然后在对另一个管进行检测，当另一个管的吸合状态被检测到时，才为有效传输信号，如果只有一个管闭合，哪怕是闭合多次也为无效信号，处于颤动状态下的临界点发出错误信号的现象可有效避免。同时因磁铁的人为附加而导致计数错误的现象得到有效控制。本设计中，水表自身引出四根线，其中地线两根，数据线两根，连接MSP430F449芯片和数据信息采集设备，两个104电容量的设备将双干簧管在闭合过程中发生的颤动可被消除掉。

3.3 显示设备

本设计结合实际需求，选择深圳晶象公司生产的JX1747RM偏光片，该LCD产品管脚28个，24个连接MSP430F449芯片，其中20个连接芯片SO-19管脚，并在驱动的段极应用，4个连接芯片COM1-3管脚，在驱动的公共极应用，另外4个固定于电路板。该种产品的工作温度为-20℃-+70℃，偏压比为1/3，占空比为1/4，驱动电压为3.0V。MSP430F449显示缓存设备有20×8位，字节20个，本设计显存字节为9个。

3.4 控制设备

由于电磁阀具有较高的灵敏度、更换方便、容易辨识，且功耗较低，因此智能水表系统中，利用电磁阀对用水量进行控制。本设计中有5根线从水表的电机引出，其中电源线2根，检测阀门开关线2根，地线1根，利用电机接口连接MSP430F449。电路控制利用MSP430F413引脚P6.6、P6.7对阀门转动来实现。当P6.6高电平输入、P6.7低电平输入过程中，闭合SW1，电磁阀开启；否则，电磁阀闭合。

3.5 接口设备

通过分析对比及实际应用，本设计通信接口使用RS485，同RS232相比，该产品成本、接收、驱动设备价格低，差动输出所需压差仅需一个电压为+5V电源就可以实现。MAX485芯片由MAXIM公司制造，该芯片工作模式为半双工，有一个接收设备和驱动设备组成，管脚8个，120μA-500μA的工作电流，300μA的静态电流；可将32个收发设备挂在通信线路上；电源供电+5V；驱动设备具有过载保护的作用。

3.6 电源线路

本设计主要采用集中设备进行供电，220V的交流电直接同集中设备连接，在变压设备的作用下将交流电转化为5V。利用整流模块将直流电转化为5V，此时利用78L03模块将直流电转化为3V，为集中设备的主控芯片提供电能，同时，利用78L05模块向集中设备别的芯片提供5V的电能。14K681具有电路保护作用，防止突发原因突然增大电压而对电路造成破坏。

3.7 防拆线路

为了避免水表在使用过程中进行拆卸，本设计进行了防拆线路的设计，将一个开关加入到电路中，通常状态为闭合，当拆卸水表时，断开此开关，关闭水表阀门，更加确保了水表的安全性。

3.8 报警设备

本设计所用水表所用检测电压的芯片为日本RICON公司生产的R3111H301C，当电压不超过3.0V时，报警设备会发出警告提示。该芯片测量电压的精度较高，且功耗较低，在智能水表电压检测中非常适用，该芯片功耗0.8μA，典型值非常低，3.0±25%电压检测精度，0.9V-10V工作电压。

4 基于MSP430单片机远传智能水表系统硬件设计

4.1 主控流程

该系统主控程序设计，需要以实际业务流程为依据，利用程序中断降低系统功耗。由分析可知，远传智能化水表系统主要包括CPU运行、开关控制、发送信息、报警设备等辅助功能等三部分能耗，其中前两部分能耗占据比例较大，所以本文通过中断模式、锁相环、MSP430F413倍频等技术相结合，进行不同工作时间的设置。如图3所示。

图3 主控程序流程

4.2 子流程

4.2.1 显示流程

LCD主要功能是通过显示用水量、电池电量、日期、阀门状态、本次金额以及剩余金额等信息。

4.2.2 信息采集流程

数据信息的采集程序通过双干簧管对水量进行计量，当干簧管闭合一个时，标志位设置为1，当另外的干簧管闭合时，计数设备进行数字记录，标志位清除，当干簧管两个都闭合则表示异常。

4.2.3 控制流程

远传智能化水表系统，通过正反转电机对开关阀门进行控制，开关阀门时，需要检测阀门的到位情况，如果开关到位，电机还在运转，则说明电路电流比较大，不仅增加电能消耗，还容易导致电机损毁，如果由于阀门老化或者出现故障而无法转动，同样需要停止电机运转。

4.2.4 检测流程

检测欠压流程主要对电源电压功能进行检测，当到达设定时间时，系统中断，对实际电压的下限值进行检测。如果没有超出下限范围，中断退出，其他功能继续执行。如果超出下限值，则需要将电压标志予以置低，并发出警报，如果电压升高，大于下限值，将欠压标志位清除，中断退出；如果持续处于下限值以下，则需要循环检测电压，直至电压升高到正常值。

4.2.5 通信流程

远传智能化水表系统终端是水表，其本身可进行数据的采集和记录等，同时还可集中设备发出的指令予以执行，其中集中设备指令主要包括广播指令和本表指令两种类型。其中广播指令需要全部水表进行执行，主要包括校对、冻结水表数据信息；本表指令为集中设备专门针对某一水表下达的指令，该水表需要对指令予以执行，并将执行结果向上位机传输。

4.3 中断流程

基于MSP430的软件设计，功耗降低的主要途径是中断方式的应用。鉴于智能化水表的功耗较低，在数据信息采集、通信中，通过程序中断来处理。完成中断处理后，再次进入低功耗状态。本设计中所用的中断程序有计量、欠压、通信、拆除、干扰等中断。

5 结束语

该远传智能化水表系统的设计在计量、缴费、管理等方面实现了自动化，确保精准的水量计量，避免了数据漏抄、误抄等现象。该系统最大优势是实行上位机系统管理高度实现水表抄录的自动化，便于水费缴纳；实现了水表运行状态的实时查询，异常状况能够及时被发现，便于处理；水表设计为低功耗，电池有6年以上的使用寿命，符合行业要求；管理系统的功能还可以拓展，在其他能耗表的设计中可以应用，远传联网抄表得以实现。