摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 目的和意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 课题研究内容 3

1.5 预期目标 3

第2章 系统方案论证 4

2.1 系统设计原则 4

2.2 系统总体结构 4

2.3 系统工作原理 5

第3章 智能水表的硬件电路 6

3.1 主控芯片的选择 6

3.1.1 MSP430单片机 6

3.1.2 晶振电路 7

3.1.3 复位电路 8

3.1.4 电源电路 8

3.1.5 下载电路 9

3.2 IC卡读写器 9

3.3 阀门驱动电路 11

3.4 流量传感器 11

3.5 LCD显示电路 12

3.6 蜂鸣电路 12

第4章 智能水表的软件设计 13

4.1 软件设计原则 13

4.2 智能水表软件分析 14

4.2.1 初始化模块 14

4.2.2 水流计量模块 14

4.2.3 IC卡处理模块 14

4.2.4 显示模块 14

4.2.5 阀门模块 14

4.3 密钥存储和安全性分析 15

第5章 系统仿真结果及其调试 16

5.1 初始状态 16

5.2 正常用水状态 16

第6章 总结 17

致谢 18

参考文献 19

附录A 20

附录B 21

摘 要

本文以基于单片机的IC卡智能水表系统为研究对象,选取了MSP430单片机为中央处理器,着重地讨论了这个系列的单片机在智能仪表上面的一些应用和研究。在仿真方面，具体使用了c编译器IAR Embedded Workbench for MSP430对编写的程序进行编译,利用AD和proteus等软件对电路进行了描画和对系统进行了一系列模拟和仿真。与此同时，对于现存的一些传统习惯的供用水处理模式进行较为贴近现代化的改造,在此过程中提供基础性的技术支持,研究了一个基于单片机的IC卡智能水表的系统方案,采用了微功耗的单片机技术,选用一家名为德州仪器的美国德公司推出的MSP430系列单片机,这是一款16位的单片机。在这样的基础上完成了智能卡水表的硬件部分设计和软件部分编程及其系统的仿真,这个系统具有稳定、安全和低功耗等优秀特点。

关键字：MSP430单片机；智能水表；低功耗

Abstract

In this paper, the IC card intelligent water meter system based on single-chip microcomputer is taken as the research object, and the MSP430 single-chip microcomputer is selected as the central processor. The application and research of this series of single-chip microcomputer on the smart meter are discussed emphatically. In terms of simulation, the C compiler IAR Embedded Workbench for MSP430 was used to compile the program. The circuit was drawn by AD and proteus and a series of simulations were performed on the system. At the same time, the existing water supply treatment mode of some traditional habits is relatively modernized. In this process, basic technical support is provided, and a design scheme of an IC card smart water meter based on single chip microcomputer is studied. The single-chip technology of low power consumption selects a 16-bit MSP430 series MCU produced by a German company named Texas Instruments. On this basis, the hardware part design and software part programming of the IC card smart water meter and its system simulation are completed. This system has excellent features such as stability, safety and low power consumption.

Keywords：MSP430 microcomputer;Intelligent water meter;Low power consumption

第1章 绪论

在结合了现代微电子技术、传感器技术、智能IC卡技术等现代化的科学技术之后,传统的水表被改造成新一代的智能水表,这种水表能对用水量进行检测并传输用水量及其剩余水量等数据同时又能自动通过系统对水费进行结算。跟传统水表相比，不管是水量采集还是用水量的显示方式，智能水表都取得了较大的进步。除了以上提到的两个功能之外,还可以按照用户原来充值的水量剩余情况对用水量和阀门开闭状态进行控制,也就是所谓的预付费功能,并且水费计算是系统自动完成的，不会存在人工操作导致的人为误差，采用的水费计算方式则是阶梯式的水价计费方式,与此同时系统还可以对以上的所有用水相关的数据进行存储。^[1]

1.1 课题研究背景

在我国经济建设的发展为国民的生活带来了更多的变化,特别是在加快城镇化建设速度的背景下,各行业研发都在逐渐往智能化和自动化的方向靠。其中比较具有代表性的一个产物就是智能水表,相较于传统水表单一且繁琐的功能,智能水表有了较大的提升，不管是预付费功能还是远程抄表等功能都跟当下的时代发展更加的匹配。

为了响应智慧水务的建设要求以便尽快达到智慧城市的目标，自来水公司的管理模式需要逐步向向更加细致、严谨的管理模式迈进,自来水公司需要通过现代的科技对传统的供水管理模式进行升级,提高日常的服务水平。因此智能水表大大的提高了供水管理部门的工作效率,降低了大量的人工成本，同时也节省了用户的时间，对减少资源消耗有较大提升。除此之外还能通过检测用水量侧面反映自来水管网是否漏损，比如一个小区的总用水量远大于用户用水量之和，那么大概率就是小区的自来水管网在某个地方出现了破损等情况，此时自来水公司可以通过系统及时识别并采取弥补措施,降低自来水公司的产销差,实现科学合理管理,符合现代化的要求和发展。

在与传统水表的比较中，智能水表显然占据着压倒性的优势,因此在城市发展现代化的过程中智能水表会逐步替代掉传统水表。非常多的自来水相关的企业都参与到智能水表的发展进程中,其中的绝大部分企业都对其较为看好。

1.2 目的和意义

在过去很长的一段时间里,自来水用户的用水量大部分都是通过人工抄表得出,这种方式效率低下、对人力资源的耗费较大，而且人工操作容易出现错误,无法达到国家对于用水制度改革的要求。预付费智能水表系统很大程度上是为了减轻供水部门大部分情况下因"先供水后收费"造成的不必要的资金压力,这套系统可以提高供水部门的计量收费管理水平和市场竞争力。减少每月在人工抄表和收费这些过程中所带来的麻烦以及因收费时用户不认可等问题带来的纠纷,利用现代化的科学技术手段将自来水供水管理体制进行了改造，改变了其落后现状。智能化水表的推广,不但使供水管理部门的工作效率化,实现水费收取的电子化,而且在技术上使得节约用水,合理用水变得更加简单与方便。

目前的阶段,为了响应国家关于节水以及智能水务政策，每个家庭只用一个水表、用水按照阶梯式收费的具体做法以及渐渐普及到具体的用户当中。带电子装置的IC卡智能水表实现了科学合理的供水管理,在很短的时间内就超过了原有的传统水表的地位,有一大部分的用户已经选择了使用智能水表。随着供水公司的管理需求和人民生活质量的提升,这一类的IC卡智能水表也会在人民日常生活中普遍的出现，直到完全取代传统的水表。对于自来水供水公司来说,采购IC卡智能水表可以省去人工抄表的成本，水表精度高，减少了偷水的损失，预付费功能让自来水供水公司不用再为收取水费的事情头疼,很好地解决零散居民用户、临时用水客户、经常欠费客户等的收费问题,有效地回笼资金,为公司正常运转起到良好作用。对个人用户来说，IC卡智能水表较普通机械水表有着高精度计量、水量查询、智能扣费、余额报警、信息远程传送的优势，同时可以在线缴费，实在是便利。对国家社会而言，IC卡智能水表有助于用户节约用水，共建一个节水社会，达到节水节能的环保目标，为国家可持续发展奠定良好的基础。由此可见，该款水表无论从公、从私亦或是整个国家都有着不同程度的好处，是未来城市必备的节水器具。

1.3 国内外研究现状

水表在我国有着很长的应用历史，因此我们国家的水表也是各种各样都有，具体的功能也都有着些许的不同。它们都有着不同的机械结构、工作原理，也因此背负着不同的用途，在科学技术不断发展，越来越现代化的同时，传统水表也在随着不断得到提升，水表的量程逐渐拓宽，其自身也因为材质的提升变得越来越耐用。但是，其缺点也是显而易见的，因为传统水表的抄读方式是人工抄读，因此水表便面一旦出现污垢等情况就会大大增加人工成本和维修成本。除此之外，由于一户一表的制度，在线的水表数量也在不断增加，者带来的又是巨额的人力成本，而且人工的方式就无法保证其准确性和牢靠性。在这种情况下，IC卡智能水表在近年来得到了长足的发展，这是一种不同于传统水表的新型产品，在原来传统水表的机械装置的基础上，增加了电子设备以及其他的一些辅助性质的设备，实现了智能化的供水管理，不管是收费还是节约成本都做得很好，也非常符合我国的一户一表的制度。^[2]

在发达国家,容积活塞式水表使他们主要是用的产品，这是因为大部分外国人都习惯直接饮用自来水，而不用像我们国家基本上都要把自来水烧开之后才能喝。除此之外还有一些地方使用旋翼液封式水表或者单流式水表,单流式水表是因为其耗材少、结构小巧精致等优点被选中使用的。总的来说,高计量等级以及使用寿命较长是国外的民用水表普遍具备的特点。在其它的一些发展中国家如诸如南美、东南亚、非洲等地区,大多数国家使用的是与我国相同的水表产品,有些国家也在慢慢的尝试采用IC卡智能水表以及塑壳水表。

1.4 课题研究内容

基于单片机的IC卡智能水表的设计,其硬件部分以单片机为核心,包括IC读写模拟、LCD液晶显示、电磁阀开关控制、脉冲模拟流量等模块,以及安全保护、通信方式、自动报警等电路;软件部分由主程序、外部中断、IC读写、1602显示以及存储器读写程序组成。仿真方面选择IAR Embedded Workbench对程序进行编译，并利用protues软件对系统进行仿真。

1.5 预期目标

很长时间以来,我们国家的民用水表都有着比较大的缺陷，因为其收费方式的不合理性，许多供水公司都会被一部分拖欠水费，无论是因为忘记去缴费抑或是用户对于用水量存疑的情况，都对供水公司的资金造成了大量的压力，而且人工抄表的方式确实很浪费人力资源和时间。IC卡智能水表正好可以解决这两大问题，它实现了预付费功能,不但使供水管理更加人性化,也科学的节约了水资源,而且"一卡通"这种方式安全又可靠,实实在在的使得人们的日常生活变得更为便捷为。因此,研制一种低功耗且计量准确的智能水表是必不可少的。此次研究的系统预期目标是对流量信号（用脉冲代替）进行计数,并计算本月用水量和剩余用水量;通过IC卡可以进行充值购水金额,并换算为购水量;根据用水量对水表阀门进行开关控制;通过 LCD 1602液晶显示器显示相应的信息;在低电压或可用水量低于设定值的情况下进行报警。再考虑低功耗、价格低廉性能可靠等要求进行各类硬件的选型。

第2章 系统方案论证

2.1 系统设计原则

智能水表的设计原则是实现购水，用水，报警等多方面的功能，与此同时低功耗也是必不可少的条件。基于单片机的IC卡智能水表控制系统的硬件设计指导思想、硬件的主要构成部分和设计过程中遇到的问题及解决方案。由于本课题在开始之前便明确了应用需求和研究目的,所以在整个硬件方案设计和研究过程中始终没有偏离研究这个课题的应用主线,并在最终的研究成果即是基于单片机的IC卡智能水表控制系统达到了原本预定的效果，达成了设计目标。^[3]

2.2 系统总体结构

依照上述的硬件设计原则，本文研究的控制系统选取的控制核心是MSP430单片机，这是一款适用于用小型电源或者电池供电的系统中，因为MSP430是一款能长期工作在低功耗状态下的单片机，与本次设计的智能水表需要长时间工作的特点较为符合。系统具体电路组成包括以下几个：流量检测电路、电磁阀控制电路、自动报警电路，IC卡模拟电路，LCD液晶显示电路以及通信接口电路等^[4]。具体组成框图如下图2.1所示：

图2.1 系统总体结构框图

2.3 系统工作原理

因为智能水表的实际应用需求，在大部分情况下系统都是工作在低功耗的状态下，当读卡模块读取到刷卡的信号时系统开始正常工作，通过识别IC卡把用户的各种用水信息输入到单片机中进行判断，如果符合条件则是开启阀门，正式开始供水，如果不符合条件则不反应。具体的判断方式是判断卡里的剩余水量多少，如果少于一定的值则会报警提醒用户余额不足要及时进行充值，当剩余水量为0时则会自动关闭水阀。收费方面的话采用的是预付费的方式，用户在使用之前需要到供水公司网点预先购买水量，再将用水量通过IC卡输入水表内部的控制系统，当用水量达到一定程度的时候会进行报警，提醒用户要及时充值，因为当卡内的余额用完的时候系统会自动关闭水阀并中断水的供应，以此达到买水在前，用水在后的目的。

第3章 智能水表的硬件电路

3.1 主控芯片的选择

3.1.1 MSP430单片机

MSP430采用的是精简指令，它只有27条核心的汇编指令，这一点和arm相同，arm同样是采用精简指令，而80c51采用的是冗余指令，执行起来要复杂很多。MSP430有16个寄存器，这和arm也一样，但是略有不同的是，它的r0到r3是特殊功能寄存器，其中r0是程序指针(PC); r1是堆栈指针（SP）,r2是状态指针（SR），r3是常数发生器。堆栈指针(SP)会在中断处理中用到，还有MSP430的堆栈是向下伸展的，开始的时候SP是指向高地址，在执行过程中，MSP430的SP的值是不断减小的。R2是状态寄存器，虽然是16位的状态寄存器，但是高八位没有用，其中低八位分别V是溢出标示位，SCG1,SCG0是系统时钟发生器，OSC OFF是外部振荡器的标志位，CUP OFF是是否关闭cpu的标志位，GIE是总的中断使能标志位，N是负数标示位，Z是出现0的标志位，C是进位标志位。

图3.1 R2各标志位

MSP430单片机同时也是一种混合信号处理器，因为实际情况是会做成一个集成芯片，把拥有不同功能的数字电路或者模拟电路及微处理器集成到一起，达到所谓的单片机的形式。便捷式仪器仪表使用到这一系列芯片的产品，这是由于这些芯片的低功耗的特性与使用电池供电的产品非常适配^[5]。具有以下特点：

1. 芯片拥有五级节电模式，在不同的情况下分别处于不同的模式下，如正常工作时电压在1.8V到3.6V之间，电流只有280uA；待机状态只需要1.6uA，这是水表中的芯片大部分时间里的模式，也因此才会拥有低功耗的特点。
2. 在实际使用中需要芯片有较快的反应，而这款芯片从待机到正常工作只需要不到6us的时间。
3. 芯片内部拥有12位AD转换器，同时还有电压源，具有采样、保持、自动扫描等功能。自带的模数转换器同样可以达到很高的精度。
4. 同时拥有片内比较器和2个位计数器。可以实现捕获以及门限等功能。
5. 芯片支持USB-ISP的烧录方式，也就是在线编程的功能，免去了在调试过程中插来插去的麻烦，较为便捷。
6. 支持序列号，熔丝位烧写。简单快捷。
7. 双串口
8. 支持超小型封装：64P-QFP、64P-QFN。

单片机引脚图如下：

图3.1 MSP430F149单片机

3.1.2 晶振电路

为了解决系统需要快速处理数据以及低功耗之间的矛盾，MSP430系列单片机拥有三个不同的时钟信号源，名字各自为低速晶体振荡器、高速晶体振荡器和数控振荡器(DCO)。用这三个不同的时钟信号源可以使芯片工作在不同的模式里，这样的设计可以让外围部件得到实时反馈，例如实时的LCD显示、定时器或者计数器等。在设计单片机最小系统的时候，关于晶振的外部电路我们只需要设计低速晶体振荡器以及高速晶体振荡器，而数字控制振荡器DCO是与单片机集成的，在芯片的内部。
MSP430单片机的晶振工作模式有低频模式和高频模式两种，低速晶振的频率是32.768kHZ,在这种工作状态下单片机处于低功耗状态，满足系统的要求。高速晶振的工作频率最高可达8M，晶振电路如下：

图3.2 晶振电路

3.1.3 复位电路

本系统采用传统的RC串联电路的方式实现，具体电路如下图3.2所示。