基于单片机的ic卡水表设计

基于单片机的ic卡水表设计内容摘要：

量 ，用液晶显示显示用户数据，并对某些情况提出报警。 本文的主要研究工作有： 1) 了解掌握 MSP430单片机的基本结构和功能特点。 2) 熟悉 IC 卡水表的基本工作原理和应用以及外围信号处理的基本 电路。 3) 了解掌握流量传感器、液晶显示、数据备份电路、 读卡器接口电路 的基本结构和使用方法。 4) 根据硬件设计方案设计 IC 卡水表的主要软件部分。 5) 根据系统的要求绘制系统硬件电路图，完成成品设计。 湖南人文科技学院毕业设计 5 第 2 章 基于单片机的 IC 卡水表总体方案 MSP430F413 超低功耗 IC 卡水表系统能有效提高的节水能力和节约能源，提高水表使用寿命，并能解决拖欠水费的问题。 其设计有硬件设计和软件设计两个部分，在以后的文本的各节中将分别介绍硬件及软件的总体设计 方案 ，在本文中主要介绍的MSP430F413 超低功耗 IC 卡水表 系统的 软 硬件设计的实现 方案 ，其具体实现电路设计将在 以下的章节 中 做 详细介绍。 IC 卡水表系总体方案设计 基于单片机的 IC 卡水表主要是利用 IC 卡接口采集 IC 卡上的数据，并将数据传送到 MSP430F413芯片读取， MSP430F413根据数据执行相应的指令 ， 其系统框图如图 21所示： IC 卡接口是感应 IC 卡上用户的姓名、水费、可购水量等信息。 当 读卡器 有 IC卡插入时 ， 卡座上的 弹 簧 打 开 ， 触点闭合，单片机的 I/O 口检测到低电平 ， IC 卡信息送入MSP430F413芯片中， MSP430F413根据信息执行下一步动作，如开闸供水、 LCD显示等等。 IC 水表的功能 作为供水计量、自动计费的 IC 卡智能水表应具有以下功能： 1) 根据所购水量，自动执行供水、停水 LCD 显示信号处理单元MSP 430 F 413执行部分IC 接口装置JTA G 通信模块图 21 IC 卡水表的总体框图 湖南人文科技学院毕业设计 6 当用户 的 IC 卡插入水表时，水表内的系统在识别确认该卡有效后，自动打开阀门，进行正常的供水。 一旦用水量达到水表卡所购水量，水表将自动关闭阀门，切断供水。 2) 具有自动报警功能 为了方便提醒用户及时预交水费，当用水量剩下最后一定量时，水表的液晶显示屏上应显 示“请购水”等字样提醒用户及时购水。 当电压低于 3V时，水表的液晶显示屏显示“ 换电池 ”提醒用户及时换电池，蜂鸣器发出响声提示用户。 3) 可随时提供累计用水量、本月用水量及可用水量 为了方便用户随时了解掌握自己的用水情况，用户可以通过水表的液晶显示屏，查看累计用水量、本月用水量及可用水量 (指卡表内所剩余的水量 )。 4) 可以对购水量进行累计 当用户插入购水后的 IC 卡时，水表自动将水表剩余的水量与本次购水量进行累计。 LCD液晶显示屏上显示累计购水量。 5) 具有自动保护功能 当水表被擅自拆卸，或遭到不明破坏时， 水表内自动保护系统启动将自动关闭阀门，停止供水，并记录拆卸时间，以备查。 6) 断电保护功能 IC 卡水表是采用电池供电，水表的水量等重要的数据都存储在单片机的 Flash芯片内，其数据可保存 10年以上，具有掉电保护功能。 7) 用水数据回写功能 用户将卡插入时，智能水表将用水数据回写到 IC 卡中。 用水数据包括累计用水量、剩余水量、关阀水量等。 8) 加密功能 对 IC 卡及水表内的信息进行加密，做到一卡一表，使系统不易被仿制和非法使用。 IC 卡水表使用的原理 水表的传感器主要是用来进行能量转换，即在普通机械 旋翼式水表的转盘上加装传感器，将机械装盘转动计数转换成电信号输出给控制微处理器计数，从基本原理上可分为以下 4种。 1) 干簧管传感器：在机械水表中加装干簧管和磁铁。 利用干簧管的簧片在磁铁的湖南人文科技学院毕业设计 7 循环作用下循环开闭，从而输出计量脉冲信号。 其设计方便，易于实现，且利用磁场的动力，不需要耗能。 2) 霍尔传感器：在机械水表中加装霍尔元件和磁铁。 构成基于磁电转换技术的传感器。 安装在计数盘位上的磁铁随着计数转盘运转。 每经过霍尔元件一次，即由霍尔元件输出一个计数脉冲。 霍尔传感器虽然温度特性优良、电源电压范围宽、输出电流能力强 、兼容性好，动作响应时间短以及体积小巧、寿命长和使用方便。 但是， 它的功耗较大 ，典型的集成式霍尔开关传感器耗电为 mA级，因此霍尔开关传感器不适合应用在本低功耗设计中。 3) 光电传感器：在机械水表的转盘处安装一个光电转换器。 在转盘上有一条沟槽，转盘每转一圈。 沟槽经过光束时转换器完成一次光电转换，输出一个计数脉冲。 当光照射在半导体材料的 PN 结上时， PN 结的两侧将产生光生电动势，如外部用导线连接，将有光电流流过，通常的光电传感器都是基于这一原理。 4) 编码传感器：其原理是把字轮端面圆周等分成若干扇区，各个扇区都 设有与之对应的编码，在采集数据时接通电源，通过红外线探头得到字轮的读数值 (即为直读式 )。 它无机械接触平常不需要带电工作。 其缺点是由于用编码，所以传输中必须保证所有的码值都被准确无误的识别出，否则就容易出错。 再一个原因是主要用于干式水表，而干式表的精度目前还不是很高 (低于湿式表 )，因此其应用受到限制。 总之，干簧管 抗干扰能力强， 不需要供电，采用高能干电池，无需交流电， 使用 干电池配合存 能 储器 使用 5年以上。 由于干簧管组成的水表系统比较省电，其环保性能较好，对系统提高可靠性较为有利。 而且在这几种传感器中干簧管的静态 维持电流最小，在干簧管两触点不接触的情况下，静态维持电流几乎为零，仅仅在接触的瞬间有极小的消耗，可见在本次水表系统中采用干簧管传感器将大大减低系统的功耗 [4]。 微型计算机 的选型 随着科学技术的突飞猛进，计算机应用的日益广泛，现代社会对计算机的依赖已经越来越明显 ，微电子技术得到了高速发展。 单片微型计算机发展的几个主要阶段 如下： 一、第一代 (1971~1973)： 4位或低档 8位微处理器和微型机 ； 二、第二代 (1974~1978)：中档的 8位微处理器和微型机 ； 三、第三代 (1978~1981)： 16位微 处理器和微型机 ； 湖南人文科技学院毕业设计 8 四、第四代 (1985年以后 )： 32位高档微型机 MSP430系列单片机的应用。 当今 MSP430系列单片机逐渐成为主体，其强大的功能，正是本文选择的首要原因。 MSP430 的系统介绍 TI公司的 MSP430系列单片机是在 DSP(Digital Signal Processor)的基础上发展起来的，因而继承了 DSP 的一些优点 ， 如选择具有硬件乘法器的 430 系列单片机，可使得它不但功耗低而且速度快，更加适合于高速的数据处理。 430 系列单片机的另一个重要特点是晶振系统，系统在运行时主频高 达 3MHz，其原因是它内部使用了数字控制震荡器 DCO(Digitally Controlled Oscillator)和锁频环技术 FLL， 将低速时钟晶体产生的32768Hz晶频倍频到 2MHz~3MHz，因而可根据实际需要来选择合适的系统时钟频率，合理地利用系统的电源，使得整个系统的超低功耗成为可能。 430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器。 MSP430 有 16 位 RISC 结构， CPU(Central Processing Unit)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。 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。 430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加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力。 MSP430单片机具有如下特点： 低电压、超低功耗 MSP430 系列单片机，在 ~ 电压、 1MHz 的时钟条件下运行，工作电流 在()μA；具有 16个 任意嵌套的中断源 ，使用灵活方便；将 CPU置于省电模式时，用中断方式可唤醒程序，其过度响应时间小于 6μs，编制出的源代码程序实时性较高。 强大的处理能力 MSP430系列单片机为 16位 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方法等等。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 系统工作稳定 湖南人文科技学院毕业设计 9 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。 当晶体振荡器在用作 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，可以用看门狗将其复位。 高效的开发方式 MSP430支持在线仿真和编程，编译器功能强大。 具有 FLASH存储器型的单片机，利用其本身具有 JTAG 接口，能在一台 PC 机及一个 JTAG 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时修改片内寄存器和存储器的内容，对开发人员来说将大大提高程序的调试效率。 MSP430系列器件均为工业级的，运行环境 温度为 40~+80℃，因此很适合作为便携仪表和水、电、热表的主控芯片。 丰富的片内外设 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。 它们分别是以下一些外围模块的不同组合：定时器 A/B和基本定时器 (TimerA/B、 BasicTimer)看门狗 (WDT)、比较器、串口 0、 1(USART0、 1)、乘法器、液晶驱动器、 10/12位 ADC， 48个 I/O端口，可在线仿真的 Flash内存， 7路 PWM输出，以及内嵌的 LCD驱动等。 MSP430系列单片机由很多模块组成。 在 MSP430系列单片机中 ,与其它的 单片机最大的区别就是系统各个模块完全是独立运行的，定时器 (Timer、输入 /输出口（ I/OPort）、A/D转换、看门狗（ WDT）、液晶显示器（ LCD）等都可以在主 CPU休眠的状态下独立运行。 当需要主 CPU工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒 CPU，从而使系统运行在最低功耗上。 这一点是 MSP430系列单片机最突出的优点。 此外由于 MSP430系列单片机具有 LCD 驱动、 A/D 转换、模拟比较器、多路中断和定时器、串行通信口，因而其用途极广 [7]。 MSP430F413 芯片介绍 MSP430F413采用 ~，有 5种低功耗模式，最低耗电在 ，活动模式耗电在 205μA， I/O 输入端口的漏电流最大仅 50mA， 从低功耗模式转向活动模式只需 6μs，这些特性使得单节 6年 ， 达到了业界要求的工作年限标准。 同时 MSP430F413 还集成了 96段液晶驱动器 ， 简化了水表的人机界面设计。 其引脚图如图 22所示： 湖南人文科技学院毕业设计 10 正是因为其多引脚和独特的内部结构，是它与 51 单片机芯片相比， MSP430F413的优点跟为突出。 其优点有： 1）处理位数多： 51 单片机和 430 单片机的主 要区别是 51是 8 位的 ； 430 是 16 位的 ， 开发环境都有相应的 C开发环境。 89C51单片机是 8位单片机 ， 其指令是采用的被称为 “ CISC” 的复杂指令集 ， 共具有 111 条指令。 而 MSP430F413单片机是 16位的单片机，采用了精简指令集 （ RISC） 结构，只有简洁的 27 条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。 这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。 2）低电压、低功耗： 89C51 单片机有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式 ，其本身的电源电压是 5V， 而能达到的最低也有 2V。 但是 MSP430F413单片机 的电压范围图 22 MSP430F413 引脚结构 湖南人文科技学院毕业设计 11 史 ~，且电流在 ~400μ A之间变动。 MSP430F413在 低功耗方面的优越之处，是 89C51系列不可比拟的。 正因为如此， MSP430更适合应用于使用电池供电的仪器仪表类产品中。 3）集成性强、有很大的扩展空间： 89C51 系列单片机由于其内部总线是 8 位的，其内部功能模块基本上都是 8位的。 内部功能模块增加 空间不大。 但是 MSP430F413其基本架构是 16 位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在 8 位的总线，在加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开 放型的架构来说，无论扩展 8/16位的功能模即还是扩 展模 /数转换或数 /模转换这类的功能模块 都 很方便的。 4）开发工具成熟：虽然 89C51 最早进入中国的单片机，人们熟悉它 ， 但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。 对于 MSP430 系列而言，由于引进了 Flash型程序存储器和 JTAG技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程 [8]。