射頻卡智能水表的研制
發布日期：2013-04-16 瀏覽次數 ：1452
摘 要 提出了一種基于單片機MSP430F413的射頻卡智能水表的設計方案,并設計出系統硬件部分的電路圖和軟件部分的流程圖。
0 引言
目前,供水部門水費的征收仍采用人工上門抄表收費的傳統方式,已不能適應快節奏的現代生活。為解決水費征收效率低、群眾意見大的實際情況,我們研制了預付費的射頻卡智能水表。這種水表采用IT公司的單片機MSP430F413芯片,具有自動計數、自動供水斷水、自動保存數據、自動報警、使用壽命長等特點。
1 系統硬件設計
圖1是系統的硬件原理框圖,主要包括MSP430F413單片機、射頻卡讀寫電路、閥門執行電路、LCD顯示電路、電源電路和水脈沖檢測電路等。
1.1 MSP430單片機
MSP430系列是美國德州儀器公司生產的一種特低功耗的Flash微控制器,有“綠色微控制器”稱號,其技術特征代表了單片機的發展方向。MSP430F413單片機是TI針對電子式流量與旋轉運動檢測開發的專用MCU芯片,它將超低功耗MCU和液晶顯示LCD驅動模塊地結合為一體,其超低功耗結構和流量檢測模塊不僅延長了電池的壽命,同時還提高了儀表的精度與性能。
1.2 射頻卡讀寫電路
射頻卡讀寫電路由射頻卡和讀/寫基站芯片兩部分組成。射頻卡選用的是TEMIC的E5560芯片,讀/寫基站芯片選用的是Atmel公司的U2270B芯片,它們可以在5cm的距離內通過頻率為125Hz的載波互相通信,如圖2所示。
U2270B支持兩種供電方式。一種為+5V直流電源供電,另一種為汽車用+12V。這里選用的電池供電工作電壓是+5V,電路圖如圖3所示。
由E5560組成的射頻卡電路由E5560芯片、電感線圈和電容組成,RF工作頻率為125kHz。使用時,E5560通過外接的LC回路接收來自讀/寫基站的RF信號,經過芯片內部的電源電路處理為芯片提供電源。通過芯片內部的阻尼負載,片內EEPROM中的數據被讀入讀/寫基站,并以一個特殊的方式中斷RF場,使讀/寫基站可將數據寫入片內EEPROM中。EEPROM用來儲存用戶ID、卡類型、卡狀態、表號、充水水量、密碼、累計水量、剩余水量和充水次數等信息。
讀卡時,E5560發送數據給MCU。由于E5560并不保證其發送數據的可靠性,所以通過多次讀取比較來保證數據的正確性。
寫卡時,MCU發送數據給E5560,可以通過設置奇偶校驗位來保證數據可靠性。
1.3 閥門執行電路
它可用步進電機、直流電機、電磁閥等加上驅動電路來實現。用直流電機控制水龍頭閥門的開和關,通過堵轉電流判斷電機是否已到位,堵轉電流大小的判定是通過比較器A來完成的。平時監測電壓CA0小于參考電壓CA1,當閥門到位時會產生較大的堵轉電流,從而監測電壓會大于參考電壓。
1.4 其它電路
1.4.1 水脈沖檢測電路
該電路采用TI專用傳感器電路。在水表中有機械轉輪,采用干簧管與磁鐵配合,可完成脈沖采樣,通過MSP430F413內置的比較器(Comparator A)和定時器(Timer A)來識別判斷出水表葉輪的轉動情況,從而完成計數功能。
1.4.2 電源管理電路
此電路主要是為了降低功耗,延長電池使用壽命而設計的。當單片機檢測到電池電壓小于某一特定值時,將觸發低電檢測中斷。
1.4.3 LCD顯示電路
LCD顯示部分利用MSP430F413自身驅動LCD96段來完成與單片機系統的顯示接口,以顯示用水量信息、水表的工作狀態及其它的一些必要信息等。
2 系統軟件設計
本系統軟件由主程序和中斷處理程序組成。主程序主要完成系統初始化的功能。中斷處理程序包括低電檢測中斷處理程序、水脈沖測量中斷處理程序、水脈沖異常中斷處理程序、卡檢測中斷處理程序和看門狗中斷處理程序。
2.1 主程序流程圖
主程序在初始化后,進入一個循環的睡眠狀態。當中斷程序被觸發后,主程序馬上蘇醒過來,進行中斷處理,之后再進入睡眠狀態(詳見圖4)。
2.2 低電檢測中斷處理程序
當電池電壓低于某個門限時,會產生一個電平跳變,觸發中斷。中斷處理程序設置低電警告事件,馬上關閉水閥,同步數據到flash中,并告警提示,聞后關閉MCU,如圖5所示。
2.3 卡檢測中斷處理程序
通常有如下4種類型的RF卡:開戶卡、充值卡、查詢卡、注銷卡。RF卡靠近水表后,卡上的磁鐵會讓水表中的磁簧管吸合,從而產生電平跳變,觸發中斷。中斷處理程序設置卡檢測到事件,激活CPU,讓應用程序進行卡處理過程,如圖6所示。在檢測到卡的類型后,再進行相應的讀/寫卡操作。
2.4 水脈沖測量中斷處理程序
兩路計量脈沖依次通過PORT口輸入。系統根據兩路計量脈沖進行用水量的計量,上升沿觸發。只有依次檢測到兩路脈沖信號,且兩路脈沖的間隔為300ms左右時,才認為是一個水量單位,此時把總用水量加1,剩余水量減1。每計量一定的水量后(如1噸),設置水量計量事件,激活CPU,進入水脈沖測量中斷處理程序,如圖7所示。中斷程序進行3個相關的動作:同步數據到flash中;在剩余水量小于某個限定值,用戶再次充水大于限定值(如5噸)之前,剩余水量每減少一噸都會產生相應的蜂鳴器告警,提示用戶購水;當剩余水量為0時,關閉閥門,水表報警并顯示提醒用戶購水。
2.5 水脈沖異常中斷處理程序
水脈沖一般會出現如下幾種異常情況:
①一路有脈沖,另一路沒脈沖(有一路壞了);
②兩路輸入同時為高(受強磁干擾);
③兩路脈沖間隔小于300ms;
④一直沒脈沖,這種情況不是確實沒用水,就是兩路都壞了。
中斷處理程序收到脈沖異常事件后,馬上關閉水閥,同步數據到flash中,并告警提示,后關閉CPU且在30s內不能開閥。如30s后異常消除,則根據當前情況決定是否打開閥門。
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