IC卡智能水表设计报告 -

IC卡智能水表

IC card, Intelligent water meters

摘要

本设计介绍一种采用MSP430F413单片机作为中心处理单元，用IC卡以及嵌入式安全模块作为信息存储介质的IC卡预付费智能水表的设计方法。详细介绍仪器的检测、控制以及IC卡等的设计思路及特点。理论与实践表明：该仪表功耗极低，精度高，性能安全、可靠，抗干扰性极强，使用灵活，从根本上改变了传统自来水计量收费落后的管理模式。

关键词: MSP430F413、IC卡、智能水表、超低功耗

ABSTRACT

The design describes a MSP430F413 microcontroller used as a central processing unit, with IC cards and embedded security module as an information storage medium of the IC card prepaid water meter intelligent design. Details of instrument detection, control, and IC cards, design ideas and features. Theory and practice show that: the instrument is extremely low power consumption, high precision, performance, safety, reliability, strong anti-interference, the use of flexible, fundamentally changed the traditional management of water metering and charging backward mode.

Keywords: MSP430F413, IC card,Intelligent water meters, low power consumption

目录

一、前言 (3)

二、总体方案设计

（一）、系统简介 (3)

（二）、系统功能 (5)

三、各单元模块功能介绍及电路设计

（一）、主芯片介绍 (5)

（二）、各单元模块设计 (6)

（三）、软件流程 (11)

四、系统的调试 (13)

五、设计总结 (14)

六、参考文献 (15)

一、前言

随着电子技术、传感器技术的日趋成熟，实现自来水收费管理的电子化、信息化已成为可能。目前市场上已经出现了各种形式的电子水表。按照抄表的方式主要可以分为网络式和分立式。由于在某些场合需要对旧的水表系统改造，如果采用网络式抄表方式需要进行抄表线路的铺设，这给施工带来很大的问题。而分立式的IC卡水表收费系统则无需考虑这一问题，这为管理部门和用户提供了极大的便利。基于这一思路我们设计出了基于MSP430的超低功耗接触式IC卡智能水表，以智能IC 卡水表系统为研究对象，重点探讨了基于MSP430F413 型超低功耗单片机在低功耗智能仪表上的应用与开发。设计首先提出利用 IC 卡技术智能水表系统的总体方案；设计了系统控制的硬件电路结构和研究了软件控制流程的实现，采用软硬件结合的方法，对系统的低功耗、抗干扰性设计及安全性问题作了一定的分析与研究。

二、总体方案设计

（一）、系统简介

该水表的控制核心是MSP430F413单片机，其采用1．8—3．6V供电，它内置LCD驱动器24×4段，还包含了一个具有八个外部通道的12位高性能A/D转换器、一个具有自动扫描功能的容量为16个字节的可编程缓冲器、片内参考电压、电池低压时的检测电路，A/D转换器的速度可高达200KHz。

该水表主要由MCU、电源监测、IC卡读写模块、电动阀门、水表传感器、LCD显示、报警电路7个模块组成。整体工作原理见图2-1 IC 卡智能水表原理结构框图。

图2-1 IC卡智能水表原理结构框图

电源监测模块采用HOTEK公司的HT7027A，当该芯片检测到电源电压低于2．7V时，会触发1个低电平信号，单片机检测到低电平信号时发出报警，并关闭阀门。

水流传感部分采用磁敏元件干簧管。水流带动水表中的磁体旋转，当磁铁靠近干簧管时，干簧管导通，此时单片机会在相应的端口检测到低电平。为了避免重复计数，在水表中安装了3个干簧管，只有当单片机先后检测到3个不同的干簧管导通时才算作1次有效的计数。

当读卡器有IC卡插入时，卡座上的卡簧常开触点闭合，在单片机的I／O口检测到低电平输入，转入读写卡操作的程序。主要的卡型分为开户卡、用户卡、管理卡、数据采集卡以及清零卡。对于不同

权限卡，系统分别作以不同的处理。

水表阀门采用2.5-6V直流电机，当人为破坏水表或所购买水量低于设定值时，水表报警并及时关掉阀门，同时将数据保存在内部Flash中。

（二）、系统功能

(1)机械与电子同时计量，计量误差小于≤0.1%；

(2)读卡、写卡，并根据卡的内容进行开户，上传水表数据、开关阀门等操作。

(3)增、减计数以及存储当前的剩余水量和总用水量。

(4)液晶显示。

(5)当计数满足一定条件时，电池电量不足时以及用户作出不符合规定的操作时，进行相应的报警、开关阀动作。

三、各单元模块功能介绍及电路设计

（一）、主芯片介绍: MSP430F413

主控芯片MSP430F413，有5种低功耗模式，最低耗电在0.7 μA 左右，活动模式耗电在205μA，I／O输入端口的漏电流最大仅50 nA，从低功耗模式转向活动模式只需6μs，这些特性使得单节2．4Ah的电池可以保证系统正常工作超过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。

LCD显示：水表段式液晶

水表液晶显示模块(LCM)，采用段式液晶显示器(LCD)，专用液晶显示驱动器。该系列的模块具有较宽工作电压和低功耗等特性，接口简单操作简易。具有比传统机械表更多的优势。

图3-1 水表段式液晶外观图

（二）、各单元模块设计

(1) MCU模块:

时钟电路复位电路

MSP430F143芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入短为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是MSP430F413的第8脚和第9脚。在Xin和Xout两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。

数据存储单元

由于MSP430F413自身所带60KROM/2KRAM Flash Memory足以满足要求，故采用自身的Flash Memory做数据记录。

(2)IC卡读写模块:

此处选用的是接触式的卡型为.SLE4442逻辑加密卡它的引脚是八个，卡中集成电路、加密逻辑、串行EPROM，它的存储能力强，不易丢失，而且可以反复读写。SLE4442卡有8个管脚，与操作命令有关的是RST复位引脚由P6.1控制，CLK时钟输入端由P6.2控制，SDA 双向数据端由P6.0控制。所有的地址，数据和命令都通过SDA输入输出。为了能够识别是否有卡插入，在单片机上设置了3个I／O口连到读卡器的卡座，当读卡器有卡插入时，P6．4口对地短路，从P6、4口检测到低电平，从而可以判断卡簧是闭合还是分离，以此来通知单片机是否需要进行读写卡操作。根据需要，可以设置用户卡、测试卡、置换卡、复位卡。其中复位卡用来给MCU单元设置初值，实现系统复位功能。测试卡用来测试系统是否能正常工作。用户卡在系统正常使用时起作用。置换卡是在用户需要换卡时使用，当第一次插入后，变为用户卡。

(3)电源监控模块:

该模块采用sp809-3.1电源管理芯片，该芯片要求设定的门限电压（该门限电压高于CPU的最低运行电压）。当系统掉电到这个门限电压时，通过相应的电压检测电路把信号传递给CPU，CPU及时对系统进行报警，提示用户更换电池。

(4)水表传感器模块:

水流传感部分采用磁敏元件干簧管。水流带动水表中的磁体旋转，当磁铁靠近干簧管时，干簧管导通，此时单片机会在相应的端口检测到低电平。为了避免重复计数，在水表中安装了2个干簧管，只有当单片机先后检测到2个不同的干簧管导通时才算作1次有效的计数。

为了有效防止各种可能的干扰抖动而产生的多计数现象，本设计中采用双干簧管双脉冲通过由电容和电阻组成的防抖电路输入单片机计数，当两个脉冲输入段依次有脉冲输入的时候才产生一个有效脉冲计数，两个脉冲有互锁功能，P2.0和P2.1作为脉冲输入端。每输入一个脉冲，在存储器中减去相应水量。表内设有磁保护装置，具有较强的抗外磁干扰能力。电路图见图3-2。

图3-2 干簧计数电路图

(5)阀门控制模块:

对于水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开关状态。设计中利用直流电机带动半球阀正转或反转的方式来控制阀门的开启和

关闭。我们对现有电平开关式电磁阀进行了改进，将阀门的开关控制由电脉冲来实现，使得对阀门开关只是瞬时供电，从而减少耗电量。通过控制P1.0和P1.1上的电平高低使得流过电机的电流有正反两个方向，实现直流电机的正反转。利用MSP430F413内部比较器检测堵转电流来控制电机运行。当电机正常工作时一旦堵转，电流迅速增大，来通知MSP430F413电机转到位，有效地解决阀门关闭不可靠问题。电路图3-3所示。

图3-3 马达驱动电路

(6) LCD显示模块:

为了便于用户及时掌握用水情况，该系统带有液晶显示屏，用户可以直接看到累计用水量、本次购水量、剩余水量等。IC卡的使用信息，电量缺少提示，水量不足提示等。液晶显示外观如图3-4所示：

图3-4液晶显示外观

(7)报警电路:

当水表受到人为破坏、窃水以及强磁干扰，当水表的电池电量不足时，系统通过调用报警子程序置P6.5驱动三极管，嗡鸣器发出报警声提醒用户。电路图见图3-5.

图3-5 防拆电路与蜂鸣器电路

（三）、软件设计

全部软件由C语言编程，形成目标文件放在程序存储器里，其存储容量小，执行速度块。系统软件按模块设计。软件主要由主程序、中断服务程序、显示子程序、IC卡读写程序等组成。主流程图如下。 IC卡中的信息存在flASH中，直接操作时先将数据由FLASH读入到RAM中，然后选择适当的时机将数据再写入FLASH中

程序保存从0E020开始，由0E0000-0E01F保存不易失数据(32个，64个字节)

需要保存的数据如下：

表内参数：lcd显示时间（1个字节），报警水量（1个字节），关阀水量(1个字节)，关阀后自动开阀历时时间（1个字节），最大关阀时间（1个字节），最大开阀时间（1个字节），单位脉冲计量多少水量（0.01//0.1//1）（2位），累计用量（2个字节），另外用一个字节记录每当累计用量超过65535时，另一个字节加1，所以表的量程为:0~65535*255*0.1 。可用水量（2个字节），开关阀次数（2个字节）

用户卡号（2个字节），用户密码（4个字节）密码为一次使用有效，设置卡密码（4个字节）。

系统流程图：

四、系统的调试

（一）、插入卡的识别

本水表设计了两个卡：用户卡，复位卡。当插入非有效卡或用户名密码不正确时显示：卡错

（二）、IC卡的读写

正常运行后先读取用户卡号，正确后再依次读取用户密码，总购买水量，剩余水量

（三）、LCD显示

当运行正常时液晶轮流显示循环显示：本次购买水量累计购买水量累计用水量剩余水量

;

（四）、剩余水量不足报警

当水量低于10立方米时，关闭阀门并显示：阀关

（五）、无水量剩余报警

五、设计总结

此次设计思路围绕低功耗和高可靠性两个方面，以MSP430F413作为主控芯片，将软硬件相结合。软件由C语言编程，采用 IAR Embedded Workbench软件,它是一个非常有效的集成开发环境，是用户充分有效地开发并管理嵌入式应用系统。硬件部分由Altium Designer软件绘制电路板。IC卡采用SLE4442卡，通过单片机将IC 卡存储区信息读入,并由12864液晶显示剩余水量、累计用水量等信息，具有错误提示功能。单片机选用MSP430F413为核心器件驱动电机，可根据剩余水量实现开关阀门。满足低功耗及机械与电子同时计量，计量误差小于0.1%。水表从管理上讲对用户实行“先买水后用水”的预付费管理方式，在一定程度上改善传统管理模式的种种弊端，符合我国的基本国情，有很强的适用价值。

六、参考资料

(1)《电子技术基础模拟部分》康华光高等教育出版社

(2)《电子技术基础数字部分》康华光高等教育出版社

(3)《新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展[M]》郭天祥等电子工业出版社

《MSP430系列单片机C语言程序设计与开发》胡大可北京航空航天大学出版社

(4)《全新正版 MSP430单片机原理与应用实例详解》洪利北京航空航天大学出版社

(5)《MSP430系列单片机系统工程设计与实践》谢楷赵

IC卡智能水表（D题）

一、任务

设计、制作一个可采集水表流量的IC卡预付费水表。

二、要求

1．基本要求

（1）机械与电子同时计量，计量误差小于≤0.1%；

（2）显示功能：显示剩余水量、累计用水量、累计购水量、电池欠压提示、阀开、阀关；显示位数一位小数，不低于四位整数；具有错误提示功能（错误信息提示如下表所示）；

（3）低功耗设计，元器件选型及控制原理满足低功耗设计要求；

（4）控制功能：

①开关阀功能，根据剩余水量实现开阀、关阀功能。

②报警提示功能，设置两级报警功能，能够通过设置卡设置一级报警水量，当用户剩余水量到达一级报警水量时，关阀并常显提示用户余量到达一级报警值，用户插入用户卡可用完剩余水量，直至到达剩余水量为0（二级报警水量），关阀。

③电池电压低于规定值，自动关阀，并作相应提示更换电池。

2．发挥部分

（1）设置防磁攻击功能，当有外强磁靠近水表时自动关阀，去除强磁后插入用户卡可恢复；

（2）具有电子时钟，可实现阶梯水价计量（可分两级，中午11：30-13：00及下午5：30-7：00为一级水价，其它时间段为二级水价）；

（3）每周自动开关阀一次，以防锈蚀及保养电池；

（4）其他。

三、评分标准

1．不能购买市场销售的成品。

2．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序、和完整的测试结果用附件给出。