基于MSP430F41的IC卡式智能水表工作原理

引言

当前水资源缺乏是世界性的难题，水资源短缺将会成为制约国民经济和社会发展的重要因素。目前我国水资源形势是资源性的短缺与使用上的浪费并存，而价格是资源优化配置的调节杠杆，因此合理的水价是节约用水的关键。

为适应国家用水制度的改革，在原有智能水表的基础上，增加了阶梯计费复费率核算功能。水表接收阶梯水价的相关用水参数，根据水表当月用水量的变化，实时调整水表内部的当前(阶梯)单价，并根据用水参数和当月内的用水量实时地核算出水表内的剩余金额，方便水表用户和供水部门的管理。减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力和社会存在的水资源浪费，本文研制的IC卡智能水表系统可有效地解决上述问题。

1系统组成及工作原理

基于MSP430F413的IC卡式智能水表组成如图：

IC卡智能水表是通过计量及控制流经自来水管道水的体积总量来工作的。当有计量脉冲到来时，单片机由睡眠转为工作状态，通过微处理器进行相应的计费处理：既当用户在单位时问段(一般按月计算)用水达到一定吨限时，随着用水量的增加水价格呈阶梯状上升变化，用水量越多，所使用的水价就越高。水表接收阶梯水价的相关用水参数，实时调整水表内部的当前(阶梯)单价，并根据用水参数和当月内的用水量实时地核算出水表内的剩余金额等用水数据。当用户用水的剩余量达到预设的告警量时(告警量由水表管理部门设定)，水表会自动关阀告警，从而提醒用户尽快购水。当将已充值的IC卡插入水表内进行充值时，IC卡水表内单片机首先识别IC卡密码并确认无误后，读入所购水金额并与水表内剩余金额累加，水表根据售水部门的阶梯水价，实时计费、定期结算。结算后当前用水量归零，总用水量实时累计，并写入IC卡水表内存储器，进而控制电磁阀开启，充值完毕水表的工作状态和充值金额会在液晶显示器上显示，当人为拆卸水表或剩余水量低于设定值时，水表报警并及时关掉阀门，同时将数据保存在内部Flash中。

2硬件设计

IC卡智能水表的硬件系统主要包括以下电路：微处理器、IC卡接口、液晶显示器、水表检测、电源检测、电控阀控制接口及声音报警电路等。

(1)微处理器。微处理器是整个智能水表的核心，它担负着信息判断、识别、运算、处理等工作。经过性能、质量、价格的多方对比，微处理器选用TI公司的MSP430F413单片机。该单片机是一种超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机，具有丰富的片内外围，工作电压为1．8V～3．6V，内置LCD驱动器24×4段，可以缩小体积、降低成本，它特别适合应用在各种要求低功耗的场所，如应用在电池或手持设备上。
(2)IC卡接口。从节约成本的角度出发，IC卡接口采用的是复旦微电子股份有限公司出品的FM4442存储卡。它采用0．6微米CMOS EEPROM工艺，内部有256字节用户存储器，32字节写保护区及3字节编程安全认证码。外围接口遵循IS07816协议标准(同步传输)。充分利用其内外部资源，用户存储器存储用户水量；保护存储区和加密存储器的编程可实现IC的个性化设计，提高使用的安全陛。它与单片机的接口电路如图2所示：

(3)液晶显示器。液晶显示器作为水表的输出接口，主要作用是输出水表的各种运行状态，及相关数据；此外还具有用户提示的功能。为了降低功耗、节约成本，在设计时采用的是专门定制的液晶显示器。其界面如图3：

液晶显示器作为水表的输出接口，除了显示电磁阀门的开关状态、表内剩余金额(当余额显示为负时表示水表处于透支状态)、累积用水量、电池状态、本月累积用水量、分段(阶梯水价时，每种水价水量的吨限)显示、单价(当前水价)显示、当前日期及当前时间之外，还兼具了提醒用户及时充值的信息及出错信息。

3软件设计

IC卡智能水表软件设计采用了模块化处理，主控程序包括：系统初始化、状态判断、流量脉冲和用水量处理、报警提示和低功耗模式处理等，其中关键是计费处理部分和看门狗的初始化。功能子程序包括：IC卡的接IZl模块(包括IC卡有效性判断、读／写及IC卡的解密与加密)、计费处理模块(包括阶梯水价分段计费判断及处理)及阀门控制模块等。系统的主程序流程图，如图3所示。

图4主程序流程图

系统初始化包括对MSP430F413的堆栈、各端口、中断、LCD控制寄存器的设置，从而使CPU能正常工作；系统初始化以后，进入低功耗模式，直到有各种中断情况将其唤醒，再进入相应中断服务程序。

4系统功能

设计和研制出的IC卡式智能水表，除了集预付费、阶梯水价计费、故障检测等功能于一体外，还兼具以下特殊功能：

(1)自动告警功能：当剩余水量用至设置的告警量时，水表将自动关阀，切断水源，提醒用户购水。
(2)透支功能：当剩余水量用至设置的透支量时，水表将自动关阀，切断水源；此时，只有将“用户卡”重新充值购水，才可使水表阀门开启。
(3)自动保护功能：当水表遭遇磁干扰，水表将自动关阀；同时，水表将各种干扰状态记录在案。水表设有防拆装置，当遇到自行拆装的情况时，将进入锁定状态。
(4)电池欠压提示功能：当电池电量低时，控制器将自动关阀，切断水源，以提醒用户更换电池；同时将剩余水量和实际用水量的记录数据予以锁定，更换新电池后，原用水信息数据不变。
(5)可随时提供累计用水量、本月用水量及可用水量。为了便于用户及时掌握用水情况，在使用过程中随时可插“用户卡”查看“累积用量”、“剩余量”、“单价”、“当月用量”。

5结论

本文研制的智能IC卡式水表已经研制成功并投入生产，该水表集预付费、阶梯水价计费、故障检测、告警功能等功能于一体，具有读数清晰、计量准确、管理控制方便等特点。并且水表内部具有用水的价格参数使口当前单价、阶梯水价等)和准确的实时时钟佣作复费率核算的时间标准)，更重要的一点是充值时是按金额为单位进行充值，而不是按水量来充的，避免了充值时存在互相转换和找零的麻烦，有效的提高了居民用水计量收费管理的现代化水平，在实际应用中取得了良好效果。本文创薪点：在原有智能水表基础上实现了阶梯式水价计费和故障检测等功能。有效解决当前收费和节约用水等问题。