基于单片机的IC卡水表设计

1、湖南人文科技学院毕业设计学科分类号： 08 湖南人文科技学院本科生毕业设计题目（中文）： 基于单片机的IC卡水表设计 （英文）： MCU-Based Design of Card Water Meter 学生姓名： 郭沙沙 学好： 05409236 系 部： 通信与控制工程系 专业班级： 2005级电子信息工程 指导教师： 王道铸 谭周文 职 称： 高级工程师 助教 湖南人文科技学院教务处制I湖南人文科技学院毕业设计湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，

2、本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名： 二 年 月 日目 录摘要I关键字IAbstractIIKeywordII第1章 绪 论11.1 引言11.2 IC卡水表的研究背景11.3 IC卡水表的发展前景21.4 本文的研究内容及主要工作3第2章 基于单片机的IC卡水表总体方案52.1 IC卡水表系总体方案设计52.2 IC水表的功能52.3 IC卡水表使用的原理62.4 微型计算机的选型72.4.1 MSP430的系统介绍82.4.2 MSP430F413芯片介绍9

3、第3章 IC卡水表的硬件设计123.1 IC卡水表系统整体框图123.2 微控模块123.3 电源监控模块133.4 电动闸门控制模块143.4.1 光电传感器的原理143.4.2 光电传感器在阀门检测上的应用153.4.3 电动闸门的原理结构153.5 水流计数模块163.5.1 水流传感器原理163.5.2 计数电路分析173.6 IC卡接口模块183.6.1 IC卡的读/写技术183.6.2 IC卡接口原理193.7 LCD显示模块203.8 EERPROM模块223.9 报警模块233.10 JTAG通信模块23第4章 IC卡水表的软件设计254.1 IC卡水表系统软件总体方案设计25

4、4.2 计数处理单元264.3 读写卡单元264.4 液晶显示单元27总结28参考文献29致谢30附录131附录233基于单片机的IC卡水表设计摘要：随着世界经济的增长，全球资源正日益消耗，资源短缺现象越来越严重，而其中最值得关注的就是与人类生存息息相关的淡水资源的短缺。虽然，我国的淡水资源较多，但是，我国人均占淡水量却很少。节约水资源是我国当前一项十分重要的战略措施。研制一种低功耗、计量精确方便的智能水表显得极为重要。本文从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展为目标，设计了一种适应社会和经济的发展需求的新型水表基于MSP430F413（Mixed Signal Processor

5、）的IC(Integrated Circuit Card)卡水表。本文重点阐述了基于MSP430F413的新型IC卡水表，它能实现读写卡、开户、上传水表数据、显示剩余水量和总用水量等功能。此次设计的新型IC卡水表首先从IC卡接口处提取IC卡信息，核对IC卡上的信息。然后启动水流传感器，检测水流量，并将水流数据送入MSP430F413执行下一步操作，同时将数据保存在EEPROM（Melectrically Erasable Programmable Read-only）存储器上，以便以后的查阅。最后是启动液晶显示程序，从LCD液晶(Liquid Crystal Display)上显示数据，以便实

6、现设计需求。关键字：MSP430F413；IC卡接口；LCD液晶显示屏；水流传感器；电动闸门MCU-based Design of IC Card Water MeterAbstract：With the growth of the world economy,global resources are increasingly consumption, getting more and more serious shortage of resources, the most noteworthy of which is closely related to human survival and

7、 the shortage of freshwater resources. Although many of China's freshwater resources, however, China's per capita fresh water is rarely accounted for. Conservation of water resources is a very important of China's current strategic initiatives. The development of a low-power, accurate an

8、d convenient measurement of the smart meter is extremely important. In this paper, the current domestic andinternational water industry, as well as the sustainability of water resources development as the goal.A social and economic development needs of the new water based on the MSP430F413 (Mixed Si

9、gnal Processor) of the IC (Integrated Circuit Card) card meter. This article focuses on the MSP430F413 based on a new type of IC card water meter, it can achieve to read and write cards, to open an account, upload meter data to show that the remaining water and total water consumption and other func

10、tions. The design of a new type of IC card water meter IC card from the first extraction of interface IC card information, check the IC card information. And then run the water sensor to detect water flow, and flow data into the next step MSP430F413 operation, at the same time, the data stored in EE

11、PROM (Melectrically Erasable Programmable Read-only) memory for later access. Finally, start the liquid crystal display procedures. From LCD (Liquid Crystal Display) display the data.Keyword: MSP430F413; IC Card Interface; LCD Liquid Crystal Display; Flow Sensor; Electre第1章 绪 论1.1 引言如何提高用水管理的自动化水平，如

12、何为供水部门提供一种有效的监管手段，是供水部门一个亟待解决的课题。而使用具有通讯功能的IC水表是解决这一问题的最佳方案。对于传统水表，人工抄表和收费一直是两个效率很低的环节。在我国普遍采用“先用水后收费”的管理方式，用户拖欠水费的现象时常发生，供水部门缺乏用水管理的有效手段。而此次开发的基于单片机的IC卡水表是目前解决传统水表缺陷的一种较好的解决方案。再有民用水表不同于工业仪表，必须要满足低功耗、低成本的要求。正是基于以上考虑，选择了德州仪器(TI)公司的MSP430F413超低功耗单片机作为主控芯片，开发了一种远程通讯端口的IC卡水表。这种水表除具有传统水表的功能外，还具有用预存水费、欠费提

13、示、欠费停水等功能，大大提高了用水管理效率。MSP430F413超低功耗IC卡水表是在用水量计量仪表中加入了具有存储功能的IC卡和具有及时断电功能的阀门开关等功能模块，以便完成用水量抄收和用水量结算等功能。并且它能有效的提取用户信息和节约能源，实现预付费和超低功耗这一功能。为用户安装具有IC卡接口的计量仪表，是通过IC卡作为传输介质，在用户和管理部门之间传输信息，自动实现计量仪表的抄收以及缴费工作。其优点是实现了抄表、收费、控制的三位一体，彻底杜绝了欠费现象的发生，管理人员和管理费用少。在设计实践中，实现了户外抄表的目的。1.2 IC卡水表的研究背景在水表行业中，机械式工业水表已逐渐被嵌入式I

14、C卡智能水表所取代。IC卡水表的出现，促进了水资源管理部门对水资源的科学管理，同时提高了工业用户对水资源的利用率。IC卡工业水表，改革了传统抄表与收费问题，改用IC卡实现预付费，完成了“先付费再用水”和持卡消费的先进模式，减少劳动强度，节约劳动力；水量记录、计费由计算机完成，准确、可靠、及时，鼓励用户节约用水。此外，该款工业水表更具有自己的特点和优势，弥补当前因工业水表少而带来的功能不健全，系统不稳定等弱点。随着社会发展的需求，工业水表的智能化程度还将会有更大的提高。根据国家发展计划委员会、国家建设部颁发的城市供水价格管理办法第二十七条关于“城市供水应实行装表到户、一户一表、计量收费”的具体要

15、求，各省、市都结合当地的实际情况，积极推进实施“一户一水表”工程。宁波市从2000年元月起开始推行“一户一表”制，对新建住宅楼必须采用“一户一表，水表出产”。2006年6月，广州生活用水紧张，水费计价标准提高。要求改变原有的水表系统，采用更为优质的水表系统。但是大多的居民住宅楼设置的计费水表，已不能适应当前的要求。因而迫切的需要一种新型的水表计费系统，而具有通讯功能的IC水表计费系统正是一种新型的水表计费系统。虽然目前由于部分IC卡智能水表产品常在应用中出现意想不到的问题，例如对水质的适应性不强，功耗过高导致电池很快耗尽，开关阀不严，数据丢失等。而MSP430的超低功耗IC卡水表解决了这一问题

16、。所以在“一户一水表”改造工程中，选择优质的MSP430的超低功耗IC卡智能水表是改造工程中的关键2。IC卡水表有如下特点：1) 现代化管理，解决人工抄表的繁琐。现在“一户一表”在大多数的城市推广，很多的居民区急需要大量的IC卡水表来解决他们老式水表带来的不便，且IC卡水表是提高服务水平的一个最佳选择。IC卡水表的使用亦避免人工抄表上门收费给客户带来的诸多不便，且历史购水数据均可以保存，便于客户查询。2) 充分体现了水的商品属性。IC卡水表实行先买水后用水的原则，完全改革了传统的水费收取模式，充分体现了水的商品性。客户可以根据自己的实际需要有计划地购水、用水，不会因欠费而发生滞纳金，增加不必要

17、的开支。3) 为供水部门解决了收费难的问题。能很好地解决零散居民客户、临时用水客户、经常欠费客户的收费问题。1.3 IC卡水表的发展前景在当今科技飞速发展的时代，电子技术、传感器技术等多种有利于工业生产和日常生活的技术的日趋成熟，也就为实现自来水收费管理的电子化、信息化、科学化提供了可能。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，按照其制作原理可分为：IC卡水表和传远水表等。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

18、大的便利。基于MSP430的超低功耗接触式IC卡水表更是IC卡水表系统中的佼佼者。MSP430的超低功耗接触式IC卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、IC 卡技术对用水量进行计量并进行数据传递及结算交易的新型水表。当供水企业将各种信息输入表中控制系统，水表就能按用户预付费购得的水量自动开阀供水，水量低于报警值或用尽时可自动关阀停止供水。它除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可按照约定对用水量自动进行控制，并自动完成阶梯水价的水费计算，同时可进行用水数据的存贮。由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可实现由工作人员上门抄表收费变为用户自己去营业所缴费。IC卡系统还具有交易方便、

19、计算准确、可利用银行进行结算等特点。其发展优势有：一方面有了电表行业IC卡智能电表成功应用的先例，证明在技术上是成熟的；另一方面，城市居民大部分已经接受了IC卡电表，面对IC卡水表时，更容易适应。第三，IC卡水表不仅能实现阶梯水价，而且可以帮助自来水公司用最简单的方式收费，解决拖欠水费的难题。经过多年的发展，IC卡水表技术上已经成熟，能大面积应用推广的条件。随着时间的推移，真正有技术积累，长期专注IC卡智能水表领域的厂家会被市场接受，成为市场主流。例如，行业领头厂家宁波龙康智能仪表有限公司和深圳华旭科技有限公司1。1.4 本文的研究内容及主要工作本课题研究的目的是研究一种采用MSP430的超低

20、功耗单片机和IC卡读写系统的IC卡水表系统，它具有以下几点要求：1) 读卡、写卡，并根据卡的内容进行开户，上传水表数据、开关阀等操作。2) 增、减计数以及存储当前的剩余水量和总用水量。3) 液晶显示剩余水量和总的用水量。4) 当计数满足一定条件时进行相应的报警、开关阀动作。5) 水量不足提示：当表中剩余水量小于2.0ml时，自动关闭阀门，提示用户购水，插卡后开阀，可继续使用剩余水量直到为0时，关阀。6) 防伪功能：当卡反插或非本系统卡插入时，将显示“卡错”，并报警。本文主要研究内容：1) 采用MSP430系列单片机，它是一种超低功耗的混合信号控制器，能在1.83.6V电压、1MHz的时钟条件下

21、运行，工作电流在(0.1400)A之间；为16位RISC(Reduced Instruction Set Computing)结构，具有丰富的寻址方式、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；有较高的处理速度。2) 利用读卡器接口电路感应IC卡上的信息，传送到MSP430单片机芯片上控制流量传感器，开始运行程序，增、减计数以及存储当前的剩余水量和总用水量，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

22、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。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。2.1 IC

23、卡水表系总体方案设计图2-1 IC卡水表的总体框图基于单片机的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2-1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。2.2 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、停水当用户

24、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

25、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。2.3 IC卡水表使用的原理水表的传

26、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

27、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

28、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。2.4 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

29、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(19711973)：4位或低档8位微处理器和微型机；二、第二代(19741978)：中档的8位微处理器和微型机；三、第三代(19781981)：16位微处理器和微型机；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。2.4.1 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

30、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2MHz3MHz，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

31、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6s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1.83.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，工作电流在(0.1-400)A；具有16个任意嵌套的中断源，使用灵活方便；将CPU置于

32、省电模式时，用中断方式可唤醒程序，其过度响应时间小于6s，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

33、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(Timer-A/

34、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

35、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。2.4.2 MSP430F413芯片介绍MSP430F413采用1.83.6V供电，有5种低功耗模式，最低耗电在0.7A左右，活动模式耗电在205A，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6s，这些特性使得单节2.4V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。其引脚图如图2-2所示：图2-2 MSP430F413引脚结构正是因为其多引脚和独特的内

36、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

37、电压是5V，而能达到的最低也有2V。但是MSP430F413单片机的电压范围史1.83.6V，且电流在0.1400A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

38、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。第3章 IC卡水表的硬件设计3.1 IC卡水表系统整体框图MSP430F413超低功耗IC卡水表主要由MSP430F413、电源监测、IC卡读写模块、电动阀门、水流传感器、液晶（LCD），非易失性存储器、蜂呜报警8个模块组成，其系统框图如图3-1所示：3.2 微控模块微控模块是整个水表的心脏，实现水流脉冲、掉电

39、信号、IC卡信号、EEPROM数据的采集和读写，完成显示驱动模块的控制等功能。随着水表的电路板向着小型化、低功耗、抗干扰、低成本、实用功能方向发展，微控制器的选择趋向于容量适中、功能丰富、性能可靠、价格低的元件。在对单片机的选择趋向于容量适中、功能丰富、性能可靠、价格低的元件。单片机的选择是决定水表性能的关键因素，本次设计采用德州公司的一类具有16位总线的带Flash的MSP430F413单片机，由于其性价比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐。它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达6KB，还可以外扩展存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，且TJAG口直接和FTE

40、的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为100mw左右的功耗，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，是一款性价比很高的单片机。使实现IC卡水表能更加容易。考虑到本设计有低功耗，小体积，液晶显示等要求，所以选用了MSP430F413型单片机芯片，在线系统设计、开发调试及实际应用上都表现出与其它单片机非常明显的优势。MSP430F413它包含了：FLL（频率锁相环）时钟系统，看门狗，精密模拟比较器(Comparator)，带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器(Timer A)，48个I/O通用引脚、并且端口P1、P2有中断能力，LCD驱动

41、器能直接驱动液晶多达96段等模块。3.3 电源监控模块本系统采用三节干电池4.5V作为供电电源，使用一段时间后，干电池会放电，为了保证个系统，特别是阀门的正常工作，需要对电源进行实时检测，当电能不能满足系统要求时，及时报警提醒用户更换电池，以免造成不必要的麻烦。为提高智能水表运行的可靠性和安全性，设计中采用电源电压实时监测电路。如图3-2所示：图3-2 电源控制电路电压检测芯片采用R3111H301C低电压检测芯片，它输出电压为3.0V，最大工作电流为3.0A；它集成度高，完全满足系统低功耗设计的要求。当电源电压正常时，芯片的输出脚输出为高电平；当电源电压小于3.0V时，输出脚输出低电平，即P

42、1.1输出低电平，P1.1下降沿中断有效，单片机检测到该信号时即转入中断服务程序处理，这时LCD液晶显示“换电池”字样，同时蜂鸣器报警提示用户更换电池，MSP430F413内部基本定时器使能中断，定时1s检测电压是否回升，如果回升蜂鸣器再次发出一声警报提示，LCD液晶上的“换电池”显示字样清除。如没有回升，则关闭阀门，直到用户更换电池，才再次开启阀门供水。由于MSP430F413工作用电压是3.0V，所以需要一个电压转换芯片将4.5V电压转换成3.0V供MSP430F413和它外围模块使用，本电路中用的是RH5RL30AA电压调整芯片，它具有高精度的输出电压，工作电流极低只有1.1A。3.4

43、电动闸门控制模块电动闸门利用了光电传感器的原理，使得对阀门的开关只是瞬时供电，另一方面由于阀门开关借助了水流的动力，使得其开关电流很小，从而大大降低了系统的功耗，提高闸门使用寿命。电机模块通过P6.6和P6.7上的电平高低来控制电机转动方向，如图3-3所示。当P6.6为高电平，P6.7为低电平时，Q1Q3导通，Q2Q4截止，电机逆时针转动；当P6.6为低电平，P6.7为高电平时，Q2Q4导通，Q1Q3截止，电机顺时针运动。实现直流电机的正反转。3.4.1 光电传感器的原理光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管

44、壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积。它PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小(小于µA)，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极

45、管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=(1+)，Icbo(很小)，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=(1+)Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度12。3.4.2 光电传感器在阀门检测上的应用光电传感器的基本转换原理是将被测参数转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件转换成电信号的输出。常用的光电传感器是采用

46、发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。如果在该点有障碍物，光就照不到光敏二极管上，电路处于偏置状态，PN结截止，反向电流很小。当没有障碍物遮挡时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子空穴对，并在外电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。为了保证单片机可以精确监测阀门的开关状态，在控制阀门开关的齿轮上安装了2个光电传感器齿轮的最大转动角为90度，0度和90度分别对应着开和关2个状态，光电传感器就分别安装在相互垂直的这两端。利用2个I/O口来检测这两个光电传感器的导通状态。当阀门转到对应的状态度(齿轮90)上时，对应

47、的I/0口触发1个上升沿的中断信号，从而及时通知单片机切断对直流电机的供电，避免因电机堵转造成对电机的损害，并极大可能的减少系统消耗的能量。3.4.3 电动闸门的原理结构在整个设计中，电动闸门起着至关重要的作用，它主要利用光感原理来决定是否切断直流电机的供电，起到节约功耗。它主要利用感光二极管D1和D2来控制电机模块的导通情况。当P6.6和P6.7的高低电平发生变化时，电机的转动角度也随着变化，而且当电机转动到一定角度时，将使D1、D2的导通情况变化，起到及时切断电机作用。其在整个系统中的连接情况如图3-4所示：3.5 水流计数模块水流传感器是水表中的计量部分，是实现正确计量的基础。考虑到现有

48、的水表中，旋翼式水表结构简单，测量范围宽，灵敏度高，外形尺寸小，精确度已被广大用户所接受；因此本水表的流量传感器还是基于机械水表的旋翼式结构，而通过在叶轮上安装磁铁与微型干簧管等机构，将叶轮的旋转转换成电脉冲信号，以实现频率脉冲计数，进而实现水流量的计量。其耗电量小，并具有结构简单、精度高的优点。3.5.1 水流传感器原理水流传感器的基本原理是在电机转盘计数的水表中加装干簧管和磁铁，干簧管固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘(本系统0.01立方米)位上，当转盘每转1圈，永磁铁经过于簧管3次即在信号端产生1个计量脉冲。则可以确定流量的计算公式为：Q=K×N 公式3-1 （Q为流量

49、；K为基表系数，0.01mr；N为转数。）干簧管在一个通电线圈或永久磁铁的磁场作用下，两个簧片受感应，生成一个北极N和一个南极S。簧片受磁场吸力产生弯曲直至吸合，当磁场消失后，依靠簧片本身的弹力而断开。在管道系统中，如果发生液流瞬变流动，管流的流速、压力等参数均随时间变化。流速突然变化会引起一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象，管道将发生剧烈振动和较大的声响，这种剧烈的抖动可能造成干簧管簧片在很短时间里，频繁地吸合，发出大量的脉冲。造成计数偏差，为了避免这种现象的发生，将3个干簧管分别通过上拉电阻接人单片机的3个不同的I/O口。水流带动中间叶片上的磁体旋转，当磁体靠近干簧管时，对应的干簧管导

50、通。其水流传感示意图如3-5图所示：为了防止因为水的回流引起的多计数，我们在程序中设置了增计数和减计数功能。当水流方向为逆时针时，干簧管的导通次序应该依次为A-B-C-A，反之，当水流方向为顺时针时，导通次序为C-B-A-C。这样我们就可以根据干簧管的导通次序来判断水流的方向。3.5.2 计数电路分析图3-6 计数单元电路及读卡器接口通过定时器控制，定时中断到来时先拉高P6.0口(如图3-6所示)，然后检测ABC3个干簧管的导通状态，例如干簧管A处于导通状态，A口对地短路，当我们拉高P6.0时，从P6.1检测到的电平信号应该为1个低电平，而P6.2、P6.3检测到的电平信号仍然为高电平。以此来

51、判断是不是要进行计数操作。查询结束后将P6.0口置低，等待下一次的定时器中断到来。因设置一个每转对应流量为0.01m的水表，一个计量脉冲就对应0.01m的流量。根据这一原理，数据处理部分将采样得到的计数脉冲进行实时累加，将累加值乘以基表系数即得到累计流量值，再将累计流量值从十六进制数转换成十进制数，然后进行从高到低的逐位拆分并转换成ASCII码依次存放到数据缓冲区。3.6 IC卡接口模块IC卡读/写器是IC卡水表的输入接口。当IC卡插入读/写器时，首先核对卡的密码，以此判断IC卡的合法性。水表在判断了卡的合法性后，读入所购水量并与水表内剩余水量累加，同时将卡上购水量单元清零，回写水表上用水量、

52、剩余水量等信息，以便下次购水时自来水公司读取，实现水表信息的回馈功能。3.6.1 IC卡的读/写技术IC卡是一种集成电路卡，它的读/写设备是每个IC卡应用系统中不可获缺的周边设备。该设备通过IC卡的8个触点向IC卡提供电源并与IC卡相互交换信息。虽然IC卡是从磁卡发展而来的，但它在机器读/写性能远远胜于磁卡，无需往复的机械动作即可完成一机一卡之间的多次信息交换过程，在应用时操作简单，给人们带来极大的便利。1）IC卡的安全技术信息安全就是保证数据在确定的时间、地点、条件下，只能被确定的对象所使用IC卡正是为了解决数据的安全问题而设计的。它采用的是半导体密码存放和软件加密技术，能够有效的防治卡的非

53、法复制与数据的篡改。IC卡的信息安全一般具有以下特性：保密性：即防止未经授权的使用者获取信息；完整性：防止未经授权的信息改变（更改、删除、增加）；可获取性：防止未经授权的截留信息；真实性：即通过一系列的技术措施验证信息的真实性；持久性：即长时间信息保存的可靠性与准确性。2）数据存储技术在一个应用系统的使用中，系统必须对所有持卡人建立一份身份与使用的档案。IC卡把与持卡人有关的大量信息存放在卡中，因而使得IC卡使用的灵活性大大增强，交易的实时性也比磁卡明显改善。目前IC卡的存储容量可达到1MB。3）IC卡的技术特点芯片制造技术和工艺目前IC卡用芯片普遍采用较为先进的CMOS等集成电路制造工艺，具

54、有较好的电性能及抗干扰性能。其主要技术指标有：写入/擦除次数最少为100 000次，数据保存时间最少为10年，抗静电4 000V，工作电压为5(1±0.1)V，噪声容限也较高等等。IC卡座的技术要求IC卡卡座和IC卡应有良好的接触点，应有尽量小的摩擦；具有对应用环境的适应性。在IC卡的触点和读/写设备的触点良好接触之前，读/写设备不应对IC卡施加有关电信号，以免造成不可预料的损坏。持卡人的正确使用持卡人的妥善保管和正确使用是延长IC卡使用寿命及可靠性的最经济最有效的手段。具体的说，妥善保管，不随意弯曲，不随意用手接触触点，避免接近强静电、电场环境，注意保持卡表面清洁等。所有这些防护措

55、施都有助于提高IC卡的使用可靠性和延长寿命。IC卡技术结构1995年制定了IC卡制定了通用标准：IC卡电路大小必须为5mm×5mm或小于25.2mm。这种电路里包含一个CPU作为它的主控单元，ROM用来存储卡的操作系统，EEPROM作为数据存储区。最新的IC卡芯片还包含一个加密的辅助电路。3.6.2 IC卡接口原理IC卡采用的是德国西门子公司的SLE4442逻辑加密卡。它符合ISO7816标准，具有1 024个字节寻址EPROM，每个字节具有不可恢复的写保护功能。片内具有2个字节的可编程密码保护功能，只有在正确校验PSC后数据才能被改写。SLE4428卡有8个管脚，与操作命令有关的是

56、RST复位引脚、CLK时钟输入端、SDA双向数据端。所有的地址、数据和命令都通过SDA端输入输出。为了能够识别是否有卡插入，在单片机上设置了1个I/O口(P6.4)连到读卡器的卡簧，当读卡器有卡插入时，P6.4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。本次采用的是八个引脚的IC卡接口槽，MSP430F413芯片的P1.1、P1.2、P1.3控制着IC卡的写入情况，根据SAA1042内部主要有：3个输入端，1个逻辑电路，2个驱动输出级。3个输入端分别为时钟脉冲输入端、正转/反转控制输入端、全步/半步控制输入端。其引脚功能见表3.1：表3.1 SAA1042引脚功能引脚管脚名称功能引脚2VD保护引脚（1，3，14，16）引脚7Clock输入时钟脉冲为上升沿有效引脚8Full/Half Step电机全/半步控制 引脚10CW/CCW电机正/反转的控制引脚4、3、16、14L1、L2、L3、L4驱动输出端，电机绕组采用单片机MSP430控制SAA1042，所以步进电机的整步/半步、正转/反转的切换都可由单片机的程序决定。P1.0P1.2设置为“1”或“0”共8种组合，每一种组合表示一种转速。程序中通过TCKL引脚输出相应频率的方波给SAA1042的7引脚(时钟)控制步进电机的转速。引脚8(整步/半步设置)为低电平时