【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量 ，用液晶顯示顯示用戶數(shù)據(jù)，并對(duì)某些情況提出報(bào)警。 本文的主要研究工作有： 1) 了解掌握 MSP430單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)。 2) 熟悉 IC 卡水表的基本工作原理和應(yīng)用以及外圍信號(hào)處理的基本 電路。 3) 了解掌握流量傳感器、液晶顯示、數(shù)據(jù)備份電路、 讀卡器接口電路 的基本結(jié)構(gòu)和使用方法。 4) 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) IC 卡水表的主要軟件部分。 5) 根據(jù)系統(tǒng)的要求繪制系統(tǒng)硬件電路圖，完成成品設(shè)計(jì)。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 基于單片機(jī)的 IC 卡水表總體方案 MSP430F413 超低功耗 IC 卡水表系統(tǒng)能有效提高的節(jié)水能力和節(jié)約能源，提高水表使用壽命，并能解決拖欠水費(fèi)的問(wèn)題。其設(shè)計(jì)有硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，在以后的文本的各節(jié)中將分別介紹硬件及軟件的總體設(shè)計(jì) 方案 ，在本文中主要介紹的MSP430F413 超低功耗 IC 卡水表 系統(tǒng)的 軟 硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn) 方案 ，其具體實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)將在 以下的章節(jié) 中 做 詳細(xì)介紹。 IC 卡水表系總體方案設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的 IC 卡水表主要是利用 IC 卡接口采集 IC 卡上的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到 MSP430F413芯片讀取， MSP430F413根據(jù)數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的指令 ， 其系統(tǒng)框圖如圖 21所示： IC 卡接口是感應(yīng) IC 卡上用戶的姓名、水費(fèi)、可購(gòu)水量等信息。 當(dāng) 讀卡器 有 IC卡插入時(shí) ， 卡座上的 彈 簧 打 開(kāi) ， 觸點(diǎn)閉合，單片機(jī)的 I/O 口檢測(cè)到低電平 ， IC 卡信息送入MSP430F413芯片中， MSP430F413根據(jù)信息執(zhí)行下一步動(dòng)作，如開(kāi)閘供水、 LCD顯示等等。 IC 水表的功能 作為供水計(jì)量、自動(dòng)計(jì)費(fèi)的 IC 卡智能水表應(yīng)具有以下功能： 1) 根據(jù)所購(gòu)水量，自動(dòng)執(zhí)行供水、停水 LCD 顯示信號(hào)處理單元MSP 430 F 413執(zhí)行部分IC 接口裝置JTA G 通信模塊圖 21 IC 卡水表的總體框圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 當(dāng)用戶 的 IC 卡插入水表時(shí)，水表內(nèi)的系統(tǒng)在識(shí)別確認(rèn)該卡有效后，自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)，進(jìn)行正常的供水。一旦用水量達(dá)到水表卡所購(gòu)水量，水表將自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，切斷供水。 2) 具有自動(dòng)報(bào)警功能 為了方便提醒用戶及時(shí)預(yù)交水費(fèi)，當(dāng)用水量剩下最后一定量時(shí)，水表的液晶顯示屏上應(yīng)顯 示“請(qǐng)購(gòu)水”等字樣提醒用戶及時(shí)購(gòu)水。當(dāng)電壓低于 3V時(shí)，水表的液晶顯示屏顯示“ 換電池 ”提醒用戶及時(shí)換電池，蜂鳴器發(fā)出響聲提示用戶。 3) 可隨時(shí)提供累計(jì)用水量、本月用水量及可用水量 為了方便用戶隨時(shí)了解掌握自己的用水情況，用戶可以通過(guò)水表的液晶顯示屏，查看累計(jì)用水量、本月用水量及可用水量 (指卡表內(nèi)所剩余的水量 )。 4) 可以對(duì)購(gòu)水量進(jìn)行累計(jì) 當(dāng)用戶插入購(gòu)水后的 IC 卡時(shí)，水表自動(dòng)將水表剩余的水量與本次購(gòu)水量進(jìn)行累計(jì)。LCD液晶顯示屏上顯示累計(jì)購(gòu)水量。 5) 具有自動(dòng)保護(hù)功能 當(dāng)水表被擅自拆卸，或遭到不明破壞時(shí)， 水表內(nèi)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)將自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，停止供水，并記錄拆卸時(shí)間，以備查。 6) 斷電保護(hù)功能 IC 卡水表是采用電池供電，水表的水量等重要的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在單片機(jī)的 Flash芯片內(nèi)，其數(shù)據(jù)可保存 10年以上，具有掉電保護(hù)功能。 7) 用水?dāng)?shù)據(jù)回寫(xiě)功能 用戶將卡插入時(shí)，智能水表將用水?dāng)?shù)據(jù)回寫(xiě)到 IC 卡中。用水?dāng)?shù)據(jù)包括累計(jì)用水量、剩余水量、關(guān)閥水量等。 8) 加密功能 對(duì) IC 卡及水表內(nèi)的信息進(jìn)行加密，做到一卡一表，使系統(tǒng)不易被仿制和非法使用。 IC 卡水表使用的原理 水表的傳感器主要是用來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，即在普通機(jī)械 旋翼式水表的轉(zhuǎn)盤(pán)上加裝傳感器，將機(jī)械裝盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給控制微處理器計(jì)數(shù)，從基本原理上可分為以下 4種。 1) 干簧管傳感器：在機(jī)械水表中加裝干簧管和磁鐵。利用干簧管的簧片在磁鐵的湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 循環(huán)作用下循環(huán)開(kāi)閉，從而輸出計(jì)量脈沖信號(hào)。其設(shè)計(jì)方便，易于實(shí)現(xiàn)，且利用磁場(chǎng)的動(dòng)力，不需要耗能。 2) 霍爾傳感器：在機(jī)械水表中加裝霍爾元件和磁鐵。構(gòu)成基于磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)的傳感器。安裝在計(jì)數(shù)盤(pán)位上的磁鐵隨著計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)。每經(jīng)過(guò)霍爾元件一次，即由霍爾元件輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。霍爾傳感器雖然溫度特性優(yōu)良、電源電壓范圍寬、輸出電流能力強(qiáng) 、兼容性好，動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間短以及體積小巧、壽命長(zhǎng)和使用方便。但是， 它的功耗較大 ，典型的集成式霍爾開(kāi)關(guān)傳感器耗電為 mA級(jí)，因此霍爾開(kāi)關(guān)傳感器不適合應(yīng)用在本低功耗設(shè)計(jì)中。 3) 光電傳感器：在機(jī)械水表的轉(zhuǎn)盤(pán)處安裝一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器。在轉(zhuǎn)盤(pán)上有一條溝槽，轉(zhuǎn)盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈。溝槽經(jīng)過(guò)光束時(shí)轉(zhuǎn)換器完成一次光電轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)光照射在半導(dǎo)體材料的 PN 結(jié)上時(shí)， PN 結(jié)的兩側(cè)將產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，如外部用導(dǎo)線連接，將有光電流流過(guò)，通常的光電傳感器都是基于這一原理。 4) 編碼傳感器：其原理是把字輪端面圓周等分成若干扇區(qū)，各個(gè)扇區(qū)都 設(shè)有與之對(duì)應(yīng)的編碼，在采集數(shù)據(jù)時(shí)接通電源，通過(guò)紅外線探頭得到字輪的讀數(shù)值 (即為直讀式 )。它無(wú)機(jī)械接觸平常不需要帶電工作。其缺點(diǎn)是由于用編碼，所以傳輸中必須保證所有的碼值都被準(zhǔn)確無(wú)誤的識(shí)別出，否則就容易出錯(cuò)。再一個(gè)原因是主要用于干式水表，而干式表的精度目前還不是很高 (低于濕式表 )，因此其應(yīng)用受到限制。 總之，干簧管 抗干擾能力強(qiáng)， 不需要供電，采用高能干電池，無(wú)需交流電， 使用 干電池配合存 能 儲(chǔ)器 使用 5年以上。 由于干簧管組成的水表系統(tǒng)比較省電，其環(huán)保性能較好，對(duì)系統(tǒng)提高可靠性較為有利 。 而且在這幾種傳感器中干簧管的靜態(tài) 維持電流最小，在干簧管兩觸點(diǎn)不接觸的情況下，靜態(tài)維持電流幾乎為零，僅僅在接觸的瞬間有極小的消耗，可見(jiàn)在本次水表系統(tǒng)中采用干簧管傳感器將大大減低系統(tǒng)的功耗 [4]。 微型計(jì)算機(jī) 的選型 隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴已經(jīng)越來(lái)越明顯 ，微電子技術(shù)得到了高速發(fā)展。 單片微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的幾個(gè)主要階段 如下： 一、第一代 (1971~1973)： 4位或低檔 8位微處理器和微型機(jī) ； 二、第二代 (1974~1978)：中檔的 8位微處理器和微型機(jī) ； 三、第三代 (1978~1981)： 16位微 處理器和微型機(jī) ； 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 四、第四代 (1985年以后 )： 32位高檔微型機(jī) MSP430系列單片機(jī)的應(yīng)用。 當(dāng)今 MSP430系列單片機(jī)逐漸成為主體，其強(qiáng)大的功能，正是本文選擇的首要原因。 MSP430 的系統(tǒng)介紹 TI公司的 MSP430系列單片機(jī)是在 DSP(Digital Signal Processor)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因而繼承了 DSP 的一些優(yōu)點(diǎn) ， 如選擇具有硬件乘法器的 430 系列單片機(jī)，可使得它不但功耗低而且速度快，更加適合于高速的數(shù)據(jù)處理。 430 系列單片機(jī)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是晶振系統(tǒng)，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)主頻高 達(dá) 3MHz，其原因是它內(nèi)部使用了數(shù)字控制震蕩器 DCO(Digitally Controlled Oscillator)和鎖頻環(huán)技術(shù) FLL， 將低速時(shí)鐘晶體產(chǎn)生的32768Hz晶頻倍頻到 2MHz~3MHz，因而可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇合適的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，合理地利用系統(tǒng)的電源，使得整個(gè)系統(tǒng)的超低功耗成為可能。 430 系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器 。 MSP430 有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， CPU(Central Processing Unit)的 16 個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。靈活 的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗。數(shù)字控制的振蕩器可使器件從低功耗模式迅速喚醒 ， 在小于 6μs 的時(shí)間內(nèi)被激活到正常的工作方式。 430系列單片機(jī)的 16位定時(shí)器是應(yīng)用于工業(yè)控制，如紋波計(jì)數(shù)器、數(shù)字化電機(jī)控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內(nèi)置的硬件乘法器大大加強(qiáng)了其功能并提供了軟硬件相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理能力。 MSP430單片機(jī)具有如下特點(diǎn)： 低電壓、超低功耗 MSP430 系列單片機(jī)，在 ~ 電壓、 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，工作電流 在()μA；具有 16個(gè) 任意嵌套的中斷源 ，使用靈活方便；將 CPU置于省電模式時(shí)，用中斷方式可喚醒程序，其過(guò)度響應(yīng)時(shí)間小于 6μs，編制出的源代碼程序?qū)崟r(shí)性較高。 強(qiáng)大的處理能力 MSP430系列單片機(jī)為 16位 RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄 存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法等等 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。 系統(tǒng)工作穩(wěn)定 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 上電復(fù)位后，首先由 DCOCLK啟動(dòng) CPU，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及 穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。當(dāng)晶體振蕩器在用作 CPU時(shí)鐘 MCLK時(shí)發(fā)生故障， DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可以用看門(mén)狗將其復(fù)位。 高效的開(kāi)發(fā)方式 MSP430支持在線仿真和編程，編譯器功能強(qiáng)大。具有 FLASH存儲(chǔ)器型的單片機(jī)，利用其本身具有 JTAG 接口，能在一臺(tái) PC 機(jī)及一個(gè) JTAG 控制器的幫助下實(shí)現(xiàn)程序的下載，完成程序的在線調(diào)試，實(shí)時(shí)修改片內(nèi)寄存器和存儲(chǔ)器的內(nèi)容，對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)將大大提高程序的調(diào)試效率。 MSP430系列器件均為工業(yè)級(jí)的，運(yùn)行環(huán)境 溫度為 40~+80℃，因此很適合作為便攜儀表和水、電、熱表的主控芯片。 豐富的片內(nèi)外設(shè) MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是以下一些外圍模塊的不同組合：定時(shí)器 A/B和基本定時(shí)器 (TimerA/B、 BasicTimer)看門(mén)狗 (WDT)、比較器、串口 0、 1(USART0、 1)、乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10/12位 ADC， 48個(gè) I/O端口，可在線仿真的 Flash內(nèi)存， 7路 PWM輸出，以及內(nèi)嵌的 LCD驅(qū)動(dòng)等。 MSP430系列單片機(jī)由很多模塊組成。在 MSP430系列單片機(jī)中 ,與其它的 單片機(jī)最大的區(qū)別就是系統(tǒng)各個(gè)模塊完全是獨(dú)立運(yùn)行的，定時(shí)器 (Timer、輸入 /輸出口（ I/OPort）、A/D轉(zhuǎn)換、看門(mén)狗（ WDT）、液晶顯示器（ LCD）等都可以在主 CPU休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)需要主 CPU工作時(shí)任何一個(gè)模塊都可以通過(guò)中斷喚醒 CPU，從而使系統(tǒng)運(yùn)行在最低功耗上。這一點(diǎn)是 MSP430系列單片機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn) 。 此外由于 MSP430系列單片機(jī)具有 LCD 驅(qū)動(dòng)、 A/D 轉(zhuǎn)換、模擬比較器、多路中斷和定時(shí)器、串行通信口，因而其用途極廣 [7]。 MSP430F413 芯片介紹 MSP430F413采用 ~，有 5種低功耗模式，最低耗電在 ，活動(dòng)模式耗電在 205μA， I/O 輸入端口的漏電流最大僅 50mA， 從低功耗模式轉(zhuǎn)向活動(dòng)模式只需 6μs，這些特性使得單節(jié) 6年 ， 達(dá)到了業(yè)界要求的工作年限標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí) MSP430F413 還集成了 96段液晶驅(qū)動(dòng)器 ， 簡(jiǎn)化了水表的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。 其引腳圖如圖 22所示： 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 正是因?yàn)槠涠嘁_和獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是它與 51 單片機(jī)芯片相比， MSP430F413的優(yōu)點(diǎn)跟為突出。其優(yōu)點(diǎn)有： 1）處理位數(shù)多： 51 單片機(jī)和 430 單片機(jī)的主 要區(qū)別是 51是 8 位的 ； 430 是 16 位的 ， 開(kāi)發(fā)環(huán)境都有相應(yīng)的 C開(kāi)發(fā)環(huán)境。 89C51單片機(jī)是 8位單片機(jī) ， 其指令是采用的被稱為 “ CISC” 的復(fù)雜指令集 ， 共具有 111 條指令。而 MSP430F413單片機(jī)是 16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集 （ RISC） 結(jié)構(gòu)，只有簡(jiǎn)潔的 27 條指令，大量的指令則是模擬指令，眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算。這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強(qiáng)，運(yùn)行的速度快。 2）低電壓、低功耗： 89C51 單片機(jī)有兩種低功耗方式：待機(jī)方式和掉電方式 ，其本身的電源電壓是 5V， 而能達(dá)到的最低也有 2V。但是 MSP430F413單片機(jī) 的電壓范圍圖 22 MSP430F413 引腳結(jié)構(gòu) 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 史 ~，且電流在 ~400μ A之間變動(dòng)。 MSP430F413在 低功耗方面的優(yōu)越之處，是 89C51系列不可比擬的。正因?yàn)槿绱耍?MSP430更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器儀表類產(chǎn)品中。 3）集成性強(qiáng)、有很大的擴(kuò)展空間： 89C51 系列單片機(jī)由于其內(nèi)部總線是 8 位的，其內(nèi)部功能模塊基本上都是 8位的 。 內(nèi)部功能模塊增加 空間不大。但是 MSP430F413其基本架構(gòu)是 16 位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換還存在 8 位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對(duì)它這樣的開(kāi) 放型的架構(gòu)來(lái)說(shuō)，無(wú)論擴(kuò)展 8/16位的功能模即還是擴(kuò) 展模 /數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù) /模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊 都 很方便的。 4）開(kāi)發(fā)工具成熟：雖然 89C51 最早進(jìn)入中國(guó)的單片機(jī)，人們熟悉它 ， 但是如何實(shí)現(xiàn)在線編程還是一個(gè)很大的問(wèn)題。對(duì)于 MSP430 系列而言，由于引進(jìn)了 Flash型程序存儲(chǔ)器和 JTAG技術(shù)，不僅使開(kāi)發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程 [8]。