【文章內(nèi)容簡介】 量 ，用液晶顯示顯示用戶數(shù)據(jù)，并對某些情況提出報警。 本文的主要研究工作有： 1) 了解掌握 MSP430單片機的基本結(jié)構(gòu)和功能特點。 2) 熟悉 IC 卡水表的基本工作原理和應(yīng)用以及外圍信號處理的基本 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)計方案設(shè)計 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。 湖南人文科技學院畢業(yè)設(shè)計 5 第 2 章 基于單片機的 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，并能解決拖欠水費的問題。其設(shè)計有硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分，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 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)計的實現(xiàn) 方案 ，其具體實現(xiàn)電路設(shè)計將在 以下的章節(jié) 中 做 詳細介紹。 IC 卡水表系總體方案設(shè)計 基于單片機的 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、可購水量等信息。 當 讀卡器 有 IC卡插入時 ， 卡座上的 彈 簧 打 開 ， 觸點閉合，單片機的 I/O 口檢測到低電平 ， IC 卡信息送入MSP430F413芯片中， MSP430F413根據(jù)信息執(zhí)行下一步動作，如開閘供水、 LCD顯示等等。 IC 水表的功能 作為供水計量、自動計費的 IC 卡智能水表應(yīng)具有以下功能： 1) 根據(jù)所購水量，自動執(zhí)行供水、停水 LCD 顯示信號處理單元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 湖南人文科技學院畢業(yè)設(shè)計 6 當用戶 的 IC 卡插入水表時，水表內(nèi)的系統(tǒng)在識別確認該卡有效后，自動打開閥門，進行正常的供水。一旦用水量達到水表卡所購水量，水表將自動關(guān)閉閥門，切斷供水。 2) 具有自動報警功能 為了方便提醒用戶及時預交水費，當用水量剩下最后一定量時，水表的液晶顯示屏上應(yīng)顯 示“請購水”等字樣提醒用戶及時購水。當電壓低于 3V時，水表的液晶顯示屏顯示“ 換電池 ”提醒用戶及時換電池，蜂鳴器發(fā)出響聲提示用戶。 3) 可隨時提供累計用水量、本月用水量及可用水量 為了方便用戶隨時了解掌握自己的用水情況，用戶可以通過水表的液晶顯示屏，查看累計用水量、本月用水量及可用水量 (指卡表內(nèi)所剩余的水量 )。 4) 可以對購水量進行累計 當用戶插入購水后的 IC 卡時，水表自動將水表剩余的水量與本次購水量進行累計。LCD液晶顯示屏上顯示累計購水量。 5) 具有自動保護功能 當水表被擅自拆卸，或遭到不明破壞時， 水表內(nèi)自動保護系統(tǒng)啟動將自動關(guān)閉閥門，停止供水，并記錄拆卸時間，以備查。 6) 斷電保護功能 IC 卡水表是采用電池供電，水表的水量等重要的數(shù)據(jù)都存儲在單片機的 Flash芯片內(nèi)，其數(shù)據(jù)可保存 10年以上，具有掉電保護功能。 7) 用水數(shù)據(jù)回寫功能 用戶將卡插入時，智能水表將用水數(shù)據(jù)回寫到 IC 卡中。用水數(shù)據(jù)包括累計用水量、剩余水量、關(guān)閥水量等。 8) 加密功能 對 IC 卡及水表內(nèi)的信息進行加密，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進行能量轉(zhuǎn)換，即在普通機械 旋翼式水表的轉(zhuǎn)盤上加裝傳感器，將機械裝盤轉(zhuǎn)動計數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號輸出給控制微處理器計數(shù)，從基本原理上可分為以下 4種。 1) 干簧管傳感器：在機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院畢業(yè)設(shè)計 7 循環(huán)作用下循環(huán)開閉，從而輸出計量脈沖信號。其設(shè)計方便，易于實現(xiàn)，且利用磁場的動力，不需要耗能。 2) 霍爾傳感器：在機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。安裝在計數(shù)盤位上的磁鐵隨著計數(shù)轉(zhuǎn)盤運轉(zhuǎn)。每經(jīng)過霍爾元件一次，即由霍爾元件輸出一個計數(shù)脈沖?；魻杺鞲衅麟m然溫度特性優(yōu)良、電源電壓范圍寬、輸出電流能力強 、兼容性好，動作響應(yīng)時間短以及體積小巧、壽命長和使用方便。但是， 它的功耗較大 ，典型的集成式霍爾開關(guān)傳感器耗電為 mA級，因此霍爾開關(guān)傳感器不適合應(yīng)用在本低功耗設(shè)計中。 3) 光電傳感器：在機械水表的轉(zhuǎn)盤處安裝一個光電轉(zhuǎn)換器。在轉(zhuǎn)盤上有一條溝槽，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈。溝槽經(jīng)過光束時轉(zhuǎn)換器完成一次光電轉(zhuǎn)換，輸出一個計數(shù)脈沖。當光照射在半導體材料的 PN 結(jié)上時， PN 結(jié)的兩側(cè)將產(chǎn)生光生電動勢，如外部用導線連接，將有光電流流過，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)，各個扇區(qū)都 設(shè)有與之對應(yīng)的編碼，在采集數(shù)據(jù)時接通電源，通過紅外線探頭得到字輪的讀數(shù)值 (即為直讀式 )。它無機械接觸平常不需要帶電工作。其缺點是由于用編碼，所以傳輸中必須保證所有的碼值都被準確無誤的識別出，否則就容易出錯。再一個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， 不需要供電，采用高能干電池，無需交流電， 使用 干電池配合存 能 儲器 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]。 微型計算機 的選型 隨著科學技術(shù)的突飛猛進，計算機應(yīng)用的日益廣泛，現(xiàn)代社會對計算機的依賴已經(jīng)越來越明顯 ，微電子技術(shù)得到了高速發(fā)展。 單片微型計算機發(fā)展的幾個主要階段 如下： 一、第一代 (1971~1973)： 4位或低檔 8位微處理器和微型機 ； 二、第二代 (1974~1978)：中檔的 8位微處理器和微型機 ； 三、第三代 (1978~1981)： 16位微 處理器和微型機 ； 湖南人文科技學院畢業(yè)設(shè)計 8 四、第四代 (1985年以后 )： 32位高檔微型機 MSP430系列單片機的應(yīng)用。 當今 MSP430系列單片機逐漸成為主體，其強大的功能，正是本文選擇的首要原因。 MSP430 的系統(tǒng)介紹 TI公司的 MSP430系列單片機是在 DSP(Digital Signal Processor)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因而繼承了 DSP 的一些優(yōu)點 ， 如選擇具有硬件乘法器的 430 系列單片機，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 系列單片機的另一個重要特點是晶振系統(tǒng)，系統(tǒng)在運行時主頻高 達 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， 將低速時鐘晶體產(chǎn)生的32768Hz晶頻倍頻到 2MHz~3MHz，因而可根據(jù)實際需要來選擇合適的系統(tǒng)時鐘頻率，合理地利用系統(tǒng)的電源，使得整個系統(tǒng)的超低功耗成為可能。 430 系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器 。 MSP430 有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， CPU(Central Processing Unit)的 16 個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達到最高的代碼效率。靈活 的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗。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 的時間內(nèi)被激活到正常的工作方式。 430系列單片機的 16位定時器是應(yīng)用于工業(yè)控制，如紋波計數(shù)器、數(shù)字化電機控制、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單片機具有如下特點： 低電壓、超低功耗 MSP430 系列單片機，在 ~ 電壓、 1MHz 的時鐘條件下運行，工作電流 在()μA；具有 16個 任意嵌套的中斷源 ，使用靈活方便；將 CPU置于省電模式時，用中斷方式可喚醒程序，其過度響應(yīng)時間小于 6μs，編制出的源代碼程序?qū)崟r性較高。 強大的處理能力 MSP430系列單片機為 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)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理方法等等 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 系統(tǒng)工作穩(wěn)定 湖南人文科技學院畢業(yè)設(shè)計 9 上電復位后，首先由 DCOCLK啟動 CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及 穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。當晶體振蕩器在用作 CPU時鐘 MCLK時發(fā)生故障， DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可以用看門狗將其復位。 高效的開發(fā)方式 MSP430支持在線仿真和編程，編譯器功能強大。具有 FLASH存儲器型的單片機，利用其本身具有 JTAG 接口，能在一臺 PC 機及一個 JTAG 控制器的幫助下實現(xiàn)程序的下載，完成程序的在線調(diào)試，實時修改片內(nèi)寄存器和存儲器的內(nèi)容，對開發(fā)人員來說將大大提高程序的調(diào)試效率。 MSP430系列器件均為工業(yè)級的，運行環(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：定時器 A/B和基本定時器 (TimerA/B、 BasicTimer)看門狗 (WDT)、比較器、串口 0、 1(USART0、 1)、乘法器、液晶驅(qū)動器、 10/12位 ADC， 48個 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)動等。 MSP430系列單片機由很多模塊組成。在 MSP430系列單片機中 ,與其它的 單片機最大的區(qū)別就是系統(tǒng)各個模塊完全是獨立運行的，定時器 (Timer、輸入 /輸出口（ I/OPort）、A/D轉(zhuǎn)換、看門狗（ WDT）、液晶顯示器（ LCD）等都可以在主 CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。當需要主 CPU工作時任何一個模塊都可以通過中斷喚醒 CPU，從而使系統(tǒng)運行在最低功耗上。這一點是 MSP430系列單片機最突出的優(yōu)點 。 此外由于 MSP430系列單片機具有 LCD 驅(qū)動、 A/D 轉(zhuǎn)換、模擬比較器、多路中斷和定時器、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)向活動模式只需 6μs，這些特性使得單節(jié) 6年 ， 達到了業(yè)界要求的工作年限標準。同時 MSP430F413 還集成了 96段液晶驅(qū)動器 ， 簡化了水表的人機界面設(shè)計。 其引腳圖如圖 22所示： 湖南人文科技學院畢業(yè)設(shè)計 10 正是因為其多引腳和獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是它與 51 單片機芯片相比， MSP430F413的優(yōu)點跟為突出。其優(yōu)點有： 1）處理位數(shù)多： 51 單片機和 430 單片機的主 要區(qū)別是 51是 8 位的 ； 430 是 16 位的 ， 開發(fā)環(huán)境都有相應(yīng)的 C開發(fā)環(huán)境。 89C51單片機是 8位單片機 ， 其指令是采用的被稱為 “ CISC” 的復雜指令集 ， 共具有 111 條指令。而 MSP430F413單片機是 16位的單片機，采用了精簡指令集 （ RISC） 結(jié)構(gòu)，只有簡潔的 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)存儲器都可參加多種運算。這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強，運行的速度快。 2）低電壓、低功耗： 89C51 單片機有兩種低功耗方式：待機方式和掉電方式 ，其本身的電源電壓是 5V， 而能達到的最低也有 2V。但是 MSP430F413單片機 的電壓范圍圖 22 MSP430F413 引腳結(jié)構(gòu) 湖南人文科技學院畢業(yè)設(shè)計 11 史 ~，且電流在 ~400μ A之間變動。 MSP430F413在 低功耗方面的優(yōu)越之處，是 89C51系列不可比擬的。正因為如此， 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、有很大的擴展空間： 89C51 系列單片機由于其內(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，同時在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過轉(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)，因而對它這樣的開 放型的架構(gòu)來說，無論擴展 8/16位的功能模即還是擴 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）開發(fā)工具成熟：雖然 89C51 最早進入中國的單片機，人們熟悉它 ， 但是如何實現(xiàn)在線編程還是一個很大的問題。對于 MSP430 系列而言，由于引進了 Flash型程序存儲器和 JTAG技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡便，而且價格也相對低廉，并且還可以實現(xiàn)在線編程 [8]。