【正文】 模塊 都 很方便的。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]。 隨著水表的電路板向著小型化、低功耗、抗干擾、低成本、實用功能方向發(fā)展，微控制器的選擇趨向于容量適中、功能豐富、性能可靠、價格低的元件。單片機的選擇是決定水表性能的關(guān)鍵因素，本次設(shè)計采用德州公司的一類具有 16位總線的帶 Flash的 MSP430F413單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有 豐富的片上外圍模塊，且 TJAG口直接和 FTE的相連，不須另外的仿真工具，方便實用，而且可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結(jié)果為 100mw左右的功耗，可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，是一款性價比很高的單片機。 考慮到本設(shè)計有低功耗 ， 小體積，液晶顯示等要求，所以選用了 MSP430F413型單片機芯片，在線系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試及實際應(yīng)用上都表現(xiàn)出與其它單片機非常明顯的優(yōu)勢 。 電源監(jiān)控模塊 本系統(tǒng)采用三節(jié)干電池 作為供電電源，使用一段時間后，干電池會放電，為了保證個系統(tǒng)，特別是閥門的正常工作，需要對電源進行實時檢測，當(dāng)電能不能滿足系統(tǒng)要求時，及時報警提醒用戶更換電池，以免造成不必要的麻煩。如圖 32所示： 電壓檢測芯片采用 R3111H301C低電壓檢測芯片， 它 輸出電壓為 ，最大工作電流為 ；它 集成 度高 ，完全滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計的要求。如沒有回升，則關(guān)閉閥門，直到用戶更換電池，才再次開啟閥門供水。 圖 32 電源控制電路 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 電動閘門控制模塊 電動閘門利用了光電傳感器的原理，使得對閥門的開關(guān)只是瞬時供電，另一方面由于閥門開關(guān)借助了水流的動力，使得其開關(guān)電流很小，從而大大降低了系統(tǒng)的功耗，提高閘門使用壽命。當(dāng) 為高電平， 為低電平時， Q1Q3 導(dǎo)通， Q2Q4 截止，電機逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng) 為低電平， 為高電平時， Q2Q4 導(dǎo)通， Q1Q3 截止，電機順時針運動。 圖 3 3 光 電 傳 感 型 電 機 閘 門 光電傳感器的原理 光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它 的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口， 以便于光線射入，為增加受光面積 。A )，稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子 空穴，稱為光電載流子。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極－ 發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。 光電傳感器在閥門檢測上的應(yīng)用 光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。如果在該點有障礙物，光就照不到光敏二極管上，電路處于偏置狀態(tài)， PN 結(jié)截止，反向電流很小。此時，光電流與光照強度成正比，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。 利用 2個 I/O口來檢測這兩個光電傳感器的導(dǎo)通狀態(tài) 。 電動閘門的原理結(jié)構(gòu) 在整個設(shè)計中，電動閘門起著至關(guān)重要的作用，它主要利用光感原理來決定是否 切斷直流電機的供電 ， 起到節(jié)約 功耗 。當(dāng) 和 的高低電平發(fā)生變化時，電機的轉(zhuǎn)動 角度 也隨著變化，而且當(dāng)電機轉(zhuǎn)動到一定角度時，將使 D D2 的導(dǎo)通情況變化，起到及時切斷電機作用?？紤]到現(xiàn)有的水表中，旋翼式水表結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬，靈敏度高，外形尺寸小，精確度已被廣大用戶所接受；因此本水表的流量 傳感器還是基于機械水表的旋翼式結(jié)構(gòu)，而通過在葉輪上安裝磁鐵與微型干簧管等機構(gòu)，將葉輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，以實現(xiàn)頻率脈沖計數(shù)，進而實現(xiàn)水流量的計量。 水流傳感器 原理 水流傳感器的基本原理是在 電機 轉(zhuǎn)盤計數(shù)的水表中加裝干簧管和磁鐵，干簧管固定安裝 在計數(shù)轉(zhuǎn)盤附近，永磁鐵安裝在計數(shù)盤 (本系統(tǒng) )位上 ，當(dāng)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn) 1圈，永磁鐵經(jīng)過于簧管 3次即在信號端產(chǎn)生 1個計量脈沖 。） 干簧管在一個通電線圈或永久磁鐵的磁場作用下，兩個簧片受感應(yīng)，生成一個北極N和一個南極 S。 在管道系統(tǒng)中 ， 如果發(fā)生液流瞬變流動，管流的流速、壓力等參數(shù)均隨時間變化。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 造成計數(shù)偏差，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，將 3個干簧管分別通過上拉電阻接人單片機的 3個不同的 I/O口。 其水流傳感示意圖如 35圖所示： 圖 3 5 水 流 傳 感 示 意 圖 為了防止因為水的回流引起的多計數(shù)，我們在程序中設(shè)置了增計數(shù)和減計數(shù)功能。這樣我們就可以根據(jù)干簧管的導(dǎo)通次序來判斷水流的方向。以此來判斷是不是要進行計數(shù)操作。 圖 36 計數(shù)單元電路及讀卡器接口 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 18 因設(shè)置一個每轉(zhuǎn)對應(yīng)流量為 ，一個計量脈沖就對應(yīng) 。 IC 卡接口模塊 IC 卡讀 /寫器是 IC 卡水表的輸入接口。水表在判斷了卡的合法性后，讀入所購水量并與水表內(nèi)剩余水量累加，同時將卡上購水量單元清零，回寫水表上用水量、剩余水量等信息，以便下次購水時自來水公司讀取，實現(xiàn)水表信 息的回饋功能。該設(shè)備通過 IC 卡的 8個觸點向 IC卡提供電源并與 IC卡相互交換信息。 1） IC 卡的安全技術(shù) 信息安全就是保證數(shù)據(jù)在確定的時間、地點、條件下，只能被確定的對象所使用 IC卡正是為了解決數(shù)據(jù)的安全問題而設(shè)計的。 IC 卡的信息安全一般具有以下特性： ●保密性：即防止未經(jīng)授權(quán)的使用者獲取信息； ●完整性：防止未經(jīng)授權(quán)的信息改變（更改、刪除、增加）； ●可獲取性：防止未經(jīng)授權(quán)的截留信息； ●真實性：即通過一系列的技術(shù)措施驗證信息的真實性； ●持久性：即長時間信息保存的可靠性與準(zhǔn)確性。 IC卡把與持卡人有關(guān)的大量信息存放在卡中，因而使得 IC 卡使用的靈活性大大增強，交湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 易的實時性 也比磁卡明顯改善。 3） IC 卡的技術(shù)特點 ●芯片制造技術(shù)和工藝 目前 IC 卡用芯片普遍采用較為先進的 CMOS等集成電路制造工藝，具有較好的電性能及抗干擾性能。 )V，噪聲容限也較高等等。在 IC 卡的觸點和讀 /寫設(shè)備的觸點良好接觸之前，讀 /寫設(shè)備不應(yīng)對 IC 卡 施加有關(guān)電信號，以免造成不可預(yù)料的損壞。具體的說，妥善保管，不隨意彎曲，不隨意用手接觸觸點，避免接近強靜電、電場環(huán)境，注意保持卡表面清潔等。 ● IC 卡技術(shù)結(jié)構(gòu) 1995 年制定了 IC 卡制定了通用標(biāo)準(zhǔn)： IC 卡電路大小必須為 5mm 5mm 或小于。最新的 IC 卡芯片還包含一個加密的輔助電路。它 符合 ISO7816 標(biāo)準(zhǔn) ， 具有 1 024個字節(jié)尋址 EPROM，每個字節(jié)具有不可恢復(fù)的寫保護功能 。 SLE4428 卡有 8個管腳 ， 與操作命令有關(guān)的是 RST復(fù)位引腳 、 CLK時鐘輸入端 、 SDA雙向數(shù)據(jù)端。為了能夠識別是否有卡插入，在單片機上設(shè)置了 1個 I/O口 ()連到讀卡 器的卡簧，當(dāng) 讀卡器 有卡插入時 ， ，從 口檢測到低電平，從而可以判斷卡簧是閉合還是分離，以此來通知單片機是否需要進行讀寫卡操作。 3 個輸入端分別為時鐘脈沖輸入端、正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)控制輸入端、全步 /半步控制輸入端。 ～ “ 1” 或 “ 0” 共 8種組合，每一種組合表示一種轉(zhuǎn)速。引腳 8(整步 /半步設(shè)置 )為低電平時，步進電動機工作于整步運行狀態(tài)，當(dāng)引腳 8 為高電平時，步進電動機工作于半步運行狀態(tài)。引腳 7 與引腳 10應(yīng)接成 “ 1” 或 “ 0” 不允許浮動。它們的有效工作時間都比較短。 靜態(tài)驅(qū)動方式； 3 MUX或 1/3占空比、 1/3偏壓； 其中有 4 個公共極(COM0~COM3)輸出，在 4路復(fù)用（ MUX）的情況下夠驅(qū)動 96個 LCD顯示段。 本液晶采用的是 LCD5711，低功耗段式液晶屏，該顯示器具有漢字顯示和 8位數(shù) 字顯示，具有 20個段位引腳和 4個 COM引腳，滿足配合單片機的液晶驅(qū)動模塊顯示數(shù)據(jù)的需求。顯然這種顯示器必須采用 4路復(fù)用的控制方式才能顯示完整的數(shù)據(jù)，并且這種方式也是最簡單、方便的顯示方式。湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 22 顯示緩存的各位與 LCD 段對應(yīng)。顯示的位信息與一條 COM線和一條 SEG線對應(yīng)。控制器 /驅(qū)動器由基本定時器 BT控制其掃描頻率，含有驅(qū)動外部直接連接的 LCD 的全部功能模塊，其功能為自動從顯示緩存中讀取數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生公共端信號 COM和段信號 SEG。 EERPROM 模塊 MSP430F413內(nèi)部集成了 256個字節(jié)的 Flash存儲器，但由于 Flash只能擦按段寫，同時為了保證水表的數(shù)據(jù)能夠在單片機出現(xiàn)問題后不會丟失，采用器內(nèi)均留有備份。 本次設(shè)計采用的 AT24C01有 256 8位存儲空間，工作電壓 ~、擦寫次數(shù)多、寫入速度快等特點。第 5腳 SDA為串行數(shù)據(jù)輸入 /輸出，數(shù)據(jù)通 過這條雙向 I2C總線串行傳送， 它 和 MSP430F413的 。 SDA和 SCL都需要和正電源間各接一個電阻上拉。 24C01 中帶有片內(nèi)地址寄存器。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。 其引腳功能如表 ： 表 AT24C01引腳功能 管腳名稱 功能 A0、 A A2 器件地址選擇 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址 SCL 串行時鐘 WP 寫保護 Vcc +~ Vss 地 24C01與 MSP430F413單片機的接口非常簡單 ，其連接圖如圖 39所示： 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 23 圖 3 9 2 4 C 0 1 的 電 路 圖 報警模塊 報警電路在整個設(shè)計中都有用到，它出現(xiàn)在如下幾個情況中： 1) 插入非 SLE4442邏輯加密卡 。 3) IC 卡的剩余水量值為 0。 JTAG 通信模塊 JTAG是 英文 “ Joint Test Action Group” 的詞頭字母的簡寫 ，它利用串行移位輸入及輸出的方式對芯片的輸入端加載特定的代碼序列，并獲得輸入端給出的響應(yīng)序列。 MSP430 系列的 FLASH型芯片在內(nèi)部都集成了 JTAG模塊，使得用戶可以經(jīng)過 JTAG接口實現(xiàn) CPU仿真調(diào)試功能。 參照第二章查找 MSP430F413的引腳功能可知： 54引腳對應(yīng)于 TD0/TD1， 55引腳對應(yīng) TD/TCLK， 56引腳對應(yīng) TMS， 57引腳對應(yīng) TCK，其 JTAG連接圖如圖 ： 圖 3 1 1 J T A G 電 路 圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 25 第 4 章 IC卡水表的軟件設(shè)計 本次采用的 MSP430系列中的 Flash型（ MSP430F系列）單片機，其內(nèi)部集成有 Flash控制器，它既可用外部編程器進行燒寫，也可用自己的程序修改 Flash的內(nèi)容，且不用外加編程電壓，使程序的編寫變得更加簡單。其 程序主要用于系統(tǒng)初始化，判斷是否符合用水條件。 IC 卡水表系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計 程序中對各個接口模塊均采用查詢而不是中斷的方式進行操作。這使得程序可以在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)，有效避免了中斷的嵌套以及可能引起的中斷沖突。其主要流程如圖 41所示： 圖 41 系統(tǒng)流程圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 26 計數(shù)處理單元 在 IC 卡信息輸入正確后，調(diào)用步進電機 轉(zhuǎn)盤 程序，開閘放水。其程序見附錄 1，單元流程圖如圖 42所示： 讀寫卡單元 參照 小節(jié)可知：此次設(shè)計的水表成熟的利用 IC 卡技術(shù)，采用 SLE4442 邏輯加密卡，可有效的保護 IC 卡信息。當(dāng) LCD打開后，程序最先初始化 Lcd_InsWrite， 在判斷有數(shù)據(jù)輸入后，調(diào)用 顯示文字 程序和 寫指令 顯示輸入數(shù)據(jù)值，如果輸入數(shù)據(jù)小于 2或等于 0，調(diào)用報警子程序，發(fā)出報警聲，其程序見附 錄 2， 其程序流程圖如圖 44所示： 開 始報 警初 始 化有 數(shù) 據(jù) 輸 入 ？小 于 2 m l有否是顯 示 充 卡 信 息顯 示 剩 余 水 量等 于 0 ？結(jié) 束否否是圖 4 4 液 晶 顯 示 單 元 流 程 圖 開始初始化核對密碼電機運轉(zhuǎn)開啟閘門報警顯示數(shù)據(jù)是否等待圖 43 讀寫卡單元流程圖 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 28 總 結(jié) 此次設(shè)計的是一款 低功耗 、多功能、能實現(xiàn)預(yù)付費功能的 IC 卡水表，它能實現(xiàn)如下功能： 1）讀取 IC 卡信息，并能及時顯示 IC 卡上的信息 。 3）在水量不足時，能及時發(fā)出報警，提醒用戶。讓我認(rèn)識了 MSP430F413 的強大的功能，知道了水表的一些 知識，并知道在日常生產(chǎn)、生活中水表的重要作用，知道水的珍貴。 在設(shè)計中，學(xué)會了如何熟練地查找、篩選資料，如何很好地利用工具書。并且在此設(shè)計中還掌握了 Protel 電路圖的繪制，為以后從事此類工作打下基礎(chǔ)。其次還培養(yǎng)了我獨立思維能力，開拓了知識面，鍛煉了動手操作與解決困難的能力。在以后的階段必須在此方面下一番苦功夫 ， 以及在學(xué)習(xí)生活中要樹立端正的學(xué)習(xí)態(tài)度，多多加強理論知識的學(xué)習(xí)不懂的問題要向老師多多