如何使用MSP430单片机实现低功耗无磁水表系统的设计

　　设计了以MSP430为核心的低功耗无磁水表系统。以MSP430FW427为主控器，通过内部集成的SCAN IF模块对水流量进行计数，使用带捕获比较功能的定时器软件模拟串口收发数据。详细分析了无磁水表使用LC振荡电路来测量流量的原理，分析了SCAN IF模块中PSM状态机的工作原理及状态表的编写，分析了SCAN IF模块参考电压自校准的工作流程，重点介绍了使用MSP430FW427单片机相关部分的软硬件设计及系统的低功耗设计，硬件部分包括主控芯片的选型，LC振荡电路的设计，液晶显示硬件的设计，电机驱动电路的设计，电流比较电路的设计，E2PROM电路的设计。软件部分包括主程序的设计，初始化程序的设计，SCAN IF模块，软件模拟串口，上位机通讯，液晶显示，电机控制，E2PROM存储。对实验成果及本次设计的不足进行了分析。

　　从第一个平衡罐式水表算起，水表已经有了近两百年的历史。我国的水表行业从1930年开始起步，但是发展缓慢。直到九十年代，随着科技的进步，水表行业也有了较快的发展。进入新世纪以来，智能水表成为了急速发展的水表种类，品种越来越多，性能越来越好。

　　水表产品按结构特征分类主要有：机械水表，带电子的机械水表，电子水表。

　　机械水表：是指依靠机械原理来计数的水表。优点：售价便宜，不需要供电，缺点：计量不准确，磨损较严重，寿命不长，无法远程集抄等。

　　带电子的机械水表：是指在机械式的水表上安装机电转换模块，将水表中叶轮或其他设备的旋转量转化为可以识别的电信号，或将机械示数装置的字轮读数位置量转换成绝对编码形式的数字电信号。水表上通常安装有信号处理器件和电控阀门等器件。

　　电子水表：是指流量检测不使用机械原理进行计数的水表。比如超声水表，电磁水表等。尽管电子水表有很多优点，但电子水表也有它的局限性，例如：易受管振、电磁环境干扰，容易造成计量误差。还有量程较小，使用范围也跟着变小了。再者就是大口径流量计的现场测试和周期检定，这方面始终没有有效的办法来解决。不仅如此，此类水表的标准化和计量管理也需要提高。长远看来，电子水表和机械式水表将会共存，机械水表暂时不会被电子水表取代。

　　在用水的管理上，过去“先用水后付费”这种模式容易造成欠缴水费等现象的发生。在我国一般使用人工入户的方式完成能耗表的抄写，数据由相关部门统计管理。抄表工作的随着劳动力成本的增加，导致人工抄表的成本也大大增加，直接导致自来水公司利润减少，且存在安全隐患等，也加重了消费者和自来水公司的矛盾。

　　随着智能水表的出现，以往用水的管理模式也得到了改变。智能水表结合了多种现代科学来对用水量进行计量，并管理用水的新型水表。智能水表可以完成远程开关阀、预付费用水、远程抄表等功能。智能水表的类型多种多样。从控制方式可以分为预付费式水表和远传水表等。从传感器类型可以分为干簧管传感器、霍尔元件、韦根传感器、LC传感器等。从供电方式分类有：电池供电，市电供电等。

　　有磁传感器容易受到强磁场的影响，造成漏计，甚至不计的情况，容易被人为利用。而且有磁水表中的永磁体会吸附水中杂质，日积月累，造成计量误差。无磁水表以其计量精度高，无磁性，不会吸附水中杂质，不易被人为干扰等优点，长期使用仍能保持高精度，越来越被广大表厂重视。有些单片机厂商也把目光集中在这块，推出专用于流量检测仪表的单片机。美国德州仪器（TI，TEXAS INSTRUMENT）公司的MSP430FW42x系列单片机，片上集成了一个SCAN接口，96段LCD驱动器，48个IO口，一个比较器，2个16位定时器，32K ROM，1K RAM。可以说是为无磁水表量身定做的，不仅大大的方便了开发人员，而且延长了电池的使用寿命，提高了仪表的精度。在仪表计量方面得到了各方认可。

　　随着城市化发展的进程，智能化设备也越来越被重视，越来越多的新建筑选择智能水表，而且“一户一表”的需求量巨大，这也迎来了智能水表发展的春天。

　　并且大多数旋转式表记的工作原理都是相同的，所以对无磁水表的研究及使用不仅仅局限在水表上，更是可以推广到热表，气表等其他表记上，使用一套系统，完成不同表记的使用，具有很大的推广价值。

　　MSP430FW427作为主控中心，既要接收外部信号，又要对接收到的信号进行处理，还得对被控设备进行控制。测量的准确性，远程传输的准确性，电机的控制，低功耗的设计成为了我们的主要研究内容，拟解决的主要问题：

　　模拟前端信号的采集：使用LC传感器，通过振荡波形确定电感是处在金属区还是非金属区，再根据两个电感所在区域以及前后状态进行方向的判断和计数。难点在于如何正确产生LC振荡波形，并能够准确采集到电感所在区域。

　　SCAN IF内部比较器参考电压的设置：在确定电感处在金属区还是非金属区时，主要是检测经延时后，衰减波形的包络线是在参考电压上，还是参考电压下。参考电压是一个范围值，通常找到它的上下限，再求它的平均值作为实际使用的参考电压，正确的参考电压是准确计数的前提条件。

　　LCD显示：定制液晶显示的内容，使显示内容直观明了，让消费者能够直观的得到所需信息。

　　远程抄表及控制：如何进行上位机和下位机的通讯，在预防错误帧产生的前提下进行正确的接收和解码，并根据命令进行操作。

　　电机开关阀控制：使用H桥式电路来控制电机。通过检测电机电流是否大于设定值判断电机是否堵转。所以电机到达极限位置时停止转动也是电机开关阀控制的难点。

　　数据存储：使用E2PROM进行数据存储，在电源停止供电前把数据存储在E2PROM中，当电池恢复供电时把数据读取出来，这样不会因为更换电池造成数据的丢失。

　　低功耗设计：需要最大限度的做到低功耗，可以做到一节锂电池使用6年。