引言

隨著社會經濟的發展和科技的不斷進步，人們生活條件逐步提高，對住宅智能化的要求也越來越多。一戶一表的推行，復費率階梯水價的實施以及供水管理部門提高計量收費管理的需要，都要求對傳統的機械式水表進行變革。為適應國家用水制度的改革，本設計在原有智能水表的基礎上，增加了階梯計費復費率核算功能，該智能水表能根據用水參數和當月內的用水量實時地核算出水表內的剩余金額，方便水表用戶和供水部門的管理。本文設計的Mifarel（簡稱M1）卡預付費智能水表可有效地解決上述問題，實現了“先購水后用水”的預付費消費，對節省國家資金和減少水資源浪費都有積極意義。

1 水表組成及工作原理

基于MSP430F413的M1卡智能水表系統組成原理如圖1所示。

M1卡智能水表的工作原理是，在普通轉盤計數的水表中加裝干簧管和永磁鐵，雙干簧管固定安裝在計數轉盤上方附近，永磁鐵安裝在計數盤（本系統O．01 m3）位上，計數盤每轉一圈，永磁鐵經過雙干簧管各一次，在信號端產生兩個計量脈沖。當接收到有效計量脈沖時，單片機由休眠模式轉為工作模式，由微處理器執行相應的計費程序。水表內預先存儲階梯水價及相關用水參數，這是由“設置卡”完成的，智能水表能根據當月用水量實時地核算出水表內的剩余金額。當用戶用水剩余量小于預設的報警量時（報警量由水表管理部門設定），水表自動報警，并提醒用戶盡快購水。當將已充值的M1卡貼近感應區對水表內進行充值時，水表內單片機首先識別M1卡密碼并確認卡表匹配無誤后，讀入所購水金額并與水表內剩余金額累加，水表根據售水部門的階梯水價，實時計費、定期結算。結算后當前用水量歸零，總用水量實時累計，并寫入M1卡水表內存儲器，充值完成后水表的工作狀態和充值金額顯示在液晶顯示器上。當遇到人為拆卸水表或剩余水量低于透支量時，水表自動關閥，同時將數據保存在內部FIash中。

2 硬件設計

M1卡智能水表的硬件主要包括微處理器、脈沖采集電路、FMl702基站芯片電路及M1卡感應天線、液晶顯示電路、閥門控制電路、水表檢測、電源檢測及聲音報警電路等。

2．1 微處理器

本設計微處理器選用TI公司的MSP430F413單片機，該單片機是一種超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機，具有豐富的片內外圍，工作電壓為1．8～3．6 V，內置LCD驅動器24×4段，可以縮小體積、降低成本，特別適合應用在各種要求低功耗的場所。

2．2 脈沖采集電路

本設計使用了雙干簧管傳感器，即當檢測到一個干簧管吸合時，先記錄下來，再檢測另一個干簧管，只有檢測到另一個干簧管吸合后才認為信號有效，也就是說單一的一個干簧管即使多次閉合也無效，從而有效地解決了臨界點顫動而誤發信號的問題。同時，這種設計還可以有效防止人為附加磁鐵而造成的計數不準，因為當微機檢測到兩管同時閉合時，便認為有外磁干擾，停止計數并同時報警。2個容量為0．01μF的電容用來消除雙干簧管閉合時產生的抖動。接線原理圖如圖2所示。

2．3 FMl702基站芯片電路及M1卡感應天線

讀卡芯片為FMl702SL，由復旦微電子股份有限公司設計，是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用O．6μm CMOS EEPROM工藝，支持IS014443 typeA協議MI—FARE：標準的加密算法。其接口電路如圖3所示。

2．4 液晶顯示電路及顯示器

MSP430F413單片機內置1個24×4段的液晶顯示驅動器。液晶顯示電路及顯示器如圖4所示。本設計中選用的液晶顯示器是定制生產的字符式液晶顯示器，其視屏尺寸是65 mm×40 mm液晶顯示，漢字數字協調美觀。液晶顯示器作為水表的輸出接口，除了顯示電磁閥門的開關狀態、表內剩余金額（當余額顯示為負時表示水表處于透支狀態）、累積用水量、電池狀態、本月累積用水量、分段（階梯水價時每種水價水量的上限）顯示、單價（當前水價）顯示、當前日期及時刻之外，還具有提醒用戶及時充值及顯示錯誤信息的功能。如 表示強磁干擾，閥門將會關閉； 表示欠壓狀態，提醒更換電池。

2．5 閥門控制電路

本設計采用小功率電機通過減速直接驅動球閥開閉。其優點是結構相對簡單，水阻小。缺點是球閥的球環加工精度要求高，使用一段時間后由于水垢或微顆粒等會使轉動阻力增大。設計中采用每月定時開關閥門幾次來解決這一問題。閥門控制電路圖5所示。

3 軟件設計

M1卡智能水表軟件采用了模塊化設計，主控程序包括系統初始化、狀態判斷、流量脈沖和用水量處理、報警提示和功耗模式處理等，其中的關鍵是計費處理部分和看門狗的初始化。系統初始化包括對MSP430F4l3的堆棧、端口、中斷、LCD控制寄存器的設置，系統初始化以后，進入低功耗模式，直到有中斷源將其喚醒，再進入相應中斷服務程序。功能子程序包括：M1卡的讀寫模塊（包括M1卡有效性判斷讀／寫及M1卡的解密與加密）、計費處理模塊（包括階梯水價段計費判斷及處理）及閥門控制模塊等。系統程序流程圖如圖6所示。（由于篇幅有限，程序代碼略——編者注）

4 技術指標

電源：DC3．6 V ER一18505鋰電池，壽命≥6年。

靜態功耗：水表控制器，10μW。

靜態電流≤25μA，開關閥電流≤180 mA。

M1卡讀寫次數≥1萬次。

電機閥響應時間≤4 s。

與基表顯示誤差：±0．01 m3。

使用水溫：一4～42℃。

環境濕度≤96％。

5 系統主要功能

M1卡預付費智能水表，除集預付費、階梯水價計費、故障檢測等功能于一體外，還兼具以下特殊功能：

①電池欠壓提示功能。當電池電量低于2．7 V時，水表將自動關閥，以提醒用戶更換電池；同時將剩余水量和實際用水量的記錄數據鎖定，刷“用戶卡”后仍可開閥使用，十天后關閥且不可再用卡開閥。更換新電池后，原用水信息數據不變。

②防非法竊水功能。在強磁干擾情況下，水表將自動關閥；同時水表將各種干擾狀態記錄在案。水表設有防拆裝置，當遇到自行拆裝的情況時，水表將進入鎖定狀態。

③查詢功能。為了便于用戶及時掌握用水情況，在使用過程中可隨時查看“累積用量”、“剩余量”、“單價”、“當月用量”。

④自動告警功能。當剩余水量小于設置的報警量時，水表將自動關閥，提醒用戶購水。

⑤透支功能。當剩余水量用至設置的透支量時，水表將自動關閥，切斷水源；此時，只有將“用戶卡”重新充值購水，才可使水表閥門開啟。

⑥閥門防銹設計。每個月的7號、14號、21號、28號凌晨3點左右會自動開關閥1次，且并未將閥門完全關死，防止閥門銹死的同時達到激活電池的目的。

結論

本文設計的智能M1卡水表已經研制成功并應用于華中科技大學喻圓小區新建一期工程且通過驗收。該智能水表集預付費、階梯水價計費、故障檢測等功能于一體，具有讀數清晰、計量準確、管理控制方便等特點，適合與智能樓宇系統配套，實現集中抄表和遠程控制，可廣泛應用于住宅小區、學校、工廠等水表集抄場所。此外水表內部具有用水的價格參數（如當前單價、階梯水價等）和準確的實時時鐘（用作復費率核算的時間標準），更重要的一點是充值是按金額為單位，而不是按水量來充的，避免了充值時存在互相轉換和找零的麻煩，有效地提高了居民用水計量收費管理的現代化水平，在實際應用中取得了良好效果。

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