本發(fā)明屬于水表技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種超低功耗高可靠性的水表。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)水表市場大多采用IC卡預(yù)付費式、雙干簧管脈沖計量、超聲波式、光電直讀遠傳式等主流產(chǎn)品來計量，預(yù)付費式水表解決了計量繳費的問題，但并無法解決抄讀方便、精度等問題；脈沖計量水表無法實時抄讀，精度較差；超聲波式水表精度雖高，但無法可靠的防止用戶竊水，計量方式單一；光電直讀遠傳式水表雖無電池、解決了電源問題，但存在精度差等問題。

針對以上問題，國內(nèi)很多廠家已自行研發(fā)各種新型水表以適應(yīng)目前市場應(yīng)用，但大都在集抄和精度方面有較好的手段解決的。在可靠性及功耗方面一直處于落后的現(xiàn)狀。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為解決背景技術(shù)問題，提出了一種超低功耗高可靠性的水表解決方案。采用干簧管脈沖計量方式與光電直讀計量方式相結(jié)合的方法，解決了系統(tǒng)單一計量方式造成的故障無法及時處理造成系統(tǒng)癱瘓，需要上門維護的問題。同時提高計量精度、降低功耗、提高可靠性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種超低功耗高可靠性水表，它包括單片機模塊、電源模塊、干簧管脈沖模塊、脈沖上電模塊、光電直讀模塊、MBUS通信模塊和閥門控制模塊，所述的電源模塊與單片機模塊連接，為單片機模塊提供電源，MBUS通信模塊與單片機模塊連接，傳輸計量流量值，同時MBUS通信模塊與電源模塊連接，提供VBUS電源；干簧管脈沖模塊與單片機模塊連接，提供脈沖驅(qū)動信號并采集脈沖計量數(shù)據(jù)，同時干簧管脈沖模塊與脈沖上電模塊連接，脈沖上電模塊與電源模塊連接，驅(qū)動VBAT電源供電；光電直讀模塊與單片機模塊連接，采集光電計量數(shù)據(jù)；單片機模塊的的控制信號輸出端與閥門控制模塊相連，控制水表閥門的啟閉。

本發(fā)明的干簧管脈沖模塊包括電阻R7、R8、R19、R20、R21、R22，三極管Q6、Q7，二極管D4、D5和干簧管H1、H2，所述的三極管Q7的基極連接干簧管H1的一端和脈沖上電模塊，干簧管H1的另一端串接電阻R21，R21的另一端接VGG，三極管Q7的發(fā)射極串接電阻R8之后接地，三極管Q7的集電極串接電阻R7之后接電源VCC，三極管Q7的集電極和電阻R7的連接點作為干簧管H1的脈沖信號輸出端Pulse1與單片機模塊的對應(yīng)信號采集端相連；三極管Q6的基極連接干簧管H2的一端和脈沖上電模塊，干簧管H2的另一端串接電阻R22，R22的另一端接VGG，三極管Q6的發(fā)射極串接電阻R20之后接地，三極管Q6的集電極串接電阻R19之后接電源VCC，三極管Q6的集電極和電阻R19的連接點作為干簧管H2的脈沖信號輸出端Pulse2與單片機模塊的對應(yīng)信號采集端相連；前述VGG端連接二極管D4和D5的負極，二極管D4和D5的正極分別連接電源VBAT和電源VBUS，任一干簧管閉合時，VGG提供驅(qū)動電壓導(dǎo)通Q6或Q7。

本發(fā)明的電源模塊包括VBAT電源、VBUS電源、電容C1、C2、電阻R13-R18、三極管Q3、Q4以及二極管D1-D3；所述的VBAT電源即電池，并接濾波電容C1、C2，VBAT電源的正極與三極管Q3的發(fā)射極相連，三極管Q3的基極接電阻R16的一端，電阻R16的另一端接二極管D3的負極，電阻R16與二極管D3負極的連接點串聯(lián)電阻R15之后接地，二極管D3的正極接二極管D1的正極以及VBUS電源，VBUS電源通過MBUS通信模塊從MBUS總線取電，三極管Q3的集電極接三極管Q4的發(fā)射極，三極管Q4的集電極接二極管D2的正極，二極管D2的負極與二極管D1的負極相連作為供電信號輸出端即電源VCC，三極管Q4的發(fā)射極和基極之間并聯(lián)電阻R17，三極管Q4的基極串接電阻R18之后接三極管Q5的集電極，三極管Q5的發(fā)射極接地，三極管Q5的基極接脈沖上電模塊。

本發(fā)明的脈沖上電模塊包括電阻R9-R14，三極管Q5，電阻R9和R11的一端分別串接電容C3、C4之后接電阻R10、R12的一端，R10和R12的另一端接地，電阻R9和R11的另一端并接，并且與電阻R14的一端相連，電阻R14的另一端串接電阻R13之后接地，電阻R13與電阻R14的連接點作為電源控制信號P_CTRL接單片機模塊的電源控制信號端，電阻R14、R9和R11的連接點作為另一端作為脈沖上電模塊的供電信號輸出端接三極管Q5的基極。

一種超低功耗高可靠性水表的電源切換方法，應(yīng)用超低功耗高可靠性水表，使用MBUS總線供電時，系統(tǒng)處于休眠工作模式，有脈沖或通信時中斷喚醒單片機處理數(shù)據(jù)；MBUS總線斷開時，切換進入VBAT工作模式，系統(tǒng)處于零功耗工作狀態(tài)，此時若有脈沖產(chǎn)生干簧管閉合，脈沖上電模塊驅(qū)動系統(tǒng)上電，通過電池供電計量，數(shù)據(jù)存儲后控制斷電，恢復(fù)零功耗工作狀態(tài)。

本發(fā)明包括以下步驟：單片機模塊持續(xù)檢測VBUS電源電壓；

當VBUS電源有電時，進入VBUS工作模式，VBUS電源經(jīng)二極管D1輸出到電源VCC，二極管D3驅(qū)動三極管Q3關(guān)斷，將電池VBAT電路關(guān)閉，系統(tǒng)處于持續(xù)供電狀態(tài)，無脈沖或無通信時系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，有脈沖或通信中斷喚醒單片機處理數(shù)據(jù)；

當VBUS電源無電時，即單片機模塊經(jīng)中斷檢測到VBUS為0時，單片機模塊將P_CTRL信號輸出高電平，使得VBAT電源經(jīng)三極管Q3、Q4、二極管D2輸出到VCC繼續(xù)為系統(tǒng)供電，同時切換工作模式為斷電模式，保存數(shù)據(jù)狀態(tài)，并將P_CTRL輸出低電平控制系統(tǒng)斷電，進入VBAT工作模式。

本發(fā)明中，VBAT工作模式時，系統(tǒng)處于停電無工作狀態(tài)，電池?zé)o消耗；(此時單片機無法檢測H1和H2的閉合，需通過硬件方式驅(qū)動系統(tǒng)上電：H1或H2閉合時脈沖上電模塊使單片機模塊上電，檢測Pulse1或Pulse2，即H1或H2是否閉合)；

當無脈沖信號時，單片機處于斷電零功耗狀態(tài)；

當有脈沖信號時，即當干簧管H1或者H2閉合時，脈沖上電模塊的C3或C4輸出脈沖電壓，經(jīng)過R9或R11導(dǎo)通Q5，三極管Q3、Q4、導(dǎo)通，VBAT電源經(jīng)過二極管D2為單片機模塊上電，系統(tǒng)啟動單片機模塊將電源控制信號端P_CTRL置為高電平，保持VCC電源穩(wěn)定，(此時由于經(jīng)過C3/R9或C4/R11到三極管Q5的導(dǎo)通脈沖電壓已消失，電容具有通交阻直的特性，直流電壓有瞬間脈沖認為交流信號，直流電壓保持穩(wěn)定后C3與R9連接處或C4與R11連接處已經(jīng)處于低電平，所以必須使用P_CTRL持續(xù)導(dǎo)通Q5才能保證系統(tǒng)不掉電；)三極管Q7或者Q6導(dǎo)通，單片機模塊采集到脈沖信號輸出端Pulse1或Pulse2的脈沖信號，單片機模塊記錄干簧管脈沖n，同時采用光電直讀模塊讀取編碼值，處理計量數(shù)據(jù)之后，單片機將電源控制信號端P_CTRL置為低電平，Q5不導(dǎo)通VBAT電源斷電，VCC斷電單片機模塊恢復(fù)斷電零功耗狀態(tài)。

本發(fā)明中，當檢測到干簧管H1和H2同時閉合時，則判斷該水表受到磁干擾，單片機模塊記錄并且發(fā)出報警信號，同時關(guān)閉閥門。

一種超低功耗高可靠性水表的計量方法，應(yīng)用超低功耗高可靠性水表，它包括以下步驟：

S1、采用干簧管脈沖模塊和光電直讀模塊分別獲取水表的計量數(shù)據(jù)即脈沖個數(shù)n和光電傳感器編碼示值Q_o′(n)發(fā)送至單片機模塊；

S2、采用下述公式對計量結(jié)果進行校準，得到校準后實際流量值Q(n)，

Q_o(n)＝Q'_o(n)-A (式2)

其中：n表示脈沖個數(shù)；Q_p(n)表示干簧管脈沖模塊計量流量值；Q_o(n)表示光電直讀模塊計算流量值；Q_o′(n)表示光電傳感器編碼示值；Q(n)表示校準后實際流量值；A表示光電傳感器計量初值，水表初次使用時當Q_p(n)＝0，Q_o′(n)≠0時，則A＝Q_o′(n)，否則A＝0；K表示修正系數(shù)。

本發(fā)明中，單片機模塊根據(jù)光電直讀模塊計算流量值Q_o(n)和干簧管脈沖模塊計量流量值Q_p(n)的大小判斷計量方式的故障，具體公式如下：

當Q_o(n)-Q_p(n)>1時，干簧管脈沖模塊無法有效計量，選擇使用光電直讀模塊計量數(shù)據(jù)Q_o(n)作為計量值；

當Q_p(n)-Q_o(n)>1時，光電直讀模塊故障無法有效計量，選擇干簧管脈沖模塊計量數(shù)據(jù)Q_p(n)作為計量值；

本發(fā)明中，采用下述公式根據(jù)當前Q_p(n)與Q_o(n)的較大值與較小值的比值計算K，

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過對兩種計量方式的計量值進行校準、比較，由單一計量方式造成的較大誤差可通過此法提高精度，同時可保證其中一種計量方式的故障或人為破壞產(chǎn)生的無法計量而造成的經(jīng)濟損失。

本發(fā)明優(yōu)先使用MBUS總線供電，MBUS總線斷開時，系統(tǒng)處于零功耗，有脈沖產(chǎn)生干簧管傳感器閉合可通過電池自動為系統(tǒng)供電計量；MBUS總線工作正常時，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，干簧管閉合脈沖產(chǎn)生喚醒單片機計量，或有MBUS通信時喚醒讀取當前流量。

本發(fā)明有強磁干擾時可自動關(guān)閉閥門防止竊水，強磁干擾解除自動開閥。一種計量方式的故障可以由另一計量方式檢測并進行算法修正，發(fā)出報警信號。既可以使用校準算法提高計量精度，同時也提高了系統(tǒng)可靠性、安全性。

附圖說明

圖1是流量與脈沖個數(shù)坐標圖。

圖2是電源切換與脈沖驅(qū)動采集電路。

圖3是系統(tǒng)原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖3所示，一種超低功耗高可靠性水表，它包括單片機模塊、電源模塊、干簧管脈沖模塊、脈沖上電模塊、光電直讀模塊和閥門控制模塊，所述的電源模塊與單片機模塊連接，為單片機模塊提供電源，MBUS通信模塊與單片機模塊連接，傳輸計量流量值，同時MBUS通信模塊與電源模塊連接，提供VBUS電源；干簧管脈沖模塊與單片機模塊連接，提供脈沖驅(qū)動信號并采集脈沖計量數(shù)據(jù)，同時干簧管脈沖模塊與脈沖上電模塊連接，脈沖上電模塊與電源模塊連接，驅(qū)動VBAT電源供電；光電直讀模塊與單片機模塊連接，采集光電計量數(shù)據(jù)；單片機模塊的的控制信號輸出端與閥門控制模塊相連，控制水表閥門的啟閉。

如圖2所示，本發(fā)明的干簧管脈沖模塊包括電阻R7、R8、R19、R20、R21、R22，三極管Q6、Q7，二極管D4、D5和干簧管H1、H2，所述的三極管Q7的基極連接干簧管H1的一端和脈沖上電模塊，干簧管H1的另一端串接電阻R21，R21的另一端接VGG，三極管Q7的發(fā)射極串接電阻R8之后接地，三極管Q7的集電極串接電阻R7之后接電源VCC，三極管Q7的集電極和電阻R7的連接點作為干簧管H1的脈沖信號輸出端Pulse1與單片機模塊的對應(yīng)信號采集端相連；三極管Q6的基極連接干簧管H2的一端和脈沖上電模塊，干簧管H2的另一端串接電阻R22，R22的另一端接VGG，三極管Q6的發(fā)射極串接電阻R20之后接地，三極管Q6的集電極串接電阻R19之后接電源VCC，三極管Q6的集電極和電阻R19的連接點作為干簧管H2的脈沖信號輸出端Pulse2與單片機模塊的對應(yīng)信號采集端相連；前述VGG端連接二極管D4和D5的負極，二極管D4和D5的正極分別連接電源VBAT和電源VBUS，任一干簧管閉合時，VGG提供驅(qū)動電壓導(dǎo)通Q6或Q7。

本發(fā)明的電源模塊包括VBAT電源、VBUS電源、電容C1、C2、電阻R13-R18、三極管Q3、Q4以及二極管D1-D3；所述的VBAT電源即電池，并接濾波電容C1、C2，VBAT電源的正極與三極管Q3的發(fā)射極相連，三極管Q3的基極接電阻R16的一端，電阻R16的另一端接二極管D3的負極，電阻R16與二極管D3負極的連接點串聯(lián)電阻R15之后接地，二極管D3的正極接二極管D1的正極以及VBUS電源，VBUS電源通過MBUS通信模塊從MBUS總線取電，三極管Q3的集電極接三極管Q4的發(fā)射極，三極管Q4的集電極接二極管D2的正極，二極管D2的負極與二極管D1的負極相連作為供電信號輸出端即電源VCC，三極管Q4的發(fā)射極和基極之間并聯(lián)電阻R17，三極管Q4的基極串接電阻R18之后接三極管Q5的集電極，三極管Q5的發(fā)射極接地，三極管Q5的基極接脈沖上電模塊。

本發(fā)明的脈沖上電模塊包括電阻R9-R14，三極管Q5，電阻R9和R11的一端分別串接電容C3、C4之后接電阻R10、R12的一端，R10和R12的另一端接地，電阻R9和R11的另一端并接，并且與電阻R14的一端相連，電阻R14的另一端串接電阻R13之后接地，電阻R13與電阻R14的連接點作為電源控制信號P_CTRL接單片機模塊的電源控制信號端，電阻R14、R9和R11的連接點作為另一端作為脈沖上電模塊的供電信號輸出端接三極管Q5的基極。

具體實施時：

1)累積流量的計算方法：

n為兩個干簧管產(chǎn)生脈沖的累加和，即一對脈沖計量0.01m³。

Q_p(n)值確定：如圖1所示，脈沖計量采用雙干簧管方式，當n％2＝0時，計量0.01m³，因此，可近似認為Q_p(n)＝0.01×n/2，如圖中實直線Q_p(n)所示。

Q_o′(n)值確定：光電傳感器采用5對光電收發(fā)傳感器，采用二進制編碼方式記錄數(shù)字0～9的編碼，轉(zhuǎn)換為光電瞬時流量Q_o′(n)。

A值確定：初次使用水表，當Q_p(n)＝0時，如Q_o′(n)≠0，則A＝Q_o′(n)，否則A＝0。

Q_o(n)值確定：光電傳感器1m³計量一次，當干簧管累積流量值Q_p(n)的進位單元小于1m³,如圖1所示，光電累積流量Q_o(n)始終保持不變，只有計度器最低刻度旋轉(zhuǎn)進位，Q_o(n)進位記錄1m³；因此，光電累積流量值可近似認為Q_o(n)＝Q_o′(n)-A,計度器最低刻度初始位置將影響Q_o(n)的變化，將產(chǎn)生Q_o(n)的折線形狀，如圖1虛折線Q_o(n)所示。

K值確定：脈沖計量與光電讀數(shù)的計量方式在實際使用中，由于機械部件的滯后效應(yīng)，理論計量值比實際計量值大，因此比較實際計量值Q_p(n)與Q_o(n)的大小，計算修正系數(shù)K，得到的校準值近似接近理論值。

Q(n)值確定：累積流量值將根據(jù)式3計算得到。當水表初次使用，光電累積流量值Q(n)＝0時，以脈沖累積流量Q_p(n)的值作為當前累積流量即Q(n)＝Q_p(n)；當兩種計量方式計量值相差1以上時，認為其中一種計量方式故障，可取較大值作為當前累積流量，如式4所示；正常情況下，取兩者的均方根平均值作為基數(shù)，乘以修正系數(shù)K得到校準后的流量值。

2)電源管理方案：

單片機檢測VBUS是否為低電平來切換供電方式。供電狀態(tài)下檢測到VBUS＝0，單片機將及時切換到VBAT供電方式，保存數(shù)據(jù)并切換到掉電模式；當系統(tǒng)檢測到VBUS為高電平時將切換到VBUS供電方式，切換系統(tǒng)為休眠模式。

如圖2所示，在VBUS總線電源供電時，圖中Q3三極管不導(dǎo)通，VBUS電源經(jīng)二極管D1輸出到VCC，VBAT電源系統(tǒng)關(guān)閉，系統(tǒng)處于持續(xù)供電狀態(tài)；無脈沖時系統(tǒng)處于休眠模式，功耗低于2uA；當干簧管H1或H2閉合時，將通過三極管Q7或Q6產(chǎn)生脈沖Pulse1或Pulse2，中斷喚醒單片機記錄脈沖，同時采集光電傳感器編碼值，對Qp(n)與Qo(n)進行計算，再經(jīng)過校準得到Q(n)值，工作時系統(tǒng)電流消耗在1mA左右，保存數(shù)據(jù)后系統(tǒng)再次進入休眠模式。

如圖2所示，系統(tǒng)檢測到VBUS＝0時，Q3基極經(jīng)過R16與R15連至GND，Q3導(dǎo)通，系統(tǒng)將切換到VBAT供電模式，同時P_CTRL置高電平，此時Q5導(dǎo)通，Q5驅(qū)動Q4三極管導(dǎo)通，VBAT電源經(jīng)過Q4三極管、D2二極管連至VCC為系統(tǒng)供電，保存工作狀態(tài)后進入掉電狀態(tài)。

在VBAT供電模式下，無脈沖時系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)，功耗為0，當干簧管H1或H2閉合，將通過脈沖驅(qū)動電路C3/R9或C4/R11驅(qū)動三極管Q5導(dǎo)通，同時將Q4導(dǎo)通，VCC有電，單片機將P_CTRL置高電平為系統(tǒng)持續(xù)供電，同時單片機查詢Pulse1及Pulse2電平狀態(tài)，判斷脈沖是否有效或磁干擾產(chǎn)生，有脈沖產(chǎn)生則記錄脈沖并計算流量值，如果是磁干擾將進行關(guān)閥報警；單片機操作完畢后將P_CTRL置為低電平，Q5不導(dǎo)通，Q4將不導(dǎo)通，VCC將變?yōu)榈碗娖?，系統(tǒng)斷電。

3)安全管理

系統(tǒng)檢測MBUS總線斷開，記錄報警狀態(tài)；當兩種計量方式的累積流量差值大于1m³時，其中一種計量方式故障，將使用另一種計量方式的累積流量作為實際流量。

當有強磁干擾時自動關(guān)閉閥門，強磁解除下一個脈沖到來自動開閥，防止竊水；

一種計量方式的故障可以由另一計量方式檢測并將算法修正，記錄故障代碼，并發(fā)出報警信號。

盡管本發(fā)明已經(jīng)參照附圖進行了說明，但是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。本發(fā)明的各種更改、變化的等同物均在本發(fā)明權(quán)利要求書內(nèi)容的涵蓋范圍內(nèi)。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。