本發(fā)明涉及抄表系統(tǒng)，具體涉及一種無電源水表無線抄表系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，家庭用水已從一家一戶式轉(zhuǎn)變?yōu)橛善髽I(yè)統(tǒng)一為個(gè)體或單位提供?！耙粦粢槐?，以表計(jì)量”的方法目前依然是公司作為計(jì)量家庭或單位用水用量的主要方法。該傳統(tǒng)方法在水表數(shù)量較少，位置相對(duì)集中的條件下效果比較理想，但在表位置比較分散、水表數(shù)量較多的情況下，這種由專門人員負(fù)責(zé)抄表方式所存在的問題便會(huì)顯露出來。比如，水表位置偏遠(yuǎn)，水表環(huán)境糟糕，水表排布零散等問題便給抄表人員的工作造成一定的阻礙，甚至?xí)沟贸聿蝗?、因環(huán)境問題而誤抄以及抄表工作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，工作量大。2015年中國江蘇網(wǎng)報(bào)道了一篇關(guān)于“水表抄表員一天”的報(bào)道。文中指出，抄表員一天需要沿街走巷掀開200多用戶的井蓋，一個(gè)抄表水廠需雇傭50名抄表員工負(fù)責(zé)采集23萬用戶水表數(shù)據(jù)。同時(shí)，最終所采集水表數(shù)據(jù)要通過人工輸入到互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，這樣不僅增加了人力勞動(dòng)強(qiáng)度，也不利于現(xiàn)代化管理，導(dǎo)致個(gè)體家庭、單位和企業(yè)不能便捷地獲得足夠詳細(xì)和準(zhǔn)確的原始資料。檢測(cè)技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域和國防建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著電子信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，一些新科技在檢測(cè)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的普及。許多繁瑣，耗時(shí)耗力的工作已逐步被新興技術(shù)所簡(jiǎn)化，其中無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在數(shù)據(jù)采集上表現(xiàn)的尤為突出。

我國水表數(shù)據(jù)無線抄表技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展、提高和改良目前已形成比較成熟設(shè)備解決方案?，F(xiàn)代化水表已從機(jī)械式水表發(fā)展為電磁脈沖式、磁卡式、光電管直讀式、電子式等水表。其中電磁脈沖式是根據(jù)水表碼盤發(fā)出信號(hào)，輸出與水流量成正比的脈沖信號(hào)。水表內(nèi)安裝獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理芯片和電池。實(shí)際水流量數(shù)據(jù)處理芯片內(nèi)部累加脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算得出。磁卡式水表多集中水表位置安裝較明顯處，便于業(yè)主刷卡取水。磁卡式水表內(nèi)部集成電路復(fù)雜，因其通過卡片內(nèi)磁場(chǎng)的變化選擇工作方式，所以水表的安裝位置對(duì)環(huán)境要求較高，避免外界強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)水表進(jìn)行干擾。水表的趨勢(shì)是電子遠(yuǎn)傳水表。但是目前電子遠(yuǎn)傳水表存在的問題是無法全面普及，主要原因是機(jī)械水表的生產(chǎn)技術(shù)已趨于成熟，生產(chǎn)成本已可控于最低水平，銷售市場(chǎng)也已穩(wěn)定。但許多可適用于機(jī)械水表的操作方式，無法再適用于電子遠(yuǎn)傳水表，比如存儲(chǔ)。機(jī)械水表可以在存放多年，電子水表存儲(chǔ)時(shí)間兩年以上，電池便無法正常供電。目前電池的問題有很多新技術(shù)，如無線充電、柔性電池等，但因成本高，暫時(shí)無法民用化。

我國是人口大國，在經(jīng)濟(jì)正處于不斷上升的階段下，人民對(duì)生活水平提出了越來越高的要求，以往的生活問題解決方案越來越無法適應(yīng)城市化的進(jìn)程。人工抄表是一份效率低，工作量大，十分落后的工作方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的一種無電源水表無線抄表系統(tǒng)，可解決傳統(tǒng)人工抄表效率低，工作量大的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種無電源水表無線抄表系統(tǒng)，包括依次連接的水表數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及接收機(jī)模塊，所述水表數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)置在水表碼盤旁邊，還包括自發(fā)電模塊，所述自發(fā)電模塊與水表數(shù)據(jù)采集模塊連接；其中，所述自發(fā)電模塊采用微型水流發(fā)電機(jī)，設(shè)置在水管中；還包括電源管理模塊，所述電源管理模塊分別與自發(fā)電模塊、水表數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊連接；

所述水表數(shù)據(jù)采集模塊獲取水表數(shù)據(jù)并同時(shí)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理；

所述數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)射和無線接收；

所述接收機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)及顯示；

所述自發(fā)電模塊把水流轉(zhuǎn)化到電能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自產(chǎn)電能。

進(jìn)一步的，所述水表數(shù)據(jù)采集模塊包括光電管傳感器模塊和數(shù)據(jù)處理采集器，所述光電傳感器模塊包括四組光電管，光電管設(shè)置在水表碼旁邊，水表碼的碼盤上設(shè)置過光孔，每組光電管包括五個(gè)紅外發(fā)射管和五個(gè)紅外接收管。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊采用E32-TTL-100型超低功耗無線串口模塊。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理采集器包括采集器最小系統(tǒng)，采集器最小系統(tǒng)采用ATmege8單片機(jī)，還包括與ATmege8單片機(jī)的RESET端口相連的阻容復(fù)位電路和與ATmege8單片機(jī)的端口XTAL相連的晶體振蕩電路，ATmege8單片機(jī)RXD端口與TXD端口分別與無線串口模塊相連，所述ATmege8單片機(jī)的D端口作為光電管發(fā)射控制端，ATmege8單片機(jī)的B端口作為光電管接收檢測(cè)端。

進(jìn)一步的，所述電源管理模塊還包括DC-DC升壓電路，所述DC-DC升壓電路采用XL6009升壓型直流電源變換芯片，所述DC-DC升壓電路輸入電壓范圍是3-32V，3.7V蓄電池輸出的電壓作為DC-DC升壓模塊輸入，輸出電壓根據(jù)可變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)；端口2由外部電路控制決定芯片的使能，端口3輸出一定頻率的方波信號(hào)，此信號(hào)作為外圍電路的開關(guān)輸入信號(hào)；電感L起儲(chǔ)能作用，D 1在端口3輸出低電平的條件下截止，電感L與電容C₁₂、R2及R1組成回路放電電路，電感L是在D1導(dǎo)通的情況下向電容充電，D1是在端口3輸出高電平時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)電容兩端電壓增加時(shí)，芯片輸出電壓升高，R2與R1組成芯片的負(fù)反饋電路，控制輸出電壓放大倍數(shù)，穩(wěn)定芯片輸出電壓。

進(jìn)一步的，所述自發(fā)電模塊采用永磁直流發(fā)電機(jī)。

進(jìn)一步的，所述接收機(jī)模塊還包括DS1302時(shí)鐘模塊，AT24C16數(shù)據(jù)存取模塊，LCD12864液晶顯示模塊和按鍵模塊。

進(jìn)一步的，所述AT24C16數(shù)據(jù)存取模塊用于獲取水表數(shù)據(jù)并進(jìn)行寫入和讀取，內(nèi)置2048個(gè)8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，數(shù)據(jù)容量為16K。

進(jìn)一步的，所述按鍵模塊包括六個(gè)獨(dú)立按鍵，不同編號(hào)按鍵對(duì)應(yīng)ATmege8單片機(jī)不同I/O端口。

本發(fā)明通過微型永磁式直流發(fā)電機(jī)將水流能轉(zhuǎn)換為可供系統(tǒng)使用的電能，這樣不僅彌補(bǔ)電子水表供電問題或電池故障引起的計(jì)量誤差，同時(shí)也大大降低了電子水表的后期維護(hù)工作。電子電路部分采用字輪編碼的方式，通過對(duì)機(jī)械碼盤相對(duì)位置編碼的方式取得水表數(shù)據(jù)。該方案內(nèi)置計(jì)算機(jī)芯片，電路復(fù)雜度低，無須外部供電，穩(wěn)定性高，兼容性好，可以方便的適用于任何場(chǎng)所。本發(fā)明將大大降低人力工作量，提高抄表效率，節(jié)約水資源。同時(shí)，無線抄表系統(tǒng)的普及，也滿足了人們對(duì)公共服務(wù)部門方便簡(jiǎn)單的要求，也有利于公共服務(wù)部門節(jié)約開支，節(jié)省人力，提高工作效率。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的無電源水表無線抄表系統(tǒng)具有以下有益效果：本發(fā)明所要研究的內(nèi)容是利用電子電路實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)的采集，處理，傳輸和管理。該本發(fā)明涉及到電子測(cè)量技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)系統(tǒng)無需外部供電，由水流通過微型永磁式直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的電能；

(2)基于ATmega8超低功耗單片機(jī)，采用光電管電子電路讀取水表碼盤數(shù)字對(duì)應(yīng)的水表數(shù)據(jù)；

(3)水表數(shù)據(jù)無線傳輸，抄表人員只需在水表附近通過接收機(jī)設(shè)備便可獲取水表數(shù)據(jù)當(dāng)前值以及歷史值；

(4)水表數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入管理系統(tǒng)，無需人工繁瑣錄入。

附圖說明

圖1本發(fā)明系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖；

圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明水表數(shù)據(jù)采集器最小系統(tǒng)外圍電路；

圖4是本發(fā)明光電管設(shè)計(jì)電路連接圖；

圖5是本發(fā)明串口模塊端口與單片機(jī)電氣相連電路圖；

圖6是本發(fā)明DC-DC升壓電路；

圖7是本發(fā)明接收機(jī)核心外部電路；

圖8是本發(fā)明LCD12864外圍引腳；

圖9是本發(fā)明AT24C16外圍電路；

圖10是本發(fā)明DS1302外圍電路；

圖11是本發(fā)明按鍵電路；

圖12是本發(fā)明水表數(shù)據(jù)采集主程序流程圖；

圖13是本發(fā)明接收機(jī)程序流程圖；

圖14是本發(fā)明ATC24C02操作流程；

圖15是本發(fā)明DS1302時(shí)鐘操作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖1所示，本實(shí)施例主要由系統(tǒng)自發(fā)電、水表數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無線傳輸與顯示三大部分組成。微型永磁式有刷直流發(fā)電機(jī)完成系統(tǒng)自產(chǎn)電能部分；控制芯片ATmega8通過檢測(cè)光電管獲取水表數(shù)據(jù)并同時(shí)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，無線發(fā)射；433MHz串口模塊完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。接收機(jī)實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)的接收，存儲(chǔ)與顯示。

如圖2本實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)框圖四組光電管固定安裝在水表碼盤兩旁，每組光電管由五對(duì)紅外發(fā)射管組成。碼盤偏轉(zhuǎn)角決定光電管導(dǎo)通數(shù)量。Atmega8根據(jù)光電管導(dǎo)通數(shù)量進(jìn)行編碼，確定水表數(shù)據(jù)并將其發(fā)射。接收機(jī)ATMEGA16通過無線接收模塊對(duì)水表數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼存儲(chǔ)。

LCD12864顯示水表數(shù)據(jù)與時(shí)鐘。按鍵調(diào)整時(shí)鐘與調(diào)取水表歷史數(shù)據(jù)。

水流自發(fā)電方案，該部分主要實(shí)現(xiàn)水流能到電能轉(zhuǎn)化。微型永磁式水流發(fā)電機(jī)的原理是發(fā)電機(jī)的葉輪在水管中固定流向水流產(chǎn)生的沖擊力作用下旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使水流能轉(zhuǎn)化為電能。

就結(jié)構(gòu)而言，發(fā)電機(jī)分為永磁式發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。永磁式發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)由發(fā)電機(jī)內(nèi)部固定磁鐵提供。自身構(gòu)造相對(duì)于勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，低速發(fā)電性能好。對(duì)于微型水流而言，發(fā)電機(jī)有永磁交流發(fā)電機(jī)和永磁直流發(fā)電機(jī)可供選擇。系統(tǒng)需要在直流穩(wěn)壓條件下工作，選用永磁交流發(fā)電機(jī)需要外部電路對(duì)其進(jìn)行整流，穩(wěn)壓，這樣會(huì)大大降低發(fā)電的效率。因此，發(fā)電選用永磁直流發(fā)電機(jī)。永磁直流發(fā)電機(jī)裝置經(jīng)過多次試驗(yàn)，能在較低的水流下低速啟動(dòng)并輸出較大的轉(zhuǎn)矩。

電源管理方案，永磁式直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能大小是由其內(nèi)部線圈的磁場(chǎng)變化率決定的。在發(fā)電機(jī)線圈和磁場(chǎng)固定的條件下，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速正相關(guān)。在水流較小，發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較慢條件下，其輸出的電壓無法滿足鋰電池充電電壓要求，發(fā)電效低。為此，采用DC-DC升壓電路。升壓電路采用XL6009升壓型直流電源變換芯片。該芯片內(nèi)置N溝道的功率MOSFET和固定頻率振蕩器，有過充，過流，過溫，高可靠性功能模塊，系統(tǒng)集成度高，高效率，低成本。電源管理芯片使低速運(yùn)轉(zhuǎn)下的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的低電壓通過升壓電路達(dá)到鋰電池充電電壓，同時(shí)為系統(tǒng)提供+5V供電電壓。

水表數(shù)據(jù)采集方案，水表數(shù)據(jù)采集是指利用電子電路獲取當(dāng)前水表的碼盤顯示數(shù)值。實(shí)現(xiàn)這一目的需要考慮三大因素：1)電路結(jié)構(gòu)不影響水表對(duì)水流量的計(jì)量；2)電路機(jī)構(gòu)具備很好的抗干擾能力；3)電路系統(tǒng)低功耗。根據(jù)以上三點(diǎn)要求提出以下三種水表數(shù)據(jù)采集方案。

方案一：CCD攝像頭采集式。該方案可準(zhǔn)確獲取水表的碼盤數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)可間歇工作。方案不足之處是電路復(fù)雜，成本高，抗干擾能力差，不適合用在環(huán)境惡劣的條件下。

方案二：電磁脈沖式。根據(jù)字輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)量水表數(shù)據(jù)。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，費(fèi)用低，不足之處是系統(tǒng)需不間歇工作。系統(tǒng)連續(xù)工作會(huì)使系統(tǒng)能耗增加，同時(shí)也降低了自身的抗干擾能力。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)斷電條件下，水表數(shù)據(jù)獲取將發(fā)生錯(cuò)誤。所以該方案不適合在低功耗場(chǎng)所使用。

方案三：光電管直讀式。利用一組紅外光電管的編碼原理獲取水表數(shù)據(jù)。此方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，不會(huì)對(duì)原水表的機(jī)械部分造成影響，同時(shí)由于系統(tǒng)采用光電管直讀式，系統(tǒng)僅在接收到獲取水表數(shù)據(jù)指令條件下被喚醒，所以極大降低了系統(tǒng)的功耗。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可以在多種環(huán)境下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作。

綜上所述，從電路結(jié)構(gòu)，成本，系統(tǒng)的穩(wěn)定性三個(gè)方便考量，選擇方案三。

數(shù)據(jù)處理控制器，水表數(shù)據(jù)采集控制芯片主要作用是對(duì)四組光電管的導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后編碼檢測(cè)到的五位二進(jìn)制數(shù)，最后采用無線串口的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。所以控制芯片主要考量的因素是功耗，抗干擾能力，I/O端口的驅(qū)動(dòng)能力和芯片價(jià)格。為此，提出以下兩種方案。

方案一：MSP430149單片機(jī)。該單片機(jī)有五種低功耗工作方式，內(nèi)部資源豐富，運(yùn)行穩(wěn)定。但I(xiàn)/O端口輸出電流最大只有6mA，驅(qū)動(dòng)能力差，這樣會(huì)增加外圍電路的復(fù)雜程度。由于水表數(shù)據(jù)采集電路相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要14個(gè)I/O引腳，而此單片機(jī)有六組48個(gè)I/O引腳可使用，因此使用該單片機(jī)會(huì)大大降低其內(nèi)部資源的利用率，同時(shí)此單片機(jī)的價(jià)格也比較昂貴。

方案二：ATmege8單片機(jī)。該單片機(jī)采用5V供電，同樣有五種低功耗工作方式，功耗極低。另外，ATmege8單片機(jī)有25個(gè)可編程I/O端口，使用者可任意定義I/O的輸入/輸出方向。當(dāng)I/O端口設(shè)置為推挽輸出時(shí)，輸出電流最高可達(dá)40mA，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)LED等大電流負(fù)載。這樣可以降低光電管檢測(cè)電路的復(fù)雜程度。該單片機(jī)價(jià)格中等，適合大規(guī)模使用。

綜上所述，從水表數(shù)據(jù)采集控制器的功耗，I/O端口的驅(qū)動(dòng)能力，抗干擾能力和價(jià)格上進(jìn)行比較，方案二更適合。

水表數(shù)據(jù)無線傳輸方案，無線芯片有CC1100、CC2500、NRF2401、NRF905、NRF24L01等可供選擇。水表數(shù)據(jù)采用無線傳輸?shù)姆绞?。傳輸方式要求?shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，糾錯(cuò)能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)，功耗低等特點(diǎn)。為此，提出以下兩種可選方案。

方案一：nRF24L01無線收發(fā)模塊。該模塊體積小，價(jià)格低，接口電路復(fù)雜，在惡劣環(huán)境條件下，數(shù)據(jù)傳輸不具有穩(wěn)定性。另外，數(shù)據(jù)傳輸無糾錯(cuò)能力。

方案二：E32-TTL-100型超低功耗無線串口模塊。該模塊是一款基于SX1278的100mW的無線數(shù)傳模塊。模塊載頻為410-441MHz頻段，數(shù)據(jù)收發(fā)采用無線串口透?jìng)鞣绞?，提升了無線技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)。該模塊功率密度高，信號(hào)識(shí)別率強(qiáng)。同時(shí)具有很好的自主糾錯(cuò)能力，在干擾突發(fā)的條件下，能快速識(shí)別被干擾的數(shù)據(jù)并將其糾正，很好的確保了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距傳輸過程中可靠性。

綜上所述，從數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)囊罂?，選擇方案二作為水表數(shù)據(jù)無線傳輸模塊。

水表數(shù)據(jù)接收機(jī)，接收機(jī)數(shù)據(jù)處理MCU采用AVR系列單片機(jī)，顯示界面采用LCD12864液晶屏。單片機(jī)通過無線模塊接收到水表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解碼后存儲(chǔ)至EEPROM。接收機(jī)設(shè)置有六個(gè)獨(dú)立按鍵，可根據(jù)按鍵查看水表當(dāng)前水表數(shù)據(jù)和歷史水表數(shù)據(jù)。顯示界面同時(shí)可顯示當(dāng)前時(shí)間。

水表數(shù)據(jù)采集器電路

水表數(shù)據(jù)采集器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水表數(shù)據(jù)采集器最小系統(tǒng)主要作用是檢測(cè)四組光電管導(dǎo)通狀態(tài)，依據(jù)光電管導(dǎo)通狀態(tài)編碼水表數(shù)據(jù)值。編碼后的數(shù)值采用總線串口方式發(fā)送到水表數(shù)據(jù)接收機(jī)終端。因此，采集器最小系統(tǒng)是該課題的核心器件。

ATmege8單片機(jī)最小系統(tǒng)輔助硬件電路簡(jiǎn)潔易懂，主要有與單片機(jī)RESET端口相連的由阻容復(fù)位電路和端口XTAL相連的晶體振蕩電路構(gòu)成。單片機(jī)RXD端口與TXD端口與無線串口相連，D端口作為光電管發(fā)射控制端，B端口作為光電管接收檢測(cè)端。本課題受電路板面積的限制，選用芯片內(nèi)部8MHz晶振。單片采用ISP方式下載程序，支持在線編程。水表數(shù)據(jù)采集器最小系統(tǒng)外圍電路如圖3。

水表數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

水表碼盤數(shù)據(jù)采集采用紅外對(duì)射光電管最大的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，讀碼準(zhǔn)確率高，對(duì)原機(jī)械水表的計(jì)量精度和機(jī)械性能無影響。光電管采集碼盤偏轉(zhuǎn)角的工作原理是：在水表數(shù)據(jù)每位各個(gè)碼盤的兩側(cè)各自安裝1組紅外光電管，每組紅外光電管由5個(gè)紅外發(fā)射管和5個(gè)接收管組成。碼盤中間制作出3個(gè)一定角度的過光孔，紅外光線通過過光孔可以從碼盤的一側(cè)透射到碼盤的另一側(cè)。紅外接收光電管與紅外發(fā)射收管的安裝位置是固定的。當(dāng)水流經(jīng)過水表時(shí)，碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，過光孔的角度產(chǎn)生變化，相應(yīng)發(fā)光管發(fā)出的光線透過碼盤過光孔照射到碼盤另一側(cè)的數(shù)量和位置發(fā)生變化。即編碼出碼盤對(duì)應(yīng)的0-9各個(gè)數(shù)值。四組光電發(fā)射管與光電接收管設(shè)計(jì)電路如圖4。

四組紅外對(duì)射管的發(fā)送端口與接收端口總線復(fù)用。單片機(jī)五個(gè)I/O端口控制四組紅發(fā)發(fā)射管，5個(gè)I/O端口檢測(cè)四組紅外接收管的導(dǎo)通狀態(tài)，四個(gè)I/O端口對(duì)四組紅外對(duì)射管的工作狀態(tài)進(jìn)行位選，以確定單片機(jī)讀取的編碼值。

無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

E32-TTL-100是URAT接口半雙工無線透?jìng)髂K。模塊載頻為410-441MHz頻段，數(shù)據(jù)收發(fā)采用無線串口透?jìng)鞣绞?，提升了無線技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)。該模塊功率密度大，信號(hào)識(shí)別率高。

模塊功能特點(diǎn)如下：

(1)模塊采用完全透明傳輸方式；

(2)支持多種波特率；

(3)數(shù)據(jù)傳輸距離空曠條件下可達(dá)3000米；

(4)具備自主糾錯(cuò)能力；

(5)省電模式下功耗僅為十幾毫安；

(6)模塊2.3-5.5V供電，滿足電池供電需求。模塊最大發(fā)射功率可達(dá)100mW。

串口模塊端口與單片機(jī)電氣相連如圖5。

E32-TTL-100串口無線模塊端口說明如下表1。

表1串口無線模塊引腳說明

水表數(shù)據(jù)采集器電源電路設(shè)計(jì)

水表數(shù)據(jù)采集器電源電路，針對(duì)水管水流具有微型，定向的特點(diǎn)。采用低阻抗，效率高，具有低速發(fā)電效果好的永磁式直流發(fā)電機(jī)。永磁式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的不穩(wěn)定的電能首先存儲(chǔ)于電池，電池輸出的穩(wěn)定電壓通過DC-DC升壓模塊升高至系統(tǒng)的供電電壓。DC-DC升壓電路如圖6。升壓電路輸入電壓范圍是3-32V。3.7V蓄電池輸出的電壓作為DC-DC升壓模塊輸入，輸出電壓根據(jù)可變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。端口2由外部電路控制決定芯片的使能，端口3輸出一定頻率的方波信號(hào)，此信號(hào)作為芯片外圍電路的開關(guān)輸入信號(hào)。電感L起儲(chǔ)能作用，D1在端口3輸出低電平的條件下截止，電感L與電容C₁₂與R2和R1組成回路放電電路，芯片輸出電壓下降。電感L是在D1導(dǎo)通的情況下向電容充電，D1是在端口3輸出高電平時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)電容兩端電壓增加時(shí)，芯片輸出電壓升高。R2與R1組成芯片的負(fù)反饋電路，控制輸出電壓放大倍數(shù)，穩(wěn)定芯片輸出電壓。

水表數(shù)據(jù)接收機(jī)電路設(shè)計(jì)，水表數(shù)據(jù)接收機(jī)電路包含控制芯片AVR系列單片機(jī)，

E32-TTL-100型無線接模塊，DS1302時(shí)鐘模塊，AT24C16數(shù)據(jù)存取模塊，LCD12864液晶顯示模塊和按鍵模塊。主要工作有水表數(shù)據(jù)的無線接收，解碼，存儲(chǔ)和顯示。

接收機(jī)最小系統(tǒng)，接收機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路較為簡(jiǎn)潔，主要由與單片機(jī)RESET引腳相連的阻容式復(fù)位電路和與XTAL引腳相連的無源晶體振蕩電路組成。系統(tǒng)在復(fù)位引腳置高的條件下重新啟動(dòng)。振蕩電路在振蕩時(shí)鐘引腳上接兩個(gè)30pF的電容和12MHz晶振。接收機(jī)核心外部電路如圖7。

接收機(jī)顯示電路，水流數(shù)據(jù)顯示界面使用LCD12864液晶顯示屏，該顯示屏可8位并行和2線串行與MCU相連接。模塊接口工作方式靈活多樣，操作指令簡(jiǎn)潔易懂，通過不同的指令可實(shí)現(xiàn)多種人機(jī)交互式界面。模塊內(nèi)置8192個(gè)簡(jiǎn)體中文字庫和128個(gè)ASCII字符集?？娠@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。模塊同時(shí)具有低功耗的特點(diǎn)。同時(shí)，該模塊在外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，驅(qū)動(dòng)程序易懂。且該模塊的價(jià)格適中。LCD12864外圍引腳如圖8。

接收機(jī)水表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

水表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片采用AT24C16，該芯片可將手持接收機(jī)每次獲取的水表數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入和讀取。AT24C16內(nèi)置2048個(gè)8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，數(shù)據(jù)容量為2K。先進(jìn)的CMOS技術(shù)使得了器件的功耗降到最低。AT24C16有一個(gè)8字節(jié)頁寫緩沖器。該器件有獨(dú)立的寫保護(hù)功能，采用I²C總線協(xié)議進(jìn)行操作。I²C總線只有兩根雙向信號(hào)線：一根是數(shù)據(jù)線SDA；另一根是時(shí)鐘線SCL^[4]。AT24C16外圍電路如圖9。

AT24C16引腳說明如表2。

表2 AT24C16引腳說明

接收機(jī)時(shí)鐘電路，DS1302可在外部晶振輔助下精確計(jì)算年份、月份、日期、周、小時(shí)、分鐘、秒，且可識(shí)別閏年并自主進(jìn)行補(bǔ)償。芯片數(shù)據(jù)傳輸采用串行方式，可以通過指令關(guān)閉備用電源充電功能。芯片采用普通32.768kHz晶振。芯片分別外置外界電源和紐扣電源兩個(gè)引腳。這樣可以保證接收機(jī)在無外部供電的情況下系統(tǒng)時(shí)鐘正常顯示。DS1302時(shí)鐘模塊通過三條數(shù)據(jù)線與CPU的連接線，即SCLK、I/O、CE。DS1302時(shí)鐘芯片外圍電路如圖10。

DS1302引腳說明如表3。

表3 DS1302引腳說明

接收機(jī)按鍵電路

該電路由六個(gè)獨(dú)立按鍵組成，不同編號(hào)按鍵對(duì)應(yīng)單片機(jī)不同I/O端口。MCU通過對(duì)I/O端口高低電平的識(shí)別實(shí)現(xiàn)顯示界面的操控。

按鍵電路如圖11。

按鍵說明如表4。

表4按鍵說明

水表數(shù)據(jù)采集主程序設(shè)計(jì)

ATmega8一組五位I/O端口設(shè)置輸出模式，其輸出電流最大可達(dá)40mA,串聯(lián)限流電阻后可直接驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)射二極管。一組五位I/O端口設(shè)置為輸入模式，檢測(cè)接收管的導(dǎo)通狀態(tài)。一組四位I/O端口設(shè)置為輸出模式，實(shí)現(xiàn)四位水表數(shù)據(jù)的順序讀取。水表數(shù)據(jù)采集主程序流程如圖12。

單片機(jī)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)抄表人員通過無線發(fā)射裝置發(fā)出獲取水表數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，單片機(jī)將被喚醒，然后執(zhí)行碼盤狀態(tài)的掃描，編碼，發(fā)送。數(shù)據(jù)成功發(fā)射之后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。所以，整體系統(tǒng)耗能非常低，只有在接收請(qǐng)求的情況下才工作。

水表數(shù)據(jù)接收機(jī)程序設(shè)計(jì)

水表數(shù)據(jù)接收機(jī)主程序設(shè)計(jì)

水表數(shù)據(jù)接收機(jī)由單片機(jī)模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，時(shí)鐘模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，按鍵操作模塊組成。接收機(jī)程序流程如圖13。

接收機(jī)在正確接收數(shù)據(jù)后完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，顯示。同時(shí)顯示界面增加時(shí)鐘顯示功能，通過按鍵可對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

水表數(shù)據(jù)接收機(jī)顯示程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過void write_com(uchar com)函數(shù)以串行方式向LCD12864寫入指令，確定數(shù)據(jù)顯示的地址與顯示效果，通過void write_date(uchar date)函數(shù)以串行的方式向LCD12864寫入數(shù)據(jù)。LCD12864在初始化階段完成基本指令的寫入，光標(biāo)開關(guān)指令的寫入，清屏指令的寫入，每條指令寫入的過程中需要適當(dāng)延時(shí)，以確保指令有效寫入。

水表數(shù)據(jù)接收機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

水表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片AT24C16儲(chǔ)存容量為16K，數(shù)據(jù)傳送協(xié)議采用I²C總線式。I²C總線協(xié)議是在數(shù)據(jù)接收器件與數(shù)據(jù)發(fā)送器件之間進(jìn)行操作，規(guī)定數(shù)據(jù)發(fā)送器件將數(shù)據(jù)傳送到總線，數(shù)據(jù)接收器件是從總線上接收數(shù)據(jù)。發(fā)送器和接收器無特殊規(guī)定，二者可互換。AT24C16有三位地址線，能實(shí)現(xiàn)最多八個(gè)器件連接到總線上。本課題只需要一個(gè)器件，選擇將地址線連接至Vcc，通過訪問地址0xfa可實(shí)現(xiàn)芯片的讀寫。AT24C16操作流程如圖14。

水表數(shù)據(jù)接收機(jī)時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)

DS1302時(shí)鐘芯片內(nèi)置多個(gè)不同功能的寄存器，與日歷、時(shí)鐘相關(guān)的寄存器有七個(gè)，數(shù)據(jù)存放形式為BCD碼的格式。此外，DS1302內(nèi)置日期、功能操作、電源管理、時(shí)鐘抗干擾等其它功能寄存器。DS1302時(shí)鐘芯片操作流程圖如15。

DS1302時(shí)鐘芯片操作過程中首先要關(guān)閉寫保護(hù)，初始化過程中對(duì)預(yù)先設(shè)置的變量寫入到日歷與時(shí)鐘寄存器中。在變量寫入完后，拉高復(fù)位端，根據(jù)日歷與時(shí)鐘寄存器讀取其中的BCD碼數(shù)據(jù)。

鍵盤程序設(shè)計(jì)

六位獨(dú)立按鍵完成時(shí)鐘的調(diào)整，水表數(shù)據(jù)的獲取和查看。采用I/O端口實(shí)時(shí)掃描的方式。按鍵1執(zhí)行time_buf1[4]++語句，時(shí)單位上調(diào)；按鍵2執(zhí)行time_buf1[4]--語句，時(shí)單位下調(diào)；按鍵3執(zhí)行time_buf1[5]++語句，分單位上調(diào)；按鍵4執(zhí)行time_buf1[5]—語句，分單位下調(diào)；按鍵5執(zhí)行void Currentdata()函數(shù)，當(dāng)前水表數(shù)據(jù)獲?。话存I6執(zhí)行void historydata()函數(shù)，查找歷史水表數(shù)據(jù)。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。