基于PICl6F628A芯片的无线远传水表设计方案

发布：2018-12-18 | 点击：人次

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随着社会和经济的进步，住宅商品化发展迅速，住宅水、电、气、热表的抄表和收费问题日益突出。如何有效解决入户抄表收费的技术问题，提供一个合理、完整、系统的实施管理方案，需要企业、科研和公用事业管理部门共同努力。文章提出了一种利用无线智能远传水表系统来解决这一问题。

随着社会和经济的进步，住宅商品化发展迅速，住宅水、电、气、热表的抄表和收费问题日益突出。如何有效解决入户抄表收费的技术问题，提供一个合理、完整、系统的实施管理方案，需要企业、科研和公用事业管理部门共同努力。目前，住宅水、电、气、热表远程抄表系统形式多样，但市场比较混乱，技术上尚不成熟，没有一个被市场认可的完整系统实施管理方案。传统的有线抄表系统布线复杂、可靠性差、维护困难，难以实现管理升级，不能满足旧楼系统改造的市场要求；而新兴GPRS、短信GSM网络抄表方式使用成本昂贵，不适宜大面积推广。

无线智能远传水表系统以其安装便利、维护快捷、不受安装环境和布线限制等优点，成为了水表行业智能管理的主导系统。该系统一般由四部分组成，即自来水公司微机数据管理系统、现场数据下载器(手抄机)、数据集中器、无线远传智能水表。其中无线智能远传水表是整个系统的基础部分，是信息的产生单元。它一般是在原基表的基础上，加装新型传感器和控制电路板构成。

1、无线智能远传水表实现的功能

无线通信在用户的使用环境中容易受到外界环境的影响，比如说小区楼栋之间的环境，小区楼层的高矮，楼栋之间的距离，城市无线通信环境的干扰源，小区房型结构等都有很大程度上的影响。因此，表具的安装，楼栋集中器的安装，小区集中器的安装，特别是楼栋集中器的无线通信天线，小区集中器无线通信天线。如果采用手抄器抄取楼栋集中器，楼栋集中器可安装在楼道内，天线可引道户外。如果采用小区集中器采取楼栋集中器，楼栋集中器建议安装在楼顶。安装在楼顶的集中器可采用太阳能或220V市电供电。

通过分析确定无线智能远传水表应实现以下功能：自动定时或定量上报水量功能；根据集中器命令控制水表阀门开关功能；自动报告远传水表被破坏或受干扰、用水量异常(过大或过小)、电池电能不足的功能；按管理部门的需要进行参量设制功能。

2、硬件电路的设计

无线智能远传水表的无线通信频率选择公用频段(ISM频段)。该表采用电池供电，保证市电停电时，不影响表具对信息的采集和存储。根据行业标准的要求，电池的使用寿命大于6年，因此整个产品的设计要充分考虑耗电量问题。电池选择高能锂电池，通过选择低功耗器件、设定精密的微功耗工作方式来确保电池的使用寿命。通过采用双传感器、软件纠错、抗干扰技术、加密技术来保障数据采集、存储、传输的准确度。

2.1无线智能远传水表的组成单元及功能

无线智能远传水表主要包括以下单元：单片机、输入采集、无线数传、电源、阀门控制、电压检测单元。其构成框图如图1所示。

2.2各单元电路的硬件设计

2.2.1输入信号采集单元

传感器选择接触阻抗低、无待机功耗、可靠性好的小型干簧管。作为磁传感器，在磁铁进入干簧管吸合临界区的时候，干簧管会产生多次吸合，导致重复计量。为了提高计量的准确性和抗干扰性，在产品中采用双传感器设计。无论单个传感器吸合多少次都按照吸合一次计算，只有两个传感器各吸合一次才算是一次有效计量。本设计计量单位为0.1t.当两个传感器同时吸合时，认为是外界强磁干扰，水表执行关闭阀门动作。设置单片机RB0、RB4引脚作为检测端。

2.2.2单片机的设计

单片机选择的是是Microchip公司生产的功耗低、抗干扰能力强、编程调试方便、价格低的PICl6F628A芯片。该单片机为精简指令集型处理器(RISC)，共有35条汇编指令，使用起来简捷有效。PICl6F628A共有18个引脚，标准工作电压为5V,外接晶振zui大可以达到20MHz.其内部资源非常丰富，含有2KB的Flash程序存储器、224B的数据存储器、2个模拟比较器、1个PWM控制器、1个16位的定时器/计数器，1个8位定时器/计数器，1个8位定时器，以及上电启动电路、掉电复位电路和看门狗电路等。PICl6F628A还能够响应定时器、比较器、RB端口等多种硬件中断合理地使用这些资源可以有效简化外围电路，降低产品的成本。为了降低整机的功耗，定时器1的时钟脉冲选择片外晶体振荡电路，晶体频率是32.768k,配谐电容为22p,内部采用8分频，这样当脉冲个数为24225个时(5FH,0FFH)，定时时间达到10s.

2.2.3无线数传单元的设计

无线数传芯片选择的是高集成度、多通道的RF收发芯片CC1100,该芯片控制方便、功能强大、体积小、价格低、功耗低、抗干扰性强。CC1100的引脚SPI_SCK连接单片机引脚RAl(输出)；SPI_SI连接单片机RA2引脚(输出)；SPI_SO连接单片机RA3引脚(输入)；SPI_CS连接单片机RA6引脚(输出)；GDO0连接单片机RA7引脚(输入)。

CC1100的软件设计主要是利用TI公司提供的对该芯片的内部寄存器设置软件SmartStudio对CC1100控制寄存器进行设置，在软件参数配置时要注意选择输出功率为10dBm,中心频率为433.92MHz,数据传输速率为10kbps,将这些主要参数输入后，专用配置软件将CCll00所有的控制寄存器的参数值自动换算到该芯片的zui优化设置，将这些参数通过单片机，按照约定的地址写入到CC1100特定寄存器，就可保证CCll00稳定可靠地工作。在程序设计中要定期刷新CC1100控制寄存器的设置，防止寄存器中的内容在强烈外界干扰环境中改变，使芯片不能正常工作。CC1100的软件设计要注意，在无线数据传输过程中要关闭其它附属设备的工作状态，保持传输数据的可靠性和稳定性。

2.2.4阀门控制单元的设计

驱动电磁阀开关的芯片选择的是L9110芯片。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5A;同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，驱动性能安全可靠。单片机RB5引脚设置为关阀控制；RB3引脚设置为开阀控制；RB2引脚设置阀门开到位判断；RBl引脚设置阀门关到位判断。

2.2.5电源电压检测元件的选择与设计

电压检测芯片选择的是小功率的MCPlll芯片。当电源电压高于检测电压时，MCPlll输出保持高电平；若低于检测电压时输出将变为低电平，提醒电源电量的不足。设置单片机引脚RA5为电源电压检测输入引脚，低电平有效。该产品设定MCPlll的检测电压为3V;在检测到电池电压低提出报警后，仍能保证控制电路板正常工作三个月以上，为更换电池提供时间余量。

无线智能远传水表连接示意图如图2所示。

3、软件设计

智能无线远传水表的软件采取模块化设计，程序主要有以下主子程序组成：主程序模块、定时中断处理程序模块、水量采样处理程序模块、接收无线数据处理程序模块、数据发射程序模块。

3.1主程序设计

智能无线远传水表上电后，系统软件逐个检测各个功能模块的工作状态。主要包括传感器模块检测、定时器模块检测、阀门执行机构检测、特别是对CCll00的工作参数设置以及设置完成的结果检测，这些模块检测正常后系统检测灯熄灭，系统进入低功耗工作状态。进入低功耗工作的系统只有靠中断才能开启。开启系统由低功耗进入工作状态的方式有两种：一种是当有传感器信号进入时，传感器信号开启中断系统；另一种是定时器时间到后开启中断系统。开启后的系统执行完中断的操作后回到低功耗模式。

3.2定时中断处理程序设计

定时启动时间是10s一次，启动以后主要功能是：开启接收机接收查看是否有无线电信号进来。如果没有，进入低功耗状态，如果有，则判断是不是协议规定的命令。如果是规定的命令执行相应的操作，否则关闭接收机，进入低功耗。定时24小时自动发射数据一次，定时一个月"洗阀"一次。

3.3水量采样处理程序设计

当水表的传感器有信号来的时候，经软件滤波后判断是否为有效信号。若是无效信号则直接退出中断，若为有效信号时就进行计数和水量运算，运算后将数据存储在单片机内部的存储器内。分析是否达到发射水量，达到发射水量则发射数据，否则退出中断。

3.4接收无线数据处理程序设计

设置CC1100为接收状态，若有接收信号，则等待接收数据，读CC1100寄存器中的接收数据。读完规定字节数的数据后，进行数据解码，判断数据的正确性。数据正确，依据规定的命令进行相应的操作；否则退出接收状态。

4、结论

通过对无线远传智能水表进行的供电参数、无线电性能、信号输出测试、控制功能测试、水表性能测试，其主要参数全部达标，实现了设计时要求的技术指标和性能。本系统方案采用无线数据传输方式，可方便实现户内仪表的数据出户、集中及统一管理，系统成本低、可靠性高、易于扩展、方便实现网络化管理，有效地解决了住宅水、电、气、热表的抄表和收费问题，具有很高的经济和社会效益。

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