基于MCU的智能水表工作原理及應(yīng)用

　　引言

　　水表的發(fā)展已有近二百年的歷史，在開始階段相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，英法日德等國(guó)家的水表一直占據(jù)著中國(guó)水表行業(yè)。隨著城市供水事業(yè)的發(fā)展，中國(guó)的水表工業(yè)也相應(yīng)地發(fā)展起來(lái)，從20世紀(jì)90年代開始，各種智能型水表、水表抄表系統(tǒng)等產(chǎn)品也開始興起。

　　盡管，目前國(guó)內(nèi)的水表市場(chǎng)仍然以機(jī)械表為主，但是從發(fā)展角度來(lái)看，智能化是一種必然的趨勢(shì)，可以節(jié)省人工，提高抄表的準(zhǔn)確度，更可以實(shí)現(xiàn)階梯化收費(fèi)，有效的利用有限的水資源。

　　水表的電源一般由水表自行供給，這就對(duì)水表的功耗提出了苛刻的要求。國(guó)際規(guī)定，智能水表的靜態(tài)電流應(yīng)該小于30μA，實(shí)際中水表廠商都把該指標(biāo)控制在10μA以內(nèi)(使用干簧管傳感器時(shí))，保證工作時(shí)間大于6年以上才算合格。NEC帶LCD控制功能的8位微控制器以其低功耗、高性能等優(yōu)勢(shì)，成為水表微控制器的優(yōu)質(zhì)選擇。

　　1 NEC山梨MR和Renesas MCU水表方案

　　該方案的工作原理為：在葉輪上裝上磁鐵，由磁場(chǎng)感應(yīng)器(MR Sensor)感知出葉輪的旋轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)感應(yīng)器(MR Sensor)把磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)量的加法或減法運(yùn)算，運(yùn)算值由液晶顯示或?qū)ν獠枯敵?。如圖1所示

　　方案結(jié)構(gòu)框圖如下：

　　2 Renesas MCU——78K0/Lx3微控制器介紹

　　Renesas電子78K0/Lx3微控制器是高性能8位通用微控制器，采用原NEC電子的78K0內(nèi)核，有48Pin～80Pin的多種封裝，內(nèi)置4Com/8Com模式的LCD驅(qū)動(dòng)，可以驅(qū)動(dòng)的LCD段數(shù)高達(dá)288段。

　　●LCD驅(qū)動(dòng)器

　　最大可實(shí)現(xiàn)36*8段位控制，共有6種顯示模式供選擇，內(nèi)/外部分組電壓。

　　●CSI通訊模塊1~2

　　可與IC卡接收器、短距離無(wú)線收發(fā)器、超聲波流量傳感器進(jìn)行通訊

　　●豐富的比較/觸發(fā)定時(shí)器

　　采集流量傳感器信號(hào)并精確計(jì)算出流量

　　●EEPROM模擬功能

　　通過(guò)flash的數(shù)據(jù)燒寫及特殊的管理方式代替EEPROM對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)

　　●振蕩電路

　　78K0/Lx3微控制器內(nèi)置高精度8MHz振蕩電路，并且可以通過(guò)寄存器去控制內(nèi)部振蕩電路的快慢。對(duì)于不需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘的水表，可以節(jié)約成本，加快軟件開發(fā)進(jìn)度。如果需要使用RTC，則需要外接32.768kHz的振蕩器，可以輕松實(shí)現(xiàn)階梯復(fù)費(fèi)率水費(fèi)。

　　●功耗

　　78K0/Lx3低于1μA的靜態(tài)功耗可以有效延長(zhǎng)電池使用壽命，而且有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。1.8V～5.5V的工作電壓可以最大限度的使用電池能量。內(nèi)置的16級(jí)LVI模塊更是免去了客戶的后顧之憂，隨時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓，一旦發(fā)現(xiàn)電池電壓下降過(guò)限，就立即通知用戶并存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。NEC電子水表方案是卡表方案，支持多種讀寫卡，通過(guò)卡座使用IIC協(xié)議與微控制器通訊。微控制器采用78K0/Lx3，帶LCD顯示控制功能，在功耗方面，通過(guò)各種節(jié)電措施，整機(jī)達(dá)到3.8μA的超低功耗。

　　3 NEC山梨MR傳感器

　　NEC山梨的MR磁傳感器是一種利用磁電阻反應(yīng)原理，把強(qiáng)磁性金屬合金薄膜蒸鍍?cè)诹薎C電路上的磁開關(guān)器件。其特點(diǎn)為：

　　●高靈敏度，高精度——靈敏度的一致性最高可達(dá)6高斯以內(nèi)。

　　●高可靠性——內(nèi)藏溫度保護(hù)電路，大幅提升了溫度特性的穩(wěn)定性。

　　●低功耗——工作電流1.5mA，工作在脈沖模式下，平均功耗可降到0.45uA.

　　●低成本。

　　●小型封裝。

　　與各種不同的感應(yīng)器件比較：

　　表1 感應(yīng)器件比較表

　　4 NEC山梨MR傳感器在水表中的應(yīng)用方案

　　磁傳感器適用于速度型水表，可分為旋翼式和螺翼式，磁場(chǎng)分布不同，有相應(yīng)的磁傳感器。

　　案例1：水平方向檢測(cè)

　　圖3 水平式磁感應(yīng)原理

　　案例2：垂直方向檢測(cè)

　　圖4 垂直式磁感應(yīng)原理

　　5 NEC山梨MR和Renesas MCU水表方案的功能和特性

　　·瞬間流量表示

　　·漏水檢測(cè)報(bào)警功能

　　·過(guò)大流量檢測(cè)報(bào)警功能

　　·逆流檢測(cè)

　　·零流量檢測(cè)