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基于PICl6F628A芯片的无线远传水表的设计
电子发烧友
摘要: O概述随着无线电技术、通讯技术和单片机技术的发展,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通过广泛的市场调研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
关键词: PIC PICl6F628A 水表 CC1100
Abstract:
Key words :

  随着无线电技术、通讯技术和单片机技术的发展,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

  通过广泛的市场调研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。

  

无线智能远传水表的组成单元 www.elecfans.com

 

  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。该单片机指令为单字节指令,避免程序“跑飞”造成”死机”。高可靠性的看门狗自带RC振荡器,能够避免程序锁死,进一步增加了抗干扰能力。休眠(断电)模式功耗为微功耗,工作时可从休眠状态唤醒,精密设计其工作过程,可使功耗达到节约的极限。为了降低整机的功耗,单片机的主时钟选用内部时钟4M(通过设置电源控制寄存器PCON的BIT3=1实现),这样单字节指令执行时间为1s,调用和条件转移指令需要2 μs。设置单片机工作平时在睡眠状态,只有在定时时间到或有水量信息时才被中断唤醒。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(通过设置控制寄存器T1CON的BIT4,BIT5=1),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Smart Studio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最优化设置,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。

  

无线智能远传水表连接示意图

 

  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。本产品在天津自来水公司进行了试用,数据采集的准确率大于92%以上,具有良好的经济和社会效益。

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