一种超低功耗高可靠性水表、电源切换及其计量方法与流程

本发明属于水表技术领域，具体是一种超低功耗高可靠性的水表。

背景技术：

目前，国内水表市场大多采用IC卡预付费式、双干簧管脉冲计量、超声波式、光电直读远传式等主流产品来计量，预付费式水表解决了计量缴费的问题，但并无法解决抄读方便、精度等问题；脉冲计量水表无法实时抄读，精度较差；超声波式水表精度虽高，但无法可靠的防止用户窃水，计量方式单一；光电直读远传式水表虽无电池、解决了电源问题，但存在精度差等问题。

针对以上问题，国内很多厂家已自行研发各种新型水表以适应目前市场应用，但大都在集抄和精度方面有较好的手段解决的。在可靠性及功耗方面一直处于落后的现状。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决背景技术问题，提出了一种超低功耗高可靠性的水表解决方案。采用干簧管脉冲计量方式与光电直读计量方式相结合的方法，解决了系统单一计量方式造成的故障无法及时处理造成系统瘫痪，需要上门维护的问题。同时提高计量精度、降低功耗、提高可靠性。

本发明的技术方案是：

一种超低功耗高可靠性水表，它包括单片机模块、电源模块、干簧管脉冲模块、脉冲上电模块、光电直读模块、MBUS通信模块和阀门控制模块，所述的电源模块与单片机模块连接，为单片机模块提供电源，MBUS通信模块与单片机模块连接，传输计量流量值，同时MBUS通信模块与电源模块连接，提供VBUS电源；干簧管脉冲模块与单片机模块连接，提供脉冲驱动信号并采集脉冲计量数据，同时干簧管脉冲模块与脉冲上电模块连接，脉冲上电模块与电源模块连接，驱动VBAT电源供电；光电直读模块与单片机模块连接，采集光电计量数据；单片机模块的的控制信号输出端与阀门控制模块相连，控制水表阀门的启闭。

本发明的干簧管脉冲模块包括电阻R7、R8、R19、R20、R21、R22，三极管Q6、Q7，二极管D4、D5和干簧管H1、H2，所述的三极管Q7的基极连接干簧管H1的一端和脉冲上电模块，干簧管H1的另一端串接电阻R21，R21的另一端接VGG，三极管Q7的发射极串接电阻R8之后接地，三极管Q7的集电极串接电阻R7之后接电源VCC，三极管Q7的集电极和电阻R7的连接点作为干簧管H1的脉冲信号输出端Pulse1与单片机模块的对应信号采集端相连；三极管Q6的基极连接干簧管H2的一端和脉冲上电模块，干簧管H2的另一端串接电阻R22，R22的另一端接VGG，三极管Q6的发射极串接电阻R20之后接地，三极管Q6的集电极串接电阻R19之后接电源VCC，三极管Q6的集电极和电阻R19的连接点作为干簧管H2的脉冲信号输出端Pulse2与单片机模块的对应信号采集端相连；前述VGG端连接二极管D4和D5的负极，二极管D4和D5的正极分别连接电源VBAT和电源VBUS，任一干簧管闭合时，VGG提供驱动电压导通Q6或Q7。

本发明的电源模块包括VBAT电源、VBUS电源、电容C1、C2、电阻R13-R18、三极管Q3、Q4以及二极管D1-D3；所述的VBAT电源即电池，并接滤波电容C1、C2，VBAT电源的正极与三极管Q3的发射极相连，三极管Q3的基极接电阻R16的一端，电阻R16的另一端接二极管D3的负极，电阻R16与二极管D3负极的连接点串联电阻R15之后接地，二极管D3的正极接二极管D1的正极以及VBUS电源，VBUS电源通过MBUS通信模块从MBUS总线取电，三极管Q3的集电极接三极管Q4的发射极，三极管Q4的集电极接二极管D2的正极，二极管D2的负极与二极管D1的负极相连作为供电信号输出端即电源VCC，三极管Q4的发射极和基极之间并联电阻R17，三极管Q4的基极串接电阻R18之后接三极管Q5的集电极，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极接脉冲上电模块。

本发明的脉冲上电模块包括电阻R9-R14，三极管Q5，电阻R9和R11的一端分别串接电容C3、C4之后接电阻R10、R12的一端，R10和R12的另一端接地，电阻R9和R11的另一端并接，并且与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端串接电阻R13之后接地，电阻R13与电阻R14的连接点作为电源控制信号P_CTRL接单片机模块的电源控制信号端，电阻R14、R9和R11的连接点作为另一端作为脉冲上电模块的供电信号输出端接三极管Q5的基极。

一种超低功耗高可靠性水表的电源切换方法，应用超低功耗高可靠性水表，使用MBUS总线供电时，系统处于休眠工作模式，有脉冲或通信时中断唤醒单片机处理数据；MBUS总线断开时，切换进入VBAT工作模式，系统处于零功耗工作状态，此时若有脉冲产生干簧管闭合，脉冲上电模块驱动系统上电，通过电池供电计量，数据存储后控制断电，恢复零功耗工作状态。

本发明包括以下步骤：单片机模块持续检测VBUS电源电压；

当VBUS电源有电时，进入VBUS工作模式，VBUS电源经二极管D1输出到电源VCC，二极管D3驱动三极管Q3关断，将电池VBAT电路关闭，系统处于持续供电状态，无脉冲或无通信时系统处于休眠状态，有脉冲或通信中断唤醒单片机处理数据；

当VBUS电源无电时，即单片机模块经中断检测到VBUS为0时，单片机模块将P_CTRL信号输出高电平，使得VBAT电源经三极管Q3、Q4、二极管D2输出到VCC继续为系统供电，同时切换工作模式为断电模式，保存数据状态，并将P_CTRL输出低电平控制系统断电，进入VBAT工作模式。

本发明中，VBAT工作模式时，系统处于停电无工作状态，电池无消耗；(此时单片机无法检测H1和H2的闭合，需通过硬件方式驱动系统上电：H1或H2闭合时脉冲上电模块使单片机模块上电，检测Pulse1或Pulse2，即H1或H2是否闭合)；

当无脉冲信号时，单片机处于断电零功耗状态；

当有脉冲信号时，即当干簧管H1或者H2闭合时，脉冲上电模块的C3或C4输出脉冲电压，经过R9或R11导通Q5，三极管Q3、Q4、导通，VBAT电源经过二极管D2为单片机模块上电，系统启动单片机模块将电源控制信号端P_CTRL置为高电平，保持VCC电源稳定，(此时由于经过C3/R9或C4/R11到三极管Q5的导通脉冲电压已消失，电容具有通交阻直的特性，直流电压有瞬间脉冲认为交流信号，直流电压保持稳定后C3与R9连接处或C4与R11连接处已经处于低电平，所以必须使用P_CTRL持续导通Q5才能保证系统不掉电；)三极管Q7或者Q6导通，单片机模块采集到脉冲信号输出端Pulse1或Pulse2的脉冲信号，单片机模块记录干簧管脉冲n，同时采用光电直读模块读取编码值，处理计量数据之后，单片机将电源控制信号端P_CTRL置为低电平，Q5不导通VBAT电源断电，VCC断电单片机模块恢复断电零功耗状态。

本发明中，当检测到干簧管H1和H2同时闭合时，则判断该水表受到磁干扰，单片机模块记录并且发出报警信号，同时关闭阀门。

一种超低功耗高可靠性水表的计量方法，应用超低功耗高可靠性水表，它包括以下步骤：

S1、采用干簧管脉冲模块和光电直读模块分别获取水表的计量数据即脉冲个数n和光电传感器编码示值Q_o′(n)发送至单片机模块；

S2、采用下述公式对计量结果进行校准，得到校准后实际流量值Q(n)，

Q_o(n)＝Q'_o(n)-A (式2)

其中：n表示脉冲个数；Q_p(n)表示干簧管脉冲模块计量流量值；Q_o(n)表示光电直读模块计算流量值；Q_o′(n)表示光电传感器编码示值；Q(n)表示校准后实际流量值；A表示光电传感器计量初值，水表初次使用时当Q_p(n)＝0，Q_o′(n)≠0时，则A＝Q_o′(n)，否则A＝0；K表示修正系数。

本发明中，单片机模块根据光电直读模块计算流量值Q_o(n)和干簧管脉冲模块计量流量值Q_p(n)的大小判断计量方式的故障，具体公式如下：

当Q_o(n)-Q_p(n)>1时，干簧管脉冲模块无法有效计量，选择使用光电直读模块计量数据Q_o(n)作为计量值；

当Q_p(n)-Q_o(n)>1时，光电直读模块故障无法有效计量，选择干簧管脉冲模块计量数据Q_p(n)作为计量值；

本发明中，采用下述公式根据当前Q_p(n)与Q_o(n)的较大值与较小值的比值计算K，

本发明的有益效果：

本发明通过对两种计量方式的计量值进行校准、比较，由单一计量方式造成的较大误差可通过此法提高精度，同时可保证其中一种计量方式的故障或人为破坏产生的无法计量而造成的经济损失。

本发明优先使用MBUS总线供电，MBUS总线断开时，系统处于零功耗，有脉冲产生干簧管传感器闭合可通过电池自动为系统供电计量；MBUS总线工作正常时，系统处于休眠状态，干簧管闭合脉冲产生唤醒单片机计量，或有MBUS通信时唤醒读取当前流量。

本发明有强磁干扰时可自动关闭阀门防止窃水，强磁干扰解除自动开阀。一种计量方式的故障可以由另一计量方式检测并进行算法修正，发出报警信号。既可以使用校准算法提高计量精度，同时也提高了系统可靠性、安全性。

附图说明

图1是流量与脉冲个数坐标图。

图2是电源切换与脉冲驱动采集电路。

图3是系统原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图3所示，一种超低功耗高可靠性水表，它包括单片机模块、电源模块、干簧管脉冲模块、脉冲上电模块、光电直读模块和阀门控制模块，所述的电源模块与单片机模块连接，为单片机模块提供电源，MBUS通信模块与单片机模块连接，传输计量流量值，同时MBUS通信模块与电源模块连接，提供VBUS电源；干簧管脉冲模块与单片机模块连接，提供脉冲驱动信号并采集脉冲计量数据，同时干簧管脉冲模块与脉冲上电模块连接，脉冲上电模块与电源模块连接，驱动VBAT电源供电；光电直读模块与单片机模块连接，采集光电计量数据；单片机模块的的控制信号输出端与阀门控制模块相连，控制水表阀门的启闭。

如图2所示，本发明的干簧管脉冲模块包括电阻R7、R8、R19、R20、R21、R22，三极管Q6、Q7，二极管D4、D5和干簧管H1、H2，所述的三极管Q7的基极连接干簧管H1的一端和脉冲上电模块，干簧管H1的另一端串接电阻R21，R21的另一端接VGG，三极管Q7的发射极串接电阻R8之后接地，三极管Q7的集电极串接电阻R7之后接电源VCC，三极管Q7的集电极和电阻R7的连接点作为干簧管H1的脉冲信号输出端Pulse1与单片机模块的对应信号采集端相连；三极管Q6的基极连接干簧管H2的一端和脉冲上电模块，干簧管H2的另一端串接电阻R22，R22的另一端接VGG，三极管Q6的发射极串接电阻R20之后接地，三极管Q6的集电极串接电阻R19之后接电源VCC，三极管Q6的集电极和电阻R19的连接点作为干簧管H2的脉冲信号输出端Pulse2与单片机模块的对应信号采集端相连；前述VGG端连接二极管D4和D5的负极，二极管D4和D5的正极分别连接电源VBAT和电源VBUS，任一干簧管闭合时，VGG提供驱动电压导通Q6或Q7。

本发明的电源模块包括VBAT电源、VBUS电源、电容C1、C2、电阻R13-R18、三极管Q3、Q4以及二极管D1-D3；所述的VBAT电源即电池，并接滤波电容C1、C2，VBAT电源的正极与三极管Q3的发射极相连，三极管Q3的基极接电阻R16的一端，电阻R16的另一端接二极管D3的负极，电阻R16与二极管D3负极的连接点串联电阻R15之后接地，二极管D3的正极接二极管D1的正极以及VBUS电源，VBUS电源通过MBUS通信模块从MBUS总线取电，三极管Q3的集电极接三极管Q4的发射极，三极管Q4的集电极接二极管D2的正极，二极管D2的负极与二极管D1的负极相连作为供电信号输出端即电源VCC，三极管Q4的发射极和基极之间并联电阻R17，三极管Q4的基极串接电阻R18之后接三极管Q5的集电极，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极接脉冲上电模块。

本发明的脉冲上电模块包括电阻R9-R14，三极管Q5，电阻R9和R11的一端分别串接电容C3、C4之后接电阻R10、R12的一端，R10和R12的另一端接地，电阻R9和R11的另一端并接，并且与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端串接电阻R13之后接地，电阻R13与电阻R14的连接点作为电源控制信号P_CTRL接单片机模块的电源控制信号端，电阻R14、R9和R11的连接点作为另一端作为脉冲上电模块的供电信号输出端接三极管Q5的基极。

具体实施时：

1)累积流量的计算方法：

n为两个干簧管产生脉冲的累加和，即一对脉冲计量0.01m³。

Q_p(n)值确定：如图1所示，脉冲计量采用双干簧管方式，当n％2＝0时，计量0.01m³，因此，可近似认为Q_p(n)＝0.01×n/2，如图中实直线Q_p(n)所示。

Q_o′(n)值确定：光电传感器采用5对光电收发传感器，采用二进制编码方式记录数字0～9的编码，转换为光电瞬时流量Q_o′(n)。

A值确定：初次使用水表，当Q_p(n)＝0时，如Q_o′(n)≠0，则A＝Q_o′(n)，否则A＝0。

Q_o(n)值确定：光电传感器1m³计量一次，当干簧管累积流量值Q_p(n)的进位单元小于1m³,如图1所示，光电累积流量Q_o(n)始终保持不变，只有计度器最低刻度旋转进位，Q_o(n)进位记录1m³；因此，光电累积流量值可近似认为Q_o(n)＝Q_o′(n)-A,计度器最低刻度初始位置将影响Q_o(n)的变化，将产生Q_o(n)的折线形状，如图1虚折线Q_o(n)所示。

K值确定：脉冲计量与光电读数的计量方式在实际使用中，由于机械部件的滞后效应，理论计量值比实际计量值大，因此比较实际计量值Q_p(n)与Q_o(n)的大小，计算修正系数K，得到的校准值近似接近理论值。

Q(n)值确定：累积流量值将根据式3计算得到。当水表初次使用，光电累积流量值Q(n)＝0时，以脉冲累积流量Q_p(n)的值作为当前累积流量即Q(n)＝Q_p(n)；当两种计量方式计量值相差1以上时，认为其中一种计量方式故障，可取较大值作为当前累积流量，如式4所示；正常情况下，取两者的均方根平均值作为基数，乘以修正系数K得到校准后的流量值。

2)电源管理方案：

单片机检测VBUS是否为低电平来切换供电方式。供电状态下检测到VBUS＝0，单片机将及时切换到VBAT供电方式，保存数据并切换到掉电模式；当系统检测到VBUS为高电平时将切换到VBUS供电方式，切换系统为休眠模式。

如图2所示，在VBUS总线电源供电时，图中Q3三极管不导通，VBUS电源经二极管D1输出到VCC，VBAT电源系统关闭，系统处于持续供电状态；无脉冲时系统处于休眠模式，功耗低于2uA；当干簧管H1或H2闭合时，将通过三极管Q7或Q6产生脉冲Pulse1或Pulse2，中断唤醒单片机记录脉冲，同时采集光电传感器编码值，对Qp(n)与Qo(n)进行计算，再经过校准得到Q(n)值，工作时系统电流消耗在1mA左右，保存数据后系统再次进入休眠模式。

如图2所示，系统检测到VBUS＝0时，Q3基极经过R16与R15连至GND，Q3导通，系统将切换到VBAT供电模式，同时P_CTRL置高电平，此时Q5导通，Q5驱动Q4三极管导通，VBAT电源经过Q4三极管、D2二极管连至VCC为系统供电，保存工作状态后进入掉电状态。

在VBAT供电模式下，无脉冲时系统处于断电状态，功耗为0，当干簧管H1或H2闭合，将通过脉冲驱动电路C3/R9或C4/R11驱动三极管Q5导通，同时将Q4导通，VCC有电，单片机将P_CTRL置高电平为系统持续供电，同时单片机查询Pulse1及Pulse2电平状态，判断脉冲是否有效或磁干扰产生，有脉冲产生则记录脉冲并计算流量值，如果是磁干扰将进行关阀报警；单片机操作完毕后将P_CTRL置为低电平，Q5不导通，Q4将不导通，VCC将变为低电平，系统断电。

3)安全管理

系统检测MBUS总线断开，记录报警状态；当两种计量方式的累积流量差值大于1m³时，其中一种计量方式故障，将使用另一种计量方式的累积流量作为实际流量。

当有强磁干扰时自动关闭阀门，强磁解除下一个脉冲到来自动开阀，防止窃水；

一种计量方式的故障可以由另一计量方式检测并将算法修正，记录故障代码，并发出报警信号。

尽管本发明已经参照附图进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化的等同物均在本发明权利要求书内容的涵盖范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。