微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，该装置包括第一值守电路、第二值守电路、工作电路、值守电源、工作电源，第一值守电路和第二值守电路均为微功耗设计的CMOS逻辑电路，各值守电路的工作电流均为微安级，工作电源具有开通和关闭状态并在非降雨时处于关闭状态，第一值守电路将降雨时翻斗式雨量传感器的脉冲信号锁存并产生唤醒信号，第二值守电路接收唤醒信号并控制工作电源开通从而为工作电路供电，工作电路读取第一值守电路锁存的脉冲信号并在进行脉冲信号数据处理后控制第二值守电路关闭工作电源。实现在非降雨时期，本实用新型所述装置工作于微安级功耗状态，能够节约能源，延长一次电池使用寿命的优点。
【专利说明】微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及数据采集【技术领域】，特别涉及一种微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，用于水利、水文、城乡防汛、地质灾害等自动监测领域的翻斗式雨量传感器脉冲信号采集，可以综合降低脉冲信号数据采集装置功耗，同时避免丢失雨量脉冲信号。
【背景技术】
[0002]翻斗式雨量传感器适用于气象台、水文站、农林、国防等有关部门用来遥测降雨量、降雨强度、降雨起止时间，用于防洪、供水调度、电站水库水情管理为目的水文自动测报系统、自动野外测报站，为降雨测量传感器。翻斗式雨量传感器包括翻斗、磁钢、干簧管等部件，降雨时翻斗翻转，翻斗侧壁上的磁钢随翻斗翻动时从干簧管旁扫描，使干簧管通断送出脉冲信号计数，采集并记录该脉冲信号数据，可得到一定的毫米数的降雨量。
[0003]目前，常规的翻斗式雨量传感器脉冲信号采集方式是:将翻斗式雨量传感器的干簧管吸合并断开时产生的脉冲信号直接接入嵌入式MCU的P1端口，通过P1中断或程序扫瞄P1端口采集脉冲信号。该种方式需要作为采集装置的嵌入式MCU及其外围电路始终处于上电工作状态，这样就会消耗一定的电能，不便于将采集装置的耗电降低到微安级状态，即功耗相对较高，进而还会降低采用一次电池供电的采集装置电池的使用寿命。
实用新型内容
[0004]本实用新型针对目前的翻斗式雨量传感器脉冲信号采集方式功耗高并且采集装置一次电池使用寿命偏低的问题，提供一种微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，实现在绝大部分非降雨时期，该采集装置工作于微安级微功耗状态，具有节约能源，延长一次电池使用寿命的优点，尤其适用于野外环境运行。
[0005]本实用新型的技术方案如下:
[0006]一种微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，其特征在于，包括第一值守电路、第二值守电路、工作电路、值守电源、工作电源，所述第一值守电路和第二值守电路均为微功耗设计的CMOS逻辑电路，所述各值守电路的工作电流均为微安级，所述工作电路包括MCU及其外围电路，所述值守电源为各值守电路供电，所述工作电源为工作电路供电，所述工作电源具有开通和关闭状态并在非降雨时处于关闭状态，所述第一值守电路将降雨时翻斗式雨量传感器的脉冲信号锁存并产生唤醒信号，所述第二值守电路接收唤醒信号并控制工作电源开通从而为工作电路供电，所述工作电路读取第一值守电路锁存的脉冲信号并在进行脉冲信号数据处理后控制第二值守电路关闭工作电源。
[0007]所述工作电路在读取第一值守电路锁存的脉冲信号后清除所述锁存信号，为下次降雨锁存脉冲信号做准备。
[0008]所述工作电路进行脉冲信号数据处理包括完成脉冲信号的非易失性存贮以及向远端的数据中心发送所述数据信息。
[0009]所述第一值守电路包括依次连接的脉冲成型电路和脉冲锁存电路，所述脉冲成型电路将翻斗式雨量传感器发出的脉冲信号整形成负逻辑的脉冲信号并产生唤醒信号，所述脉冲成型电路与第二值守电路相连，所述脉冲锁存电路接收并锁存所述负逻辑的脉冲信号。
[0010]所述第二值守电路包括RS触发器，所述RS触发器在唤醒信号的控制下翻转进而控制工作电源开通，所述RS触发器在工作电路中的MCU的掉电控制输出端口的控制下翻转进而控制工作电源关闭。
[0011]所述工作电路在进行脉冲信号数据处理后进行延时处理，并在延时后进一步判断第一值守电路锁存信号的逻辑状态以检测是否有降雨事件发生，在所述逻辑状态为O时控制第二值守电路关闭工作电源。
[0012]本实用新型的技术效果如下:
[0013]本实用新型涉及的微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，包括第一值守电路、第二值守电路、工作电路、值守电源、工作电源，值守电路微功耗设计主要包括微功耗低电压设计的CMOS逻辑电路，值守电路由值守电源长期供电并且值守电路的工作电流为微安级，工作电路由可关断的工作电源供电，工作电路对翻斗式雨量传感器的脉冲信号数据具有足够的处理能力，但是只在降雨的时间段内工作，其它非降雨期间，MCU及其外围电路的供电的工作电源被关断，不消耗电能，此时只有值守电路工作，故本实用新型的采集装置此时的综合耗电降低至微安级状态；当降雨事件产生时，第一值守电路锁存翻斗式雨量传感器产生的脉冲信号(即降雨信号)，并产生唤醒信号通过第二值守电路控制工作电路(MCU及其外围电路)加电工作，工作电路在采集、处理降雨信号等工作完成后控制第二值守电路关闭工作电源，即自动关闭MCU及其外围电路供电。这样，只有在降雨事件发生的短时间内，耗电较高的MCU及其外围电路才工作，绝大部分非降雨时期只有各值守电路工作，此时该采集装置的工作于微安级微功耗状态，可极大地降低采集装置的综合耗电，延长采集装置一次电池的使用寿命，同时避免丢失雨量脉冲信号，而且采集装置可采用一次性电池长期工作或采用小规模太阳能等值守电源供电连续工作，更适用于野外环境运行，在微安级状态耗电的情况下实现雨量脉冲信号采集，便于后续的降水遥测等目的。
[0014]第一值守电路设置脉冲成型电路和脉冲锁存电路，脉冲成型电路与翻斗式雨量传感器相连，用于滤除翻斗式雨量传感器内干簧管导通及关断瞬间产生的弹跳干扰，并形成合适脉宽的负逻辑单稳脉冲信号。脉冲锁存电路是微功耗低电压CMOS逻辑电路，结构简单易实现，具有暂存和记忆功能，便于锁存翻斗式雨量传感器的脉冲信号，并方便MCU读取和检测该锁存的脉冲信号。
[0015]工作电路在脉冲信号数据处理后进行延时，进一步验证MCU输入端口逻辑状态，即读取D触发器锁存的脉冲信号判断降雨是否持续，在逻辑为I时工作电路继续采集和处理该脉冲信号数据，在逻辑为O时自动关闭MCU及其外围电路供电，这样在持续降雨时，大大减少了工作电路的供电关闭次数，在降雨完成后再关闭其供电，能够更高效的完成翻斗式雨量脉冲信号采集，提高本实用新型所述采集装置的工作效率。
[0016]RS触发器电路简单，可以采用两个或非门构成，RS触发器在唤醒信号以及MCU掉电控制输出端口的控制下均翻转，由RS触发器的状态控制工作电源开通或关闭。
【专利附图】
【附图说明】[0017]图1为本实用新型微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置的优选结构框图。
[0018]图2为本实用新型微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置的电路结构示意图。
[0019]图3为本实用新型微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置的工作流程图。
[0020]图4为本实用新型微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置的优选工作流程图。
[0021]图中各标号列示如下:
[0022]I 一翻斗式雨量传感器；2 —第一值守电路；3 —第二值守电路；4 一工作电路；Ul 一值守电源；U2 —工作电源。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型进行说明。
[0024]本实用新型公开了一种微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，包括第一值守电路、第二值守电路、工作电路、值守电源、工作电源，第一值守电路和第二值守电路均为微功耗低电压设计的CMOS逻辑电路，各值守电路的工作电流均为微安级，工作电路包括MCU及其外围电路，值守电源为各值守电路供电，工作电源为工作电路供电，工作电源具有开通和关闭状态并在非降雨时处于关闭状态，本实用新型所述采集装置的优选结构框图如图1所示，优选第一值守电路包括依次连接的脉冲成型电路和脉冲锁存电路，优选第二值守电路为工作电源控制电路，脉冲成型电路的输入端与翻斗式雨量传感器的输出端相连，脉冲成型电路的输出端连接脉冲锁存电路的输入端和工作电源控制电路的输入端相连，工作电源控制电路的输出端连接脉冲锁存电路的输入端，脉冲锁存电路与工作电路相连，工作电路的掉电控制输出端与工作电源控制电路相连。
[0025]翻斗式雨量传感器发出的脉冲信号输入至脉冲成型电路，脉冲成型电路将所述脉冲信号整形成负逻辑的脉冲信号并产生唤醒信号，脉冲锁存电路接收并锁存该负逻辑的脉冲信号，工作电源控制电路接收唤醒信号，该唤醒信号实质为上电控制信号，工作电源控制电路接收该唤醒信号后控制工作电源开通从而为工作电路供电；工作电路读取脉冲锁存电路锁存的脉冲信号并在读取后清除所述锁存信号，为下次降雨锁存脉冲信号做准备，工作电路再进行脉冲信号数据处理如完成脉冲信号的非易失性存贮以及向远端的数据中心发送所述数据信息等工作，工作电路在工作完成后再对工作电源控制电路执行掉电控制，由工作电源控制电路关闭工作电源。
[0026]本实用新型的微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置通过微功耗设计的值守电路执行降雨检测工作，在未降雨时，只有极低微安级别耗电的值守电路工作，检测降雨是否发生。降雨时，值守电路锁存降雨事件信号，并产生WAKEUP唤醒信号控制MCU及其外围电路加电工作，采集、处理降雨事件信号，工作完成后自动关闭MCU及其外围电路供电。
[0027]图2为本实用新型微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置的电路结构示意图，该装置包括第一值守电路2、第二值守电路3、工作电路4、值守电源U1、工作电源U2。可以理解为本实用新型采集装置的硬件电路分为值守电路和工作电路两大部分，值守电路中的第一值守电路2和第二值守电路3采用微功耗设计，值守时其工作电路可降至微安级，工作电路4具有足够的处理能力，但只在发生降雨的一小段时间内工作，其它绝大部分时间处于断电状态。采集装置的供电电源分为两部分，其中一部分为微功耗的值守电源U1，该值守电源Ul只消耗数微安的静态电流，长期为值守电路供电；另一部分为工作电源U2，可根据要求开通或关断，具有一定的供电能力，为MCU及其外围电路供电。第二值守电路3优选采用两个“或非”门构成的RS触发器，该RS触发器在WAKEUP唤醒信号以及MCU的掉电控制输出端口 P1_SHDN的控制下均翻转，由RS触发器的状态控制工作电源开通或断开。第一值守电路2包括脉冲成型电路和脉冲锁存电路，脉冲锁存电路优选为结构简单的D触发器。翻斗式雨量传感器在翻斗侧壁上装有磁钢，它随翻斗翻动时从舌簧管旁扫描，使舌簧管通断。即翻斗每翻倒一次，舌簧管便接通一次送出一个脉冲信号。这样翻斗翻动次数用磁钢扫描舌簧管通断送出脉冲信号计数，每记录一个脉冲信号，可以代表如0.1,0.2毫米的降水，采集并记录该脉冲信号数据，可得到一定的毫米数的降雨量，实现降水遥测的目的。通过值守电路检测翻斗式雨量传感器I的干簧管SI的开关状态(只在降雨事件发生时开通)，整体的值守电路耗电低至微安级。
[0028]在非降雨时，采集装置关闭工作电源U2，微功耗的值守电源Ul为值守电路供电，检测是否有降雨事件发生。
[0029]降雨时，翻斗式雨量传感器I的翻斗翻转，带动翻斗侧壁上的磁钢移动到干簧管SI附近，干簧管SI吸合并释放导致开关闭合再断开，产生的信号经反相器U10A、电阻R4、电容C2、与非门U9A构成的脉冲成型电路进行整形，用于滤除翻斗式雨量传感器内干簧管导通及关断瞬间产生的弹跳干扰，并形成合适脉宽的负逻辑单稳脉冲信号。该负逻辑单稳脉冲信号分成两路，一路信号触发D触发器锁存降雨事件信号，另一路信号经过反相器U4B产生WAKEUP唤醒信号使RS触发器翻转，控制工作电源U2为MCU及其外围电路供电，即RS触发器在唤醒信号的控制下翻转进而控制工作电源U2开通。
[0030]由工作电源U2的状态信号形成CLR_EN信号，该信号用于在MCU未工作时避免因EVT_CLR信号异常导致清除D触发器锁存信号；该信号还用于在MCU未工作时避免D触发器至MCU的电流泄漏。工作电源U2在建立稳定工作电压之前，产生的CLR_EN信号为逻辑“0”，该信号保持MCU处于复位状态，同时禁止EVT_CLR起作用、将ΡΙ0_ΙΝ输入端口设置为逻辑“O”。工作电源U2建立稳定的工作电压之后，CLR_EN信号变为逻辑“1”，完成MCU复位，同时，将D触发器锁存信号导入MCU的ΡΙ0_ΙΝ输入端口，同时使能EVT_CLR控制信号。
[0031]在降雨事件产生时，D触发器锁存降雨事件信号，等待MCU加电工作后，由MCU读取锁存的信号，读取完成之后再清除D触发器锁存信号，避免因MCU的建立时延可能带来的丢失事件情况发生。具体工作流程图如图3所示:MCU复位完成后，程序查询ΡΙ0_ΙΝ输入端口逻辑状态，检测是否有降雨事件发生，如果检测到ΡΙ0_ΙΝ输入端口逻辑为“ I ”，则表示有降雨事件发生，控制P10_CLR输出端口输出负逻辑的脉冲信号EVT_CLR，清除D触发器锁存信号，为下次锁存降雨信号做好准备，并且程序控制降雨计数值加“ I ”。清除D触发器锁存信号以及程序控制降雨计数值加“I”的这两个步骤可互换。MCU将采集到的降雨脉冲信号进行如降雨数据非易失存贮、向数据中心发送降雨数据等数据处理工作。工作电路4中的MCU完成以上工作后，控制P10_SHDN掉电控制输出端口输出正逻辑脉冲信号作为掉电控制信号，控制RS触发器翻转关闭工作电源U2，MCU停机，只有各值守电路以及值守电源Ul工作。在检测到ΡΙ0_ΙΝ输入端口逻辑不为“ I ”时，表示无降雨事件发生，则工作电路4直接通过P10_SHDN端口输出掉电控制信号，关闭为工作电路4供电的工作电源U2，MCU停机。
[0032]这样，只有在降雨事件发生的期间内，耗电较高的MCU及其外围电路才工作，在绝大部分非降雨时期，关闭工作电路的工作电源，MCU及其外围电路不工作，只有各值守电路以极低功耗检测降雨事件发生，此时本实用新型所述采集装置工作在微安级的功耗状态，可极大地降低采集装置的综合耗电。以便于在无交流供电的野外环境下，采集装置可采用一次性电池供电长时间工作，或采用小规模太阳能电池供电长期运行，以构成一次性电池供电或小规模太阳能电池供电的微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置。
[0033]工作电路4在完成脉冲信号数据处理后还可以进行延时处理，如图4所示优选工作流程图，与图3所示的工作流程的区别是，MCU在完成降雨数据非易失存贮、向数据中心发送降雨数据等工作后进行延时，继续检测ΡΙ0_ΙΝ输入端口逻辑状态是否为“1”，即继续检测降雨是否连续，在逻辑为“I”时再次清除D触发器锁存信号，将降雨计数值加“I”以及进行非易失存贮和发送处理等数据处理工作，在逻辑状态为“O”时控制RS触发器翻转关闭工作电源U2，工作电路4停止工作。这样在持续降雨时可以通过工作电路4连续读取锁存的翻斗式雨量脉冲信号，直至没有降雨时再关闭工作电源U2，提高本实用新型微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置的工作效率。
[0034]应当指出，以上所述【具体实施方式】可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
【权利要求】
1.一种微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，其特征在于，包括第一值守电路、第二值守电路、工作电路、值守电源、工作电源，所述第一值守电路和第二值守电路均为微功耗设计的CMOS逻辑电路，所述各值守电路的工作电流均为微安级，所述工作电路包括MCU及其外围电路，所述值守电源为各值守电路供电，所述工作电源为工作电路供电，所述工作电源具有开通和关闭状态并在非降雨时处于关闭状态，所述第一值守电路将降雨时翻斗式雨量传感器的脉冲信号锁存并产生唤醒信号，所述第二值守电路接收唤醒信号并控制工作电源开通从而为工作电路供电，所述工作电路读取第一值守电路锁存的脉冲信号并在进行脉冲信号数据处理后控制第二值守电路关闭工作电源。
2.根据权利要求1所述的微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，其特征在于，所述工作电路在读取第一值守电路锁存的脉冲信号后清除所述锁存信号，为下次降雨锁存脉冲信号做准备。
3.根据权利要求1或2所述的微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，其特征在于，所述工作电路进行脉冲信号数据处理包括完成脉冲信号的非易失性存贮以及向远端的数据中心发送所述数据信息。
4.根据权利要求3所述的微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，其特征在于，所述第一值守电路包括依次连接的脉冲成型电路和脉冲锁存电路，所述脉冲成型电路将翻斗式雨量传感器发出的脉冲信号整形成负逻辑的脉冲信号并产生唤醒信号，所述脉冲成型电路与第二值守电路相连，所述脉冲锁存电路接收并锁存所述负逻辑的脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，其特征在于，所述第二值守电路包括RS触发器，所述RS触发器在唤醒信号的控制下翻转进而控制工作电源开通，所述RS触发器在工作电路中的MCU的掉电控制输出端口的控制下翻转进而控制工作电源关闭。
6.根据权利要求1所述的微功耗翻斗式雨量脉冲信号采集装置，其特征在于，所述工作电路在进行脉冲信号数据处理后进行延时处理，并在延时后进一步判断第一值守电路锁存信号的逻辑状态以检测是否有降雨事件发生，在所述逻辑状态为O时控制第二值守电路关闭工作电源。
【文档编号】G05B19/042GK203825217SQ201420121165
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】邹勇军, 冯庆林, 刘玥玲 申请人:基康仪器股份有限公司