专利名称：无线无源水表和气表的制作方法
技术领域：
本发明涉及容积、流量、质量流量或液位的测量，尤其涉及一种无线无源水表和气表。
背景技术：
当前，已经提出了一系列具有远传功能的水表、气表等(户用)仪表，其中一种是通过脉冲式计数进行数字化处理，即，对于某一转动机械采用光、磁等效应产生脉冲式电信号，累加出读数。这种方法存在一些缺点(1)机械读数和电子读数，往往不统一，容易产生纠纷；(2)电子脉冲误差被永久地累加在结果中；(3)电子脉冲的测量系统必须一直供电。
于是提出了总线式无源远传水表、气表，平时无须向仪表供电，需要抄表时才通过总线向仪表供电。这种总线式无源远传水表(气表等)的缺点是，工作时必须由外部电源通过总线向仪表供电，不利于密封，操作不方便，甚至在某些使用场合，布线非常困难，如深埋地下的水表、气表抄读。即使可以布线，在恶劣的潮湿环境中，电气触点很容易被腐蚀、老化。本发明可以避免这些缺点，主站采用无线电波非接触式供电方式，水表、气表及其天线等电路可以完全被密封，不露任何电气触点，无须电池供电，并能无线抄读。
射频(RFID)卡技术已经把无线电波同时作为电能传输和数据传输通道，但RFID卡不提供单片机接口，所以，RFID读写器不能与水表、气表中单片机交换数据。把本发明正是把这种射频技术，设计到水表、气表自动抄表系统中来。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线无源水表和气表。
无线无源水表和气表具有智能水表、气表及其抄读它们的主站，智能水表、气表是在水表、气表的机械字轮上刻有绝对式编码，在水表、气表的机械字轮两侧安装红外发射接收管，在水表、气表中安装有无线电波接收和调制电路，主站是无线电波发射和接收电路。
水表、气表中的无线电波接收和调制电路是线圈L2、电容C2和MOS管R2并联的两端与整流稳压电路相接，整流稳压电路输出的电压端与单片机的电源端相接，线圈L2、电容C2和MOS管R2并联的一端与间隙检测电路、时钟信号提取电路相接，再分别连到单片机，MOS管R2栅极依次与负载调制电路、单片机相接，单片机与红外发射管电路、红外接收管电路相接。
主站中的无线电波发射和接收电路是线圈L1一端与电容C1一端相接后依次与解调电路、低通滤波电路、放大电路、施密特触发电路、单片机相接，单片机依次与与非门电路、推挽驱动电路相接，推挽驱动电路分别与电容C1另一端、电阻R1一端相接，电阻R1另一端与线圈L1另一端相接，晶振电路与与非门电路相接，单片机与电源、串行通信RS232电路相接。
绝对式编码是在机械字轮的同一圆周上进行0、1绝对式循环编码，按18度均匀编码，共20个，镂空的地方标识为1，没有镂空的地方标识为0。
红外光电管识别编码是至少安装5对发射接收管，或者安装6个发射管5个接收管，或者安装7个发射管5个接收管，或者安装5个发射管6个接收管，或者安装5个发射管7个接收管。
红外光电管的位置是按18度等距离安装，发射管与接受管或者在同一角度上，或者错位18度。
本发明的有益效果1)在字轮的同一圆周上进行绝对式编码，占用面积少，容易加工；2)智能水表、气表同时具有机械读数和电子读数，并且保持完全一致；电子读数装置不影响原来一次仪表的计量精度；3)智能水表、气表没有外接电源线，容易密封；4)主站与智能水表、气表之间通过无线通信方式交换数据，没有外接信号线，抄读方便。
图1是主站与水表、气表之间无线供电和通信的示意图；图2是字轮的20个编码示意图；图3是字轮和红外发射管接收管安装示意图；图4是字轮镂空圆周的半径(半径＝5mm、直径＝10mm)示意图；图5是红外发射管和接收管焊接位置示意图；图6是主站中无线发射接收线路示意图；图7是水表、气表中无线发射调制线路示意图。
具体实施例方式
本发明的识别字轮读数的方法是在机械字轮的同一圆周上即同一条线上进行0、1绝对式循环编码，按18度均匀编码，共20个，每个编码对应字轮的一个位置，镂空的地方标识为1，没有镂空的地方标识为0。并在相应位置上安装5对以上红外发射接收管，或者安装6个发射管5个接收管，或者安装7个发射管5个接收管，或者安装5个发射管6个接收管，或者安装5个发射管7个接收管。红外接收管或者输出0、1数字信号，或者输出模拟信号，经过8位A/D采样后，与阈值对比，判断输出0、1编码，从而识别字轮的当前读数。
无线供电和抄读的方法是由主站向水表、气表发出无线电磁波，电磁波通过天线耦合向水表、气表感应出电压，水表、气表通过整流、稳压电路转换成需要的电源电平，此时，水表、气表中的单片机开始正常工作，检测字轮的编码，识别字轮的读数，水表、气表通过调节负载大小向主站传输数据。主站通过调节无线电波间隙(即幅值大小)向水表、气表传输数据，由于水表、气表没有外部供电电源，所以一次基表采用机械表，通过识别机械字轮的方法来识别机械读数。机械字轮电子数字化方法的关键技术是字轮的绝对式编码方法，包括两个方面内容，(1)在字轮同一圆周上的绝对式编码方法；(2)传感器的安装角度和检测方法。
为了正确无误地识别字轮的0、1、2、3、4、5、6、7、8、9等10个数字，特别要注意低位字轮在从9到0转动过程中时，高位读数也处于临界位置。所以，我们至少需要识别20个位置，包括0到9等10个数字的位置及其10个数字之间的临界位置。识别的位置越多，精度越高，需要的传感器也就越多，成本就越高。所以我们只识别20个位置即可。
如图2，这20个位置分别叫做0、09、9、98、8、87、7、76、6、65、5、54、4、43、3、32、2、21、1、10，其中0表示数字0的正中位置，09表示数字9和0之间的临界位置。这20个位置均匀分割，每个位置占18度。
用1、0表示某个18度的位置是否镂空，镂空圆周的半径为5mm，如图4所示。编码0，0，0，1，1，1，1，1，0，1，0，1，1，1，0，0，0，1，0，0表示，镂空的位置有21、2、32、3、43；54；65、6、76；98；共4个孔，如图4所示。
其它编码有，(1)0，1，0，1，0，0，0，0，0，1，1，0，0，0，1，0，1，1，1，1；(2)0，1，1，1，1，0，1，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0，0，1；(3)0，1，1，0，1，0，1，0，0，0，0，0，1，1，1，0，0，0，1，0；(4)0，0，0，0，0，1，0，1，0，0，1，0，0，0，1，1，0，1，1，1；(5)0，1，0，1，1，1，0，1，0，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0；(6)1，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0，0，1，0，0，1，1，1；
(7)1，0，1，0，0，0，1，0，1，0，1，1，1，1，0，0，0，0，0，1；(8)0，0，0，0，1，0，1，1，0，1，0，0，1，1，1，1，0，0，1，0；(9)1，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0，0，1，1，0，1，1，1；(10)0，1，1，1，1，0，1，0，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0；(11)0，1，1，0，1，0，1，0，0，1，1，1，1，0，1，1，0，0，0，0；(12)1，1，1，1，0，1，0，0，1，0，1，1，0，0，0，0，0，1，1，0；(13)0，0，0，0，0，1，0，1，1，1，1，1，0，1，0，1，0，0，1，1；(14)1，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0，1，0，0，1，1，1，1；(15)1，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0，1，1，0，1，1，1，1；(16)1，0，0，0，0，0，1，0，1，0，1，1，1，1，1，0，0，1，1，0；(17)1，0，1，0，0，0，1，0，1，0，1，1，1，1，1，0，0，0，0，1；(18)1，0，1，0，0，0，0，1，0，1，0，1，1，1，0，0，1，1，1，1；(19)1，1，0，1，0，0，0，1，0，1，1，0，1，1，1，0，0，1，1，1；(20)1，0，0，1，1，0，1，1，1，1，1，0，1，0，1，0，0，0，0，0；(21)1，1，1，1，1，0，1，0，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0；(22)0，0，0，0，0，1，1，1，0，1，0，1，1，1，1，1，0，0，0，1；(23)0，1，0，0，0，0，0，1，1，1，0，1，1，1，1，1，0，0，0，1；(24)0，1，1，1，1，1，0，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0，0，1；(25)0，1，1，1，1，1，0，0，0，1，1，0，0，1，0，0，0，0，0，1；等等。
这些编码的特点是，镂空的弧为相隔的4段或5段；连续0或1的个数不超过5。这些编码经过取反、左右移位、左右对换等操作，其结果也是适用的。
然后在字轮的两侧安装红外发射接收管，如图3所示。红外线能够穿过镂空的位置，接收管输出的信号设为高电平；对于没有镂空的位置，接收管输出的信号设为低电平。所有接收管的输出决定了这个字轮的一个编码，决定了对应的一个角度，也决定了视角方向看到的数字。
编码实施案例编码是0，0，0，1，1，1，1，1，0，1，0，1，1，1，0，0，0，1，0，0。镂空的位置有21、2、32、3、43；54；65、6、76；98；共4个孔。如图5所示线路板，在直径10mm的圆周上，安装7对红外发射接收管，发射管、接收管采用0603封装，间隔18度。
字轮实现绝对式编码后，需要远传的时候，可以方便地由单片机识别。发明绝对式编码的目的是，如图1，由基表、主站、计算机构成一个数米距离的远传系统。基表与主站既可以是一对一通信方式，也可以是一对多的通信方式。
主站的工作过程是，如图6所示，无线电波发射和接收电路是线圈L1一端与电容C1一端相接后依次与解调电路、低通滤波电路、放大电路、施密特触发电路、单片机相接，单片机依次与与非门电路、推挽驱动电路相接，推挽驱动电路分别与电容C1另一端、电阻R1一端相接，电阻R1另一端与线圈L1另一端相接，晶振电路与与非门电路相接，单片机与串行通信RS232电路相接，有一个电源为单片机等其他电路供电。
晶振输出100kHZ～150kHz信号，经过推挽驱动一个线圈(L1C1)振荡电路，单片机输出的数据通过与非门，控制振荡电路停止工作一个间隙，即振幅调制，发射的电波耦合给智能水表、气表。另一方面，从接收的电波中解调出从智能水表、气表发射来的信号，经过低通滤波、放大、施密特触发，作为单片机的输入信号。
如图6，L1C1的一个实例是，L1＝1.35mH，C1＝1.2nF，R1＝82Ω。此时谐振频率是125kHz。单片机可以采用Ti公司的MSP430F123低功耗单片机。
智能水表、气表的工作过程是，如图7所示，水表、气表中的无线电波接收和调制电路是线圈L2、电容C2和MOS管R2并联的两端与整流稳压电路相接，整流稳压电路输出的电压端与单片机的电源端相接，线圈L2、电容C2和MOS管R2并联的一端与间隙检测电路、时钟信号提取电路相接，再分别连到单片机，MOS管R2栅极依次与负载调制电路、单片机相接，单片机与红外发射管电路、红外接收管电路相接。这个无线电波接收和调制电路不接外部电源(电池)，靠整流稳压电路提供工作电源。
智能水表、气表中线圈回路(L2C2回路)耦合到电波后，一方面经过整流、稳压为整个电路提供电源，同时，单片机检测L2C2回路中的振荡间隙，从而识别出从主站发射来的数据；另一方面，单片机通过控制MOS管R2，采用负载调制，把数据发射给主站。
如图7，L2C2的一个实例是，L2＝1.35mH，C2＝1.2nF。此时谐振频率是125kHz。单片机可以采用Ti公司的MSP430F1121低功耗单片机。
权利要求
1.一种无线无源水表和气表，其特征在于，它具有智能水表、气表及其抄读它们的主站，智能水表、气表是在水表、气表的机械字轮上刻有绝对式编码，在水表、气表的机械字轮两侧安装红外发射接收管，在水表、气表中安装有无线电波接收和调制电路，主站是无线电波发射和接收电路。
2.根据权利要求1所述的一种无线无源水表和气表，其特征在于所说的水表、气表中的无线电波接收和调制电路是线圈L2、电容C2和MOS管R2并联的两端与整流稳压电路相接，整流稳压电路输出的电压端与单片机的电源端相接，线圈L2、电容C2和MOS管R2并联的一端与间隙检测电路、时钟信号提取电路相接，再分别连到单片机，MOS管R2栅极依次与负载调制电路、单片机相接，单片机与红外发射管电路、红外接收管电路相接。
3.根据权利要求1所述的一种无线无源水表和气表，其特征在于所说的主站中的无线电波发射和接收电路是线圈L1一端与电容C1一端相接后依次与解调电路、低通滤波电路、放大电路、施密特触发电路、单片机相接，单片机依次与与非门电路、推挽驱动电路相接，推挽驱动电路分别与电容C1另一端、电阻R1一端相接，电阻R1另一端与线圈L1另一端相接，晶振电路与与非门电路相接，单片机与电源、串行通信RS232电路相接。
4.根据权利要求1所述的一种无线无源水表和气表，其特征在于所说的绝对式编码是在机械字轮的同一圆周上进行0、1绝对式循环编码，按18度均匀编码，共20个，镂空的地方标识为1，没有镂空的地方标识为0。
5.根据权利要求1所述的一种无线无源水表和气表，其特征在于所说的红外光电管识别编码是至少安装5对发射接收管，或者安装6个发射管5个接收管，或者安装7个发射管5个接收管，或者安装5个发射管6个接收管，或者安装5个发射管7个接收管。
6.根据权利要求1或5所述的一种无线无源水表和气表，其特征在于所说的红外光电管的位置是按18度等距离安装，发射管与接受管或者在同一角度上，或者错位18度。
全文摘要
本发明公开了一种无线无源水表和气表。它具有智能水表、气表及其抄读它们的主站，智能水表、气表是在水表、气表的机械字轮上刻有绝对式编码，在水表、气表的机械字轮两侧安装红外发射接收管，在水表、气表中安装有无线电波接收和调制电路，水表、气表不接电源，主站是无线电波发射和接收电路。本发明的有益效果1)在字轮的同一圆周上进行绝对式编码，占用面积少，容易加工；2)智能水表、气表同时具有机械读数和电子读数，并且保持完全一致；电子读数装置不影响原来一次仪表的计量精度；3)智能水表、气表没有外接电源线，容易密封；4)主站与智能水表、气表之间通过无线通信方式交换数据，没有外接信号线，抄读方便。
文档编号G01F15/06GK1687716SQ20051004973
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月30日 优先权日2005年4月30日
发明者戴华平 申请人:浙江大学