一种触点式无线电子水尺的制作方法

本实用新型涉及水务水利监测设备，特别是一种触点式无线电子水尺。

背景技术：

随着计算机信息技术应用在水情监控上，实时、可靠地获得水位的相关信息，对于掌握待测目标水位警戒线，采取正确，高效应对方法，及提醒社会民众水灾的危险性方面起着不可估量的作用。一种触点式电子水尺通过实时、准确地获得的水位信息，传送给信息中心收集和处理，为水情的危险性评估提供了准确、及时的信息反馈。

自今年进入汛期以来，强降雨造成地区水位猛涨。同时，由于水位信息不能及时反馈，容易造成防汛人员，民众对于水灾严重性判断错误，致使不可挽回的生命和财产损失。目前，灾情的迫切性使得对水位信息的采集与反馈提出了更高的要求，其要求包括实时性强、精确度高、可靠性好、成本低、功耗低、操作简便等，但目前还缺少满足上述所有要求的触点式无线电子水尺。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种触点式无线电子水尺，能够实时获得待测区域水位信息。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种触点式无线电子水尺，包括触点选择电路、信号产生及变换电路、控制电路和无线通信模块，所述信号产生及变换电路包括电桥电路、正弦波发生器、模拟乘法器和滤波器，触点选择电路包括多个奇触点端口和偶触点端口，电桥电路包括第一至第三电阻；其中，

触点选择电路的奇触点端口与模拟乘法器的第一差分输入端、第三电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端与第一电阻的一端、正弦波发生器的正向输出端、模拟乘法器的第三差分输入端分别连接，第一电阻的另一端与第二电阻的一端、模拟乘法器的第二差分输入端分别连接，第二电阻的另一端与模拟乘法器的第四差分输入端、正弦波发生器的反向输出端、触点选择电路的偶触点端口分别连接，模拟乘法器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器、正弦波发生器、无线通信模块、触点选择电路分别与控制电路连接。

作为本实用新型所述的一种触点式无线电子水尺进一步优化方案，控制电路为单片机，正弦波发生器的命令数据端口与单片机的主输出从输入端口连接，正弦波发生器的回复数据端口与单片机的主输入从输出端口连接，滤波器的输出端与单片机的模拟比较器端口连接，无线通信模块与单片机的收发数据串口TXD端、RXD端分别连接。

作为本实用新型所述的一种触点式无线电子水尺进一步优化方案，第一电阻和第二电阻的阻值相等。

作为本实用新型所述的一种触点式无线电子水尺进一步优化方案，模拟乘法器的型号为AD633AR。

作为本实用新型所述的一种触点式无线电子水尺进一步优化方案，正弦波发生器的型号为CMX868。

作为本实用新型所述的一种触点式无线电子水尺进一步优化方案，还包括用于供电的电源电路，所述电源电路包括微处理器监控模块、降压转换模块、与非门、单稳态的多谐振荡器、电压检测器和锂亚电池；其中，

锂亚电池、电压检测器、微处理器监控模块、多谐振荡器、与非门、降压转换模块依次顺序连接，锂亚电池与降压转换模块连接。

作为本实用新型所述的一种触点式无线电子水尺进一步优化方案，微处理器监控模块为MAX6303ESA微处理器监控芯片，降压转换模块为TPS62742降压转换器，多谐振荡器为74HC123PW单稳态多频振荡器，电压检测器的型号为XC6120C，锂亚电池为3.6V锂亚电池。

作为本实用新型所述的一种触点式无线电子水尺进一步优化方案，触点选择电路包含若干个移位寄存器和若干个包含4个单刀单掷的模拟开关芯片，移位寄存器的第一至第八输出端口分别与两个模拟开关芯片的第一至第四使能输入端口一一顺序对应连接，且移位寄存器的第八输出端口与下一片移位寄存器的输入端口连接而实现扩展；奇触点端口与模拟开关芯片第一、第二输入端口分别连接，偶触点端口与模拟开关芯片的第一、第二输出端口分别连接；单片机的时钟信号端与移位寄存器的CLK端连接，单片机的移位使能信号端与移位寄存器的异步清除输入端口连接。

作为本实用新型所述的一种触点式无线电子水尺进一步优化方案，移位寄存器的型号为SN74HC164，单刀单掷的模拟开关芯片的型号为74LVC4066。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型与传统水尺相比，具有使用方便，实时传输数据，数据易读，灵敏度高等优点；

(2)本实用新型与超声波，雷达式等水位计相比，具有价格低廉，携带方便等优点；

(3)本实用新型与连接式，吹泡式等传统机械式水位计相比，触点式电子水尺精度高，显示方便，测速快，且由于只涉及水是否浸没触点问题，触点式电子水尺稳定性强，不依赖各种天气情况。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是本实用新型触点选择电路结构框图。

图3是本实用新型的电源电路框图。

图4是本实用新型的电路原理图；其中，(a)为控制电路，(b)为信号产生及变换电路，(c)为触点选择电路，(d)为电源电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明包括触点选择电路、信号产生及变换电路、控制电路和无线通信模块，所述信号产生及变换电路包括电桥电路、正弦波发生器、模拟乘法器和滤波器，触点选择电路包括多个奇触点端口和偶触点端口，电桥电路包括第一至第三电阻；其中，

触点选择电路的奇触点端口与模拟乘法器的第一差分输入端X1、第三电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端与第一电阻的一端、正弦波发生器的正向输出端TXA、模拟乘法器的第三差分输入端Y1分别连接，第一电阻的另一端与第二电阻的一端、模拟乘法器的第二差分输入端X2分别连接，第二电阻的另一端与模拟乘法器的第四差分输入端Y2、正弦波发生器的反向输出端TXAN、触点选择电路的偶触点端口分别连接，模拟乘法器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器、正弦波发生器、无线通信模块、触点选择电路分别与控制电路连接。

所述控制电路为单片机，正弦波发生器的命令数据端口DI与单片机的主输出从输入端口MOSI连接，正弦波发生器的回复数据端口D0与单片机的主输入从输出端口MISO连接，滤波器的输出端与单片机的模拟比较器端口连接，无线通信模块与单片机的收发数据串口TXD端、RXD端分别连接信号产生和变换电路的信号输出端接在控制电路的信号输入端，触点选择电路奇触点接口1COM、偶触点接口2COM口与信号产生与变换电路相连，控制电路的信号输出端与触点选择电路信号输入端相连。

信号产生及变换电路将触点选择电路产生的含有水位信息的信号经正弦波调制以及滤波后得到的直流信号发送到控制电路，并且通过无线通信模块传输数据。触点选择电路提取相邻奇偶触点在水中的阻抗信息经电桥发送给信号产生及变换电路。所述控制电路包含一个单片机(U1：ATmega644)、一个用于芯片内部测试的10引脚的JTAG、一个低能耗扩频无线通信模块(U2：YL-800T),信号产生及变换电路包含一个正弦波发生器(U3：CMX868)、一个模拟乘法器(U4：AD633)。触点选择电路包含若干个移位寄存器(U5：SN74HC164)、若干个包含4个单刀单掷模拟开关芯片(U6：74LVC4066)。单片机的MISO,MOSI端口分别与正弦波发生器对应的DO,DI端口连接，预留的JTAG仿真器接口可与单片机连接，无线通信模块与单片机收发数据串口TXD,RXD连接。

如图2所示，触点选择电路包含若干个移位寄存器和若干个包含4个单刀单掷的模拟开关芯片，移位寄存器SN74HC164D的第一至第八输出端口QA～QH引脚分别与两片含有4个单刀单掷的模拟开关芯片74LVC4066D使能端1E-4E连接。触点TP1～TP24依次与6片74LVC4066D的1A、3A、2A、4A端口连接。1COM端口与模拟开关芯片的1B,2B连接，2COM端口与模拟开关芯片的3B、4B连接。此外，上一片移位寄存器的QH端口与下一片A端口连接作为扩展。当单片机发送移位使能信号SHIFT_EN,当控制信号CTRL_IN发送高电平时，和VCC与非后，再经过非门，D触发器D端为高，Q端也为高电平，为低电平，从而选中第一个奇触点。与D连接，若此时CTRL_IN再次发送高电平，的低电平脉冲经非门转为高电平，此时第二个D触发器D、Q皆为高电平，从而选中第一个偶触点，第二个高电平脉冲选中第一个奇触点，在连续两个CTRL_IN高电平时，选中第一对相邻奇偶触点，在控制信号作用下，根据上述所说的原理，即可依次选中所有触点。在实际应用中，可扩展触点选择电路来扩展触点式电子水尺的长度。

如图1所示，1COM、2COM与R401、R402、R408组成电桥。2COM端口输入端，R401、R402交点D1分别于模拟乘法器AD633AR的X1、X2引脚连接。正弦波发生器CMX868用于产生正弦波，其TXA输出,TXAN输出分别与模拟乘法器Y1、Y2引脚连接。R401和R402阻值相等，R408可根据待测水，灵活多变的设置成接近两触点间水的电阻值，并可用AD5933阻抗转换器分析仪来测得。根据电桥平衡原理，两触点无水时电压与有水时明显较大。模拟乘法器W输出端口连接2阶RC滤波器，滤除高频分量，得到直流信号DETECTED送入单片机PB2模拟比较器正输入口。直流信号DETECTED的表达式w＝(x1-x2)(y1-y2)/10+z。正弦波发生器CMX868的CS、DI、DO、SCK端口分别与单片机的PB4、PB5、PB6、PB7端口连接，与单片机进行SPI通信。PB4作为SS端，控制CMX868是否产生正弦波信号。PB3、PA0～PA7作为模拟比较器的负输入端，分别与电阻R201～R209相连，形成门限电路，门限可适当提高防止触点潮湿情况下造成的误差。预留JTAG接口的1、3、5、6、8端口分别与单片机的TCK(PC2)、TDO(PC4)、TMS(PC3)、RESET(RESET)连接用于仿真测试。单片机的PD0、PB1、PD1、PD6、PD7端口分别用于产生移位使能信号SHIFT_EN,控制结束信号CTRL_END,时钟信号CLK,控制信号CTRL_IN，电源开起信号PWR_ON。

如图3所示是本实用新型的电源电路框图，本发明还包括用于供电的电源电路，所述电源电路包括微处理器监控模块、降压转换模块、与非门、单稳态的多谐振荡器、电压检测器和锂亚电池；其中，锂亚电池、电压检测器、微处理器监控模块、多谐振荡器、与非门、降压转换模块依次顺序连接，锂亚电池与降压转换模块连接。

电压检测器为XC6120C电压检测器，微处理器监控模块为MAX6303ESA微处理器监控芯片，单稳态的多谐振荡器为74HC123PW单稳态多频振荡器，锂亚电池为3.6V锂亚电池，降压转换模块为TPS62742降压转换器。XC6120C电压检测器的电压输入端口VIN与锂亚电池相连，XC6120C电压检测器的输出端口OUT与MAX6303ESA微处理器监控芯片的复位输入RSTIN端口连接。MAX6303ESA微处理器监控芯片的复位输出端口与74HC123PW单稳态多频振荡器的B端口连接。控制信号CTRL_IN经一个MOS管开关后与74HC123PW单稳态多频振荡器的输入端口连接。74HC123PW单稳态多频振荡器的反向输出端口经与非门SN74HC00PW的1输入端口连接。与非门输出与降压转换器的使能端EN连接。3.6V锂亚电池与TPS62742降压转换器的电压输入端口VIN连接，TPS62742降压转换器的开关引脚SW经电感后产生VCC(3.3V)给各模块供电。

电源电路中微处理器监控芯片产生的复位信号(每隔5分钟正脉冲触发)与控制信号CTRL_IN分别接在单稳态多频振荡器74HC123PW的B端口和A端口，经多谐振荡器后每4s产生一个矩形脉冲与霍尔元件开关开启脉冲经与非门后使能由3.6V一次性锂亚电池供电的降压转换器而产生VCC。经测量，在4s的供电时间中，测量用时1.5s，工作电流2.8mA；无线通信模块开启用时2s，工作电流13mA；发送数据用时0.5s，工作电流75mA。低功耗状态下工作电流仅30μA(实现了低功耗供电)。经计算，此电子无线水尺一年约用电4.6Ah，一块3.6V一次性锂亚电池可持续供电7.4年。

图4是本实用新型的电路原理图；图4中的(a)为控制电路，图4中的(b)为信号产生及变换电路，图4中的(c)为触点选择电路，图4中的(d)为电源电路，电源电路包含一个低能耗微处理器监控芯片(U7：MAX6303ESA)，一片降压转换芯片(U8:TPS62742),一片单稳态的多谐振荡器芯片(U9:74HC123PW),一个高精度，超小，低能耗电压检测器(U10：XC6120C),一块3.6V的一次性锂亚电池。低能耗微处理器监控芯片产生的复位信号与MCU正脉冲连续触发单稳态的多谐振荡器，生成的矩形波经与非门送入电压转换器的使能端，在3.6V一次性锂亚电池供电下可实现对水尺的低功耗供电。本实用新型一种触点式无线电子水尺使用高性能的单片机技术、无线通信技术，通过移位寄存器依次选中相邻触点，触点采集水位信息，经调制解调芯片CMX868,电桥，模拟乘法器AD633AR及二阶RC滤波器，得到直流信号。单片机发送时钟信号，移位使能控制信号依次选中相邻触点。接收到的水位信息经无线通信模块发送到接收电台，最后传输到接收终端进行收集和处理。

本实用新型使用单片机技术，在脉冲上升沿时，移位寄存器依次选中相邻奇偶触点，利用电桥平衡原理，正弦波调制信号并经过模拟乘法器，滤波电路，得到直流信号。通过有无水时电压差距明显依次判断相邻触点是否有水。第一对无水的相邻触点的高度的平均值作为水位。该实用新型采用高性能微处理器，内置通讯电路，使用便捷，可靠性高，抗干扰能力强。可根据待测水位扩展触点选择电路延长测量范围。采用低功耗电源电路，实现锂亚电池超低功耗供电。采用433mhz无线通信模块YL-800T,能够高性能、低功耗、远距离实现串口无线收发代替以往有线传输的功能，减少了因线路老化，水体腐蚀导致的数据传输错误。本实用新型与传统水尺相比，具有使用方便，实时传输数据，数据易读，灵敏度高等优点；与超声波，雷达式等水位计相比，具有价格低廉，携带方便等优点。与连接式，吹泡式等传统机械式水位计相比，触点式电子水尺精度高，显示方便，测速快，且由于只涉及水是否浸没触点问题，触点式电子水尺稳定性强，不依赖各种天气情况。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。