基于MCU的智能水表工作原理及应用

  引言

　　水表的发展已有近二百年的历史，在开始阶段相当长的一段时间里，英法日德等国家的水表一直占据着中国水表行业。随着城市供水事业的发展，中国的水表工业也相应地发展起来，从20世纪90年代开始，各种智能型水表、水表抄表系统等产品也开始兴起。

　　尽管，目前国内的水表市场仍然以机械表为主，但是从发展角度来看，智能化是一种必然的趋势，可以节省人工，提高抄表的准确度，更可以实现阶梯化收费，有效的利用有限的水资源。

　　水表的电源一般由水表自行供给，这就对水表的功耗提出了苛刻的要求。国际规定，智能水表的静态电流应该小于30μA，实际中水表厂商都把该指标控制在10μA以内（使用干簧管传感器时），保证工作时间大于6年以上才算合格。NEC带LCD控制功能的8位微控制器以其低功耗、高性能等优势，成为水表微控制器的优质选择。

　　1 NEC山梨MR和Renesas MCU水表方案

　　该方案的工作原理为：在叶轮上装上磁铁，由磁场感应器（MR Sensor）感知出叶轮的旋转。磁场感应器（MR Sensor）把磁场信号转变成电信号，再由单片机进行计量的加法或减法运算，运算值由液晶显示或对外部输出。如图1所示

　　

　　方案结构框图如下：

　　2 Renesas MCU——78K0/Lx3微控制器介绍

　　Renesas电子78K0/Lx3微控制器是高性能8位通用微控制器，采用原NEC电子的78K0内核，有48Pin～80Pin的多种封装，内置4Com/8Com模式的LCD驱动，可以驱动的LCD段数高达288段。

　　●LCD驱动器

　　可实现36*8段位控制，共有6种显示模式供选择，内/外部分组电压。

　　●CSI通讯模块1~2

　　可与IC卡接收器、短距离无线收发器、超声波流量传感器进行通讯

　　●丰富的比较/触发定时器

　　采集流量传感器信号并计算出流量

　　●EEPROM模拟功能

　　通过flash的数据烧写及特殊的管理方式代替EEPROM对重要数据进行存储

　　●振荡电路

　　78K0/Lx3微控制器内置高8MHz振荡电路，并且可以通过寄存器去控制内部振荡电路的快慢。对于不需要实时时钟的水表，可以节约成本，加快软件开发进度。如果需要使用RTC，则需要外接32.768kHz的振荡器，可以轻松实现阶梯复费率水费。

　　●功耗

　　78K0/Lx3低于1μA的静态功耗可以有效延长电池使用寿命，而且有利于提高系统的稳定性和抗干扰性。1.8V～5.5V的工作电压可以限度的使用电池能量。内置的16级LVI模块更是免去了客户的后顾之忧，随时监测电池电压，一旦发现电池电压下降过限，就立即通知用户并存储关键数据。NEC电子水表方案是卡表方案，支持多种读写卡，通过卡座使用IIC协议与微控制器通讯。微控制器采用78K0/Lx3，带LCD显示控制功能，在功耗方面，通过各种节电措施，整机达到3.8μA的超低功耗。

　　3 NEC山梨MR传感器

　　NEC山梨的MR磁传感器是一种利用磁电阻反应原理，把强磁性金属合金薄膜蒸镀在了IC电路上的磁开关器件。其特点为：

　　●高灵敏度，高——灵敏度的一致性可达6高斯以内。

　　●高可靠性——内藏温度保护电路，大幅提升了温度特性的稳定性。

　　●低功耗——工作电流1.5mA,工作在脉冲模式下，平均功耗可降到0.45uA.

　　●低成本。

　　●小型封装。

　　与各种不同的感应器件比较：

　　表1 感应器件比较表

　　4 NEC山梨MR传感器在水表中的应用方案

　　磁传感器适用于速度型水表，可分为旋翼式和螺翼式，磁场分布不同，有相应的磁传感器。

　　1：水平方向检测

　　图3 水平式磁感应原理

　　2：垂直方向检测

　　图4 垂直式磁感应原理

　　5 NEC山梨MR和Renesas MCU水表方案的功能和特性

　　·瞬间流量表示

　　·漏水检测报警功能

　　·过大流量检测报警功能

　　·逆流检测

　　·零流量检测

  

参考文献:

[1]. Renesas datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Renesas_1190237.html.