CN104482976A - 基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表 - Google Patents

基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表。它包括膜式燃气表基表、3*直读式红外编码器、3*7选1开关模块、红外编码采集和数据处理模块、光照环境能收集和通信模块、振动环境能收集模块等。3*直读式红外编码器输出模拟量编码值,经3*7选1开关模块、红外编码采集和数据处理模块、上传燃气的数字量数据至光照环境能收集和通信模块。本发明的电能取自环境;按用电需求设计光照振动互补环境能收集方案的可用性好;单环半圆编码工艺简单、便于纠错;微功耗管理电路提升了环境能收集的效率;较低无线通信频率的EnOcean标准协议具有良好的绕射能力;极化继电器和中断喚醒技术则优化了环境能的利用。

Description

基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表
技术领域
[0001]本发明属燃气表自动抄表的技术范畴,特别是指基于光照振动互补环境能收集技 术的直读式无线燃气表。
背景技术
[0002] 随着城市化进程的持续推进和住房条件的不断改善,高层住宅大量涌现、日渐成 为居住的主流业态;伴随高层住宅如影相随的水、电、燃气表的抄表难度亦倍增加剧。通过 业界数十年的不懈努力,水电抄表问题相当程度上得到了解决或缓解。杭州推行一户一表 之日,就是水表抄表难题不复存在之时,此外一户一表有利供水品质的改善,因此居民乐意 为"一户一表"付费买单;在杭的新建高层住宅中标配集中式电表屏,电表的抄表难题迎刃 而解;唯独燃气表的抄表举步维艰,不见起色!杭州管道天然气发展迅速,2012年管道天 然气用户逾57万户,较2011年增长8. 95% ;但是时至今日杭州管道天然气公司的抄表模 式依旧:抄表员定时入户实地抄表。燃气作为国家公共事业的重要组成部分,是居民日常生 活中必不可少的能源;燃气表与水电表不同,从使用的安全视角考量,现有技术条件下不允 许将其移到户外;換言之,燃气表无法复制水电表的成功之路一变更计量表安装地点。入 户人工抄表模式存在诸多缺陷:企业承担高昂的人力成本压力,苦不堪言;抄表员劳动强 度大、效率低,漏抄误抄率高、抄表数据的质量欠佳;用户体验差,居民不认同。
[0003] 1986年,美国建立了自动抄表研究协会,旨在发展和推广自动抄表技术。2000年, 国家科委和建设部在《2000年小康型城市住宅科技产业工程示范小区规划设计导则》中提 出解决入户抄表问题;2004年6月1日,建设部正式颁布行业标准:《JG/T162- 2004住宅 远传抄表系统》和《CJ/T188- 2004户用计量仪表数据传输技术条件》;2009年10月19日, 再次颁布融合各方意见的行业标准《JG/T162-2009住宅远传抄表系统》。一系列标准的颁 布对规范自动抄表行业,推动行业技术进步具有积极的意义。遗撼的是燃气抄表却与标准 的要求大相径庭,有必要在分析、评估燃气自动抄表领域各种解决方案和技术的基础上,否 定落伍的技术、汲取合理的成份,设计燃气自动抄表的基本体系框架。
[0004] ·IC充值卡解决方案。IC卡易受高压攻击损坏,不支持燃气售价随行就市的企业 需求;电池更换烦人,欠费充值麻烦。固有的技术缺陷和用户体验差,风糜一时的IC充值卡 解决方案终成弃儿。江苏扬州市曾是首批吃螃蟹者,2003年该市全面停用長达6年时间跨 度的燃气IC充值卡系统。
[0005] •有/无线抄表解决方案。有(专)线抄表的投资不菲、抄表专线常因人为破坏影 响正常使用,布线和维护的工作量巨大,而且系统的可扩展性有限;围绕有线抄表解决方案 的质疑声从未停息,有线抄表方案处于不断边缘化的进程中。无线抄表系统技术可靠、系统 的伸缩性上佳,无需布线、运维工作量适中,无线解决方案在燃气抄表业务方面优势明显。
[0006] •脉冲/直读式测量。燃气表基表(表具内置机械计量)属一次测量,脉冲式测 量为二次测量;理论上两者应一致、工程中两者呈差异(误差);必须指出,脉冲式测量造成 的误差属累计误差,累计误差对燃气表计量精度的损害是灾难性的。严格的学术研究范畴 中,所谓的直读式测量与测量无关、本质上是一种位置识别技术和方法;因为其完全遊离测 量技术和测量方法,称其为机械计量表具的"显示方式"倒也实至名归。2005年以前,使用 较多的是脉冲式测量。脉冲数采技术落后、易受电磁干扰、数据稳定性和准确性不高;运行 时需一直通电、功耗大,配设必需的后备电源又增加了技术的复杂度;渐行渐远的脉冲式测 量逐步淡出了业界的视线。
[0007] 综上所述,燃气自动抄表解决方案应聚焦直读式无线燃气表体系框架的搭建。鉴 于燃气自动抄表差強人意的现状,本发明从直读式无线燃气表的不足切入,分析"不足"的 源由,立足主流膜式燃气表的工况和抄表需求,设计消除"不足"的应对之策,提出可行的燃 气自动抄表解决方案。
[0008] 1、无线通信的室内传输性能亟待提高。国内燃气表无线抄表主要基于2. 4GHz频 率的ZigBee;由于ZigBee是标准协议,能得到成熟的软硬件套件支持、以及可供借鉴模仿 的众多成功案例的协助;故技术门槛相对较低,自然成为业界的首选。频率与绕射能力成反 t匕,高频ZigBee的绕射指标数据偏低、承担燃气表的室内传输力不从心。业界意识到问题 的症结所在,如上海大众燃气有限公司曾尝试433MHz无线通信;433MHz无线通信需自行设 计从底层到上层的协议、低功耗模式,技术门槛高、无疾而终。消除"问题症结"的应对之策 是:移植有成熟软硬件套件支持的、低无线通信频率的EnOcean标准协议。
[0009] 2、网络拓扑结构不确定性技术瓶颈。新建小区入住率的随机性、往往存在大量空 置房,廉租房的租户资格动态认定机制也导致一段时间内的空置房,以及其它原因产生的 空置房等;空置房造成网络拓扑结构的不确定,业界尚无化解"不确定"良策。消除"技术瓶 颈"的应对之策是:拷贝水电表抄表的成功之路,即采用无线手持抄表器户外抄表模式。水 电气三表的抄表关键是:不入户!全自动远程抄表是理想目标,但不入户抄表仍是可接受 的解决方案,毕竟创新要在技术先进性、费用低廉性和技术可行性三者间进行全面的权衡 取舍。
[0010]3、直读式测量技术的复杂度偏高。业界通行"在普通燃气表的计数器字轮印 刷0-9位置的外缘再印刷特定标记(或在字轮上开不同尺寸的孔),在其外围固定光 电传感器及相关电路"【刘福玉.光电直读式远传燃气表及集中抄表系统[J],机械与电 子,2012. 5】;显然,"直读式测量"的复杂度偏高,既阻碍直读式无线燃气表的抄表数据质 量,又加重MCU的开销和能耗。消除"技术复杂度偏高"的应对之策是:设计海明距离1纠 错编码器,实施直读式燃气测量。
[0011] 4、电源问题。直读式无线燃气表使用一次性电池作为电源,电池能量有限、更换在 所难免,定时更换几十万户居民室内的电池实非易事;另一方面,电池自身更是直读式无线 燃气表的主要故障源之一;电源问题限制了其大面积应用和发展。消除"电源问题"的应对 之策是:摆脱对电池的依赖,采用环境能量收集技术、从燃气表周围环境收集电能。从用电 需求侧剖析直读式无线燃气表能耗特征:当且仅当燃气表通信、红外光电读取燃气数据时, 需mA级电流;其余时段仅需μΑ级电流。杭州管道天然气公司每2个月抄一次表,相当于 2个月通信一次、红外光电读取燃气数据一次;考虑到机械计量与电子数据的同步、燃气表 的自检和电子数据的可靠性,燃气表机械计量时红外光电须读取同步的燃气电子数据。环 境能有太阳、电磁、振动、热、风、核能等,膜式燃气表收集的环境能是光照能和振动能。室光 中太阳能电池结合超级电容提供稳定的μΑ级电流,短时间(秒级)的mA级电流;膜式燃 气表供气时,采用压电能量捕获技术提供mA级电流;一言以蔽之,应用光照振动互补能量 收集技术提供直读式无线燃气表的电能。
[0012] 采用光照振动互补能量收集技术提供直读式无线燃气表的电能;在燃气表基表机 械计量基础上,通过计量齿轮上增设单环半圆编码透空孔、海明距离1纠错编码器,采集燃 气的电子数据;无线通信移植有成熟软硬件套件支持的、315MHZ的EnOcean无线通信标准 协议。本发明未涉及无线手持抄表器。
发明内容
[0013] 本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种基于光照振动互补环境能收集技 术的直读式无线燃气表。
[0014] 基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表包括膜式燃气表基表、3* 直读式红外编码器、3*7选1开关模块、红外编码采集和数据处理模块、光照环境能收集和 通信模块、振动环境能收集模块、极化继电器、肖特基二极管;
[0015] 膜式燃气表基表、3*直读式红外编码器、3*7选1开关模块、红外编码采集和数据 处理模块顺次相连,3*直读式红外编码器和3*7选1开关模块并联后与极化继电器第一输 出端相连,极化继电器输入端分别与红外编码采集和数据处理模块供电端、振动环境能收 集模块供电端、肖特基二极管阴极相连,肖特基二极管阳极、光照环境能收集和通信模块、 极化继电器第二输出端顺次相连;
[0016] 直读式无线燃气表的电源能量源自光照振动互补环境能,燃气表能量流的电压参 数如下:光照环境能收集和通信模块输出电能、输出电压Vra= 3. 3V,振动环境能收集模块 无/有效时、输出电压Vcc2= 0/3. 3V;VCC1经肖特基二极管与VCC2连结,VCC2= 0时、VCC3 = Vcci -AV= 3. 3V-AV,VCC2= 3. 3V时、Vcc3=Vcc2= 3. 3V,其中AV= 〇· 2 〜0· 3V是肖特 基二极管的压降;
[0017] 燃气表燃气数据信息流的流程如下:膜式燃气表基表计数器中内嵌3*直读式红 外编码器、直读式红外编码器输出燃气的模拟量编码值,经3*7选1开关模块选通红外接收 编码管、红外编码采集和数据处理模块进行AD和数据处理、上传燃气的数字量数据至光照 环境能收集和通信模块;借助无线手持抄表器与光照环境能收集和通信模块的无线通信, 实现燃气数据的无线抄表;
[0018] 燃气表互补环境能能量流的流程如下:燃气表断气时,振动环境能收集模块无效、 极化继电器断开、3*直读式红外编码器和3*7选1开关模块失电;光照环境能收集和通信 模块收集的光能转化成电能、在超级电容支持下提供模块自身所需的电能、供电电压V。。= 3. 0〜5. 0V,同时维系休眠状态下红外编码采集和数据处理模块的供电、供电电压为Vra = Vcci -AV= 3. 3V-AV;燃气表通气时,振动环境能收集模块生效、极化继电器闭合,工作 状态下红外编码采集和数据处理模块、3*直读式红外编码器和3*7选1开关模块得电、上 述三模块的供电电压为Vra= 3. 3V;光照环境能收集和通信模块仅提供模块自身耗用的电 能,模块自身的供电电压为V。。、输出的电压Vra= 3. 3V;Vra=Vrc2= 3. 3V,即光照环境能 收集和通信模块不向模块外输出电能。
[0019] 所述的3*直读式红外编码器由个位编码器、十位编码器和百位编码器组成,3个 编码器的原理和结构类同,供电电压Vra= 3. 3V;个位编码器包括计数器字轮上I. 5mm宽的 单环半圆编码透空孔、红外发射管、红外接收编码组管,红外发射管和红外接收编码组管垂 直正对计数器字轮、且与单环半圆编码透空孔处在同一圆弧上;单环半圆编码透空孔随字 轮旋转,抄表时红外发射管发射红外光,红外接收编码管或因字轮透空孔接收成功、或因字 轮表盘遮挡接收失败,通过红外接收编码管的通断状态、获取字轮相应的转角位置;个位编 码器的红外接收编码组管由7只红外接收编码管组成,其中5只红外接收编码管居中相隔 36°均匀排列,2只纠错红外接收编码管分布在接收编码管的两端:第S、E纠错红外接收编 码管分别与第1、5红外接收编码管相距18° ;个位编码器的第S红外接收编码管与个位编 码器的7选1开关模块CD4051脚1相连,个位编码器的第1红外接收编码管与个位编码器 的7选1开关模块CD4051脚2相连,余类推;个位编码器输出的燃气模拟量编码格式是:海 明距离1带纠错功能的模拟量编码。
[0020] 3*7选1开关模块由个位7选1开关模块、十位7选1开关模块和百位7选1开关 模块组成,3个7选1开关模块的原理和结构类同,供电电压Vra= 3. 3V;
[0021] 个位7选1开关模块以个位⑶4051为核心,个位编码器第3、1、2、3、4、54红外接 收编码管的输出分别与⑶4051脚1、2、4、5、12、13、14相连;红外编码采集和数据处理模块 STC12LE5A60S2 脚 18、19、20、44 分别与CD4051 脚 9、10、11、3 相连;个 / 十 / 百位的CD4051 脚6分别与红外编码采集和数据处理模块STC12LE5A60S2脚21、22、23相连;
[0022] 红外编码采集和数据处理模块STC12LE5A60S2脚21、22、23输出个/十/百位 CD4051的片选信号,红外编码采集和数据处理模块STC12LE5A60S2脚9、10、11决定CD4051 的7选1输入信号通道,选通的红外接收编码管信号送至STC12LE5A60S2脚44进行AD采 样。
[0023] 所述的所述的红外编码采集和数据处理模块以STC12LE5A60S2为核心,供电电压 VCC3;STC12LE5A60S2脚21、22、23分别与个/十/百位的CD4051脚6相连、给出CD4051的 片选信号;STC12LE5A60S2脚18、19、20与个/十/百位的CD4051脚9、10、11相连、给出 CD4051的7选1输入通道选择信号;STC12LE5A60S2脚44与个/十/百位的CD4051脚3 相连、对选通的红外接收编码管信号进行AD采样;STC12LE5A60S2脚42、43分别与光照环 境能收集和通信模块STM300C脚22、21相连,上传燃气的数字量数据;
[0024]STC12LE5A60S2脚8与振动环境能收集模块LTC3588_1脚10相连,输入振 动环境能收集模块电能就绪的中断信号〇、极化继电器闭合、喚醒处在休眠状态下的 STC12LE5A60S2、启动燃气数据的采集进程;STM300C脚11检测振动环境能收集模块电能的 就绪状态,STC12LE5A60S2脚9与STM300C脚16相连;STM300C检测振动环境能收集模块 电能未就绪,STM300C向STC12LE5A60S2发出电能未就绪的中断信号1,极化继电器断开、 STC12LE5A60S2转入休眠、中止燃气数据的采集进程;反之极化继电器闭合、继续燃气数据 的米集进程。
[0025] 所述的光照环境能收集和通信模块以STM300C和MAX666为核心,供电电压 VCC;STM300C是自获能专用MCU芯片、实现光照环境能收集和通信,MAX666是DC-DC芯 片、输出稳定的3. 3V电源;实现光照环境能收集和通信的STM300C硬件平台包括太阳能电 池板SC175130I,钽电容C21,超级电容C22和C23、型号DCL5R5105-C,自获能专用MCU芯片 STM300C,锁存器74HC573,型号BSS84LT1的场效应管〇21為2為3為4,三极管〇 25為6為7為8, 二极管D21、D22、D23、D24、D25;
[0026] 太阳能电池SC175130I" + "极与D21阳极、Q21源极相连,太阳能电池SC175130I"_" 极接地,D21阴极与钽电容C21 " "极、STM300C脚2和3相连,从C21 " "极引出电源;钽 电容C21 极接地,R21的两端分别与Q21的源极、门极相连;Q21门极与Q25集电极相连,Q25 发射极接地,Q25基极与R22的一端相连,R22的另一端与STM300C脚30相连;Q21漏极与D23 阳极、Q23源极相连,D23阴极与D22阳极相连,D22阴极与D21阴极相连,R25的两端分别与Q23 的源极、门极相连;Qm门极与Qμ集电极相连,Qμ发射极接地,Qμ基极与Le的一端相连,Le 的另一端与锁存器74HC573脚19相连;Q23漏极与D25阳极相连,D25阴极与D24阳极相连, D24阴极与D21阴极相连,R23的一端与STM300C脚30相连,R23的另一端与C24-端、Q26基极 相连,C24的另一端与Q26集电极相连;Q26发射极接地,Q26集电极与Q22门极相连,R24的两端 分别与Q22的门极、源极相连;Q22漏极与D22阳极相连,Q22源极与超级电容C22 "+"极相连, C22 极接地,R27的一端与锁存器74HC573脚19相连,R27的另一端与C25的一端、Q28基 极相连,C25的另一端与Q28集电极相连;Q28发射极接地,Q28集电极与Q24门极相连,R28的两 端分别与Q24门极、源极相连;Q24漏极与D24阳极相连,Q24源极与超级电容C23 "+"极相连, C23 极接地,锁存器74HC573脚20与D22阳极相连,锁存器74HC573脚10和1并联后接 地,锁存器74HC573的脚11、2分别与STM300C的脚14、15相连;5了]\000(:的脚9、10、1、4、32 分别与C22 " + "极、C23 " + "极、地、天线Ell、R11的一端相连,Rη的另一端与STM300C脚33 相连;STM300C的脚16与STC12LE5A60S2的脚9相连,STM300C的脚33、11分别与振动环境 能收集模块LTC3588_1的脚10、4相连,LTC3588_1的脚10电能就绪中断信号0用于唤醒 休眠状态的STM300C、极化继电器闭合;STM300C借助脚11的AD口、采集LTC3588j脚4的 电压值:若低于UVLO下降门限值、STM300C脚16向STC12LE5A60S2发出电能未就绪中断信 号1、极化继电器断开,中止燃气数据的采集进程、STC12LE5A60S2转入休眠,反之极化继电 器闭合、继续燃气数据的采集进程;STM300C的脚21、22分别与STC12LE5A60S2的脚43、42 相连,建立两者的通信通道;STM300C的脚12、13分别与极化继电器控制端1、2相连,脉冲 方式切換极化继电器的通或断;STM300C的脚4连接RF天线,接收无线手持抄表器EnOcean 报文格式的抄表请求:基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表进行时间同 步、发射存储在STM300C中的燃气数据;
[0027] 钽电容C21、超级电容C22、C23的电压分别由STM300C的脚2、9、10采集;STM300C脚 30输出高/低电平时,一方面Q21和Q25导通/截止、C22充电回路打开/关闭,另一方面Q22 和Q26导通/截止、C22放电回路打开/关闭、同时R24和C24组成的延时电路使C22放电回路 延时关闭;STM300C的脚15、16分别与锁存器74HC573的脚2、11相连,锁存器74HC573脚 19控制C23的充/放电;STM300C脚16高电平、脚15高/低电平时,锁存器74HC573的脚19 高/低电平,一方面Q23和Q27导通/截止、C23充电回路打开/关闭,另一方面Q24和Q28导通 /截止、C23放电回路打开/关闭、同时R28和C25组成的延时电路使C23放电回路延时关闭; SC175130I获取的环境光能转化成电能,"电能"在微功耗管理电路调度;微功耗管理电路 储能器由小容量钽电容C21、大容量超级电容C22和C23组成;C21用于快速充电,C21电压达到 STM300C的工作电压时、向STM300C供电,SC175130I产生的电能对C21充电,若SC175130I 尚有剩余电能、依据C22和C23的电压,或转存至C22或C23、或舍弃SC175130I产生的剩余电 能;C22和C23存储SC175130I收集的剩余电能,SC175130I供电不足或不供电时,由C22维系 直读式无线燃气表的长期稳定运行;C23是C22的热备份,一旦SC175130I和C22存储的电能 无法保证监视探测器的电能需求时、或C22失效时,由C23维系直读式无线燃气表的长期稳定 运行;
[0028] 提供稳定3. 3V电源的MAX666硬件平台以MAX666为核心,MAX666的脚4和脚5 接地、脚8接入Vcc、脚1和脚2相连输出Vra,R5tlJPR5Q2串联,R5(11和R5。2的另一端分别接 地、MAX666 的脚 2,R5tlJPR5Q2的连结点接入MAX666 的脚 6;VQUt=VsetX(R5Q1+R5(I2)/R5Q1 = 1.3X(100+153)/100 〜3.3(V),Vset=I. 3V、R5(i1= 100K、R5(i2= 153K。
[0029] 所述的振动环境能收集模块以压电振子和LTC3588_1为核心;压电振子与 LTC3588_1的脚1、脚2相连;(:6(11和C6tl3相连、连结端接入TC3588_1的脚4和STM300C的脚 11,(:6(11、(:6(13的另一端分别接入1^3588_1的脚3、地 ;1^3588_1的脚7、脚8相连,(:6(12-端 与LTC3588_1的脚8相连、另一端接地;LTC3588_1的脚9、脚11相连并接地;(:6(14与1^6(11相 连、连结端接入TC3588_1的脚6输出Vra,C6tl4的另一端接地、L6tll的另一端接入TC3588_1 脚5 ;LTC3588_1的脚10与STM300C的脚33、STC12LE5A60S2的脚8相连;C6Q3为大容量超 级电容;
[0030] 振动环境能收集模块电能就绪时,LTC3588_1的脚10 "PG00D"信号是喚醒STM 300C和STC12LE5A60S2的电能就绪中断信号0 ;STM300C脚11的AD口采集C6tl3电压,C6tl3 电压低于UVLO下降门限值、STM 300C脚16发出电能就绪中断信号USTC12LE5A60S2转入 休眠状态、中止燃气数据的采集进程。
[0031] 本发明与背景技术相比,具有的有益效果是:直读式无线燃气表的电能取自环境 能,摆脱了对电池的依赖;从用电需求侧剖析燃气表能耗特征,按需设计的光照振动互补环 境能收集方案可用性好;单环半圆编码工艺简单、定位精度高,冗余码和海明距离1的编码 特征便于自纠错,纠错红外接收编码管既解决了器件参数分散、时漂技术难题,又在关键的 临界位置上使编码精度成倍提高 ;环境能收集技术中的微功耗管理电路提升了环境能收集 的效率;极化继电器和中断喚醒(事件驱动)方式优化了收集环境能的利用;较低无线通 信频率的EnOcean标准协议具有良好的绕射能力。
附图说明
[0032] 图1是基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表结构图;
[0033] 图2 (a)是直读式红外编码器的结构图;
[0034] 图2 (b)是直读式红外编码器的信号生成原理图;
[0035] 图2(c)是单环半圆编码透空孔字轮的平面图;
[0036] 图2(d)是红外接收编码组管平面图;
[0037] 图3是3*7选1开关模块框图;
[0038] 图4是红外编码采集和数据处理模块框图;
[0039] 图5是光照环境能收集和通信模块的电路图;
[0040] 图6是振动环境能收集模块的电路图。
具体实施方式
[0041] 如图1、图5、图6所示,基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表 由膜式燃气表基表1〇〇、3*直读式红外编码器200、3*7选1开关模块300、红外编码采集和 数据处理模块400、光照环境能收集和通信模块500、振动环境能收集模块600、极化继电器 700、肖特基二极管800 ;
[0042]膜式燃气表基表100、3*直读式红外编码器200、3*7选1开关模块300、红外编码 采集和数据处理模块400顺次相连,3*直读式红外编码器200和3*7选1开关模块300并 联后与极化继电器700第一输出端相连,极化继电器700输入端分别与红外编码采集和数 据处理模块400供电端、振动环境能收集模块600供电端、肖特基二极管800阴极相连,肖 特基二极管800阳极、光照环境能收集和通信模块500、极化继电器700第二输出端顺次相 连;
[0043] 直读式无线燃气表的电源能量源自光照振动互补环境能,燃气表能量流的电压参 数如下:光照环境能收集和通信模块500输出电能、输出电压Vra= 3. 3V,振动环境能收集 模块600无/有效时、输出电压Vcc2= 0/3. 3V;VCC1经肖特基二极管与VCC2连结,VCC2= 0时、 Vcc3=Vcci-Δν= 3. 3V-AV,Vcc2= 3. 3V时、Vcc3=Vcc2= 3. 3V,其中AV= 0· 2 〜0· 3V 是肖特基二极管的压降;
[0044] 燃气表燃气数据信息流的流程如下:膜式燃气表基表100计数器中内嵌3*直读 式红外编码器200、直读式红外编码器200输出燃气的模拟量编码值,经3*7选1开关模块 300选通红外接收编码管、红外编码采集和数据处理模块400进行AD和数据处理、上传燃气 的数字量数据至光照环境能收集和通信模块500 ;借助无线手持抄表器与光照环境能收集 和通信模块500的无线通信,实现燃气数据的无线抄表;
[0045] 燃气表互补环境能能量流的流程如下:燃气表断气时,振动环境能收集模块600 无效、极化继电器断开、3*直读式红外编码器200和3*7选1开关模块300失电;光照环境 能收集和通信模块500收集的光能转化成电能、在超级电容支持下提供模块自身所需的电 能、供电电压Vrc= 3. 0〜5. 0V,同时维系休眠状态下红外编码采集和数据处理模块400的 供电、供电电压为Vra=Vra-AV= 3. 3V-AV;燃气表通气时,振动环境能收集模块600 生效、极化继电器闭合,工作状态下红外编码采集和数据处理模块400、3*直读式红外编码 器200和3*7选1开关模块300得电、上述三模块的供电电压为Vrc2= 3. 3V;光照环境能收 集和通信模块500仅提供模块自身耗用的电能,模块自身的供电电压为V。。、输出的电压Vra =3. 3V;Vra=Vrc2= 3. 3V,即光照环境能收集和通信模块500不向模块外输出电能。图1 中实线、虚线分别代表能(电)量流、信息流。
[0046] 如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)、图1、图3所示,膜式燃气表基表100计数器 包括计数器字轮、齿轮轴和传动齿轮,膜式燃气表通气时由附设的机械机构驱动传动齿轮、 计数器字轮转动,完成燃气的机械计数;
[0047] 3*直读式红外编码器200由个位编码器、十位编码器和百位编码器组成,3个编码 器的原理和结构类同,供电电压Vra = 3. 3V;个位编码器包括计数器字轮上I. 5mm宽的单环 半圆编码透空孔201、红外发射管202、红外接收编码组管203,红外发射管202和红外接收 编码组管203垂直正对计数器字轮、且与单环半圆编码透空孔201处在同一圆弧上;单环半 圆编码透空孔随字轮旋转,抄表时红外发射管发射红外光,红外接收编码管或因字轮透空 孔接收成功、或因字轮表盘遮挡接收失败,通过红外接收编码管的通断状态、获取字轮相应 的转角位置;个位编码器的红外接收编码组管由7只红外接收编码管组成,其中5只红外接 收编码管居中相隔36°均匀排列,2只纠错红外接收编码管分布在接收编码管的两端:第 S、E纠错红外接收编码管分别与第1、5红外接收编码管相距18° ;个位编码器的第S红外 接收编码管与个位编码器的7选1开关模块CD4051脚1相连,个位编码器的第1红外接收 编码管与个位编码器的7选1开关模块CD4051脚2相连,余类推;个位编码器输出的燃气 模拟量编码格式是:海明距离1带纠错功能的模拟量编码。
[0048] 令图2 (c)为字轮的初始状态,图2 (d)的红外接收编码组管正对单环半圆编码透 空孔;字轮及编码透空孔顺时针3600旋转一周,红外编码接收组管输出的模拟量编码和字 轮对应的数字如下表(为表述简洁,收到红外线的模拟量用1表示,反之为0,红外接收编码 管的编号秩序:S、1、2、3、4、5、E)。
[0049]
Figure CN104482976AD00131
[0050] 字轮10个数字(0至9),用4条格雷码透空孔环编码是最直观的方法;但4条编 码透空孔环的生产、装配工艺差,而单环半圆编码方案具有工艺简单、组装方便、定位精度 1¾的优点。
[0051] 理论上表示0 - 9,单环半圆编码方案只需配置4只红外接收编码管,鉴于相邻信 息之间的海明距离为1,故每个字轮设置5只相距360均匀分布的红外接收编码管;25 = 32、0 - 9合计十个数字,显然5只红外接收编码管存在32-10 = 22个冗余编码;应用冗余 编码和海明距离1的编码特征,直读式燃气表实施自纠错。
[0052] 2只纠错红外接收编码管能有效解决器件参数分散、时漂的技术难题;例如燃气 字轮转至180时,红外接收编码管5接收到1/2的红外线;鉴于器件参数的分散性、时漂特 性,红外接收管5的输出值会出现一定程度的不确定;但纠错红外接收编码管S正对透空孔 输出1,纠错红外接收编码管E被表盘遮挡输出0,通过纠错红外接收管状态不难判定红外 接收管5的状态。
[0053] 低位字轮从9到0转动时,高位读数也处于临界位置,两者之间需作同步协调;借 助纠错红外接收编码管,恰在关键的临界位置上使编码精度从360提升至180。
[0054] 如图3、图4、图2 (b)所示,3*7选1开关模块300由个位7选1开关模块、十位7 选1开关模块和百位7选1开关模块组成,3个7选1开关模块的原理和结构类同,供电电 压Vcc2= 3. 3V;
[0055] 个位7选1开关模块以个位⑶4051为核心,个位编码器第S、l、2、3、4、5、E红外 接收编码管的输出分别与⑶4051脚1、2、4、5、12、13、14相连;红外编码采集和数据处理模 块 400STC12LE5A60S2 脚 18、19、20、44 分别与CD4051 脚 9、10、11、3 相连;个 / 十 / 百位的 CD4051脚6分别与红外编码采集和数据处理模块400STC12LE5A60S2脚21、22、23相连;
[0056] 红外编码采集和数据处理模块400STC12LE5A60S2脚21、22、23输出个/十/百 位CD4051的片选信号,红外编码采集和数据处理模块400STC12LE5A60S2脚9、10、11决定 ⑶4051的7选1输入信号通道,选通的红外接收编码管信号送至STC12LE5A60S2脚44进行 AD采样。
[0057] 个/十/百位7选1开关模块共用STC12LE5A60S2的输入通道选择信号线,选通 的红外接收编码管信号共用STC12LE5A60S2的1个AD口采样;个/十/百位7选1开关模 块拥有不同的STC12LE5A60S2片选信号线,"三位"遵循串行方式运行。
[0058] 如图4、图3、图5、图6所示,红外编码采集和数据处理模块400以STC12LE5A60S2 为核心,供电电压Vra;STC12LE5A60S2脚21、22、23分别与个/十/百位的CD4051脚6相 连、给出CD4051的片选信号;STC12LE5A60S2脚18、19、20与个/十/百位的CD4051脚9、 10、11相连、给出〇)4051的7选1输入通道选择信号;51'(:121^546052脚44与个/十/百位 的CD4051脚3相连、对选通的红外接收编码管信号进行AD采样;STC12LE5A60S2脚42、43 分别与光照环境能收集和通信模块500STM300C脚22、21相连,上传燃气的数字量数据;
[0059]STC12LE5A60S2脚8与振动环境能收集模块600LTC3588_1脚10相连,输入振 动环境能收集模块600电能就绪的中断信号0、极化继电器闭合、喚醒处在休眠状态下的 STC12LE5A60S2、启动燃气数据的采集进程;STM300C脚11检测振动环境能收集模块600电 能的就绪状态,STC12LE5A60S2脚9与STM300C脚16相连;STM300C检测振动环境能收集模 块600电能未就绪,STM300C向STC12LE5A60S2发出电能未就绪的中断信号1,极化继电器 断开、STC12LE5A60S2转入休眠、中止燃气数据的采集进程;反之极化继电器闭合、继续燃 气数据的采集进程。
[0060] 民用膜式燃气表流量QMX= 6m3/h= 0.Im3/min,直读式无线燃气表采样周期 取Smin;相邻采样燃气值的变化量< 0. 8m3,则相邻采样燃气值的个位编码器海明距离 < 1。STC12LE5A60S2完成一次燃气数据采集和上传,启动8min定时中断;工作状态下的 STC12LE5A60S2转入休眠状态,极化继电器断开。若振动环境能收集模块600电能就绪状态 破坏,中止燃气数据的采集进程;否则8min定时中断发生,极化继电器闭合,休眠状态下的 STC12LE5A60S2转入工作状态,启动燃气数据的采集进程;周而复始。
[0061] 直读式无线燃气表采样周期取8min,保证振动环境能收集模块600收集、存储足 够的电能,支持完成下一周期的燃气数据采集和上传。
[0062] 如图5所示,光照环境能收集和通信模块500以STM300C和MAX666为核心,供 电电压VCC;STM300C是自获能专用MCU芯片、实现光照环境能收集和通信,MAX666是DC-DC 芯片、输出稳定的3. 3V电源;实现光照环境能收集和通信的STM300C硬件平台包括太阳能 电池板SC175130I,钽电容C21,超级电容C22和C23、型号DCL5R5105-C,自获能专用MCU芯片 STM300C,锁存器74HC573,型号BSS84LT1的场效应管〇21為2為3為4,三极管〇 25為6為7為8, 二极管D21、D22、D23、D24、D25;
[0063] 太阳能电池SC175130I" + "极与D21阳极、Q21源极相连,太阳能电池SC175130I"_" 极接地,D21阴极与钽电容C21 " "极、STM300C脚2和3相连,从C21 " "极引出电源;钽 电容C21 极接地,R21的两端分别与Q21的源极、门极相连;Q21门极与Q25集电极相连,Q25 发射极接地,Q25基极与R22的一端相连,R22的另一端与STM300C脚30相连;Q21漏极与D23 阳极、Q23源极相连,D23阴极与D22阳极相连,D22阴极与D21阴极相连,R25的两端分别与Q23 的源极、门极相连;Qm门极与Qμ集电极相连,Qμ发射极接地,Qμ基极与Le的一端相连,Le 的另一端与锁存器74HC573脚19相连;Q23漏极与D25阳极相连,D25阴极与D24阳极相连, D24阴极与D21阴极相连,R23的一端与STM300C脚30相连,R23的另一端与C24-端、Q26基极 相连,C24的另一端与Q26集电极相连;Q26发射极接地,Q26集电极与Q22门极相连,R24的两端 分别与Q22的门极、源极相连;Q22漏极与D22阳极相连,Q22源极与超级电容C22 "+"极相连, C22 极接地,R27的一端与锁存器74HC573脚19相连,R27的另一端与C25的一端、Q28基 极相连,C25的另一端与Q28集电极相连;Q28发射极接地,Q28集电极与Q24门极相连,R28的两 端分别与Q24门极、源极相连;Q24漏极与D24阳极相连,Q24源极与超级电容C23 "+"极相连, C23 极接地,锁存器74HC573脚20与D22阳极相连,锁存器74HC573脚10和1并联后接 地,锁存器74HC573的脚11、2分别与STM300C的脚14、15相连;STM300C的脚9、10、1、4、 32分别与C22 " + "极、C23 " + "极、地、天线Ell、R11的一端相连,R11的另一端与STM300C脚 33相连;STM300C的脚16与STC12LE5A60S2的脚9相连,STM300C的脚33、11分别与振动 环境能收集模块600LTC3588_1的脚10、4相连,LTC3588_1的脚10电能就绪中断信号0用 于唤醒休眠状态的STM300C、极化继电器闭合;STM300C借助脚11的AD口、采集LTC3588_1 脚4的电压值:若低于UVLO下降门限值、STM300C脚16向STC12LE5A60S2发出电能未就 绪中断信号1、极化继电器断开,中止燃气数据的采集进程、STC12LE5A60S2转入休眠,反之 极化继电器闭合、继续燃气数据的采集进程;STM300C的脚21、22分别与STC12LE5A60S2的 脚43、42相连,建立两者的通信通道;STM300C的脚12、13分别与极化继电器控制端1、2相 连,脉冲方式切換极化继电器的通或断;STM300C的脚4连接RF天线,接收无线手持抄表器 EnOcean报文格式的抄表请求:基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表进 行时间同步、发射存储在STM300C中的燃气数据;
[0064] 钽电容C21、超级电容C22、C23的电压分别由STM300C的脚2、9、10采集;STM300C脚 30输出高/低电平时,一方面Q21和Q25导通/截止、C22充电回路打开/关闭,另一方面Q22 和Q26导通/截止、C22放电回路打开/关闭、同时R24和C24组成的延时电路使C22放电回路 延时关闭;STM300C的脚15、16分别与锁存器74HC573的脚2、11相连,锁存器74HC573脚 19控制C23的充/放电;STM300C脚16高电平、脚15高/低电平时,锁存器74HC573的脚19 高/低电平,一方面Q23和Q27导通/截止、C23充电回路打开/关闭,另一方面Q24和Q28导通 /截止、C23放电回路打开/关闭、同时R28和C25组成的延时电路使C23放电回路延时关闭; SC175130I获取的环境光能转化成电能,"电能"在微功耗管理电路调度;微功耗管理电路 储能器由小容量钽电容C21、大容量超级电容C22和C23组成;C21用于快速充电,C21电压达到 STM300C的工作电压时、向STM300C供电,SC175130I产生的电能对C21充电,若SC175130I尚有剩余电能、依据C22和C23的电压,或转存至C22或C23、或舍弃SC175130I产生的剩余电 能;C22和C23存储SC175130I收集的剩余电能,SC175130I供电不足或不供电时,由C22维系 直读式无线燃气表的长期稳定运行;C23是C22的热备份,一旦SC175130I和C22存储的电能 无法保证监视探测器的电能需求时、或C22失效时,由C23维系直读式无线燃气表的长期稳定 运行;
[0065] 提供稳定3. 3V电源的MAX666硬件平台以MAX666为核心,MAX666的脚4和脚5 接地、脚8接入Vcc、脚1和脚2相连输出Vra,R5tlJPR5Q2串联,R5(11和R5。2的另一端分别接 地、MAX666 的脚 2,R5tlJPR5Q2的连结点接入MAX666 的脚 6;VQUt=VsetX(R5Q1+R5(I2)/R5Q1 = 1.3X(100+153)/100 〜3.3(V),Vset=I. 3V、R5(i1= 100K、R5(i2= 153K。
[0066] 说明I:微功耗管理电路是μA级功耗的专用电路,μA级功耗指标的实现有赖 于两项关键技术:第一、面向自获能特定应用场合的STM300C不仅拥有主流微功耗MCU常 见的深度睡眠技术,而且只要C21的端电压达到STM300C启动电压、即使STM300C处在深 度睡眠状态亦能置脚30高电平、而脚30高电平可保证C22放电和充电回路开启;第二、 锁存器74HC573为核心的外围电路,锁存器74HC573锁存STM300C运行时脚15和16的状 态、STM300C深度睡眠状态下脚15和16的状态丢失,但锁存器74HC573脚19的输出电平 仍保存STM300C运行时脚15、16电平状态的逻辑组合,脚19的输出电平决定C23放电和 充电回路开启;总之,STM300C工作时,STM300C决定C22、C23放电和充电的状态和状态切 换;STM300C深度睡眠时,借助STM300C脚30的独特高电平特性、以及锁存器74HC573保存 STM300C运行时脚15、16电平状态的逻辑组合,维系STM300C工作时指定的C22、C23放电 和充电状态。
[0067]说明2 :脉冲方式切換极化继电器的通或断是实现微功耗的另一关键技术,双稳 态极化继电器状态切换需耗能,一旦状态切换完成、维持切换后的通或断状态无需电能。
[0068] 说明3 :振动环境能收集模块(600)电能就绪,以中断方式喚醒STM300C和 STC12LE5A60S2、从休眠状态转入工作状态、极化继电器闭合、启动燃气数据的采集进程。 STC12LE5A60S2完成一次燃气数据采集和上传,启动8min定时中断、STC12LE5A60S2转入 休眠状态。STM300C接收上传的燃气数据,极化继电器断开、启动7. 8min定时中断,STM300C 转入休眠状态。7. 8min定时中断发生,喚醒STM300C:如果STM300C检测到振动环境能收 集模块(600)电能未就绪,STM300C发出电能未就绪的中断信号1,STC12LE5A60S2转入休 眠状态、中止燃气数据的采集进程;反之极化继电器闭合、继续燃气数据的采集进程。立足 中断处理机制的动态功率管理有助于直读式无线燃气表的低能耗。
[0069] 如图6所示,振动环境能收集模块(600)以压电振子和LTC3588_1为核心;压电 振子与LTC3588_1的脚1、脚2相连;C601和C603相连、连结端接入TC3588_1的脚4和 STM300C的脚 11,C601、C603 的另一端分别接入LTC3588_1 的脚 3、地;LTC3588_1 的脚 7、 脚8相连,C602 -端与LTC3588_1的脚8相连、另一端接地;LTC3588_1的脚9、脚11相连 并接地;C604与L601相连、连结端接入TC3588_1的脚6输出Vrc2,C6tl4的另一端接地、L6Q1 的另一端接入TC3588_1 脚 5 ;LTC3588_1 的脚 10 与STM300C的脚 33、STC12LE5A60S2 的脚 8相连;
[0070] 振动环境能收集模块(600)电能就绪时,LTC3588_1的脚10 "PG00D"信号是喚醒 STM300C和STC12LE5A60S2的电能就绪中断信号O;STM300C脚11的AD口采集C6tl3电压,C6tl3为大容量超级电容、C6(13电压低于UVLO下降门限值、STM300C脚16发出电能未就绪中 断信号1,STC12LE5A60S2转入休眠状态、极化继电器断开、中止燃气数据的采集进程。

Claims (6)

1. 一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表,其特征在于包括膜 式燃气表基表(1〇〇)、3*直读式红外编码器(200)、3*7选1开关模块(300)、红外编码采集 和数据处理模块(400 )、光照环境能收集和通信模块(500 )、振动环境能收集模块(600 )、极 化继电器(700)、肖特基二极管(800); 膜式燃气表基表(100)、3*直读式红外编码器(200)、3*7选1开关模块(300)、红外编 码采集和数据处理模块(400)顺次相连,3*直读式红外编码器(200)和3*7选1开关模块 (300)并联后与极化继电器(700)第一输出端相连,极化继电器(700)输入端分别与红外 编码采集和数据处理模块(400)供电端、振动环境能收集模块(600)供电端、肖特基二极管 (800)阴极相连,肖特基二极管(800)阳极、光照环境能收集和通信模块(500)、极化继电器 (700)第二输出端顺次相连; 直读式无线燃气表的电源能量源自光照振动互补环境能,燃气表能量流的电压参数如 下:光照环境能收集和通信模块(500)输出电能、输出电压Vra=3. 3V,振动环境能收集模块 (600)无/有效时、输出电压VCC2=0/3. 3V八0经肖特基二极管与V CC2连结,V CC2=0时、VCC3 = VCC1 - A v=3. 3V - A V,VCC2=3. 3V 时、VCC3 = VCC2 =3. 3V,其中 A v=0. 2 〜0• 3V 是肖特基二极 管的压降; 燃气表燃气数据信息流的流程如下:膜式燃气表基表(100)计数器中内嵌3*直读式红 外编码器(200)、直读式红外编码器(200)输出燃气的模拟量编码值,经3*7选1开关模块 (300)选通红外接收编码管、红外编码采集和数据处理模块(400)进行AD和数据处理、上传 燃气的数字量数据至光照环境能收集和通信模块(500);借助无线手持抄表器与光照环境 能收集和通信模块(500)的无线通信,实现燃气数据的无线抄表; 燃气表互补环境能能量流的流程如下:燃气表断气时,振动环境能收集模块(600)无 效、极化继电器断开、3*直读式红外编码器(200)和3*7选1开关模块(300)失电;光照环境 能收集和通信模块(500)收集的光能转化成电能、在超级电容支持下提供模块自身所需的 电能、供电电压Vcc=3. 0〜5. 0V,同时维系休眠状态下红外编码采集和数据处理模块(400) 的供电、供电电压为= Vra -AV=3.3V-AV;燃气表通气时,振动环境能收集模块 (600)生效、极化继电器闭合,工作状态下红外编码采集和数据处理模块(400)、3*直读式 红外编码器(200)和3*7选1开关模块(300)得电、上述三模块的供电电压为Vra=3. 3V ;光 照环境能收集和通信模块(500)仅提供模块自身耗用的电能,模块自身的供电电压为V。。、 输出的电压Vra=3. 3V ;Vra= Vra=3. 3V,即光照环境能收集和通信模块(500)不向模块外输 出电能。
2. 根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气 表,其特征在于所述的3*直读式红外编码器(200)由个位编码器、十位编码器和百位编码 器组成,3个编码器的原理和结构类同,供电电压Vrc2 =3.3 V;个位编码器包括计数器字轮 上1. 5mm宽的单环半圆编码透空孔(201)、红外发射管(202)、红外接收编码组管(203),红 外发射管(202)和红外接收编码组管(203)垂直正对计数器字轮、且与单环半圆编码透空 孔(201)处在同一圆弧上;单环半圆编码透空孔随字轮旋转,抄表时红外发射管发射红外 光,红外接收编码管或因字轮透空孔接收成功、或因字轮表盘遮挡接收失败,通过红外接收 编码管的通断状态、获取字轮相应的转角位置;个位编码器的红外接收编码组管由7只红 外接收编码管组成,其中5只红外接收编码管居中相隔36°均匀排列,2只纠错红外接收编 码管分布在接收编码管的两端:第S、E纠错红外接收编码管分别与第1、5红外接收编码管 相距18°;个位编码器的第S红外接收编码管与个位编码器的7选1开关模块⑶4051脚1 相连,个位编码器的第1红外接收编码管与个位编码器的7选1开关模块⑶4051脚2相连, 余类推;个位编码器输出的燃气模拟量编码格式是:海明距离1带纠错功能的模拟量编码。
3. 根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气 表,其特征在于所述的3*7选1开关模块(300)由个位7选1开关模块、十位7选1开关模 块和百位7选1开关模块组成,3个7选1开关模块的原理和结构类同,供电电压Vee2=3. 3V ; 个位7选1开关模块以个位⑶4051为核心,个位编码器第S、l、2、3、4、5、E红外接收 编码管的输出分别与⑶4051脚1、2、4、5、12、13、14相连;红外编码采集和数据处理模块 (400) STC12LE5A60S2 脚 18、19、20、44 分别与 CD4051 脚 9、10、11、3 相连;个 / 十 / 百位的 CD4051脚6分别与红外编码采集和数据处理模块(400)STC12LE5A60S2脚21、22、23相连; 红外编码采集和数据处理模块(400) STC12LE5A60S2脚21、22、23输出个/十/百位 CD4051的片选信号,红外编码采集和数据处理模块(400)STC12LE5 A60S2脚9、10、11决定 ⑶4051的7选1输入信号通道,选通的红外接收编码管信号送至STC12LE5A60S2脚44进行 AD采样。
4. 根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气 表,其特征在于所述的红外编码采集和数据处理模块(400)以STC12LE5A60S2为核心,供电 电压VCC3;STC12LE5A60S2脚21、22、23分别与个/十/百位的CD4051脚6相连、给出CD4051 的片选信号;STC12LE5 A60S2脚18、19、20与个/十/百位的CD4051脚9、10、11相连、给 出CD4051的7选1输入通道选择信号;STC12LE5A60S2脚44与个/十/百位的CD4051脚 3相连、对选通的红外接收编码管信号进行AD采样;STC12LE5A60S2脚42、43分别与光照环 境能收集和通信模块(500) STM 300C脚22、21相连,上传燃气的数字量数据; STC12LE5A60S2脚8与振动环境能收集模块(600) LTC3588_1脚10相连,输入振动 环境能收集模块(600)电能就绪的中断信号0、极化继电器闭合、喚醒处在休眠状态下的 STC12LE5A60S2、启动燃气数据的采集进程;STM300C脚11检测振动环境能收集模块(600) 电能的就绪状态,STC12LE5A60S2脚9与STM 300C脚16相连;STM300C检测振动环境能收 集模块(600)电能未就绪,STM300C向STC12LE5A60S2发出电能未就绪的中断信号1,极化 继电器断开、STC12LE5A60S2转入休眠、中止燃气数据的采集进程;反之极化继电器闭合、 继续燃气数据的采集进程。
5. 根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气 表,其特征在于所述的光照环境能收集和通信模块(500)以STM 300C和MAX 666为核心, 供电电压VCC;STM 300C是自获能专用MCU芯片、实现光照环境能收集和通信,MAX666是 DC-DC芯片、输出稳定的3. 3V电源;实现光照环境能收集和通信的STM300C硬件平台包括 太阳能电池板SC175130I,钽电容C21,超级电容C22和C23、型号DCL5R5105-C,自获能专用MCU 芯片 STM300C,锁存器 74HC573,型号 BSS84LT1 的场效应管 Q21、Q22、Q23、Q24,三极管 Q25、Q26、 Q27、Q28,二极管 d21、d22、d23、d24、d25; 太阳能电池 SC175130I " + "极与D21阳极、Q21源极相连,太阳能电池 SC175130I 极接地,D21阴极与钽电容C 21 " "极、STM300C脚2和3相连,从C21 " "极引出电源;钽 电容C21 极接地,R21的两端分别与Q 21的源极、门极相连;Q 21门极与Q 25集电极相连,Q 25 发射极接地,Q25基极与R 22的一端相连,R 22的另一端与STM300C脚30相连;Q 21漏极与D 23阳极、Q23源极相连,D 23阴极与D 22阳极相连,D 22阴极与D 21阴极相连,R 25的两端分别与Q 23的源极、门极相连;门极与Qm集电极相连,Qm发射极接地,Qm基极与的一端相连, 的另一端与锁存器74HC573脚19相连;Q23漏极与D 25阳极相连,D 25阴极与D 24阳极相连, D24阴极与D 21阴极相连,R 23的一端与STM300C脚30相连,R 23的另一端与C 24-端、Q 26基极 相连,C24的另一端与Q 26集电极相连;Q 26发射极接地,Q 26集电极与Q 22门极相连,R 24的两端 分别与Q22的门极、源极相连;Q 22漏极与D 22阳极相连,Q 22源极与超级电容C 22 " + "极相连, C22 极接地,R27的一端与锁存器74HC573脚19相连,R 27的另一端与C 25的一端、Q 28基 极相连,C25的另一端与Q 28集电极相连;Q 28发射极接地,Q 28集电极与Q 24门极相连,R 28的两 端分别与Q24门极、源极相连;Q 24漏极与D 24阳极相连,Q 24源极与超级电容C 23 " + "极相连, C23 极接地,锁存器74HC573脚20与D22阳极相连,锁存器74HC573脚10和1并联后接 地,锁存器74HC573的脚11、2分别与STM300C的脚14、15相连;5了]\000(:的脚9、10、1、4、32 分别与C22 " + "极、C23 " + "极、地、天线Ell、Rn的一端相连,R n的另一端与STM300C脚33 相连;STM300C的脚16与STC12LE5A60S2的脚9相连,STM300C的脚33、11分别与振动环 境能收集模块(600)LTC3588_1的脚10、4相连,LTC3588_1的脚10电能就绪中断信号0用 于唤醒休眠状态的STM300C、极化继电器闭合;STM300C借助脚11的AD 口、采集LTC3588_1 脚4的电压值:若低于UVL0下降门限值、STM300C脚16向STC12LE5A60S2发出电能未就 绪中断信号1、极化继电器断开,中止燃气数据的采集进程、STC12LE5A60S2转入休眠,反之 极化继电器闭合、继续燃气数据的采集进程;STM300C的脚21、22分别与STC12LE5A60S2的 脚43、42相连,建立两者的通信通道;STM300C的脚12、13分别与极化继电器控制端1、2相 连,脉冲方式切換极化继电器的通或断;STM300C的脚4连接RF天线,接收无线手持抄表器 EnOcean报文格式的抄表请求:基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气表进 行时间同步、发射存储在STM300C中的燃气数据; 钽电容C21、超级电容C22、C23的电压分别由STM300C的脚2、9、10采集;STM300C脚30 输出高/低电平时,一方面%1和Q %导通/截止、c 22充电回路打开/关闭,另一方面Q 22和 Q26导通/截止、C 22放电回路打开/关闭、同时R 24和C 24组成的延时电路使C 22放电回路延 时关闭;STM300C的脚15、16分别与锁存器74HC573的脚2、11相连,锁存器74HC573脚19 控制C23的充/放电;STM300C脚16高电平、脚15高/低电平时,锁存器74HC573的脚19 高/低电平,一方面Q23和Q27导通/截止、C23充电回路打开/关闭,另一方面Q 24和Q28导通 /截止、C23放电回路打开/关闭、同时R 28和C 25组成的延时电路使C 23放电回路延时关闭; SC175130I获取的环境光能转化成电能,"电能"在微功耗管理电路调度;微功耗管理电路 储能器由小容量钽电容C21、大容量超级电容C22和C 23组成;C 21用于快速充电,C 21电压达到 STM300C的工作电压时、向STM300C供电,SC175130I产生的电能对C21充电,若SC175130I 尚有剩余电能、依据C22和C23的电压,或转存至C22或C23、或舍弃SC175130I产生的剩余电 能;C22和C23存储SC175130I收集的剩余电能,SC175130I供电不足或不供电时,由C 22维系 直读式无线燃气表的长期稳定运行;C23是C 22的热备份,一旦SC175130I和C 22存储的电能 无法保证监视探测器的电能需求时、或C22失效时,由C23维系直读式无线燃气表的长期稳定 运行; 提供稳定3. 3V电源的MAX666硬件平台以MAX666为核心,MAX666的脚4和脚5接地、 脚8接入Vcc、脚1和脚2相连输出Vra,1?5(11和R 5Q2串联,R 5(11和R 5Q2的另一端分别接地、 MAX666 的脚 2, 1?5(11和 R 5Q2的连结点接入 MAX666 的脚 6 ;V QUt=VsetX (R5Q1+R5Q2) / R5Q1=1. 3X (100+153)/100 〜3.3 (V),Vset=1.3 V、R501=100K、R5(i2=153K。
6.根据权利要求1所述的一种基于光照振动互补环境能收集技术的直读式无线燃气 表,其特征在于所述的振动环境能收集模块(600)以压电振子和LTC3588_1为核心;压电振 子与LTC3588_1的脚1、脚2相连;(:6(11和C6Q3相连、连结端接入TC3588_1的脚4和STM300C 的脚11,C6Q1、C6Q3的另一端分别接入LTC3588_1的脚3、地;LTC3588_1的脚7、脚8相连,C 6Q2一端与LTC3588_1的脚8相连、另一端接地;LTC3588_1的脚9、脚11相连并接地;(:6(14与L 6Q1相连、连结端接入TC3588_1的脚6输出VCC2, C6(l4的另一端接地、L6(i1的另一端接入TC3588_1 脚5 ;LTC3588_1的脚10与STM300C的脚33、STC12LE5A60S2的脚8相连;C6Q3为大容量超 级电容; 振动环境能收集模块(600)电能就绪时,LTC3588_1的脚10 "PG00D"信号是喚醒STM 300C和STC12LE5A60S2的电能就绪中断信号0 ;STM300C脚11的AD 口采集C6Q3电压,C 6。3电压低于UVL0下降门限值、STM 300C脚16发出电能就绪中断信号USTC12LE5A60S2转入 休眠状态、中止燃气数据的采集进程。
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