CN1687716A - 无线无源水表和气表 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
附图说明
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。
Claims (6)
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。
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