CN208091521U - 一种光电直读智能燃气表 - Google Patents

Abstract

一种光电直读智能燃气表，属于技术设备领域。其特征在于：在燃气表外壳中设置有控制电路，控制电路包括主控制模块、计量模块、无线通信模块、阀门驱动模块以及光电直读模块，计量模块以及光电直读模块的信号输出端与主控制模块的信号输入端相连，主控制模块的信号输出端与阀门驱动模块相连，无线通信模块与主控制模块输入输出端口双向连接，阀门驱动模块驱动所述电动阀门动作，阀门驱动模块为H桥电机驱动电路，在H桥电机驱动电路中还设置有续流支路。在本光电直读智能燃气表中，通过设置阀门驱动模块，并在阀门驱动模块中设置续流支路，延长了电动阀门的使用寿命，同时可以通过无线通信模块实现了数据的无线传输。

Description

一种光电直读智能燃气表

技术领域

一种光电直读智能燃气表，属于技术设备领域。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，城市燃气事业快速发展，燃气居民用户迅猛增长。但是目前普通家庭中的燃气表仅仅实现了燃气的计量功能，自动化水平较低，在现有技术中，也存在有一些智能燃气表，可以利用控制电路实现对燃气表的远程控制，但是传统的智能燃气表中由于燃气表电动阀门为感性负载，电路中没有续流回路，电动阀门容易损坏，因此燃气表电动阀门使用寿命较短。

由于目前燃气表功能单一，因此对燃气使用的统计仍采用人工抄表的方式实现，对抄表人员以及普通家庭来说，会带来各种不便，同时存在如下缺陷：人力成本和时间成本较高，存在着抄表人员工作效率低、数据采集时间滞后、难以分时计费、燃气收费部门支出大等弊端，难以满足目前庞大的用户管理需求。在现有技术中，虽然也存在有一些技术方案可以实现燃气表数据的上传，但是数据上传会消耗大量的电能，而由于燃气表中燃气属于易燃易爆气体，因此燃气表不适用于采用交流电进行供电，因此续航能力也成为了制约智能燃气表发展的瓶颈之一。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过设置阀门驱动模块，并在阀门驱动模块中设置续流支路，延长了电动阀门的使用寿命，同时可以通过无线通信模块实现了数据无线传输的光电直读智能燃气表。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该光电直读智能燃气表，包括燃气表外壳，燃气进气管路和燃气出气管路分别接入燃气表外壳中，其特征在于：在燃气表外壳中设置有控制电路，控制电路包括主控制模块、计量模块、无线通信模块、阀门驱动模块以及光电直读模块，计量模块以及光电直读模块的信号输出端与主控制模块的信号输入端相连，主控制模块的信号输出端与阀门驱动模块相连，无线通信模块与主控制模块输入输出端口双向连接，阀门驱动模块驱动所述电动阀门动作，阀门驱动模块为H桥电机驱动电路，在H桥电机驱动电路中还设置有续流支路。

优选的，所述的阀门驱动模块中H桥电机驱动电路包括三极管Q2~Q5，在三极管Q2~Q5的发射极与集电极之间分别并联续流二极管形成所述的续流支路。

优选的，在所述的阀门驱动模块中，电动阀门的供电电源Vcc同时并联电阻R2、电阻R4的一端，三极管Q2以及三极管Q4的发射极以及二极管D1、二极管D3的阴极；

电阻R2的另一端以及三极管Q2的基极并联于一处后连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的基极依次通过电阻R6和光耦芯片U2连接主控制模块，三极管Q6的发射极同时并联三极管Q5的基极以及电阻R5 一端；

三极管Q2的集电极以及二极管D1的阳极同时并联二极管D5的阳极、电容C1的一端、电动阀门的一端、二极管D2的阴极以及三极管Q3的集电极；

电阻R4的另一端以及三极管Q4的基极并联于一处后连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极依次通过电阻R1和光耦芯片U1连接主控制模块，三极管Q1的发射极同时并联三极管Q3的基极以及电阻R3 一端；

三极管Q4的集电极以及二极管D3的阳极同时并联二极管D6的阳极、电容C1的另一端、电动阀门的另一端、二极管D4的阴极以及三极管Q5的集电极，二极管D5的阴极连接二极管D6的阴极；

电阻R3以及电阻R5的另一端、二极管D2以及二极管D4的阳极、三极管Q3以及三极管Q5的发射极同时并联电阻R7以及电阻R8的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R7的另一端连接主控制模块。

优选的，设置有与主控制模块连接的燃气浓度检测模块，燃气浓度监测模块为一氧化碳传感器，燃气浓度监测模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装有与燃气浓度监测模块配合插接的插孔，插孔与主控制器模块相连。

优选的，设置有与主控制模块连接的温度测量模块，温度测量模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装有与温度测量模块配合插接的插孔，插孔与主控制器模块相连。

优选的，所述的无线通信模块包括型号为CC1100E的集成芯片U3，成芯片U3的1脚~4脚以及6脚~7脚分别与主控制模块相连，4脚同时并联电源Vcc和电容C16的一端，5脚连接电容C2的一端，电容C2和电容C16的另一端接地，集成芯片U3的8脚同时并联晶振X1的一端以及电容C5的一端，集成芯片U3的8脚同时并联晶振X1的另一端以及电容C6的一端，电容C5~C6的另一端接地，电源Vcc同时并联集成芯片U3的9脚、11脚、14脚、15脚以及电容C4的一端，电容C4的另一端接地；

集成芯片U3的11脚同时并联电容C10接地，集成芯片U3的12脚同时并联电容C12以及电感L4的一端，电感L4的另一端串联电容C11接地，集成芯片U3的13脚同时并联电容C9以及电感L1的一端，电容C9的另一端接地，电感L1的另一端以及电容C12的另一端同时串联电感L2并联电容C13以及电感L3的一端，电容C13的另一端接地，电感L3的另一端同时并联电容C14~C15的一端，电容C14的另一端接地，电容C15的另一端连接天线，集成芯片U3的14脚同时并联电容C8接地，集成芯片U3的15脚同时并联电容C7接地。

优选的，所述的计量模块为流量计，流量计安装在燃气进气管路中。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

1、在本光电直读智能燃气表中，通过设置阀门驱动模块，并在阀门驱动模块中设置续流支路，延长了电动阀门的使用寿命，同时可以通过无线通信模块实现了数据的无线传输。

2、燃气浓度监测模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装插孔，通过插孔与主控制模块实现连接，同时方便燃气浓度监测模块的安装和更换。

3、设置有查询模块，查询模块是预留在燃气表外壳上的一个接口，当LORAWAN通信模块无法及时实现通讯时，可由人工通过查询模块通过常规的通讯协议与主控制模块实现通讯，读取相关数据。

4、无线通信模块采用型号为CC1100E的无线传输芯片，CC1100E为点对点的数据发送与接收模式，这种点对点的数据传输方式可以缩短电路的工作时间，降低单片机的工作量，提高了工作效率，降低了电路的功耗。

5、在主控制模块与阀门驱动模块之间通过光耦芯片连接，有效地抑制了电磁干扰，提高系统的可靠性，切断主控芯片和电机之间的电气连接，从而使得主控芯片与驱动回路系统地线的分别连接，防止干扰信号通过线路串入单片机。

6、燃气表的电动阀门只有在控制系统的控制下电动阀门才会开启或者关闭，而且一旦开启或者关闭后，会进入自保持状态，无需再次电源供电，满足低功耗的要求。

附图说明

图1为光电直读智能燃气表控制电路原理方框图。

图2为光电直读智能燃气表控制电路阀门驱动模块原理方框图。

图3为光电直读智能燃气表控制电路无线通信模块原理方框图。

具体实施方式

图1~3是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1~3对本实用新型做进一步说明。

一种光电直读智能燃气表，包括安装在常规燃气表外壳内部的控制电路，如图1所示，控制电路包括主控制模块、时钟模块、燃气浓度监测模块、温度测量模块、计量模块、电源管理模块、无线通信模块、报警模块、阀门驱动模块、LCD显示模块、查询模块、光电直读模块以及JTAG接口模块。

燃气浓度监测模块、温度测量模块、计量模块、时钟模块、查询模块的信号以及光电直读模块的输出端与主控制模块的信号输入端相连。主控制模块的信号输出端与LCD显示模块、阀门驱动模块以及报警模块相连。无线通信模块以及JTAG接口模块与主控制模块输入输出端口双向连接。电源管理模块用于向主控制模块以及上述的主控制模块、时钟模块、燃气浓度监测模块、温度测量模块、计量模块、电源管理模块、无线通信模块、报警模块、阀门驱动模块、LCD显示模块、查询模块、光电直读模块以及JTAG接口模块提供工作所需的电源。

时钟模块采用常规的计时电路或模块实现，用于计时以及向主控制模块提供实时时间数据。

燃气浓度监测模块采用市售常见的一氧化碳传感器实现，用于监测周围环境中的一氧化碳浓度。燃气浓度监测模块优选安装在燃气表外壳的外部，可在燃气表外壳上安装插孔，通过插孔与主控制模块实现连接，同时方便燃气浓度监测模块的安装和更换。

温度测量模块采用市售常见的温度传感器实现，用于检测燃气表外壳内的温度；也可以安装在燃气表外壳的外部，通过燃气表外壳上安装插孔，通过插孔与主控制模块实现连接，也可以在燃气表外壳的内部和外部同时安装。

计量模块采用市售常见的流量计实现，安装于燃气表进气管路内，用于对燃气表进气流量进行测量。

电源管理模块包括常规的变压电路、整流电路、滤波电路以及市售常见的电源转换芯片，根据各个模块供电需求的不同转换为不同的直流电源。

无线通信模块采用市售常见的无线通信模块实现，用于实现主控制模块输出的数字信号与符合无线通讯协议的信号之间的相互转换。

报警模块可采用常见的声光报警形式实现。

阀门驱动模块用于驱动燃气表中电动阀门的工作，电动阀门安装于燃气表进气管路中，通过阀门驱动模块控制电动阀门可实现燃气表进气管路的关断和开启。

LCD显示模块，用于根据需要对燃气表的运行状态进行显示，如显示时间、计量得到的燃气度数和检测出的异常情况状态等。

查询模块是预留在燃气表外壳上的一个接口，当无线通信模块无法及时实现通讯时，可由人工通过查询模块通过常规的通讯协议与主控制模块实现通讯，读取相关数据。

JTAG接口模块为标准的通讯口，用来传输调试信息。可以让上位机通过这个口的信息来下载程序、控制芯片动作、调试程序、读出或设置芯片内寄存器、相关存储器、外设等等。

光电直读模块采用本领域公知的硬件电路实现。

在本光电直读智能燃气表中，主控制模块采用TI公司推出的MSP430系列单片机，其具体型号为MSP430F4152，也可以使用本系列其他型号的单片机实现。MSP430专为超低功耗应用而精心设计。内部集成超低功耗振荡器（VLO）和数控振荡器（DCO），实施高度灵活的时钟系统，包括低频辅助时钟（ACLK），主系统时钟（MCLK）源，和给外设模块使用的子系统时钟（SMCLK）源。

在如图2所示的电动阀门驱动电路中，电机M1为燃气表的电动阀门，电机M1的供电电源Vcc同时并联电阻R2、电阻R4的一端，三极管Q2以及三极管Q4的发射极以及二极管D1、二极管D3的阴极。

电阻R2的另一端以及三极管Q2的基极并联于一处后连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的基极依次通过电阻R6和光耦芯片U2连接主控制模块。三极管Q6的发射极同时并联三极管Q5的基极以及电阻R5一端。

三极管Q2的集电极以及二极管D1的阳极同时并联二极管D5的阳极、电容C1的一端、电机M1的一端、二极管D2的阴极以及三极管Q3的集电极。

电阻R4的另一端以及三极管Q4的基极并联于一处后连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极依次通过电阻R1和光耦芯片U1连接主控制模块。三极管Q1的发射极同时并联三极管Q3的基极以及电阻R3一端。

三极管Q4的集电极以及二极管D3的阳极同时并联二极管D6的阳极、电容C1的另一端、电机M1的另一端、二极管D4的阴极以及三极管Q5的集电极。二极管D5的阴极连接二极管D6的阴极。

电阻R3以及电阻R5的另一端、二极管D2以及二极管D4的阳极、三极管Q3以及三极管Q5的发射极同时并联电阻R7以及电阻R8的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R7的另一端连接主控制模块。

电动阀门是燃气表内部是否允许用户使用燃气的重要部分，因此该部分的设计就显得尤其重要，阀门驱动模块的电路图3所示。控制电路主体为H桥驱动电路，由供电电源Vcc为其供电。电阻R6和电阻R1分别引入开启和关闭电动阀门的驱动信号，并分别通过各自的光耦芯片（型号为TLP521）分别与主控制模块相连。在高位的晶体管采用PNP型三极管，低位的晶体管采用的是NPN型三极管，由于电机为感性负载，为了避免直流电机反电动势的危害，在四个三极管两端分别反并联了快恢复型续流二极管D1、D2、D3、D4，在三极管关断时，可以有效的将电流降为0。二极管D5和二极管D6反向串联后对与之并联的电机可起过压保护作用，当电路过压时，二极管首先击穿短路。

为了有效地抑制电磁干扰，提高系统的可靠性，在主控制模块与H桥驱动回路之间加入光电耦合器件TLP521组成光电隔离电路。加入光耦主要是切断主控芯片和电机之间的电气连接，从而使得主控芯片与驱动回路系统地线的分别连接，防止干扰信号通过线路串入单片机，影响主控制模块的正常工作。

燃气表的电动阀门只有在控制系统的控制下电动阀门才会开启或者关闭，而且一旦开启或者关闭后，会进入自保持状态，无需再次电源供电，满足低功耗的要求。当电机正转一定时间会触发阀门开启，反转一定时间，会关闭阀门。阀门工作电压是3.3V-6V，工作电流约为70毫安。

令电阻R1与三极管Q1处的信号为MOTORCLOSE信号，令电阻R6与三极管Q6处的信号为MOTOROPEN信号，当MOTORCLOSE引脚为高电平，MOTOROPEN引脚为低电平时，三极管Q1导通，三极管Q6关闭，导致三极管Q4和三极管Q3导通，三极管Q2和三极管Q5关闭，最终电流经R8流地，电机M1动作使阀门反转，阀门关闭。相应的，如果MOTORCLOSE引脚为低电平，MOTOROPEN引脚为高电平，阀门正转，阀门开启，主控制模块就可以通过控制这两个引脚的状态，完成开关阀的功能，

无线传输模块的主控芯片选择型号为CC1100E的集成芯片U3，CC1100E是一种成本低、功耗小、使用频点无需申请、能可靠传输、能与无线传感器网络兼容的可编程超高频单片收发芯片。CC1100E芯片的工作频段可以灵活设定，可以设在315MHz、433MHz，868MHz和915MHz的ISM（工业科学与医疗）和SRD（短距离设备）频段。该芯片可以达到_500kBaud的可编程数据传输速率，并且可以提供数据包处理、数据缓冲等的硬件方面支持。传输距离最远可达300~500m，数据传输的环境和数据通信的波特率不同，传输距离也会发生相应的变化，CC1100E是收发两用的无限芯片。他通过SPI接口与单片机MSP430相连。

如图3所示，集成芯片U3的1脚~4脚以及6脚~7脚分别与主控制模块相连，4脚同时并联电源Vcc和电容C16的一端，5脚连接电容C2的一端，电容C2和电容C16的另一端接地。集成芯片U3的8脚同时并联晶振X1的一端以及电容C5的一端，集成芯片U3的8脚同时并联晶振X1的另一端以及电容C6的一端，电容C5~C6的另一端接地。电源Vcc同时并联集成芯片U3的9脚、11脚、14脚、15脚以及电容C4的一端，电容C4的另一端接地。

集成芯片U3的11脚同时并联电容C10接地，集成芯片U3的12脚同时并联电容C12以及电感L4的一端，电感L4的另一端串联电容C11接地。集成芯片U3的13脚同时并联电容C9以及电感L1的一端，电容C9的另一端接地。电感L1的另一端以及电容C12的另一端同时串联电感L2并联电容C13以及电感L3的一端，电容C13的另一端接地，电感L3的另一端同时并联电容C14~C15的一端，电容C14的另一端接地，电容C15的另一端连接天线。集成芯片U3的14脚同时并联电容C8接地，集成芯片U3的15脚同时并联电容C7接地。

在CC1100E的发射状态，CC1100E将基带信号直接调制到载波频率上；模块的频率合成器为射频信号到中频的向下混频器提供正交本振信号，一个内部的压控振荡器和一个90度的移相器构成了频率合成器。CC1100E的两个引脚XOSC_Q1和XOSC_Q2连接到外部晶振的两端，晶振的频率一般选为26MHz，并在晶振两端并联电容C5和电容C6，晶体振荡器产生频率合成器所需要的参考频率，同时晶体振荡器也为芯片的数字部分和ADC提供时钟。

在CC1100E的接收状态，通过天线接收到的射频信号首先经过低噪放（LNA）进行放大，然后利用两个混频器将放大后的信号变换到两路中频信号，这两路信号是I/Q正交的，然后再通过数模转换器（AD）将中频信号转换成为数字信号。

发送数据时，SPI接口以较低的速率将数据写入CC1100E，直到传输完所有数据，然后将数据高速发送，最后清空数据缓存区（TXFIFO）。接收数据时，芯片首先以较高的速率接收射频数据信号，接收完成后通知单片机读取有效数据。CC1100E为点对点的数据发送与接收模式，这种点对点的数据传输方式可以缩短电路的工作时间，降低单片机的工作量，提高了工作效率，降低了电路的功耗。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种光电直读智能燃气表，包括燃气表外壳，燃气进气管路和燃气出气管路分别接入燃气表外壳中，其特征在于：在燃气表外壳中设置有控制电路，控制电路包括主控制模块、计量模块、无线通信模块、阀门驱动模块以及光电直读模块，计量模块以及光电直读模块的信号输出端与主控制模块的信号输入端相连，主控制模块的信号输出端与阀门驱动模块相连，无线通信模块与主控制模块输入输出端口双向连接，阀门驱动模块驱动电动阀门动作，阀门驱动模块为H桥电机驱动电路，在H桥电机驱动电路中还设置有续流支路。

2.根据权利要求1所述的光电直读智能燃气表，其特征在于：所述的阀门驱动模块中H桥电机驱动电路包括三极管Q2~Q5，在三极管Q2~Q5的发射极与集电极之间分别并联续流二极管形成所述的续流支路。

3.根据权利要求1或2所述的光电直读智能燃气表，其特征在于：在所述的阀门驱动模块中，电动阀门的供电电源Vcc同时并联电阻R2、电阻R4的一端，三极管Q2以及三极管Q4的发射极以及二极管D1、二极管D3的阴极；

电阻R2的另一端以及三极管Q2的基极并联于一处后连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的基极依次通过电阻R6和光耦芯片U2连接主控制模块，三极管Q6的发射极同时并联三极管Q5的基极以及电阻R5 一端；

三极管Q2的集电极以及二极管D1的阳极同时并联二极管D5的阳极、电容C1的一端、电动阀门的一端、二极管D2的阴极以及三极管Q3的集电极；

电阻R4的另一端以及三极管Q4的基极并联于一处后连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极依次通过电阻R1和光耦芯片U1连接主控制模块，三极管Q1的发射极同时并联三极管Q3的基极以及电阻R3 一端；

三极管Q4的集电极以及二极管D3的阳极同时并联二极管D6的阳极、电容C1的另一端、电动阀门的另一端、二极管D4的阴极以及三极管Q5的集电极，二极管D5的阴极连接二极管D6的阴极；

电阻R3以及电阻R5的另一端、二极管D2以及二极管D4的阳极、三极管Q3以及三极管Q5的发射极同时并联电阻R7以及电阻R8的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R7的另一端连接主控制模块。

4.根据权利要求1所述的光电直读智能燃气表，其特征在于：设置有与主控制模块连接的燃气浓度检测模块，燃气浓度监测模块为一氧化碳传感器，燃气浓度监测模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装有与燃气浓度监测模块配合插接的插孔，插孔与主控制器模块相连。

5.根据权利要求1所述的光电直读智能燃气表，其特征在于：设置有与主控制模块连接的温度测量模块，温度测量模块安装在燃气表外壳的外部，在燃气表外壳上安装有与温度测量模块配合插接的插孔，插孔与主控制器模块相连。

6.根据权利要求1所述的光电直读智能燃气表，其特征在于：所述的无线通信模块包括型号为CC1100E的集成芯片U3，成芯片U3的1脚~4脚以及6脚~7脚分别与主控制模块相连，4脚同时并联电源Vcc和电容C16的一端，5脚连接电容C2的一端，电容C2和电容C16的另一端接地，集成芯片U3的8脚同时并联晶振X1的一端以及电容C5的一端，集成芯片U3的8脚同时并联晶振X1的另一端以及电容C6的一端，电容C5~C6的另一端接地，电源Vcc同时并联集成芯片U3的9脚、11脚、14脚、15脚以及电容C4的一端，电容C4的另一端接地；

集成芯片U3的11脚同时并联电容C10接地，集成芯片U3的12脚同时并联电容C12以及电感L4的一端，电感L4的另一端串联电容C11接地，集成芯片U3的13脚同时并联电容C9以及电感L1的一端，电容C9的另一端接地，电感L1的另一端以及电容C12的另一端同时串联电感L2并联电容C13以及电感L3的一端，电容C13的另一端接地，电感L3的另一端同时并联电容C14~C15的一端，电容C14的另一端接地，电容C15的另一端连接天线，集成芯片U3的14脚同时并联电容C8接地，集成芯片U3的15脚同时并联电容C7接地。

7.根据权利要求1所述的光电直读智能燃气表，其特征在于：所述的计量模块为流量计，流量计安装在燃气进气管路中。