CN211877146U - 一种基于efm32单片机的无磁智能水表 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，包括：EFM32单片机模块、流量检测模块、液晶显示模块、存储模块、电机控制模块、串口模块、电源管理模块和电源模块，EFM32单片机模块与各个模块均电连接；电源模块与电源管理模块电连接，用于为各个模块提供电源。本实用新型通过在水表内安装EFM32单片机，并通过在机表上安装一个随着水流而转动的圆盘，圆盘镀上导电性能良好的金属，将LC振荡电路的电感放于圆盘上方，通过采集LC振荡电路的波形变化来计算水流量，达到水表计量的目的，能够解决磁干扰问题，具有低功耗、低成本的优点，并且本实用新型的电路设计更简单、计量更准确。

Description

一种基于EFM32单片机的无磁智能水表

技术领域

本实用新型涉及智能水表技术领域，尤其涉及一种基于EFM32单片机的无磁智能水表。

背景技术

早期水表多是采用干簧管、霍尔元件、韦根传感器组成。但是由于干黄管受机械特性、使用寿命及抗震性的影响大；而霍尔元件存在低或高流速的频率响应问题；韦根传感器又存在磁阻大的缺点，极易吸附住叶轮增加始动流量，且这几种传感器都是带有磁特性的电子元件,在磁场作用下发出脉冲信息，因此，不可避免地会受到磁干扰，造成水表存在计量偏差或漏计、不计等问题。

现有技术中，无磁水表正是为克服上述问题而设计出来的新一代智能水表,无磁水表是通过在机表上安装一个随着水的流动而转动的圆盘，圆盘的一半镀上导电性能良好的金属，LC振荡电路的电感放于圆盘上方，通过采集LC振荡电路波形变化来计算水的流量，达到水表计量的目的。但是现有无磁水表的功耗较高、成本也较高、计量不够准确以及不能对测量数据进行快速有效地存储。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，以解决现有技术中存在的功耗较高、成本较高、计量不准确以及不能存储数据的问题。

本实用新型提供一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，所述无磁智能水表包括：

基于Cortex-M3内核的EFM32单片机模块，所述EFM32单片机模块设置在无磁智能水表内部；

流量检测模块，所述流量检测模块包括LC传感器电路，所述LC传感器电路通过所述EFM32单片机模块的LESENSE接口与所述EFM32单片机模块连接；

液晶显示模块，所述液晶显示模块采用段氏LCD；

存储模块，所述存储模块采用EEPROM存储模块；

电机控制模块，所述电机控制模块包括阀门电机驱动电路以及与所述阀门电机驱动电路连接的阀门开关电机；

串口模块，所述串口模块采用MAX232；

电源管理模块，所述电源管理模块为一种微功耗的低压差线性稳压器，所述电源管理模块与所述电机控制模块电连接；

电源模块，所述电源模块与所述电源管理模块电连接，用于为各个模块提供电源；

所述EFM32单片机模块与所述流量检测模块、所述液晶显示模块、所述存储模块、所述电机控制模块、所述串口模块以及所述电源管理模块均电连接。

上述技术方案中，所述EFM32单片机模块为超低功耗设计，运行模式下功耗工作电流低至150uA/MHz；实时计数器运行、欠压和RAM与寄存器完全保持电流消耗低至1uA，工作频率可到到48MHz；还具有100nA接收模式的低能耗UART；所述EFM32单片机模块内部的集成模块可以实现电容、电感及电量变化检测及唤醒机制；所述电源管理模块具有过温保护、精密基准源、差分放大器和延迟器等功能。

可选的，所述Cortex-M3内核内部的数据路径、寄存器和存储器接口都是32位的，并且采用了哈佛结构，具有独立的数据总线和指令总线。

上述技术方案中，独立的数据总线和指令总线可以让取值和数据访问并行不悖，从而使得数据访问不再占用指令总线，从而提升了性能。

可选的，所述LESENSE接口为所述EFM32单片机模块的集成LC传感器接口，用于直接测量LC传感器。

可选的，所述EFM32单片机模块包括集成LCD控制器，用于驱动至多8*20段LCD。

采用上述技术方案，所述EFM32单片机模块具有多个集成资源，高集成资源可以最大程度的减少无磁智能水表的外围器件，更加方便软件程序的设计；所述集成LCD控制器能够满足无磁智能水表在不同情况下的显示需求，实际使用中，可以通过编程选择想要显示的段位。

可选的，所述LC传感器电路用于感应所述无磁智能水表的转轮金属片区及转轮非金属区经过时产生的振荡波形。

可选的，所述阀门电机驱动电路采用H桥式电路，用于控制所述阀门开关电机的正反转。

本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本实用新型采用EFM32单片机模块作为核心处理单元，能够有效解决现有技术中存在的磁干扰问题，并且具有低功耗、低成本、电路设计更简单、计量更加准确的优点。

(2)本实用新型采用EFM32单片机模块的标准外设接口，低能耗传感器接口LESENSE，能够快速完成无磁检测过程，大大提高效率，降低功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的原理框图；

图2为本实用新型的LC振荡电路图；

图3为本实用新型水表计量无磁检测示意图；

图4为本实用新型的第一种状态下的LC振荡的正弦波衰减变化图；

图5为本实用新型的第二种状态下的LC振荡的正弦波衰减变化图；

图6为本实用新型的第三种状态下的LC振荡的正弦波衰减变化图；

图7为本实用新型的第四种状态下的LC振荡的正弦波衰减变化图；

图8为本实用新型的表盘转动的旋转逻辑图；

图9为本实用新型的Low Energer Sensor接口模块的电路原理图；

图10为本实用新型无磁检测过程中的充电过程示意图；

图11为本实用新型无磁检测过程中的延时过程示意图；

图12为本实用新型无磁检测过程中的检测过程示意图；

图13为本实用新型无磁检测过程中的逻辑处理过程示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供的一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，所述无磁智能水表包括：

基于Cortex-M3内核的EFM32单片机模块，所述EFM32单片机模块设置在无磁智能水表内部；

流量检测模块，所述流量检测模块包括LC传感器电路，所述LC传感器电路通过所述EFM32单片机模块的LESENSE接口与所述EFM32单片机模块连接；

液晶显示模块，所述液晶显示模块采用段氏LCD；

存储模块，所述存储模块采用EEPROM存储模块；

电机控制模块，所述电机控制模块包括阀门电机驱动电路以及与所述阀门电机驱动电路连接的阀门开关电机；

串口模块，所述串口模块采用MAX232；

电源管理模块，所述电源管理模块为一种微功耗的低压差线性稳压器，所述电源管理模块与所述电机控制模块电连接；

电源模块，所述电源模块与所述电源管理模块电连接，用于为各个模块提供电源；

所述EFM32单片机模块与所述流量检测模块、所述液晶显示模块、所述存储模块、所述电机控制模块、所述串口模块以及所述电源管理模块均电连接。

上述技术方案中，所述EFM32单片机模块为超低功耗设计，运行模式下功耗工作电流低至150uA/MHz；实时计数器运行、欠压和RAM与寄存器完全保持电流消耗低至1uA，工作频率可到到48MHz；还具有100nA接收模式的低能耗UART；所述EFM32单片机模块内部的集成模块可以实现电容、电感及电量变化检测及唤醒机制；所述电源管理模块具有过温保护、精密基准源、差分放大器和延迟器等功能。

需要特别说明的是，本实施例中，采用的是Silicon Labs旗下的32位单片机EFM32，是世界上功耗最低的单片机之一，相较于现有技术中的所有通用单片机而言，功耗更低；采用阀门电机驱动电路控制阀门开关电机转动，通过EFM32单片机模块上的接口控制MOS管的导通和截止，改变电流的极性从而改变电机转动的方向；所述存储模块采用的是即插即用，并且可以重复供电擦除的可设置只读存储器的专用存储器；所述串口模块通过MAX232芯片完成电平的转化，与外部其他装置进行数据信息的交互。

在上述具体实施方式上，进一步地，所述Cortex-M3内核内部的数据路径、寄存器和存储器接口都是32位的，并且采用了哈佛结构，具有独立的数据总线和指令总线。

上述技术方案中，独立的数据总线和指令总线可以让取值和数据访问并行不悖，从而使得数据访问不再占用指令总线，从而提升了性能。

在上述具体实施方式上，进一步地，所述LESENSE接口为所述EFM32单片机模块的集成LC传感器接口，用于直接测量LC传感器。

上述技术方案中，LESENSE(低能耗传感器接口)，即Low Energer Sensor接口作为EFM32单片机的一个标准外设模块，从ARMCorter-M0+到M3/M4中都存在，是利用其他已经存在的外设并将几种不同外设进行组合配置而形成的的低能耗测量传感器，可以用于测量电容、电感及电量等的变化，LESENSE接口将模拟比较器采集的模拟数据与通过DAC生成的参考电压进行比较，输出结果通过时序逻辑处理、计数处理，最后存储在设定区域中，从而通过多次结果分析来判断所采样的模拟波形变化情况。借助于Low Energer Sensor接口，当EFM32单片机处于深度睡眠模式时，可以自行处理模拟比较器、DAC和计数器的几乎所有传感器接口任务；只有在传感器读数改变并且到达触发阈值，或者需要更高级别的校准时，EFM32单片机才需要唤醒至运行模式，很大程度上简化了产品的低功耗设计要求。

在上述具体实施方式上，进一步地，所述EFM32单片机模块包括集成LCD控制器，用于驱动至多8*20段LCD。

采用上述技术方案，所述EFM32单片机模块具有多个集成资源，高集成资源可以最大程度的减少无磁智能水表的外围器件，更加方便软件程序的设计；所述集成LCD控制器能够满足无磁智能水表在不同情况下的显示需求，实际使用中，可以通过编程选择想要显示的段位。

在上述具体实施方式上，进一步地，所述LC传感器电路用于感应所述无磁智能水表的转轮金属片区及转轮非金属区经过时产生的振荡波形。

在上述具体实施方式上，进一步地，所述阀门电机驱动电路采用H桥式电路，用于控制所述阀门开关电机的正反转。

如图2所示，为本实用新型的基础原理的LC振荡电路，对于LC振荡电路的计算，忽略掉频率引起的阻尼常数变化，采用LC振荡公式：

其中，f₀为振荡频率，L为电感，C为电容，通过对图2中的开关K进行调整，可以在LC振荡电路上实现一个正弦波输出电路，通过K对电容C充电，充满后，将开关K与电感L连通，电容C储存的电量将通过电感L放电，由于电感L存在电能消耗，因此，输出的正弦波的波形逐步衰减，从而可以通过检测正弦波的衰减过程实现无磁智能水表的计量。

参见图3-图8，利用上述原理，对本实用新型的无磁智能水表进行水表计量检测，图3-图7中电路右边部分的圆盘均代表水表的表盘转子，圆盘的白色区域均为非金属表盘区，圆盘的灰色区域均表示金属表盘区，L为固定的电感线圈，对LC振荡电路进行充电后，EFM32单片机模块通过检测固定电容C两端的电压，可以获得LC振荡电路中的正弦波，当电感L处于金属表盘区时，会形成电感涡流，导致更大的电能消耗，正弦波的衰减速度更快；当电感L处于非金属区时，则基本不存在涡流，正弦波衰减的速度相对较慢。因此，通过EFM32单片机检测正弦波衰减速度的快慢，能够识别出表盘转子处于哪个区域，从而判断表盘位置及圈数，达到对无磁智能水表计量的目的。图4-图7，为表盘转动过程中几种不同的状态下对应的LC振荡电路的正弦波衰减变化过程图。通过对图4-图7进行分析，能够得到Sensor1/Sensor2状态在表盘转子转动过程中，从A-B-C-D-A-B-C循环出现，通过Sensor1/Sensor2的正弦波衰减趋势得到对应的状态，在通过不同的组合状态，获得水表的转速。需要特别说明的是，图4中的状态A表示快/慢，图5中的状态B表示快/快，图6中的状态C表示慢/快，图7中的状态D表示慢/慢，图8为表盘转动的旋转逻辑图。

本实用新型的实际测量过程如下：

通过软件程序模块提供激励，激励所用的时间很短，流量检测模块充当LC振荡电路中的电源给电容充电，然后又立马断开，让LC振荡电路起振，因为涡电流，产生衰减的振荡正弦波形。由于衰减信号的出现需要一段的时间，因此需要延时一段时间才能测得衰减的波形。接着流量检测模块检测到衰减波形，根据波形的衰减情况可以判断出电感L是否处于转动装置，即表盘的金属区域或非金属区域，最后通过与电感L上一位置对比，就可以测得转动装置，即表盘的转动方向和圈数。

如图8-12图所示，图9为Low Energer Sensor接口模块的电路原理图，本实用新型的一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，通过Low Energer Sensor接口模块实现无磁检测，包括充电、延时、检测、逻辑处理四个过程，Low Energer Sensor接口模块可通过软件设置实现该无磁检测过程，并且在测量完成后自动进入IDIE模式，大大提高效率，降低功耗。充电过程如图10所示，Low Energer Sensor通过DAC0_CHx开关(即图10中圈出来的部分)给LC电路中电容C充电，定时断开，需要说明的是，图10中仅为图9Low Energer Sensor接口模块的电路中DAC0_CHx开关的部分电路图；延时过程如图11所示，在刚开始充电的一段时间内，正弦波衰减是很缓慢的，因此需要一段延时(图11中圈出来部分为延时时间)，等待有规律的衰减期到来，在实际的延时过程中，延时长短具体是根据LC参数及电感涡流大小来调整的，需要通过实验测试，才能找到合适的延时时间；检测过程如图12所示，延时之后，LowEnerger Sensor接口模块通过判断此时正弦波的衰减速度，从而判断Sensor1与Sensor2的状态得到转子位置，由于接收到的是正弦波，因此所有Low Energer Sensor通过DAC测量，并通过调整DAC参考电压的方法来判断衰减情况；逻辑处理过程如图13所示，将本次获得的转子位置存储，并与上次获得位置进行对比分析，符合顺转或逆转逻辑即合理，若不符合，则需要排查或者重新启动检测。

需要特别说明的是，本实施例中，检测过程图12包括处于金属区的检测图和处于非金属区的检测图，图12中的直线，即基准线，为通过DAC调整的参考电压点，可以看到，处于金属区的Sensor因为衰减较快，电压很快就衰减到基准线以下，因此，对应的DAC调整参考电压的次数就少，即方波的翻转次数少，而处于非金属区的Sensor，因为衰减缓慢，电压衰减到基准线以下的时间相对较长，因此，对应的DAC调整参考电压的次数就多，即方波的翻转次数多。

本实用新型提供的实施例中的原理、水表计量检测过程均只是为了更好地说明本实用新型的设计构思，并不构成本实用新型保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本实用新型方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，其特征在于，所述无磁智能水表包括：

基于Cortex-M3内核的EFM32单片机模块，所述EFM32单片机模块设置在无磁智能水表内部；

流量检测模块，所述流量检测模块包括LC传感器电路，所述LC传感器电路通过所述EFM32单片机模块的LESENSE接口与所述EFM32单片机模块连接；

液晶显示模块，所述液晶显示模块采用段氏LCD；

存储模块，所述存储模块采用EEPROM存储模块；

电机控制模块，所述电机控制模块包括阀门电机驱动电路以及与所述阀门电机驱动电路连接的阀门开关电机；

串口模块，所述串口模块采用MAX232；

电源管理模块，所述电源管理模块为一种微功耗的低压差线性稳压器，所述电源管理模块与所述电机控制模块电连接；

电源模块，所述电源模块与所述电源管理模块电连接，用于为各个模块提供电源；

所述EFM32单片机模块与所述流量检测模块、所述液晶显示模块、所述存储模块、所述电机控制模块、所述串口模块以及所述电源管理模块均电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，其特征在于，所述Cortex-M3内核内部的数据路径、寄存器和存储器接口都是32位的，并且采用了哈佛结构，具有独立的数据总线和指令总线。

3.根据权利要求1所述的一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，其特征在于，所述LESENSE接口为所述EFM32单片机模块的集成LC传感器接口，用于直接测量LC传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，其特征在于，所述EFM32单片机模块包括集成LCD控制器，用于驱动至多8*20段LCD。

5.根据权利要求1所述的一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，其特征在于，所述LC传感器电路用于感应所述无磁智能水表的转轮金属片区及转轮非金属区经过时产生的振荡波形。

6.根据权利要求1所述的一种基于EFM32单片机的无磁智能水表，其特征在于，所述阀门电机驱动电路采用H桥式电路，用于控制所述阀门开关电机的正反转。

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