基于ATmega168單片機的水表數據采集器的設計

趙松

摘 要：三表（電表、氣表、水表）與人們的日常生活息息相關。目前，絕大部分應用數據的抄錄仍然采用傳統的上門抄表方式。這樣做，不僅工作人員的工作效率低、工作量大，而且他們提供的數據也是有限的。隨著社會經濟的發展，傳統的抄表方式已經不能滿足工作的要求。簡要介紹了一種基于單片機和Lon Works現場總線技術、針對遠傳水表的數據采集器，以便能夠實時監測人們的日用水量和月用水量。

關鍵詞：水表；單片機；Lon Works；數據采集

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.090

目前，我國遠傳水表大體分為脈沖式和直讀式兩類，而脈沖式遠傳水表的成本大大低于直讀式遠傳水表。隨著自保持開關的廣泛應用，已經基本解決了初期脈沖式抄表系統使用不準確、不可靠的問題，得到了市場的認可。在現有的應用系統中，90%以上的仍為脈沖式系統。從系統的運行情況看，盡管過去的脈沖系統仍有許多不盡人意的地方，但是，在所有的抄表系統中，應用最多、使用效果最好的就是脈沖抄表系統，其占有非常重要的地位。

本文介紹的數據采集器主要是基于脈沖式水表實現數據采集，遠程實時監測和監控用戶用水情況、設備的運行情況。對于普通水表，只需在表頭加裝尺寸合適的開關傳感器，并配合實施方案即可將普通水表連入Lon Works網絡中，大大降低了改造成本。

1 采集器硬件電路

采集器的硬件電路是由微控制單元（Micro Control Unit，MCU）、脈沖采樣和報警狀態讀取、實時時鐘、掉電檢測和來電喚醒、電源和可充電電池、Lon Works雙絞線接口及其他相關的電路組成。它能夠滿足設備脈沖輸出和報警狀態的采集需求，同時，還能保證在外部掉電的情況下，依靠內部可充電電池連續工作60 d。

1.1 微控制單元

微控制單元主要包括ATMEL高性能、低功耗的8位AVR 微處理器ATmega168，16 K字節的系統內可編程Flash，512字節 EEPROM，512字節SRAM，23個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，3個具有比較模式的靈活定時器/計數器（T/C），片內/外中斷可編程串行USART，面向字節的兩線串行接口，1個SPI串行端口，1個6路10位ADC，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器和5種可以通過軟件選擇的省電模式。

1.2 脈沖采樣和報警狀態讀取

脈沖采樣主要采取外部中斷的方式，邊沿觸發，待進入中斷后利用軟件濾波算法完成去干擾處理后累計計算的脈沖數。它是由模塊自身供電，以檢測引腳通過的電阻。水表指針轉動一周，傳感器開關閉合一次，當開關閉合時，引腳電平為低；反之為高，即當傳感器報警時，引腳電平為高。另外，外部中斷兼有喚醒掉電模式下微控制單元的功能。

1.3 實時時鐘

PCF8563與微控制單元之間是利用I2C總線實現通信的。當TIME_INT引腳與MCU中斷連接，可配置為在每分鐘、每星期范圍內發生一次中斷，用于采集器的定時操作。CLKOUT可以輸出可編程的方時鐘，用于時鐘精度的測量和調校。PCF8563是一款性價比極高的時鐘芯片，它已被廣泛應用于電表、水表、氣表、電話、傳真機、便攜式儀器和電池供電的儀器、儀表中。

1.4 掉電檢測和來電喚醒

當外部掉電時，這項功能會啟動，將重要數據保存至EEPROM中。另外，外部掉電后，要關掉UART及其他非必需的模塊降低功耗，并自動切換為電池供電。在電池工作的過程中，空閑時，要讓mega168進入睡眠模式，外部脈沖中斷喚醒，保證利用電池工作時功耗最小，從而延長工作時間。待檢測到外部來電后，喚醒微控制單元，退出睡眠模式，打開UART和其他關閉的模塊，并恢復與上位機之間的通信。

1.5 電源和可充電電池

在工作過程中，如果采用LM2575系列開關穩壓集成電路，其內部就會集成一個固定的振蕩器。這時，只需利用極少的外圍器件便可構成高效的穩壓電路，并且其內部還有完善的保護電路。這是傳統三端式穩壓集成電路的理想替代產品，其輸入電壓范圍廣（7～40 VDC）。當穩壓電路產生穩定的5 V電壓后，會直接為Lon雙絞線通信模塊供電，并通過二極管隔離后供電給微控制單元，從而完成電池充電和脈沖采樣。

在此，還可配置800 mAh的可充電電池，以便外部電源掉電后微控制單元能進入低功耗模式。電池保管電路能控制電池的充電過程，保護電池，避免其出現過充、過放和短路等問題。

1.6 Lon Works雙絞線通信模塊

選用公司現有的FT3120雙絞線通信板。為了實現Neuron芯片與I/O設備之間的通信，Neuron芯片的11個引腳可定義為34種I/O對象，用戶可以根據實際應用需要選擇在應用程序中定義不同的I/O對象。在該方案中，mega168利用USART與通信板連接。

2 軟件設計

軟件設計是由CPU的初始化模塊、各個功能模塊和主程序模塊組成。初始化模塊用于CPU模塊的初始化、變量的初始化；功能模塊用于實現各項具體功能；主程序模塊負責各功能模塊的調用和中斷處理，以保證設備各部分能夠正常、有序運行。其中，功能模塊主要包括脈沖采樣，與Lon通信板通信，實時時鐘讀取和校準，月用水量凍結、保存和相關運算，存儲器操作，電源管理和其他計算部分。

3 上位機數據處理

利用Lon Works現場總線將數據經由網絡控制器傳入遠端的PC，通過人機界面直觀顯示出來，以實時監測用戶的用水數據，查詢日、月用水數據，并將數據保存到數據庫中，為后續的數據分析提供支持。

4 結束語

目前，這項技術已經在某能源監管系統項目中投入使用，運行狀態良好。隨著社會和技術的發展，自動抄表系統將被廣泛應用于實際工作中，它的出現指明了未來抄表系統的發展方向。

參考文獻

[1]潘柯.水表遠傳系統的計量誤差及其消除方法[G]//第二屆供水行業水表選型與應用技術研討會.北京：中國城鎮供水協會，2007.

〔編輯：白潔〕