基于PIC16F628A的无线智能远传水表的设计

O 概述
    随着无线电技术、通讯技术和单片机技术的发展，无线智能远传水表系统以其安装便利、维护快捷、不受安装环境和布线限制等优点，成为了水表行业智能管理的主导系统。该系统一般由四部分组成，即自来水公司微机数据管理系统、现场数据下载器(手抄机)、数据集中器、无线远传智能水表。其中无线智能远传水表是整个系统的基础部分，是信息的产生单元。它一般是在原基表的基础上，加装新型传感器和控制电路板构成。

1 无线智能远传水表实现的功能
    通过广泛的市场调研确定无线智能远传水表应实现以下功能：自动定时或定量上报水量功能；根据集中器命令控制水表阀门开关功能；自动报告远传水表被破坏或受干扰、用水量异常(过大或过小)、电池电能不足的功能；按管理部门的需要进行参量设制功能。

2 硬件电路的设计
    无线智能远传水表的无线通信频率选择公用频段(ISM频段)。该表采用电池供电，保证市电停电时，不影响表具对信息的采集和存储。根据行业标准的要求，电池的使用寿命大于6年，因此整个产品的设计要充分考虑耗电量问题。电池选择高能锂电池，通过选择低功耗器件、设定精密的微功耗工作方式来确保电池的使用寿命。通过采用双传感器、软件纠错、抗干扰技术、加密技术来保障数据采集、存储、传输的准确度。
2．1 无线智能远传水表的组成单元及功能
    无线智能远传水表主要包括以下单元：单片机、输入采集、无线数传、电源、阀门控制、电压检测单元。其构成框图如图1所示。

2．2 各单元电路的硬件设计
2．2．1 输入信号采集单元
    传感器选择接触阻抗低、无待机功耗、可靠性好的小型干簧管。作为磁传感器，在磁铁进入干簧管吸合临界区的时候，干簧管会产生多次吸合，导致重复计量。为了提高计量的准确性和抗干扰性，在产品中采用双传感器设计。无论单个传感器吸合多少次都按照吸合一次计算，只有两个传感器各吸合一次才算是一次有效计量。本设计计量单位为0．1t。当两个传感器同时吸合时，认为是外界强磁干扰，水表执行关闭阀门动作。设置单片机RB0、RB4引脚作为检测端。
2．2．2 单片机的设计
    单片机选择的是功耗低、抗干扰能力强、编程调试方便、价格低的PICl6F628A芯片。该单片机指令为单字节指令，避免程序“跑飞”造成”死机”。高可靠性的看门狗自带RC振荡器，能够避免程序锁死，进一步增加了抗干扰能力。休眠(断电)模式功耗为微功耗，工作时可从休眠状态唤醒，精密设计其工作过程，可使功耗达到节约的极限。为了降低整机的功耗，单片机的主时钟选用内部时钟4M(通过设置电源控制寄存器PCON的BIT3=1实现)，这样单字节指令执行时间为1s，调用和条件转移指令需要2 μs。设置单片机工作平时在睡眠状态，只有在定时时间到或有水量信息时才被中断唤醒。为了降低整机的功耗，定时器1的时钟脉冲选择片外晶体振荡电路，晶体频率是32．768k，配谐电容为22p，内部采用8分频(通过设置控制寄存器T1CON的BIT4，BIT5=1)，这样当脉冲个数为24225个时(5FH,0FFH)，定时时间达到10s。
2．2．3 无线数传单元的设计
    无线数传芯片选择的是高集成度、多通道的RF收发芯片CCll00，该芯片控制方便、功能强大、体积小、价格低、功耗低、抗干扰性强。CCll00的引脚SPI_SCK连接单片机引脚RAl(输出)；SPI_SI连接单片机RA2引脚(输出)；SPI_SO连接单片机RA3引脚(输入)；SPI_CS连接单片机RA6引脚(输出)；GDO0连接单片机RA7引脚(输入)。
    CC1100的软件设计主要是利用TI公司提供的对该芯片的内部寄存器设置软件Smart Studio对CCll00控制寄存器进行设置，在软件参数配置时要注意选择输出功率为10dBm,中心频率为433．92MHz，数据传输速率为10kbps，将这些主要参数输入后，专用配置软件将CCll00所有的控制寄存器的参数值自动换算到该芯片的最优化设置，将这些参数通过单片机，按照约定的地址写入到CCll00特定寄存器，就可保证CCll00稳定可靠地工作。在程序设计中要定期刷新CCll00控制寄存器的设置，防止寄存器中的内容在强烈外界干扰环境中改变，使芯片不能正常工作。CCll00的软件设计要注意，在无线数据传输过程中要关闭其它附属设备的工作状态，保持传输数据的可靠性和稳定性。
2．2．4 阀门控制单元的设计
    驱动电磁阀开关的芯片选择的是L9110芯片。该芯片有两个TTL／CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过800mA的持续电流，峰值电流能力可达1．5A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，驱动性能安全可靠。单片机RB5引脚设置为关阀控制；RB3引脚设置为开阀控制；RB2引脚设置阀门开到位判断；RBl引脚设置阀门关到位判断。
2．2．5 电源电压检测元件的选择与设计
    电压检测芯片选择的是小功率的MCPlll芯片。当电源电压高于检测电压时，MCPlll输出保持高电平；若低于检测电压时输出将变为低电平，提醒电源电量的不足。设置单片机引脚RA5为电源电压检测输入引脚，低电平有效。该产品设定MCPlll的检测电压为3V；在检测到电池电压低提出报警后，仍能保证控制电路板正常工作三个月以上，为更换电池提供时间余量。
    无线智能远传水表连接示意图如图2所示。

3 软件设计
    智能无线远传水表的软件采取模块化设计，程序主要有以下主子程序组成：主程序模块、定时中断处理程序模块、水量采样处理程序模块、接收无线数据处理程序模块、数据发射程序模块。
3．1 主程序设计
    智能无线远传水表上电后，系统软件逐个检测各个功能模块的工作状态。主要包括传感器模块检测、定时器模块检测、阀门执行机构检测、特别是对CCll00的工作参数设置以及设置完成的结果检测，这些模块检测正常后系统检测灯熄灭，系统进入低功耗工作状态。进入低功耗工作的系统只有靠中断才能开启。开启系统由低功耗进入工作状态的方式有两种：一种是当有传感器信号进入时，传感器信号开启中断系统；另一种是定时器时间到后开启中断系统。开启后的系统执行完中断的操作后回到低功耗模式。
3．2 定时中断处理程序设计
    定时启动时间是10s一次，启动以后主要功能是：开启接收机接收查看是否有无线电信号进来。如果没有，进入低功耗状态，如果有，则判断是不是协议规定的命令。如果是规定的命令执行相应的操作，否则关闭接收机，进入低功耗。定时24小时自动发射数据一次，定时一个月“洗阀”一次。
3．3 水量采样处理程序设计
    当水表的传感器有信号来的时候，经软件滤波后判断是否为有效信号。若是无效信号则直接退出中断，若为有效信号时就进行计数和水量运算，运算后将数据存储在单片机内部的存储器内。分析是否达到发射水量，达到发射水量则发射数据，否则退出中断。
3．4 接收无线数据处理程序设计
    设置CCll00为接收状态，若有接收信号，则等待接收数据，读CCll00寄存器中的接收数据。读完规定字节数的数据后，进行数据解码，判断数据的正确性。数据正确，依据规定的命令进行相应的操作；否则退出接收状态。

4 结论
    通过对无线远传智能水表进行的供电参数、无线电性能、信号输出测试、控制功能测试、水表性能测试，其主要参数全部达标，实现了设计时要求的技术指标和性能。本产品在天津自来水公司进行了试用，数据采集的准确率大于92％以上，具有良好的经济和社会效益。