基于ATmega168单片机的水表数据采集器的设计

赵松

摘 要：三表（电表、气表、水表）与人们的日常生活息息相关。目前，绝大部分应用数据的抄录仍然采用传统的上门抄表方式。这样做，不仅工作人员的工作效率低、工作量大，而且他们提供的数据也是有限的。随着社会经济的发展，传统的抄表方式已经不能满足工作的要求。简要介绍了一种基于单片机和Lon Works现场总线技术、针对远传水表的数据采集器，以便能够实时监测人们的日用水量和月用水量。

关键词：水表；单片机；Lon Works；数据采集

中图分类号：TH814 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.090

目前，我国远传水表大体分为脉冲式和直读式两类，而脉冲式远传水表的成本大大低于直读式远传水表。随着自保持开关的广泛应用，已经基本解决了初期脉冲式抄表系统使用不准确、不可靠的问题，得到了市场的认可。在现有的应用系统中，90%以上的仍为脉冲式系统。从系统的运行情况看，尽管过去的脉冲系统仍有许多不尽人意的地方，但是，在所有的抄表系统中，应用最多、使用效果最好的就是脉冲抄表系统，其占有非常重要的地位。

本文介绍的数据采集器主要是基于脉冲式水表实现数据采集，远程实时监测和监控用户用水情况、设备的运行情况。对于普通水表，只需在表头加装尺寸合适的开关传感器，并配合实施方案即可将普通水表连入Lon Works网络中，大大降低了改造成本。

1 采集器硬件电路

采集器的硬件电路是由微控制单元（Micro Control Unit，MCU）、脉冲采样和报警状态读取、实时时钟、掉电检测和来电唤醒、电源和可充电电池、Lon Works双绞线接口及其他相关的电路组成。它能够满足设备脉冲输出和报警状态的采集需求，同时，还能保证在外部掉电的情况下，依靠内部可充电电池连续工作60 d。

1.1 微控制单元

微控制单元主要包括ATMEL高性能、低功耗的8位AVR 微处理器ATmega168，16 K字节的系统内可编程Flash，512字节 EEPROM，512字节SRAM，23个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，3个具有比较模式的灵活定时器/计数器（T/C），片内/外中断可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，1个SPI串行端口，1个6路10位ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器和5种可以通过软件选择的省电模式。

1.2 脉冲采样和报警状态读取

脉冲采样主要采取外部中断的方式，边沿触发，待进入中断后利用软件滤波算法完成去干扰处理后累计计算的脉冲数。它是由模块自身供电，以检测引脚通过的电阻。水表指针转动一周，传感器开关闭合一次，当开关闭合时，引脚电平为低；反之为高，即当传感器报警时，引脚电平为高。另外，外部中断兼有唤醒掉电模式下微控制单元的功能。

1.3 实时时钟

PCF8563与微控制单元之间是利用I2C总线实现通信的。当TIME_INT引脚与MCU中断连接，可配置为在每分钟、每星期范围内发生一次中断，用于采集器的定时操作。CLKOUT可以输出可编程的方时钟，用于时钟精度的测量和调校。PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛应用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器和电池供电的仪器、仪表中。

1.4 掉电检测和来电唤醒

当外部掉电时，这项功能会启动，将重要数据保存至EEPROM中。另外，外部掉电后，要关掉UART及其他非必需的模块降低功耗，并自动切换为电池供电。在电池工作的过程中，空闲时，要让mega168进入睡眠模式，外部脉冲中断唤醒，保证利用电池工作时功耗最小，从而延长工作时间。待检测到外部来电后，唤醒微控制单元，退出睡眠模式，打开UART和其他关闭的模块，并恢复与上位机之间的通信。

1.5 电源和可充电电池

在工作过程中，如果采用LM2575系列开关稳压集成电路，其内部就会集成一个固定的振荡器。这时，只需利用极少的外围器件便可构成高效的稳压电路，并且其内部还有完善的保护电路。这是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品，其输入电压范围广（7～40 VDC）。当稳压电路产生稳定的5 V电压后，会直接为Lon双绞线通信模块供电，并通过二极管隔离后供电给微控制单元，从而完成电池充电和脉冲采样。

在此，还可配置800 mAh的可充电电池，以便外部电源掉电后微控制单元能进入低功耗模式。电池保管电路能控制电池的充电过程，保护电池，避免其出现过充、过放和短路等问题。

1.6 Lon Works双绞线通信模块

选用公司现有的FT3120双绞线通信板。为了实现Neuron芯片与I/O设备之间的通信，Neuron芯片的11个引脚可定义为34种I/O对象，用户可以根据实际应用需要选择在应用程序中定义不同的I/O对象。在该方案中，mega168利用USART与通信板连接。

2 软件设计

软件设计是由CPU的初始化模块、各个功能模块和主程序模块组成。初始化模块用于CPU模块的初始化、变量的初始化；功能模块用于实现各项具体功能；主程序模块负责各功能模块的调用和中断处理，以保证设备各部分能够正常、有序运行。其中，功能模块主要包括脉冲采样，与Lon通信板通信，实时时钟读取和校准，月用水量冻结、保存和相关运算，存储器操作，电源管理和其他计算部分。

3 上位机数据处理

利用Lon Works现场总线将数据经由网络控制器传入远端的PC，通过人机界面直观显示出来，以实时监测用户的用水数据，查询日、月用水数据，并将数据保存到数据库中，为后续的数据分析提供支持。

4 结束语

目前，这项技术已经在某能源监管系统项目中投入使用，运行状态良好。随着社会和技术的发展，自动抄表系统将被广泛应用于实际工作中，它的出现指明了未来抄表系统的发展方向。

参考文献

[1]潘柯.水表远传系统的计量误差及其消除方法[G]//第二届供水行业水表选型与应用技术研讨会.北京：中国城镇供水协会，2007.

〔编辑：白洁〕