智能小区远程抄表系统的低功耗设计.pdf

2 01 0年 1 2月 第 3 8卷 第 2 4期 机床 与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS De c 2 01 0 Vo 1 3 8 No 2 4 D OI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 4 0 3 0 智能小区远程抄表系统的低功耗设计 郭亮 烟 台大学 山东烟台 2 6 4 0 0 5 摘要 以住宅小区中原有的机械基表为基础 以降低功耗为主要目的 通过加装零功耗磁敏传感器电路 采用低功耗 的 C MO S贴片作为外围器件 与 L C M系列液晶显示器 E M 7 8 P 4 5 8单片机 MA X 3 4 7 1 通信接口等组成智能小区远程抄表系 统 设计软件时 使单片机平时处于休眠状态 只有当需要采集数据 显示查阅测量数据 远传数据时才通过中断唤醒单 片机使其工作 该系统具有功耗低 安装调试方便 性价比高 易于推广 等特点 关键词 智能小区 远程抄表系统 低功耗 E M 7 8 P 4 5 8单片机 中图分类号 T M 9 3 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 4 0 8 6 3 Lo w P o we r De s ig n o f I n t e l l ig e n t Co mmu n it y Re mo t e M e t e r Re a d in g S y s t e m GUo Li a n g Ya n t a i Un iv e r s it y Ya n t a i S h a n d o n g 2 6 4 0 0 5 Ch in a Ab s t r a ct B y t a k in g t h e o r ig in a l me ch a o ica l b a s e me t e r in t h e r e s id e n t ia l d is t r ict a r e a a s a f o u n d a t io n a n d r e d u cin g t h e p o w e r l o s s a s t h e g o a l t hr ou g h in s t a l l in g z e r o po we r co n s u mpt iv e ma g n e t o d e p e n de n t s e ns o r cir cu it u s ing t h e l o w p o we r l o s s CMOS p a s t e d p ie ce a s t h e p e r iph e ry co mpo n e n t a nd us in g pa r t s a s t he L CM s e r ie s l iq uid cr ys t a l d is p l a y EM78P 45 8 MCU a nd MAX3 471 co mmun ica t io n in t e r f a ce a nd S O on t h e in t e l l ig e nt co mmu n it y r e mo t e me t e r r e a d ing s y s t e m wa s co mp o s e d W h e n d e s ig n in g s o f t wa r e t he mo n o l it h ic in t e g r a t e d cir cu it w a s u s u a l l y t O b e a t t h e d o r ma n t s t a t e o n l y wh e n n e e d co l l e ct in g d a t a d is p l a y in g a n d co n s u l t in g s u r v e y d a t a a n d t r a n s mit t in g d a t a r e mo t e l y t h e MC U wa s a w a k e n t o w o r k t h r o u g h t h e in t e r r u p t T h is s y s t e m h a s ch a r a ct e r s o f l o w p o w e r l o s s co n v e n ien t in in s t a l l in g a n d d e b u g g in g l o w p z ice a n d e a s y in p r o mo t in g a nd S O o n Ke ywor ds I n t e l l ig e n t co mmu nit y Re mo t e me t e r r e a d ing s y s t e m Lo w po we r EM7 8P 45 8 MCU 随着 国民经 济的 高速 发展 和人 民生 活水平 的 提 高 安 全 舒适 现代化 的智 H z J 区建设 在我国正在 蓬勃兴起 智能小区物业管理 中的电表 水表 煤 气 表和暖气表等逐步向低成本 低功耗 高可靠性 方 便用户和 远程 自动 抄 表方 面发 展 构 建 四表 电 水 燃气 热量等 计量 仪表 集 中统 一 管理 的综 合 自动抄表系统 不仅 可节 约人 力 物力 和财 力资源 更重要的是 可提高查表的准确性 由于能源 紧张 加 之小 区四表使用 的连 续性 与特 殊性 不仅 要求 小 区 四表实现低 功耗设计 同时 自动 抄表 系统 的低 功耗 作为系统的一个主要性能指标已被设计人 员和应用 者所 重视 1 自动抄表 系统 的基本 原理 虽然新建小区发展迅速 但 已建成的小 区仍 占小 区的绝大部分 并且 已建成的小区基本上都安装 了机 械三表 电 水 燃 气 表 或 四表 为 了实 现小 区 的自动抄 表系统 在 已建成小区的四表 的机械基表 的 基础上 通过加装传感器电路 再经过单片机的处理 实现 自动抄表 系统 对于新建小 区 可 以通过设 计或 选择相应 的传感器来实现 以燃气表为例 自动抄表 系统的原理 框 图如 图 1 所 示 它 由普 通 的燃气 表基 表 传感 器及其接 口 单片机 系统 通信接 口及计算 机管理控 制中心等部分构成 传感器及其接 口电路 和 单片机系统 通信接 口电路置于基表处或与基表同处 于一个盒 内 以便于安装管理 计算 机管理控制 中心 承担各用户用燃 气量 的统计处 理 费用结 算 显示 打 印 查询 报表等管理工作 H噩 僵 图 1 自动抄表系统结构框图 2系统低功耗的设计 2 1 传感 器的低 功耗 设计 为了实现低功耗 采用南京新捷中旭微 电子有 限 公 司的 Z P 1 0 5 A型韦根特零功耗磁 敏传感器作 为数据 采集传感器 该传感器工作时无须使用外加 电源 适 用于微功耗仪表 输出信号幅值与磁场的变化速度无 关 可实现 零速 传感 元触点 耐腐蚀 防水 寿命在 2 亿次 以上 一 通过零功耗磁敏传感器对传统电表 水表 气表 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 0 5 作者简介 郭亮 I 9 6 7 一 5 j 夺科 实验帅 主 要从 事单片机应用与阡发 f 作 E m a il y h y y t u e d u cn 第 2 4期 郭亮 智能小区远程抄表系统的低功耗设计 8 7 和热量表的改进使其 成为远传表 以燃气表为例 选择在 基 表 最 后 一 级 齿 轮 处 加 一 块 小 的 永 久 磁 铁 不算显示部分 的逐 级传 递齿 轮 该 级齿 轮每 转 一 圈都要拨动显示部分的逐级传递齿轮 8次 每拨一 次 是 0 0 0 1 m 所 以每 转 一 圈共 计 0 0 0 8 m 的燃 气 也就是最后一级齿轮每转 1 2 5圈即拨动显示部分 的逐 级传递齿轮 1 0 0 0次 燃气表的显示部分的计数为 l m 同时通过零功耗磁敏传感器输 出 1 2 5个 脉冲送 入 单片机系统实现测量 与远传 2 2 系统 外 围 电路 的低 功耗 设 计 系统外 围电路采用低功耗 的 C M O S 贴 片器件 或 选用低 功 耗器 件 根 据 C MO S电 路 的特 点 电 压 控制器 件 输 入电阻很 大 其 未用 的输 入 引脚 不 能 浮空 以免在输入引脚上积累 电荷使功耗增 加 输 入 信号 的幅度应 当保持 在供电电压范 围内 否 则容 易形 成较大 的输入 电流 C M O S电路对 C M O S电路 的扇 出 系数极 大 达 5 0以上 因 此 在 该 系统 中 外 围 电路全部采用 C M O S贴片器 件 2 3显示 器的低 功耗 设 计 为 了降低 功耗 和缩 小体 积 采用 液 晶显示 系统 液 晶显示器 的工作 电压低 3 6 V 功耗极低 仅 1 8 8 0 m W cm 体 积小 但 响应速 度 较慢 作者 采用北京青云创 新科技 发展 有 限公 司生产 的 L C M 系 列微 功 耗 液 晶 显 示 模 块 其 最 小 显 示 电 流 为 2 5 O A 内含驱动器 可通过 I C总线与单 片机 连接 使用方便 2 4单片机的低功耗设计 在 C O M S系统中 按照 C MO S电路的特点 其系 统功耗 为 W cv 2 f 1 式 中 c 为负载 电容 为电源电压 厂 为时钟频 率 为 了降低单 片机 系统的功耗 必须降低其供 电电 源 电压 如 供 电 电源 电压从 5 V供 电降 为 3 V供 电 在保证满足响应 速度要 求 的条 件 下使系统 的平 均时钟频率I厂 最低 充分利用对单片机进行的时钟管 理和低功耗休眠技术 采用符合系统要求的低功耗单 片机 如美 国 Micr o ch ip技术公司生产 的 P I C 1 x C x x 系列 单片 机 台湾 义 隆公 司生 产 的 E M7 8系列 单 片 机 德州 仪器公司生产的 M S O 4 3 0系列 单片机等 都是 低功耗 具 有休 眠模式的单 片机 为满 足系统低功耗 低价能 比的要求 选用 了带 休眠功能的台湾义隆公司生产的 E M 7 8 P 4 5 8单片机作 为数据采集处理 芯片 E M 7 8 P 4 5 8单片机是高速 C M O S技术 的 8位单 片 机 内部集成 有 4 k 1 3位 O T P型 R O M 9 8 8位 S R A M 8位 可 编 程定 时器 计数 器 8位 A I 转换 器 1 个 比较器 1 个 WD T 同时还 具有 内 外 部 中 断 双向三态 I O 口及 低 功耗 的休 眠方 式 休 眠时 电流仅为 1 t z A 具有 系统外 部接 口简单 实用 廉 价 等特点 低功耗智能小 区远程抄表 系统 的现场 电路如 图 2 所 示 图 2 现 场单 片机系统电路原理图 2 5通 信接 口的低 功耗 设计 智能小区远程抄表系统与上位机的通信有多种 方案 公共网络系统的通信方式可分为无线通信和 有线通信 采用无线通信的公共 网络系统主要服务 于分 布较为 分散 的用户 而 智能 小 区 的用户 比较 集 中 可 以采用 有线 通信 的公共 网络 系统 有 线通 信 可通 过 电话 线 光 纤 通信 有 线 电视 电缆 串行 总 线技 术 R S 一 4 8 5 R S 一 4 2 2 和现场总线 技术 C A N L o n Wo r k s 等 等方式实现 自动抄表 为了降低功 耗 采用 R S 一 4 8 5总线技术 它是一种 支持多节点 远距 离和接受 离灵 敏 度 的串行 总线标 准 R S 一 4 8 5接 口中以 M A X I M 公 司 的 MA X 3 4 7 1功耗 最 低 其 静 态 工 作电流仅为 1 6 t z A 发送 电流为 2 O 6 0 A 单 电 源 为 十2 5 V 即 可 工 作 作 者 采 用 M A X 3 4 7 1实 现 R 一 4 8 5接 口 低功耗远程 抄表系统与上位机的通信接 口电路如 图 3所示 E M P 7 8 4 5 8 M A x 3 4 7 1 M A X 3 4 7 l 罔 计 算 机 PS 6 D E A A 1 平卜 R E B 一转L 管理 控 P 6 7 RO B 制 中心 P5 S D l 图 3 通信 接 口电路设计 2 6软件 系统 的低功 耗设 计 由于测量 显示查 阅 串行 口发送等都是需要 时 才进行 在设 计软件时 利用单片机 的休 眠功能 当 需要上 述功能时将 单片机从休 眠状态 中唤醒而完成 相 应 的功能 因此单 片 机 系统 大 部分 时 间处 于休 眠状 8 8 机床与液压 第 3 8卷 态 测量是频 繁的 是耗 能 的主要来 源 显 示查 阅 串 口发送只在管理人员需要时才用到 其耗能很少 2 7 系统功耗 由于采用 了低功 耗设计 使整 个系统功 耗很低 休眠时 整机实 测电流 为 8 A 工 作时 整机 实测 电流为 2 6 A 显示时 整机实测 电流为 5 8 A 数 据远传 时 整机实测电流为 4 4 A 单 片机 大部分时 间处于低 功耗 休眠工 作状 态 整机 测量 工作 时 间较 短 显示 串 口发送 只有需要时才用 所 以整机功耗 仍很小 采用一节 6 A h电池 供 电 该 仪表可工 作 1 0 年以上 3 结束 语 作者以普通 的煤气表为例 选用 了零功耗磁敏传 感器 低功耗 的系统外 围 电路 低 功耗的 E M 7 8 P 4 5 8 单片机 低功耗的通信接 口 并在软件设计 时实现低 功耗 实现低功耗的智能小 区远传抄表系统 该抄表 系统具有成本低 功耗低 精度较高 性能可靠 使 用安装方便等特点 通过 一定 的改 进 可用 于水 表 电表和暖气表等的远传抄表系统中 具有很好的应用 前景 参考文献 1 刘立群 孙志毅 阎学文 自动抄表系统中几种传感器的 应用 J 太 原 重型 机械 学 院学 报 2 0 0 4 2 5 3 1 7 21 2 顾敏芬 朱云 基于零功耗磁敏传感器的电子水表基表 的研制 J 南京师范大学学报 工程技术版 2 0 0 5 5 2 2 4 2 6 3 梁福平 刘国忠 传感器在电能表 自动抄表系统中的应 用 J 北京 机械 工业学 院学报 1 9 9 8 1 3 4 2 7 3 0 4 D i u g o s D a v i d J Wie g a n d e f f e ct s e n s o r s T h e o r y a n d a p p l i ca t i o n s J S e n s o r s 1 9 9 8 1 5 5 3 2 3 4 5 何立民 嵌入式系统中的零功耗设计 J 单片机与嵌 入式系统应用 2 0 0 2 1 6 9 6 E M 7 8 P 4 5 8 4 5 9 系列单片机原理及应用 M 弘硕电子 科技有 限公 司 2 0 0 0 7 杨春燕 肖吉林 带 A D C P WM 和比较器的单片机 一 E M 7 8 P 4 5 8 J 国外 电子元器件 1 9 9 9 1 1 2 4 2 7 8 邱宪波 袁景淇 唐 日泉 E M7 8 P 4 5 8单片机及其在便携 式血糖仪中的应用 J 测控技术 2 0 0 3 2 2 4 6 0 62 9 王燕 王唯一 龚似星 等 基于 E M 7 8 P 4 5 8单片机的家 用加热器温控系统设计 J 微处理机 2 0 0 4 2 5 2 55 1 0 常飞 赵伟 不断发展的自动抄表技术 J 电测与仪 表 2 0 0 4 5 3 6 上接 第 1 2 4页 选择合适 的胶黏剂 T S 9 9高性能衬板填充 胶 作 为调 整精 度用 胶 黏 剂必 须 具备 以下几 种 特 性 低黏度 流动性好 便于灌 注 确保 1 0 0 充满 间隙 固化过程体积收缩较小 确保床身与立柱的黏 接面充实 固化后 的黏接剂 固体具有足够 的强度和韧 性 提高设备承载能力 增加设备 刚性 以确保机床在 工作过程中具有很好的精度保 持性 固化时间短 缩 短设备安装周期 提