阅读说明：本技术 一种新型的超声波智能水表 ([db:专利名称-en]) 是由 王文华 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种新型的超声波智能水表,包括微控制器,所述微控制器分别连接电源模块、测量模块、液晶显示模块、电压检测模块、温度检测模块、存储模块、阀控模块、通讯模块、光电开关及红外通信模块,并对其进行控制；所述光电开关通过照射在水表盖上的光线变化对微控制器进行开关信号的传递,触发微控制器进行开关操作,由微控制器控制液晶显示模块翻页,所述微控制器内设EEPROM单元。所述微控制器采用STM32,所述温度检测模块采用DS18B20温度传感器,所述通讯模块包括有线通讯及无线通讯,有线通讯采用M-BUS或485总线通讯；无线通讯采用NB-IOT或LoRa,对微控制器进行定时数据上报。本发明的优点是,低功耗、宽量程比、数据通信方式多样化。([db:摘要-en])

一种新型的超声波智能水表

技术领域

本发明属于智能水表领域，具体涉及一种新型的超声波智能水表。

背景技术

智能水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术对用水量进行测量并进行用水数据传递的新型水表。与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是很大的进步。智能水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行控制。远传、自动抄读系统技术是智能水表发展的一个方向。

在智能水表中，扩大测量范围、提高水表使用年限是对所有水表的共性要求。因此超声波水表是重要的发展方向之一。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种新型的低功耗、宽量程比、数据通信方式多样化的超声波智能水表控制系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种新型的超声波智能水表，包括微控制器，所述微控制器分别连接电源模块、测量模块、液晶显示模块、电压检测模块、温度检测模块、存储模块、阀控模块、通讯模块、光电开关及红外通信模块，并对其进行控制；所述光电开关通过照射在水表盖上的光线变化对微控制器进行开关信号的传递，触发微控制器进行开关操作，由微控制器控制液晶显示模块翻页，所述微控制器内设EEPROM单元。

进一步的，所述电源模块、电压检测模块、温度检测模块及光电开关连接微控制器的输入端，所述液晶显示模块连接微控制器的输出端，所述测量模块、存储模块、阀控模块、通讯模块及红外通信模块均与微控制器双向连接。

进一步的，所述通讯模块包括有线通讯及无线通讯，有线通讯采用M-BUS或485总线通讯；无线通讯采用NB-IOT或LoRa，对微控制器进行定时数据上报。

作为优选，所述微控制器采用STM32，其是一款超低功耗、高效能的ARM Cortex-M3系列芯片，低功耗运行模式电流小于30μA，工作电压为1.8～3.6V。

作为优选，所述电源模块采用3.6V锂电池；所述测量模块由TDC_GP22芯片、超声波探头、发射控制电路、超声波信号处理电路组成；所述液晶显示模块包括液晶驱动及液晶屏，构成人机交互界面；所述电压检测模块通过微控制器AD转换接口对电压信号进行采集；所述温度检测模块采用DS18B20温度传感器，用于采集水表水流的实时温度；所述存储模块采用内设大容量Flash芯片的存储器；所述阀控模块采用电动球阀，并通过直流电机带动电动球阀正转或反转来控制阀门的开启与关闭；所述红外通信模块采用红外发射管和红外接收管，均连接在微控制器的IO口上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)低功耗：选择适用于本发明的低功耗芯片，耗电量大的***电路不使用时关断，未使用的IO口进行合理设置，系统时钟设置为内部时钟，以降低功耗，系统进入低功耗前将不使用的外设时钟关掉，以降低功耗低功耗，电流30uA以下。

2)宽量程比：采用STM32位微控制器作为本发明的核心控制器件，可以更精确的测量超声波束在水中的传播时间差。通过多次试验，确定GP22芯片最合适的配置方式，以确保测得的超声波束在水中的传播时间差的准确性；获取大量数据得出规律，实现测量算法；由于超声波在不同温度水中的传播速度不同，需通过测试选择准确的一个函数关系，确保不同水温下超声波的速度计算无误。

3)多种数据通信方式可选择：有线远传方式可选M-BUS或485总线通讯，这种方式可实现一对多的传输方式，大大降低了人工抄表的成本及提高了抄表率。无线远传可选NB-IOT或LoRa，对微控制器进行定时数据上报。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明的系统硬件连接框图；

图2为本发明的外设电源开关硬件电路图；

图3为本发明的红外通讯部分硬件电路图；

图4为本发明的光电开关硬件电路图；

图5为本发明的电机驱动硬件电路图；

图6为本发明的测量部分硬件电路图；

图7为本发明的测量部分软件实现流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

如图1-7所示的一种新型的超声波智能水表，包括微控制器1，所述微控制器1分别连接电源模块2、测量模块3、液晶显示模块4、电压检测模块5、温度检测模块6、存储模块7、阀控模块8、通讯模块9、光电开关10及红外通信模块11，并对其进行控制；所述光电开关10通过照射在水表盖上的光线变化对微控制器1进行开关信号的传递，触发微控制器1进行开关操作，由微控制器1控制液晶显示模块4翻页，所述微控制器1内设EEPROM单元。

所述电源模块2、电压检测模块5、温度检测模块6及光电开关10连接微控制器1的输入端，所述液晶显示模块4连接微控制器1的输出端，所述测量模块3、存储模块7、阀控模块8、通讯模块9及红外通信模块11均与微控制器1双向连接。

本系统微控制器1采用超低功耗的STM32为核心控制器件，控制信号检测、数据处理、液晶显示、数据存储及通信等模块。其是一款超低功耗、高效能的ARM Cortex-M3系列芯片，低功耗运行模式电流小于30μA，工作电压为1.8～3.6V。

系统中各模块内容具体如下：

电源模块2：系统供电使用一节3.6V锂电池，通过低功耗电源转换芯片及滤波电路设计保证系统可靠稳定工作，电池使用寿命可达6年。

测量模块3：测量部分由TDC_GP22、超声波探头、发射控制电路、超声波信号处理电路等组成。TDC_GP22和超声波探头为测量部分的主要部件，TDC_GP22为时间间隔及温度测量芯片，具有高速脉冲发生器、停止信号使能、温度测量和时钟控制等功能，可以通过四线的SPI作为外部设备和微控制器1相连。测量过程是：

TDC_GP22向两个超声波探头发射高速脉冲驱动信号，超声波探头起振，并准备接收超声波信号，接收到的超声波信号经过放大滤波后滤除高频噪声，得到正弦的超声波信号，信号经过过零比较整形后送入TDC_GP22的两个stop通道，在两个通道分别接收到信号的跳变后，测出两个跳变之间的时间间隔。

液晶显示模块4:主要由液晶驱动和液晶屏构成，模块构成了人机交互界面，液晶常亮，可显示累积流量、瞬时流量、实时时间、电池电压等信息。

电压检测模块5：本系统采用一节3.6V锂电池作为供电电源，使用一段时间后，电池能量会损耗，为了保证整个系统的正常工作，通过微控制器1AD转换接口对电压信号进行采集，当电压不能满足系统要求时，液晶显示低电压符号。

温度检测模块6：由于超声波在水流中的传播速度与温度有关，为保证测量时间差的准确性，本系统采用DS18B20温度传感器，微控制器1通过检测超声波声束在水中顺流与逆流传播时而产生的时差，采集水流的实时温度。

存储模块7：设计中选用一片大容量的Flash芯片作为存储器，对历史流量、累积流量、实时时间、用户ID等信息进行存储，其擦写次数可达10万次以上，满足水表的使用要求，微控制器1内部的EEPROM单元可进行掉电后数据的恢复。

阀控模块8：该部分由直流电机、电磁阀加上驱动电路来实现。阀门控制是水表控制系统中一个很敏感的部分，关启阀门的可靠性差，将会给供水部门带来很大的问题。本系统采用的是电动球阀，工作电压3V，工作时电流仅50mA。设计中利用直流电机带动半球阀正转或反转的方式来控制阀门的开启和关闭，并通过到位开关信号判断电机开关状态是否已到位。

通讯模块9：有线/无线多种远传通讯方式可选，实现对用户数据的远端读取。无线通讯采用NB-IOT或LoRa定时上报，平时通讯模块9关闭，以降低功耗，有线通讯方式可采用MBUS方式，通讯由M-BUS或485总线供电，降低产品本身耗电量。

光电开关10：光电开关10结合结构设计，水表上盖扣下时，无外部光线进入，翻开上盖，光线照射光开关，光开关输出信号触发微控制器1中断，由微控制器1控制液晶显示翻页，还可根据光开关信号的时间长短进行用户模式和检定模式的切换。

红外通信模块11：采用红外发射管和红外接收管，均连接在微控制器1的IO口上。红外通信的具体原理可为现有技术的内容，具体可参考《单片机学习教程》中红外通信与DS18B20温度传感器中的介绍。

本发明超声波水表采用的是电池供电的方式，电池所能容纳电量有限，为了延长电池的使用周期，必须采用低功耗的微控制器1及软硬件的低功耗设计。因此可满足此低功耗系统的需求。

水表安装结束后，使用标定软件对水表进行标定，将标定结果写入水表，保证水表精度。超声波水表测量部分软件流程图见附图7。

测量模块3软件实现流程图中的符号表示：

TOF:时间差

X：零点偏移值

I:i>＝19时表示水流动.i<19时表示之前水流静止.

w_speed:流速

TOF_ave:TOF_10[10]中前9个数的平均值

TOF_10[10]：数组中10个数。初次存入基准V1,TOF_10[10]中的数据在每次采集完TOF数据之后更新。

本发明具有以下优点：

1)低功耗：选择适用于本发明的低功耗芯片，耗电量大的***电路不使用时关断，未使用的IO口进行合理设置，系统时钟设置为内部时钟，以降低功耗，系统进入低功耗前将不使用的外设时钟关掉，以降低功耗低功耗，电流30uA以下。

2)宽量程比：采用STM32位微控制器1作为本发明的核心控制器件，可以更精确的测量超声波束在水中的传播时间差。通过多次试验，确定GP22芯片最合适的配置方式，以确保测得的超声波束在水中的传播时间差的准确性；获取大量数据得出规律，实现测量算法；由于超声波在不同温度水中的传播速度不同，需通过测试选择准确的一个函数关系，确保不同水温下超声波的速度计算无误。

3)多种数据通信方式可选择：有线远传方式可选M-BUS或485总线通讯，这种方式可实现一对多的传输方式，大大降低了人工抄表的成本及提高了抄表率。无线远传可选NB-IOT或LoRa，对微控制器1进行定时数据上报。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。