一種簡單的電子公用儀表解決方案

　　氣表和水表是設計起來最簡單的儀表。這兩種表都采用機械裝置來測量氣流或水流，它們的輸出通常是一個旋轉軸(氣表中)或者一個旋轉磁鐵(水表中)。圖2給出了氣表的結構框圖。氣表的輸出軸上有一個帶槽的圓盤和一個能夠輸出脈沖流的反光器。每個脈沖表示一定量的氣流。水表內部通常采用旋轉磁鐵和霍耳效應傳感器，每當磁鐵通過的時候，這種傳感器就能夠產(chǎn)生輸出脈沖。氣表和水表的脈沖流都可以連接到MCU內部計數(shù)器的時鐘輸入端。氣表和水表設計中的一大挑戰(zhàn)就是它們附近一般都沒有交流電源。這意味著必須用電池或太陽能供電。太陽能電池十分昂貴，會額外增加安裝儀表的機械成本。本文的設計方案采用一個低功耗MCU，它能夠對脈沖進行計數(shù)，周期性地將數(shù)據(jù)保存到非易失性存儲器中，每月上傳一次計費信息。圖2中給出的實例是采用了Microchip公司的PIC16F9xx系列MCU。這一系列的MCU擁有4～8KB的Flash程序存儲器、最多336字節(jié)的RAM、256字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM，內置8MHz的晶振、10位A/D，具有I2C、SPI、USART接口，能夠驅動顯示168個像素。這些功能再加上低功耗特性(休眠模式下典型電流O.5uA，1MHz下典型電流為190uA)使得這種MCU十分適用于采用電池供電的氣表和水表。

　　 圖4 電表結構框圖

　　熱表

　　不同用戶所居住的地區(qū)和國家的供熱方式可能不同。采用熱水流過暖氣片進行供熱是比較常見的方式。熱表的結構比氣表或水表略微復雜一些，因為熱力學計算熱量的方式涉及溫度和流量。熱表要同時測量暖氣片入口和出口的溫度，還要測量水流通過暖氣片的流速。根據(jù)這些測量結果，MCU再根據(jù)熱力學公式計算出熱能使用量。圖3給出了一個熱表的實例。為了降低熱表的成本，我們可以采用MCU來校準和調節(jié)溫度傳感器。溫度傳感器通常采用RTD(電阻式溫度檢測器)或類似的器件，它們能夠浸泡在液體中工作。MCU中可以保存一個校準表，用于把傳感器的模擬輸出量轉換為線性的溫度值。熱表中使用的流速表與水表中的類似，也會產(chǎn)生輸出脈沖。熱表的設計還有另外一個挑戰(zhàn)是氣表和水表沒有的。熱表都是安裝在用戶住宅內的，不像氣表和水表可以安裝在戶外。沒有AMR功能，抄表員記錄熱能使用量時必須有用戶在家里配合?；贛CU的熱表很容易實現(xiàn)RF功能，即使用戶不在家也可以進行抄表。圖3中的實例也采用了PIC16F9XX系列MCU，它具有低功耗特性并集成了LCD模塊。

　　電表

　　電子儀表最令人關注的焦點可能是電表。在發(fā)展中國家中，竊電問題始終都是促使人們研制電子儀表的最主要原因。因為不但儀表會被篡改以減少其顯示的用電量，而且抄表員也容易因為接受用戶的賄賂而篡改抄表數(shù)據(jù)。所以，具備自動抄表功能的電子儀表能夠大大減少公用事業(yè)公司損失的收入。電表設計中的最大挑戰(zhàn)是需要精確記錄用電量。如前所述，某些生產(chǎn)商要求高達0.2%的精度。電表還必須能夠處理大型的電感負載，例如電冰箱、HVAC(暖通空調)、洗衣機和干衣機之類的電器。因此，對于設計人員來說采用MCU或者分立元件是最佳的設計方案。慶幸的是，有些生產(chǎn)商同時提供了兩種類型的電表。為了簡化設計，分立式設計提供了負載和電源接口，采用測量引擎測量電流和電壓并計算用電量，使用簡單的脈沖輸出方式。圖4給出的實例中使用PIC16F9XX器件作為MCU，采用Microchip公司的MCP3905測量用電量。MCP3905的典型精度為0.1%，具有電源反向指示功能，采用分流電阻測量電流。電能輸出驅動機械式兩相步進電機，但是也可以驅動MCU的計數(shù)器輸入。

　　結語

　　與機械式儀表相比，電子儀表具有小巧、可靠、精確度高的特點，并且能夠采用防篡改電路和方法增加公用事業(yè)公司的收入，降低用戶的開銷。采用脈沖計數(shù)的電子儀表解決方案，能夠大大降低儀表設計的復雜性。這樣就可以讓設計人員把精力集中在更方便的數(shù)據(jù)采集和收費功能的設計上。