一种基于简单的电子公用仪表解决方案

气表和水表

气表和水表是设计起来最简单的仪表。这两种表都采用机械装置来测量气流或水流，它们的输出通常是一个旋转轴（气表中）或者一个旋转磁铁（水表中）。图2给出了气表的结构框图。气表的输出轴上有一个带槽的圆盘和一个能够输出脉冲流的反光器。每个脉冲表示一定量的气流。水表内部通常采用旋转磁铁和霍耳效应传感器，每当磁铁通过的时候，这种传感器就能够产生输出脉冲。气表和水表的脉冲流都可以连接到MCU内部计数器的时钟输入端。气表和水表设计中的一大挑战就是它们附近一般都没有交流电源。这意味着必须用电池或太阳能供电。太阳能电池十分昂贵，会额外增加安装仪表的机械成本。本文的设计方案采用一个低功耗MCU，它能够对脉冲进行计数，周期性地将数据保存到非易失性存储器中，每月上传一次计费信息。图2中给出的实例是采用了Microchip公司的PIC16F9xx系列MCU.这一系列的MCU拥有4～8KB的Flash程序存储器、最多336字节的RAM、256字节的数据EEPROM，内置8MHz的晶振、10位A/D，具有I2C、SPI、USART接口，能够驱动显示168个像素。这些功能再加上低功耗特性（休眠模式下典型电流O.5uA，1MHz下典型电流为190uA）使得这种MCU十分适用于采用电池供电的气表和水表。

图4电表结构框图
 

热表

不同用户所居住的地区和国家的供热方式可能不同。采用热水流过暖气片进行供热是比较常见的方式。热表的结构比气表或水表略微复杂一些，因为热力学计算热量的方式涉及温度和流量。热表要同时测量暖气片入口和出口的温度，还要测量水流通过暖气片的流速。根据这些测量结果，MCU再根据热力学公式计算出热能使用量。图3给出了一个热表的实例。为了降低热表的成本，我们可以采用MCU来校准和调节温度传感器。温度传感器通常采用RTD（电阻式温度检测器）或类似的器件，它们能够浸泡在液体中工作。MCU中可以保存一个校准表，用于把传感器的模拟输出量转换为线性的温度值。热表中使用的流速表与水表中的类似，也会产生输出脉冲。热表的设计还有另外一个挑战是气表和水表没有的。热表都是安装在用户住宅内的，不像气表和水表可以安装在户外。没有AMR功能，抄表员记录热能使用量时必须有用户在家里配合。基于MCU的热表很容易实现RF功能，即使用户不在家也可以进行抄表。图3中的实例也采用了PIC16F9XX系列MCU，它具有低功耗特性并集成了LCD模块。

电表

电子仪表最令人关注的焦点可能是电表。在发展中国家中，窃电问题始终都是促使人们研制电子仪表的最主要原因。因为不但仪表会被篡改以减少其显示的用电量，而且抄表员也容易因为接受用户的贿赂而篡改抄表数据。所以，具备自动抄表功能的电子仪表能够大大减少公用事业公司损失的收入。电表设计中的最大挑战是需要精确记录用电量。如前所述，某些生产商要求高达0.2%的精度。电表还必须能够处理大型的电感负载，例如电冰箱、HVAC（暖通空调）、洗衣机和干衣机之类的电器。因此，对于设计人员来说采用MCU或者分立元件是最佳的设计方案。庆幸的是，有些生产商同时提供了两种类型的电表。为了简化设计，分立式设计提供了负载和电源接口，采用测量引擎测量电流和电压并计算用电量，使用简单的脉冲输出方式。图4给出的实例中使用PIC16F9XX器件作为MCU，采用Microchip公司的MCP3905测量用电量。MCP3905的典型精度为0.1%，具有电源反向指示功能，采用分流电阻测量电流。电能输出驱动机械式两相步进电机，但是也可以驱动MCU的计数器输入。

结语

与机械式仪表相比，电子仪表具有小巧、可靠、精确度高的特点，并且能够采用防篡改电路和方法增加公用事业公司的收入，降低用户的开销。采用脉冲计数的电子仪表解决方案，能够大大降低仪表设计的复杂性。这样就可以让设计人员把精力集中在更方便的数据采集和收费功能的设计上。