智能水量表自供电系统设计与研究--毕业设计论文.doc

摘 要伴随着能源需求的持续增长，国家提倡创建高效节约型社会，能源的充分利用就显得尤为重要。以往的智能水表解决了传统的人工抄表方式，杜绝了水表的漏抄、少抄、欠费等种种弊端，而本课题提出智能水表的自供电模式，在节能的同时进而实现了能源的有效利用。在整个系统硬件上，设计了以Atmeage16L为中央处理器的一系列低功耗外围电路，包括直流发电机电路、升压和稳压电路、蓄电池充电电路、电源电压检测电路、流量检测电路、LCD显示电路等。在保证外围电路完成各自功能的同时，通过自供电技术和单片机外围电路的各种优化设计，实现了系统电源有效利用，而且增强了硬件平台的抗干扰能力。关键词：智能水表 ATmeage16L 低功耗 自供电技术ABSTRACTWith continuous growth of the energy demanding, the country advocates to create efficient conservation-oriented society, the full use of energy becomes more important. The past Intelligent Water-meter solve the traditional manual meter-reading methods ,and prevent the water meters is missed and less copied, owe a fee and other defects, And this paper suggests the Intelligent Water-meter self-powered mode, achieves energy conservation and the effective use of energy.In the entire hardware system, the paper designed a series of low-power external circuit with the Atmeage16L central processing unit，Including the DC generator circuit, and the boost circuits and the regulators circuit, the charging circuit for battery, the detection circuit for the voltage of power supply, the traffic detection circuit, LCD display circuit, and so on. Ensuring the external circuit completed respective functions, with self-powered technology and the external circuit of the SCM design, it achieved the effective use of the power system, and enhanced the anti-jamming capabilities of the hardware platform.Keywords: Intelligent Water-meter ATmeage16L Low-power Self-poweredtechnology目 录第一章 绪论- 1 -1.1引言- 1 -1.2智能水表的国内外发展状况及关键技术- 2 -第二章 AVR单片机的原理及应用- 5 -2.1微处理器的介绍及选择- 5 -2.3 ATmeage16单片机的应用- 7 -2.3 ATmeage16单片机电路图设计- 9 -第三章 硬件电路的设计- 10 -3.1系统功能结构图设计- 10 -3.2直流发电机的选择与应用- 11 -3.3稳压及滤波电路的设计- 11 -3.4升压电路的设计- 14 -3.5蓄电池电路设计- 17 -3.6水量信号检测和阀门控制电路设计- 20 -3.7显示及报警电路的设计- 22 -第四章 智能水表总体结构- 24 -4.1智能水表控制系统的软件设计- 24 -4.2脉冲采集计数模块- 25 -4.3智能水表控制系统的低功耗设计- 25 -4.4智能水表的IC卡设计- 26 -4.5智能水表表头的可靠性和抗干扰性设计- 27 -结束语- 29 -参考文献- 30 -致 谢- 31 - 32 -第一章 绪论本章主要介绍智能水表在国内外发展的情况,在当前社会背景下,智能水表的重要意义和发展趋势,以及本课题研究的意义和主要内容。1.1引言伴随着国家提出建设高效节约型社会的口号，能源的有效利就显得尤为重要，而智能IC卡水表将会在节水和环境保护方面做出重要的贡献。智能IC卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。它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自动进行控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的转变。IC卡交易系统还具有交易方便、计算准确、可利用银行进行结算等特点。在水价较低、水表总量相对较少的时后，多户共用一个水表分摊交费已经出现了很多纠纷，而且在自来水公司抄表收费方面，也是存在着很大的劳动量等问题。随着居民总量的提高、用水量的提高、水价的提高，抄表收费问题和矛盾日渐突出。智能IC卡水表取代以往老式的机械式水表，使收费更合理，用经济的杠杆来实现大家节约用水，而自供电技术的支持，又是从节电的方面考虑，从而实现真正意义上的节能环保。目前，我国的水资源问题十分严峻，从长远来看，搞好水资源的管理具有重大而深远的意义。随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象也日益严重，尤其是与人类生存息息相关的水资源。节约水资源包括两个方面的措施，一是大力推广应用节水新技术；二是加强用水的科学管理，在某种意义上来说，加强用水科学管理是当前的首要任务。要加强用水的科学管理，最重要的是加速研究开发科技先进、应用方便的节水科学管理仪表以及这种仪表的普及应用。因此，研制一种低功耗、计量精确方便的智能水表显得极为重要。在水资源的使用当中，多年来一直采取由查表人员入户查表收费的方式，但是由于城市人口稠密，住宅分散，高层居民住宅不断增加，人工抄表收费的方法不仅劳动强度大而且还存在着入户难、管理费用高、安全性等问题，成为水费收缴难的一个重要原因，同时这种模式在计算机技术、自动化技术、信息管理系统飞速发展和迅速普及的今天，显得极为原始。我国自来水行业也一直在致力于解决这个问题。随着我国信息产业的飞速发展，金卡工程的全面实施，实现自来水收费管理的电子化、信息化及网络化已成为可能。水表系统的智能化可以大大提高供水管理部门的工作效率，节约费用，用以改善供水设施，提高居民饮用水质量；同时还能为加强自来水使用的监督管理提供手段，从而在技术上为节约用水、合理用水创造条件。我国科技工作者经过不懈努力，于九十年代末研制出的IC卡(智能卡)式预付费水表为我国自来水行业管理水平的提高提供了可靠的保障，成为自来水实现自动化管理的理想产品，并显示出良好的发展前景。IC卡式预付费水表是把以大规模集成电路技术为基础的IC卡与高精度的阀门式数字水表相接合的新型智能式水表，用户使用时，持IC智能电子卡到自来水供应部门所设的IC卡式水表收费站按自己的需要交款购买一定数量的水，即“先买水，后用水”，这就从根本上解决了困扰自来水行业多年的收水费难的问题，同时该表还具有随时查询购水量、自动监控、抗干扰性强、电路简单、成本低，可靠性高等多种功能。另外，IC卡式水表对于节水管理也有一定的意义，据不完全统计，使用一年以上的用户，平均节水达到20%。综合考虑我国自来水行业的现状和IC卡式预付费水表的特点，可以得出这样的结论，即该产品在相当长的时间内市场发展前景十分广阔，是一个具有规模经济效益的行业产品。IC卡式智能水表水费收缴管理信息系统就是为水费收缴管理部门及其下属各收费站研制开发的针对IC卡式水表用户的水费计费、收缴、查询、票据处理以及为管理者提供的用水监管和决策分析的完整、准确的管理系统。该系统的使用不仅使整个收费过程自动的进行，节省了大量的人力劳动，同时为广大用户提供了强大的查询功能，方便、快捷；另一方面，完善了水表和用户信息的管理，使水表和用户的资料的管理制度化并为管理者的决策提供了可靠的依据。1.2智能水表的国内外发展状况及关键技术“金卡工程”的广泛实施，使IC卡在非金融领域的应用更加广泛，它可以实现收费管理的现代化取得良好的经济效益和社会效益。在厂矿企业用水大户、居民小区采用预付费IC卡水表，将彻底改变自来水公司水费的收缴方式，由过去繁琐的人工抄表、手工计价，转变为公司、厂矿、居民等用户持卡购水消费方式，进而实现水费收缴管理微机化，大大降低自来水公司管理部门的营运成本，对用户而言可免去每月应付上门抄表的麻烦。同时，IC卡自来水表的广泛使用，可以改变过去用水无度的现状，保障水资源有计划地使用，避免水资源的浪费，对我们这个淡水资源缺乏的国家来说意义重大。国内智能水表的发展现状：我国目前的智能化水表新产品开发基本上是借鉴国外的先进模式，因为国外此方面的研究设计起步较早。例如ABB公司的KENT水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时间及各户用水量，兼有机械式与电子式读数功能，而且还配备IBMPC兼容机接口，可以进行电话通信；德国Sameco公司的新型水表可显示上一年与本年度的用水量以及日期与时间等，并开发电卡式水表；此外，日本、以色列等国也相继推出自己的新产品。国内的一些企业也对多种智能化水表系统作了研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并未投入大批量生产。从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展目标来看，我国的传统水表必须进行改进，才能适应社会和经济的发展。本课题就是在综合了国内外水表的发展现况和未来趋势的情况下提出的。国外智能IC卡水表的发展：法国是IC卡的诞生地，它是推出IC卡最早和使用IC卡最多的国家，也是生产厂商最多技术水平领先的国家，在金融财务领域使用IC卡为全球之冠，仅1989年就达近500万张，几乎占全球该领域IC卡用量的1/10。该国生产IC卡的厂商很多，比较著名的有Gemplus、SAGEM、Bull、CKD公司等，现以Gemplus公司为例，该公司是世界上最大IC卡制造商之一，也是世界IC卡技术和应用领域的开拓者和领导者，在公用电话、移动通信、电子钱包、信用卡、收费电视、医疗保险、门禁识别、交通管理等应用领域均处于世界领先地位，目前月产量已超过3000万张，卡种近60种，行销近70个国家，几乎占全世界市场的50%，而且年年还在创新，发展新品种，该公司在世界各地设立了不少分支机构，提供多种技术服务。日本在法国人发明IC卡的同年，也推出了IC卡，卡片上有一个或多芯片，能产生特殊信号。此卡很快进入市场并推广应用，1984年IC卡首先用于银行的资产管理，1985年用于医疗卫生健康管理系统，1986年销售IC卡近25万张，1989年销售IC卡约100万张，1995年增至200万张，1997年成倍增长，IC卡制造厂商越来越多，除官方外，仅地方公司就有Fujistu. Qmron. Toshiba. TopPanvrinting，easiomieroea记等，为夺取IC卡市场优势，日本政府和地方都积极参与IC卡的研制、发行及应用推广工作，使IC卡产业的各个环节都得到顺利发展。美国在磁卡研制的应用方面居世界之冠，网络通信又很发达，为了保护已有的设备投资，不急于用IC卡来取代磁卡，因此IC卡的应用方面不如法国和日本，但在安全技术等领域的研究方面先于其他各国。近几年，生产厂商越来越多，以 DATACard公司为例，它是世界有名IC卡及系统服务公司之一，该公司生产的IC卡销售90多个国家和地区，很快使其IC卡产业超过法国和日本，而居领导地位。据不完全统计，美国用于军事方面的多功能IC卡达500多万张，用于银行业务的卡达400多万张，用于医疗保健方面IC卡近20万张等。可见，美国IC卡市场在军用与银行业务万面远远超过其它应用领域，所以美国在IC卡技术及其安全可靠性方面，很快会在全球范围内处于领导地位，对法国和日本IC卡产业的冲击将越来越大。智能化水表系统作为一种民用的高科技项目。在计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠性、收费管理信息系统的易用性和安全性等方面必然要有较高的要求。就本课题所研究的智能卡式水表系统来讲，主要解决以下几个方面的关键技术问题。1直流发电机发电电路系统根据自来水管的口径和水流的大小及快慢，要选择一款性价比合适，而且能为系统发电的直流电机，当水流冲击叶片时候要有合适的电流和电压，以供后面的电路来处理和使用。2升压电路稳压电路当直流发电机被水流冲击后，直流发电机就有电流产生，此时的电压不能直接向系统供电，必须经过升压和稳压电路处理后才可以向系统供电。3电压监测电路系统采用桥式电路进行电压实时监测，当系统电压正常时，输出为高电平;当系统电压低于保护值时，变为低电平，单片机检测到该信号后，即控制液晶显示模块显示欠压，并同时伴有蜂鸣器的蜂鸣声，以提醒用户更换电池。4电源保护电路为有效保护系统电源，本电路可对电池盒位置进行高灵敏度检测。当电池盒被拉开时，保护电路输出低电平，单片机检测到该信号后，即控制阀门关断。直到电池安装好并将电池盒推入表内正常位置时，单片机才会再次控制阀门重新开阀供水。5液晶显示及声光报警电路液晶显示电路采用12864LCD通信模块制作，可显示电压正常、电压欠压、水量、关阀、无效卡等信息状态及其任意组合，报警电路采用高响蜂鸣器，由单片机控制发出报警。基于以上对控制策略的分析与研究，本系统是一个要求高速、高效、高可靠性的控制系统。要由一个能满足这些条件的控制器来控制系统的正常运行，并希望其价位适宜，这样才能更好的使研究成果向产品化发展。因此，单片机的选型十分重要。第二章 AVR单片机的原理及应用2.1微处理器的介绍及选择单片机又称微控制器(microcontroller)，是指在同一块集成电路中集成CPU,因其主要用于控制，所以又称微控制器(MCU)。它在一块芯片上集成了一台微型计算机必需的基本功能部件，包括中央处理器(CPU)、只读寄存器(CROM)、输入输出口(I/0口)，可编程定时器/计数器等。单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点，它的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的功能，现在都可通过软件来完成。从1974年美国仙童公司生产出第一块单片机开始，在短短几十年中，单片机发展迅速，由4位、8位一直到16位单片机，目前32位的超大规模集成电路单片机(T414)也已面世，同时性能也不断提高。目前单片机已成为工控领域、军事领域及日常生活中最广泛使用的控制系统。自从1976年Intel公司推出MCS-48系列单片机以来，单片机技术得到了迅速的推广，已被广泛用于军事、工业、通讯、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提高，而电路设计更简单、故障率低、可靠性高且成本低廉。除了应用范围的扩大之外，随着产品智能化的需要和微电子技术的不断进步，单片机本身的发展也愈加迅速，目前己有上百家厂商生产几千种型号的单片机。跟在Intel公司之后进入单片机竞争市场的公司GeneralInstruments，National Semiconductor,Motorola，Philips/Signetics，Zilog，AMD，Hitachi，Toshiba，Microchip和Atmel，以及其他一些公司。目前，单片机正向着高速度、低功耗、低成本、多档次、使用方便及外围接口丰富等方向发展。单片机选型单片机是系统硬件设计的核心，不仅如此，它也直接决定着软件设计中的开发语言、开发工具的选择，进而影响到开发的难易性、开发周期。单片机已有30多年的发展历史了，目前已有上百家厂商生产几千种型号的单片机。对单片机选型的依据一般是：CPU的处理速度、可用的片内外设的数量、功耗、价格、开发工具等。本次设计采用的是美国ATMEL公司的ATmegal6单片机。2.1.1 AVR单片机的简介高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采用较高分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。ATMEL公司推出的AVR单片机，彻底打破这种就设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集(RISC)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。ATMEL公司也是FLASH内存技术开发的世界领头人。FLASH是一种具有非易失性(nonvolatile)但可以重复编程的存储器，由于它能提供嵌入式系统编程的解决方案，所以大大推进了ATMEL在微控制器领域中的发展。90年代初，ATMEL率先把MCS-51内核与其FLASH技术相结合，推出了轰动业界的AT89系列单片机。至今ATMEL在MCS-51市场上仍占据主要份额。1997年，ATMEL挪威设计中心的A先生与V先生出于市场需求的考虑，充分发挥其FLASH技术优势，推出了全新配置的精简指令集(RISC)单片机，简称AVR。几年来，AVR单片机已形成系列产品，其ATtiny, AT90与ATmega分别对应为低、中、高档产品。ATmega系列是ATMEL公司2002年推出的新款，它针对无需太多外围引脚、需要大量运算、程序代码较长、功能较复杂的应用，具有较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路；它不但具有以上所述AVR单片机的共性，还具有很多的增强功能，比如它内置硬件乘法器，一条乘法指令只需两个时钟周期。最近，伴随着ATmega系列单片机不断降价，和同类产品相比，它所具有的性价比显而易见。这些特点使得ATmega系列单片机在国内外工业控制领域得到广泛的应用。在AVR大家庭中尤为突出的是一款新型AVR高档单片机ATmega16。2.1.2 AVR单片机的优点ATMEL在设计AVR系列单片机时吸取PIC及8051单片机的优点，并作了重大改进，有如下优点：1)AVR单片机吸收了DSP双总线的特点，运用Harvard体系结构(具有预取指令功能)，这使得大多数指令可以在一个处理器时钟周期内完成。如果使用MIPS (Millions of Instructions Per Second,每秒所执行的百万条指令数)来衡量计算速度，一个8MHz时钟频率的AVR处理器的数据吞吐率可达8MIPS，相当于32MHz的PIC处理器(内部对输入时钟进行4分频)，相当于96MHz的标准8051(内部对输入时钟进行12分频)。可以说，它是8位单片机中第一种真正的RISC单片机。2)程序存储器由可擦写1000次以上的FLASH构成，并具有较大容量可擦写100000次以上的EEPROM，便于多次更改程序而不必浪费单片机或电路板。3)AVR程序的写入可以使用万用编程器，也支持ISP (In System Programming，在线编程)功能。也就是说可以直接在电路板上进行程序的修改，方便程序的升级。4)工业级产品。具有(吸入电流)20mA或40mA(单一输出)大电流，可直接驱动LED或继电器；具有看门狗定时器(WDT)，防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。5)并行I/0口的输入输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗输入相似外，也可设定类似8051系列内部上拉电阻作输入端的功能，以满足各种应用特性所需，AVR是真正的I/0口，能正确反映I/0口的输入/输出真实情况。6)像8051一样，不同中断向量的入口地址不同，可快速响应，而不会像PIC一样，所有的中断都在同一向量地址，需要以程序判别后才可响应。7)AVR单片机有内置的POR(上电复位)和BOD(电源电压检测)，只要在复位端接一个上拉电阻就可以了，不必使用外部复位。8)计数器/定时器：有8位和16位，可作比较器、计数器外部中断和PWM用于控制输出。9)进入门槛低。对于经济条件有限又想学习单片机的初学者来讲，这是一个绝佳的学习机会。我们可以自己动手做ISP下载线(最简单的并行下载线仅需4个电阻)，利用FLASH程序存储器可多次擦写的特点，再加上ATMEL提供的汇编和仿真软件，这样就可以代替昂贵的硬件仿真器来开发AVR单片机了。10)低功耗。AVR单片机采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造，并且具有6种睡眠模式，结合AVR RISC核心结构的发展，能在对功耗要求很低的情况下提供令人惊讶的功能。AVR单片机，特别是ATmega系列所具有的这些优异特征使设计者可以使用最少的外围元件完成复杂的系统功能，从而简化了硬件电路的设计，提高了硬件电路的可靠性。2.3 ATmeage16单片机的应用ATmega16，是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。RISC是相对于CISC(复杂指令集计算机)而言的。RISC并非只是简单地去少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；并固定指令长度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运算速度。由于ATmegal6单片机采用RISC的这种结构使它可以具备1MIPS/MHz(百万条指令每秒/兆赫兹)的高速处理能力，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16单片机的Flash程序存储器空间可以分成两段：引导程序段（Boot program section）和应用程序段（Application program section）。两个段的读写保护可以分别通过设置对应的锁定位（Lock bits）来实现。在引导程序段内驻留的引导程序中，可以使用SPM指令，实现对应用程序段的写操作（实现在应用自编程IAP功能，使系统能够自己更新系统程序）。ATmegal6有如下特点：16k字节的可在线编程FLASH(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM, 1k字节SRAM，32个通用I/0口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART(通用同步/异步收发器)，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑止模式时终止CPU和处理异步定时器与ADC以外所有I/0模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。ATmegal6是以ATMEL高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP FLASH允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通过编程器进行编程，也可以通过允许于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用FLASH储存区。在更新应用FLASH储存区时引导FLASH的程序继续允许，实现了RWWC Read While Write，在写时读)操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的FLASH集成在一个芯片内，ATmegal6成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmegal6具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器及评估板。2.3 ATmeage16单片机电路图设计ATmeage16单片机采用外部石英晶体振荡电路，为40脚的双列直插封装模式。图2-1 Atmeage16管脚分布和晶体振荡器电路第三章 硬件电路的设计3.1系统功能结构图设计智能水表控制系统具体实现水表的自动计量水流量、读写IC卡、控制阀门、显示报警等功能。控制系统电路由低功耗单片机、流量计、EEPROM存储电路、IC卡读写电路、LCD显示控制电路、阀门控制检测电路、电压检测电路等组成。结构原理如图3-1所示。图3-1 系统功能结构图当用户将含有购水量等信息的IC卡插入水表上卡座内时，控制阀在电控系统控制下开通供水通道。用户每用一个计量单位(10升)，计量电路便发出一组计量脉冲序列，该脉冲序列如经电控系统判定为有效，即可从已购水量中减去一个计量单位。当剩余水量达到报警值时，液晶汉字显示“请购水”;当水量为零时，控制阀自动关闭，水路即被切断，此时用户须重新持卡购水。在正常情况下，控制阀处于接通状态，只有当特殊事件发生时控制阀才从接通状态变为关闭状态。三种事件状态下控制阀的通断情况如图3-2所示。图3-2 控制阀门关闭情况自供电系统的难点和重点就在于怎样使变化的小电压能够安全有效的为整个系统来供电，发电机在产生电压和电流之后，我们要稳压和滤波之后给蓄电池供电，使蓄电池在水表使用阶段能及时的充电，因为ATmeage16的工作电压在2.7v到6v之间，所以在蓄电池提供的电压能够满足系统的供电，但蓄电池在使用1到2年之后也是会出现电压变低和无法在进行充电等问题，此时MCU会进行检测，当电压在底于3v的时候会自动报警，而且持续1分钟，再次进行检测，如果仍然是低压电，系统将会自动关闭阀门，切断供水。图3-3 自供电系统结构功能图3.2直流发电机的选择与应用直流发电机的选择关系到整个系统的正常运转，一方面我们要考虑到水管水流的流速和直接冲击力，另一方面我们要考虑到性价比高的直流发电机能够满足系统的正常运转。本次研究我们选用一款12v、8w的小型直流发电机，在正常使用时候，直流电机产生的电压只有4v左右，而此时的电压无法满足蓄电池的充电电压也没有办法直接供给单片机系统使用，因为它不是连续的，只有在水表正常使用时才会有电压产生，应此在直流发电机产生电能之后，在滤波和稳压之后我们要进行升压设计，这样才能给蓄电池充电，而且还能使另一部分能量直接供给系统使用。智能水表长久性自供电装置，包括旋转叶轮部分和电能产生部分，它们都安装在电子水表出水段的水管中，旋转叶轮上面有永久性磁铁,用来作为干簧管脉冲信号的激励,旋转叶轮轴的一端安装有直流发电机的转轴，电能产生部分经整流调压电路和电子水表和蓄电池连接。长期供电而无需更换蓄电池。因为电子水表所发送信号所需的电源功率很小，所以还有一部分电能可以供给电子水表的计量检视作照明指示，在夜间或环境黑暗情况下观察水表的运转正常与否。3.3稳压及滤波电路的设计由于交流电网电压的变化或负载的变化引起整流电路内阻上压降的变化，或温度变化引起电路参数的变化，均会导致整流滤波电路输出直流电压的变化。因此，为了使负载得到稳定的直流电压，必须在整流滤波电路之后接入稳压电路LM317是可调节3端正电压稳压器,在输出电压范围为1.2v到37v时能够提供超过1.5A的电流。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部来设置的电阻来设置输出电压。此外还使用内部限流、热开关和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。LM317服务于多种应用场合，包括局部稳压、卡上稳压。该器件还可以用来制作一种可编程的输出稳压器，或者通过在调节点和输出之间接一个固定的电阻，LM317可以用做一种精密的整流器。1 输出电流超过1.5A。2 输出在1.2V到37V之间可以调节。3 内部过热过载保护。4 不随温度变换的内部短路电流限制。5 输出晶体管安全工作区补偿。6 对高压应用俘空工作。7 表面贴装D2PAK形式，和标准的3引脚晶体管封装。8 避免置备多种固定电压。图 3-4 稳压电路可调集成稳压器，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.2537V。为保证稳压器的输出性能，D1，D2用于保护LM317。R1取值在120-240，本次研究取值120，R2取值1.5K。在1,2脚之间固定电压1.25V,R1上的电流10mA-5mA，这是提供内部静态工作电流所需最小的负载电流。从图3-4我们可以看出，内部所有静态工作电流都汇聚到输出端，它是悬浮式结构。在图3-4中R2的改变调Vo,C2是为了减少纹波而接入的。可使纹波抑制比提高20dB，但同时必须接入二极管D1。因为，当输出短路时，C3被短接，如果没有D1,C2则以R1C1的时间常数缓慢放电，它的残留正电压仍加在同相端，继续驱动T1,T2饱和导通，导致器件损坏。加了D1后从输出短路处很快泄放到零。在整流电路输出的电压是单向脉动性电压，不能直接给电子电路使用。所以要对输出的电压进行滤波，消除电压中的交流成分，成为直流电后给电子电路使用。在滤波电路中，主要使用对交流电有特殊阻抗特性的器件，如：电容器、电感器。本文对其各种形式的滤波电路进行分析。滤波电路主要有下列几种：电容滤波电路，这是最基本的滤波电路；二型RC滤波电路；二型LC滤波电路；电子滤波器电路。滤波原理：1.单向脉动性直流电压的特点如图3-5(a)所示，是单向脉动性自流电压波形，从图中可以看出，电压的方向性无论在任何时间都是一致的，但在电压幅度上是波动的，就是在时间轴上，电压呈现出周期性的变化，所以是脉动性的。UOUOtt00 (a) （b）图3-5 单向脉动性电压的分解但根据波形分解原理可知，这一电压可以分解为一个直流电压和一组频率不同的交流电压，在图3-5(b)中，虚线部分是单向脉动性直流电压Uo中的直流成分，实线部分是Uo中的交流成分。2.电容滤波原理根据以上的分析，由于单向脉动性直流电压可分解成交流和直流两部分。在电源电路的滤波电路中，利用电容器的“隔直通交”的特性和储能特性，或者利用电感“隔交通直”的特性可以滤除电压中的交流成分。图3.6所示是电容滤波原理图。整流电路UOt0UOt0整流电路u+UORlRlC1(a)(b)图3-6 电容滤波原理图3-6(a)为整流电路的输出电路。交流电压经整流电路之后输出的是单向脉动性直流电，即电路中的Uo。图3-6(b)为电容滤波电路。由于电容C1对直流电相当于开路，这样整流电路输出的电流电压不能通过C1到地，只有加到负载RL上，图为RL上。对于整流电路输出的交流成分，因C1容量较大，容抗较小，交流成分通过C1流到地端，而(b)不能加到负载RL。这样，通过电容C1的滤波，从单向脉动性电流中取出了所需要的电流电压+Uo,滤波电容C1的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留在负载RL上的交流成分越小，滤波效果就越好。3.电感滤波原理图3-7所示是电感滤波原理图。由于电感L1对直流电相当于通路，这样整流电路输出的直流电压直接加到负载RL上。对于整流电路输出的交流成分，因L1电感量较大,对交流成分产生很大的阻碍作用，阻止了交流电通过C1流到加到负载RL。这样，通过电感L1的滤波，从单向脉动性直流电中取出了所需要的直流电压+Uo滤波电感L1的电感量越大，对交流成分的感抗越大，使残留在负载RL上的交流成分越小，滤波效果就越好，但直流电阻也会增大。UOt0整流电路u+RlL1图3-7 升压电路的介绍综合考虑本次研究对系统的防扰性和系统节能等方面的，本次研究采用电容滤波。3.4升压电路的设计3.4.1 MC34063的应用MC34063是一低价位的DC-DC交换式转换IC，使用上非常方便，除了稳压、降压、升压，甚至还可以转换成负向电压。虽然它的效率还不算很高，但电电路简单、成本低廉、温升低，所以被广泛应用在许多电源转换电路用途上。MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流与直流变换器控制部分，片内包含有温度补偿带隙基准源一个占空比周期控制振荡器，驱动器和大电流输出开关能1.5A的开关电流，它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器，降压式变换器和电源反向器。MC34063的封装形式为塑封双列8引线直插式。其主要特点：1 能在3.0-4.0V的输入电压下工作。2短路电流限制。3低静态电流。4输出开关电流可达1.5A(无外接三极管的情况下)。5.DIP-8脚的封装。6输出电压可调。7工作振荡频率从100HZ至100KHZ。8可构成升压、降压或反向电源变换器。图 3-8 MC3463内部结构电路工作原理：MC34063片内置有大电流的电源开关，能够控制的开关电流达到1.5A，内部线路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由3脚的外接定时电容决定，开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。图3-8内部框图中所表示的电路解释如下：振荡器通过恒流源对外接在CT管脚(3脚)上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的,所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平，D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平，当C和D输入端都变成高电平时触发器被置为高电平，输出开关管导通,反之当振荡器在放电期间，C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。电流限制SI检测端(5脚)通过检测连接在V+和5脚之间电阻上的压降来完成功能。当检测到电阻上的电压降接近超过300mV时，电流限制电路开始工作，这时通过CT管脚(3脚)对定时电容进行快速充电以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。3.4.2 MC34063的直流升压电路设计MC34063一种用于DCDC电源变换的集成电路，应用比较广泛，通用廉价易购。可用于电压的升压，降压以及极性的反转。极性反转效率最高65%，升压效率最高90%，降压效率最高80%，变换效率和工作频率滤波电容等成正比。另外，输出功率达不到要求的时候，比如250300MA时，可以通过外接扩功率管的方法扩大电流，双极型或MOS