王藍(lán)儀,徐 磊,汪向華,鄧熙麟,李勃亨,沈思遠(yuǎn),梁自鑫

(1.南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通學(xué)院,江蘇 南京 210037； 2.南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037；3.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引言

目前，水表和電表的自動抄表技術(shù)已經(jīng)得到了充分的發(fā)展與普及，而天然氣計量數(shù)據(jù)的讀取仍主要依靠人工上門抄表來實(shí)現(xiàn),不僅工作量巨大，需要消耗大量的人力資源，且管理部門無法及時獲取用戶的使用情況[1]。本文研究設(shè)計的天然氣自動抄表系統(tǒng)主要由智能燃?xì)獗斫K端、無線通信模塊和用戶三大部分組成。其中智能燃?xì)獗斫K端通過自身攜帶的氣體流量傳感器將用戶使用的燃?xì)饬繙y出，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TC12C5A60S2中，由STC12C5A60S2對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲存，通過GSM通信模塊將數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送給用戶與燃?xì)夤綶2,3]，實(shí)現(xiàn)無線智能電表的自動抄表，且用戶或者燃?xì)夤疽材軌蛳蛳到y(tǒng)發(fā)送短消息以獲得當(dāng)前天然氣使用情況。該系統(tǒng)不僅能夠有效的降低功耗、誤碼率與成本，且能夠在較大溫度范圍實(shí)現(xiàn)正常的自動抄表功能。

1 總體方案設(shè)計

天然氣自動抄表系統(tǒng)首先利用Azbil氣體微小流量傳感器對管道內(nèi)流過的天然氣流速進(jìn)行測量，將其轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給單片機(jī)，然后STC12C5A60S2經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換接收傳感器的電壓信號，通過數(shù)值積分的方法算出用戶已經(jīng)使用的天然氣體積與消費(fèi)總額。GSM模塊將用戶的使用情況發(fā)送給用戶和天然氣公司[4]?？紤]到用戶使用過程中的安全性與舒適性，還設(shè)計了按鍵、液晶以及報警模塊， 總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 氣體流量檢測電路

本文選取的氣體流量傳感器是Azbil氣體微小流量傳感器，該傳感器可以將通過傳感器內(nèi)部的氣體流速大小轉(zhuǎn)化成電壓信號，并可以通過其數(shù)據(jù)管腳將信號發(fā)送出來，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，獲取容易，非常適合在天然氣自動抄表系統(tǒng)中使用。

圖2 氣體流量檢測電路

2.2 GSM通信模塊設(shè)計

STC12C5A60S2通過AD轉(zhuǎn)換接收傳感器傳來的信號，并通過算法轉(zhuǎn)化成流量，再通過數(shù)值積分算出用戶已經(jīng)使用的天然氣體積，并算出價格，再通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶和天然氣公司。本設(shè)計用作無線通信的GSM模塊，其電路原理圖如圖3所示。

2.3 MAX232電平轉(zhuǎn)化電路

圖3 GSM模塊電路原理圖

由于SIM300與單片機(jī)的電平信號標(biāo)準(zhǔn)不同，本設(shè)計采用符合當(dāng)前所有RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的MAX232芯片對兩種電平相互轉(zhuǎn)化。MAX232芯片內(nèi)部集成兩個RS-232C驅(qū)動器與兩個RS-232C接收器，可以將單片機(jī)輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成PC機(jī)能接收的232電平或?qū)C機(jī)輸出的232電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的TTL電平，其原理圖如圖4所示。

圖4 MAX232電平轉(zhuǎn)化電路

2.4 電源模塊設(shè)計

電源模塊是電路系統(tǒng)中最重要的模塊之一，其不僅影響著電子元器件本身的工作性能，還影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，散熱性以及消耗功率等重要性能[5]。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，主要使用的電源模塊有兩種，一種是給GSM模塊供電的+9V轉(zhuǎn)+4.2V電源模塊;另一種是給單片機(jī)及其它模塊供電的+9V轉(zhuǎn)+5V電源模塊。其中+9V轉(zhuǎn)+5V通過使用LM7805芯片實(shí)現(xiàn)。由于GSM模塊的額定電壓是+4.2V，+4.2V對于GSM模塊來說更加安全與經(jīng)濟(jì)，并且對GSM通信模塊損傷小。該模塊使用的是MIC29302BU芯片來完成+9V轉(zhuǎn)+4.2V。

2.5 按鍵模塊設(shè)計

本文采用僅使用少量I/O口即能夠控制較多的4*4矩陣鍵盤，行線I/O口工作在輸出方式，列線I/O口工作在輸入方式。首先將所有行的I/O口輸出低電平，然后讀取列的I/O口是否出現(xiàn)低電平，若出現(xiàn)低電平則表示有按鍵按下，在確認(rèn)有按鍵按下時，依次將行的I/O口輸出低電平，并同時檢測列的I/O口輸入，即可確定按鍵的位置，然后執(zhí)行相應(yīng)的程序，原理圖如圖5所示，按鍵功能表如表1所示。

圖5 矩陣鍵盤電路原理圖

2.6 報警模塊設(shè)計

為了保障用戶在天然氣使用過程中的安全[7]。本設(shè)計采用濃度傳感器測量用戶周圍環(huán)境的天然氣濃度，并在天然氣濃度異常時向用戶報警,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)化的結(jié)果大于設(shè)定的上限值時，控制蜂鳴器進(jìn)行報警。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

首先單片機(jī)通過I/O口獲取氣體流量傳感器測得的管道內(nèi)氣體流速，再通過AD轉(zhuǎn)換將流速數(shù)據(jù)存儲到單片機(jī)內(nèi)，然后將流速轉(zhuǎn)化為流量，通過數(shù)值積分的方法獲得當(dāng)前使用的天然氣量，并在液晶屏上顯示。當(dāng)用戶結(jié)束天然氣使用后，通過GSM模塊告知燃?xì)夤?，且燃?xì)夤就ㄟ^GSM模塊告知用戶燃?xì)赓M(fèi)扣除情況。當(dāng)矩陣模塊檢測到用戶是使用鍵盤時，調(diào)用相應(yīng)的子程序，為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)并通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)余額查詢及用戶充值[8]。

圖6 系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到實(shí)際流量難以準(zhǔn)確獲得，本文使用matlab對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真。其中以T=100 ms的周期對流速取樣?？傻玫趎次取樣的流量q(n)為：

q(n)=v(n)A

.

(1)

其中v(n)為第n次取樣的流速，A為管道截面積。

可得當(dāng)?shù)趎次取樣時，測得使用的天然氣體積為：

.

(2)

由于Azbil氣體微小流量傳感器存在的測量誤差，考慮引入誤差系數(shù)δ，其中δ服從正態(tài)分布，且δ∈[0.95,1.05]。由式(3)可得，實(shí)際測得使用的天然氣體積為：

(3)

假設(shè)用戶使用天然氣15 min，其中流速按照給定函數(shù)f(t)變化。

表1 天然氣測量效果

由表可得，測量值與實(shí)際值基本重合，在第20 min時有最大測量誤差為0.0197L，在第1 min有最大相對誤差為0.45%，效果比較理想，完全達(dá)到了測量精度的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的天然氣自動抄表系統(tǒng)，通過氣體流量傳感器接收的天然氣流速信號計算出用戶的天然氣使用量，并將用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過GSM通信模塊發(fā)送給用戶與燃?xì)夤?，同時可以通過矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)在線充值，余額查詢等功能；當(dāng)天然氣發(fā)生泄露時，報警模塊能夠及時的向用戶發(fā)出警告。研制的樣機(jī)工作可靠，可以達(dá)到所需的計量精度，工作所需功率小，安全性能高，能夠準(zhǔn)確地向用戶和燃?xì)夤緜魉蛿?shù)據(jù)，具有較高的實(shí)用價值。