1 引言
山东莱钢集团是年产1000万吨的特大型钢铁联合企业，随着生产规模的不断扩大，对水资源的调度管理提出越来越高的要求，要求实时掌握各二级厂矿及各车间的水资源的利用情况，原有的机械水表人工抄数与报数模式不能满足生产管理的需求。机械水表广泛分布于各生产厂区，部分机械水表远离员工工作环境区域，数据的抄送存在诸多困难，因而迫切需要改变这种手工工作模式，提出了机械水表改造项目。机械水表远传系统是以51系列单片机作为核心器件，在原有机械水表的基础上进行改造实现A/D模数转换、数据远传处理，满足生产、生活管理的需求。
2 机械水表远传的原理
（1）机械水表远传系统简介
机械水表远传系统是在原有机械水表的基础上进行改造实现A/D模数转换、数据远传处理等功能，满足生产管理需求；以单片机作为系统核心，它直接输出机械水表表盘示值数据信息，同时输出瞬时流量，并具有数据存储功能。机械水表远传系统由自保持开关式传感器、数据采集器和内置电池3部分组成，集成在防干扰屏蔽盒中。开关传感器采用无源自保持开关结构，无需供电，采集器内部智能芯片为微功耗元件，由外部电源或内置电池供电。
（2）数据采集原理（传感器）
远传水表系统由远传水表、信号传输通讯（有线或无线）和水表计量数据采集装置等部分组成。
目前，被广泛采用的发信装置大体分为两类：一类是需要供电才能工作的有源发信装置，如霍尔元件、光电元件组成的发信装置。另一类是依靠磁感应动作的无源发信装置，通常采用磁动干簧管开关、机械触点等。
霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件。检测产生的霍尔电压就可以判罚磁场发生的变化，可以作为传感器用于计数。
干簧管是一种有触点的无源电子开关元件，具有结构简单，体积小便于控制等优点。当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁场磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使结点所接的电路连通。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开了。因此，作为一种利用磁场信号来代替机械水表的齿轮转动，干簧管可以作为传感器用于计数。
（3）远传水表的通讯方式
常用的远传水表通讯方式有有线、电力载波和无线几种类型。在本设计中选用有线通讯方式，因为莱钢的主干光缆已经辐射全集团公司的各二级厂矿及生产车间，我们只需将设备与主干光缆连接即可完成数据上传的管理需求。
3 机械水表远传的设计实现
3.1 硬件设计
机械水表远传系统由自保持开关式传感器、采集器和内置电池3部分组成。采集器部分包含开关电源电路部分、采样电路部分、CPU数据处理电路部分、RS485通讯电路部分、电池充电电路部分。原理结构图如图1所示。
3.1.1 CPU芯片AT89C51
CPU电路部分采用ATMEL的AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM：FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
3.1.2 电池管理芯片MAX1879
电池作为转换装置重要组成部分，起到系统停电后保存参数以及继续采集数据与上传数据的作用，外接电源可能长时间停电，所以我们选择大容量充电电池。电池充电管理部分选用Maxim的MAX1879单电池锂离子脉冲充电芯片。MAX1879是MAX1679的升级产品，集成了更多的安全特性，如内置的6.25h计时器，可防止充电过时。其它安全特性还包括连续的欠/过压保护、可用于快充的预充电电池及过/欠温传感。
3.1.3 RS485总线驱动芯片MAX485芯片
RS485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输。
MAX485为RS485收发器，简单易用，单+5V电源供电，仅需外接几个电容即可完成从TTL电平到RS485电平的转换。MAX485芯片有一个发送器和一个接收器，非常适合作为RS485总线驱动芯片。
MAX485及其逻辑如图2所示。
MAX485芯片的发送和接收功能转换是由芯片的RE*，DE端控制的。与CPU的P1.0相连。RE*=1，DE=1时，MAX485发送状态；RE*=0，DE=0时，MAX485处于接收状态。
3.1.4 硬件电路原理图
单片机AT89C51是整个系统的核心，CD4005对输入的模拟信号进行采集，转换结果由单片机通过P3.5（9脚）接收，AD芯片的通道选择和方式数据通过P3.4（8脚）输入到其内部的一个8位地址和控制寄存器，单片机采集的数据通过串口（3、2脚）经
MAX485转换成RS485电平向上位机传送。
硬件部分电路设计选用电路图设计软件PROTEL99来实现。
3.2 软件部分实施
3.2.1 Modbus协议
机械水表远传系统采用简易的Modbus协议。Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。
3.2.2 远传水表通讯协议
远传水表通讯协议采用在Modbus协议基础上简化的3C_BUS协议，具体协议内容如下：
（1）3C_BUS协议RTU模式
水表采集器采用3C_BUS协议RTU模式；信息流以至少3.5个字符等待时间开始，接下来分别为：8位仪表地址，8位功能码（功能代码对应表见表1），若干个8位数据，16位CRC校验码，至少3.5个字符空闲时间标识信息流结束。每个信息流传送都是连续的，信息流传
送中任何大于1.5个字符空闲时间，都被接收端认为信息流非正常结束，下一数据被认为是新信息流的地址。
（2）3C_BUS链路层协议
3C_BUS链路层协议如下：
起始位：1位；
数据位：8位；
校验位：无；
停止位：1位；
波特率：1200，2400BPS，4800，9600。
（3）3C_BUS协议请求与响应
3.2.3 单片机软件程序
机械水表机电转换、智能通讯装置的软件部分主要由初始化子程序、数据采集子程序、通讯判断子程序、通讯子程序、参数修改保存子程序、CRC校验码计算子程序、流量计算子程序等组成。软件程序流程图见图3。
（1）水表数据的采集
水表传感器选用倒流可测水表传感器。水表指针安装在0.01m3的位置，指针每转动一周流过0.01m3的水，传感器交替出现4种状态。水表的最大流量为0.1m3/s，即每小时最大流量为360m3。每流过0.01m3时间为100ms，每个状态的最短时间间隔为25ms。
采集器采用中断方式对传感器进行数据采集，每隔3.3ms中断器发出一中断请求T0，中断子程序开始执行，如果K1/K2的状态能保持20ms以上则为一有效状态，子程序保存这一状态，并做出相应的判断。
（2）上传数据瞬时流量的产生
在采集的过程中，采集子程序只进行数据的累加功能，瞬时流量数据的产生由流量计算子程序来完成。计算方法为：流过1m3水需要多长的时间，利用12H~14H单元计时1m3水的时间，13H，14H的每一计数为500ms，7200除以13H，14H单元的值，结果即为瞬时流量值。
4 结束语
机械水表远传系统以单片机作为系统核心，它直接输出机械水表表盘示值数据信息，同时输出瞬时流量，并具有数据存储功能。能够满足莱钢生产管理对水资源实时管理的要求。该系统具有实时采集机械水表数据、实时上传水表数据等功能，给管理人员带来很大的方便，提高了工作效率。降低了操作人员的劳动工作强度。
参考文献
1 姜立东，姜雪松．PROTELDXPY原理图与PCB设计．北京邮电大学出版社，2005，1.
2 李建忠．单片机原理及应用．西安电子科技大学出版社，2008，2.
3 MAX485中文资料．MAXIM公司.
4 周立功．增强型80C51单片机速成与实践．北京航空航天大学出版社，2003，7.
