一种用于水利行业的非接触式双向通信低功耗闸门开度仪的制作方法

1.本发明涉及闸门开度仪技术领域，具体为一种用于水利行业的非接触式双向通信低功耗闸门开度仪。


背景技术：

2.闸门开度仪又称行程检测装置，是被广泛应用于水利枢纽中的水工金属结构设备，是启闭机上一种相当重要的关键性检测装置，其测量精度、工作的稳定性和可靠性以及抗干扰能力等，直接关系到闸门和启闭机的运行安全。
3.目前在水利和农业工程中，有大量的分布于各级水渠的灌溉闸和泄洪闸，现有的闸门多使用启闭机来执行开闸和关闸的功能，实现调节水位的功能。传统的闸门开度仪有很多种，在水利行业和农业信息化建设中，都起到了重要的作用，实现了排涝灌溉时的闸门上下行控制功能，但也因为各种缺陷暴露出很多应用问题，不利于精准控制，甚至产生安全隐患。
4.日常常用的闸门开度仪有以下几种：上下行程开关：这种限位器仅用于手动开关闸门时闸门上行和下行的限位控制。上下限的定位精度不高，更不能设置开度值，无法应用于远程控制。仅在手动和电控时开关闸操作，有一定的保护作用。
5.拉绳传感器：安装在闸门上端，通过伸缩钢丝来计量闸门的开度。强度不够高，环境适应能力不够强，容易产生误差，机械机构需要长期维护，难以抗拒人为因素、机械磨损、风力、冰冻、水中漂浮物等影响。
6.齿轮开度仪：需要将齿轮咬合在螺杆的螺牙里，通过齿轮转动来计量闸门的开度。齿轮咬合螺杆螺纹的深度不够，在大量手工闸门中应用时，由于闸门启闭过程中的摇晃导致的螺杆偏差，往往会导致咬脱不计数的问题。
7.电机轴磁传感器：通过检测电机轴的转动计数，再通过速比等参数计量闸门的开度。在正常工作下计量没有问题，但在传动系统非正常工作的时候，比如皮带打滑，就无法正确计量，会产生误计数的问题。
8.以上几种开度仪又都存在共同的以下缺点：1、由于国家规定，闸门启闭器必须要支持手摇启闭功能，即使意外停电的情况下，需人工保证正常工作。而现有的开度仪，只是在有电的时候计数，有的也具备掉电记忆数据，但是因为功耗原因，它们不支持在掉电的情况下保持正常计数的能力。而这样容易造成人工开关闸后，开度仪无法记录闸门的当前位置，这样容易导致控制事故。
9.2、现有的开度仪一般采用电流环或ttl电平输出，不具有双向通讯能力，不能够识别开度仪的存在或好坏，这样可能会因为不知道开度仪损坏的情况下开启大功率电机导致事故发生。


技术实现要素：

10.针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于水利行业的非接触式双向通信低功耗闸门开度仪，解决了上述背景技术中所存在的问题。
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于水利行业的非接触式双向通信低功耗闸门开度仪，包括微安级的全极性霍尔传感器、功耗比较大的双通道霍尔传感器、mcu、dc-dc转换电路、给储能电池或超级电容充电的恒压恒流电路、储能电池或超级电容等；该开度仪利用微安级的全极性霍尔传感器作为休眠下检测和唤醒，功耗比较大的双通道霍尔传感器用于计数；在外部断电下，由于全极性霍尔传感器功耗是微安级，mcu在休眠下也是微安级，这样在休眠的时候，整个系统的功耗极小，靠系统内部的储能电池或超级电容可以休眠待机数月，也可以随时被触发唤醒实现高速计数；并采用rs485/rs422/can通讯，与主机保持双向通讯，实现心跳，故障诊断等功能；该开度仪存在外部有直流供电输入和外部断电两种工作模式：外部有直流供电输入的工作模式：当外部有直流供电输入时，直流供电经过dc-dc转换向mcu供电；由于d3的隔离作用，vcc不会向储能电池或超级电容充电，此时只能通过恒压恒流电路向储能电池或超级电容充电，这样能防止电池出现过压充电问题；mcu对adc进行采样，根据电压判断此时是属于外部供电，mcu_ioo转成低电平，q1导通，u2得到供电；当安装在启闭机传动轮上的磁铁旋转，在u2的int1和int2会根据旋转方向输出2组脉冲，2组脉冲的先后与转轮的旋转方向有关。例如：当得到int1的下降延时，如果int2是高电平对应正转，那么int2是低电平就对应反转。通过计数启闭机的减速度比对应闸的开启度。
12.外部断电的工作模式：当外部断电时，储能电池或超级电容通过d3向系统供电，由于d1和d2的隔离作用，避免电池能量对外泄放；此时mcu通过采样adc0的电压获知外部已断电，mcu_io1输出高电平，q1截止，这样功耗比较大的双通道霍尔传感器以及mcu在断电的条件下，也处于微安级休眠中；由于两个低功耗的全极性霍尔传感器仍旧通电，处于检测状态，当启闭机被人工旋转时，磁铁划过全极性霍尔传感器，int0或int3输出下降沿脉冲信号，引起mcu中断唤醒，mcu_io1输出低电平，q1导通，双通道霍尔传感器立即进入检测。
13.此系统中，双通道霍尔传感器并列装在2个全极性霍尔传感器的中间，就是为了无论人工正旋转还是反旋转，都能可靠引起全全极性霍尔传感器触发中断唤醒系统。
14.如果持续人工旋转，此时全极性霍尔传感器一直能够持续得到脉冲，则让系统保持高速工作状态。
15.如果人工旋转停止，此时全极性霍尔传感器脉冲消失并持续一段时间，则mcu重新关闭双通道霍尔转速传感器供电，自身也进入低功耗的休眠状态，再次等待被全极性霍尔开关的唤醒。
16.优选的，为了便于该开度仪与主机之间的可靠工作，所以在通讯中除了加装modbus通讯校验外，另增加心跳机制和及时上报机制和电池掉电此时记忆等功能；开度仪上报数据帧结构：
帧头+功能码+当前开度值+电池电量+电池掉电次数；开度仪的心跳机制：在外部有供电的条件下，开度仪每隔n秒向主机上报数据；当主机如果大于n秒，没有收到上报数据，则判断开度仪没有连接或开度仪失效，主机停止电机的供电；开度仪的及时上报机制：当双通道霍尔转速传感器被触发，计数发生变化时，则立即上报数据帧，这样能够提高主机的响应速度；电池掉电次数记忆机制：当开度仪电池因为损坏或过放，导致内部电池电量不足，vcc电压下降到阀值时，mcu通过内部电压比较器触发掉电中断，掉电寄存器的计数被递增一次，并存储到epprom里；当开度仪外部再次通电时，mcu读取epprom该数据，主机通过甄别数据帧里的掉电次数与上次是否有变化，如果有变化则需要重新校准开度仪；如果没有变化，则不需要重新校准开度仪。
17.本发明提供了一种用于水利行业的非接触式双向通信低功耗闸门开度仪，具备以下有益效果：（1）、本发明通过低功耗设计，能够保证掉电情况下，手控闸门时精准计量并保存，当供电恢复的时候，能够传送到自动化系统终端或平台，客观真实的反映闸门的位置，防止掉电后闸门位置未知产生的事故。
18.（2）、本发明的开度仪双向通信功能，能够远程配置管理和获取工作状态，防止开度仪工作不正常导致，导致的安全事故。
19.（3）、本发明通过非接触式磁检测设计，没有机械疲劳和磨损的问题，没有温湿度影响的问题，更不会受闸门附近飘浮物的干扰。
20.（4）、本发明测量精度高，为远程开启和关闭提供可靠的数据，并在排涝和精准灌溉中发挥巨大的计量作用，例如要求泄洪多少水量，通过流量和闸门开度大小就可以精确知道。在精准灌溉的农业应用中，闸门开度和流量就能够精准的计量释放了多少水量进入灌溉区域。
21.（5）、本发明易于远程控制集成，在水利信息化和农业自动化的闸控应用中，远程安全可靠，精准计量将是用户管控平台的主要标准，本设计的开度仪由精准和可靠工作，有利于实现闸控远程控制集成和更多的调水策略的应用。
附图说明
22.图1为本发明的电路原理示意图。
实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种用于水利行业的非接触式双向通信低
功耗闸门开度仪，包括微安级的全极性霍尔传感器、功耗比较大的双通道霍尔传感器、mcu、dc-dc转换电路、给储能电池或超级电容充电的恒压恒流电路、储能电池或超级电容等；该开度仪利用微安级的全极性霍尔传感器作为休眠下检测和唤醒，功耗比较大的双通道霍尔传感器用于计数；在外部断电下，由于全极性霍尔传感器功耗是微安级，mcu在休眠下也是微安级，这样在休眠的时候，整个系统的功耗极小，靠系统内部的储能电池或超级电容可以休眠待机数月，也可以随时被触发唤醒实现高速计数；并采用rs485/rs422/can通讯，与主机保持双向通讯，实现心跳，故障诊断等功能；该开度仪存在外部有直流供电输入和外部断电两种工作模式：外部有直流供电输入的工作模式：当外部有直流供电输入时，直流供电经过dc-dc转换向mcu供电；由于d3的隔离作用，vcc不会向储能电池或超级电容充电，此时只能通过恒压恒流电路向储能电池或超级电容充电，这样能防止电池出现过压充电问题；mcu对adc进行采样，根据电压判断此时是属于外部供电，mcu_ioo转成低电平，q1导通，u2得到供电；当安装在启闭机传动轮上的磁铁旋转，在u2的int1和int2会根据旋转方向输出2组脉冲，2组脉冲的先后与转轮的旋转方向有关。
25.外部断电的工作模式：当外部断电时，储能电池或超级电容通过d3向系统供电，由于d1和d2的隔离作用，避免电池能量对外泄放；此时mcu通过采样adc0的电压获知外部已断电，mcu_io1输出高电平，q1截止，这样功耗比较大的双通道霍尔传感器以及mcu在断电的条件下，也处于微安级休眠中；由于两个低功耗的全极性霍尔传感器仍旧通电，处于检测状态，当启闭机被人工旋转时，磁铁划过全极性霍尔传感器，int0或int3输出下降沿脉冲信号，引起mcu中断唤醒，mcu_io1输出低电平，q1导通，双通道霍尔传感器立即进入检测。
26.为了便于该开度仪与主机之间的可靠工作，所以在通讯中除了加装modbus通讯校验外，另增加心跳机制和及时上报机制和电池掉电此时记忆等功能；开度仪上报数据帧结构：帧头+功能码+当前开度值+电池电量+电池掉电次数；开度仪的心跳机制：在外部有供电的条件下，开度仪每隔n秒向主机上报数据；当主机如果大于n秒，没有收到上报数据，则判断开度仪没有连接或开度仪失效，主机停止电机的供电；开度仪的及时上报机制：当双通道霍尔转速传感器被触发，计数发生变化时，则立即上报数据帧，这样能够提高主机的响应速度；电池掉电次数记忆机制：当开度仪电池因为损坏或过放，导致内部电池电量不足，vcc电压下降到阀值时，mcu通过内部电压比较器触发掉电中断，掉电寄存器的计数被递增一次，并存储到epprom里；当开度仪外部再次通电时，mcu读取epprom该数据，主机通过甄别数据帧里的掉电次数与上次是否有变化，如果有变化则需要重新校准开度仪；如果没有变化，则不需要重新校准开度仪。
27.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实
体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
28.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种用于水利行业的非接触式双向通信低功耗闸门开度仪，其特征在于，包括微安级的全极性霍尔传感器、功耗比较大的双通道霍尔传感器、mcu、dc-dc转换电路、给储能电池或超级电容充电的恒压恒流电路、储能电池或超级电容等；该开度仪利用微安级的全极性霍尔传感器作为休眠下检测和唤醒，功耗比较大的双通道霍尔传感器用于计数；在外部断电下，由于全极性霍尔传感器功耗是微安级，mcu在休眠下也是微安级，这样在休眠的时候，整个系统的功耗极小，靠系统内部的储能电池或超级电容可以休眠待机数月，也可以随时被触发唤醒实现高速计数；并采用rs485/rs422/can通讯，与主机保持双向通讯，实现心跳，故障诊断等功能；该开度仪存在外部有直流供电输入和外部断电两种工作模式：外部有直流供电输入的工作模式：当外部有直流供电输入时，直流供电经过dc-dc转换向mcu供电；由于d3的隔离作用，vcc不会向储能电池或超级电容充电，此时只能通过恒压恒流电路向储能电池或超级电容充电，这样能防止电池出现过压充电问题；mcu对adc进行采样，根据电压判断此时是属于外部供电，mcu_ioo转成低电平，q1导通，u2得到供电；当安装在启闭机传动轮上的磁铁旋转，在u2的int1和int2会根据旋转方向输出2组脉冲，2组脉冲的先后与转轮的旋转方向有关。2.外部断电的工作模式：当外部断电时，储能电池或超级电容通过d3向系统供电，由于d1和d2的隔离作用，避免电池能量对外泄放；此时mcu通过采样adc0的电压获知外部已断电，mcu_io1输出高电平，q1截止，这样功耗比较大的双通道霍尔传感器以及mcu在断电的条件下，也处于微安级休眠中；由于两个低功耗的全极性霍尔传感器仍旧通电，处于检测状态，当启闭机被人工旋转时，磁铁划过全极性霍尔传感器，int0或int3输出下降沿脉冲信号，引起mcu中断唤醒，mcu_io1输出低电平，q1导通，双通道霍尔传感器立即进入检测。3.根据权利要求1所述的一种用于水利行业的非接触式双向通信低功耗闸门开度仪，其特征在于：为了便于该开度仪与主机之间的可靠工作，所以在通讯中除了加装modbus通讯校验外，另增加心跳机制和及时上报机制和电池掉电此时记忆等功能；开度仪上报数据帧结构：帧头+功能码+当前开度值+电池电量+电池掉电次数；开度仪的心跳机制：在外部有供电的条件下，开度仪每隔n秒向主机上报数据；当主机如果大于n秒，没有收到上报数据，则判断开度仪没有连接或开度仪失效，主机停止电机的供电；开度仪的及时上报机制：当双通道霍尔转速传感器被触发，计数发生变化时，则立即上报数据帧，这样能够提高主机的响应速度；电池掉电次数记忆机制：当开度仪电池因为损坏或过放，导致内部电池电量不足，vcc电压下降到阀值时，mcu通过内部电压比较器触发掉电中断，掉电寄存器的计数被递增一次，并存储到epprom里；当开度仪外部再次通电时，mcu读取epprom该数据，主机通过甄别数据帧里的掉电次数与上次是否有变化，如果有变化则需要重新校准开度仪；如果没有变化，则不需要重新校准开度仪。

技术总结
本发明涉及闸门开度仪技术领域，且公开了一种用于水利行业的非接触式双向通信低功耗闸门开度仪，包括微安级的全极性霍尔传感器、功耗比较大的双通道霍尔传感器、MCU、DC-DC转换电路、给储能电池或超级电容充电的恒压恒流电路、储能电池或超级电容等。本发明通过低功耗设计，能够保证掉电情况下，手控闸门时精准计量并保存，当供电恢复的时候，能够传送到自动化系统终端或平台，客观真实的反映闸门的位置，防止掉电后闸门位置未知产生的事故；开度仪双向通信功能，能够远程配置管理和获取工作状态，防止开度仪工作不正常导致，导致的安全事故。事故。事故。


技术研发人员：张钰 张泰佳 张怀祥
受保护的技术使用者：合肥德达智能科技有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/12