（机械制造及其自动化专业论文）流量计费式智能卡节水控制系统设计.pdf

摘耍 摘要 水是人类赖以生存和发展的重要资源之一，是不可缺少、不可代替的特殊资 源。没有水就没有生命，就没有文明的进步、经济的发展和社会的稳定。世界上 的水资源是有限的，经济和社会的发展必须与水的供应相适应，不能无限制地采 水用水，不能超越水资源的承载能力。当今世界，随着人口的不断增长和经济的 不断发展，淡水资源的需求量不断增加；同时，由于不合理的利用，本来短缺的 淡水资源日益紧张。 射频非接触式智能卡在金融，经济等社会领域中起着重要的作用，在国家大 力提倡节约型社会的背景下，节水控制器开发的需求应运而生。 节水控制系统的计费方式采用流量计费方式，该方式能够有效改善时间计费 方式的缺陷，使节水控制系统很好的发挥节约水资源的同时保护使用者的利益不 受到侵害。在系统设计中增加了红外感应开关，增加了系统的稳定性，使用更加 方便。 综上所述，本文首先概述了水资源的缺乏及工农业生活用水各领域的用水情 况，生活用水浪费现象严重及国内外的节水措施；然后介绍了系统的流量计费功 能和红外开关按键功能的实现；并详细介绍了系统的硬件开发和软件设计；最后 从硬件环境上分析了系统干扰问题，通过合理的电路原理设计和p c b 板的布局等 措施很好的屏蔽掉强干扰对系统产生的影响。 本课题采用单片机控制，流量计计流量，设计出能按照流量计费、智能卡显 示余额、自动报警、红外开关按键取水的节水控制系统，其意义在于采用公平合 理的收费方式，实时显示用户的账户余额以提醒用户的用水量，起到大大增强人 们的节水意识，特别对公共场所水资源浪费问题是一个很好的解决方案，从而提 高节水力度，以适应我们社会发展的需要，做到水用于所需处，杜绝浪费。 关键词单片机；智能卡；流量计；节水；智能控制 a b s t r a c t a bs t r a c t w a t e ri sah u m a ns u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fi m p o r t a n tr e s o u r c e s i s i n d i s p e n s a b l e ，i r r e p l a c e a b l es p e c i a lr e s o u r c e s t h e r e i sn ol i f e ，t h e p r o g r e s s o f c i v i l i z a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h es t a b i l i t yo fs o c i e t yw i t h o u t w a t e r 腑f e l c a nn o tb eu s e du n l i m i t e da n de x c e e d e dt h ec a p a c i t yo fw a t e rr e s o u r c e s w h i c ha r e1 i m i t e d t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t ym u s tb ea d a p t e dt ot h e p r o v i s o n o f w a t e r n o w d a y s w i t h t h e g r o w i n gp o p u l a t i o n a n d d e v e l o p i n g e c o n o m y , f r e s h w a t e rr e s o u r c e sa r ei n c r e c i n gd e m a n d e d ；a tt h es a m et i m e s h o r t a g eo f f r e s h w a t e rr e s o u r c e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yt e n s ea sar e s u l to fu n r e a s o n a b l e u s i n g w i r e l e s si cs m a r tc a r dd i s p l a y i n gi m p r o t a n tr o l ei no u rs o c i e t ye s p a c i a l l yi n f a n a n c ea n de c o n o m yf i e l e d n o w , o u rc i t ya d v o c a t e se s t a b l i s h i n ga na b s t e m i o u s s o c i e t y o nt h i sa c c o u n t ，t h ee q u i m e nf o rs a v i n gw a t e rm e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e w a t e r - s a v i n gc o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do nr e a l f l o wc h a r g e s ，w h i c hc a nm a k e b e t t e rt h a nb a s e do nt i m ec h a r g e sa n dg o o de f f e c t i o no fs a v i n g w a t e ra sw e l la sg o o d p r o t e c t i o no fu s e r sb e n e f i t i no r d e rt oi m p r o v et h es t a b l i t yo ft h es y s t e m t h ei n f r a r e d s e n s o rs w i t c hi sa d d e dt ot h ed e s i g no fs y s t e m ，w h i c hm a k et h eu s eo fm o r e c o n v i e n t e n t i ns u m _ m a r y ，t h i sp a p e rf i r s tp r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h el a c ko fw a t e rr e s o u r c e s a n dt h es i t u a t i o no fw a t e ru s e di nv a r i o u sf i e l d s ，s u c ha si n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a la n d l i f i n g t h ep h e n o m e n o no fw a s t i n gw a t e rf o rl i r ei ss e r i o u sa n dw a t e r - s a v i n gm e a s u r e s a th o m ea n da b r o a d ；a n dt h e ni n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fs y s t e m sf u n c t i o n st h a t c h a r g eb a s e do nr e a l f l o wa n ds w i t c ht h r o u g hi n f r a r er e a c t i o n i n t r o d u c e sd e a t a i l l y h a r d w a r ed e v e l o p m e n ta n ds o f e w a r ed e s i g n ；f i n a l l y , a n a l y s i so ft h ee n v i r o n m e n tf r o m t h eh a r d w a r es y s t e mi n t e r f e r e n c e ，t h r o u g he f f e c t i v ew a y st h a tt h er a t i o n a lp r i n c i p l eo f c i r c u i td e s i g na n dp c b l a y o u to fb o a r dm e a s u r e ss h i e l d i n go u tt h ei n t e r f e r e n c eo ft h e s y s t e m 鼢f e r - s a v i n gc o n t r o ls y s t e r nu s e ss i n g l e c h i pc o n t r o l e d f l o w m e t e rc o n u t e d f l o w , t h i ss y s t e mc a na c c o m p l i s hm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sa c c o u n t t i n gi na c c o r d a n c e w i t ht h ef l o w , s h o w i n gt h eb a l a n c eo fs m a r tc a r d ，a l a r m m i n ga u t o m a t i c l l y , g e t t i n g w a t e rt h r o u g hi n f r a r e ds w i t c hb u t t o na n ds oo n ：c h a r g e si naf a i ra n dr e a s o n a b l ew a y h a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e d y n a m i c a l l yd i s p l a y i n gt h eu s e r sa c c o u n tb a l a n c e r e m i n dh i mw a t e rc o n s u m p t i o n ，w h i c hg r e a t l ye n h a n c e dp e o p l e sa w a r e n e s so fw a t e r c o n s e r v a t i o n ，e s p e c i a l l yo nt h ei s s u eo fw a s t ew a t e ri np u b l i cp l a c e si sag o o ds o l u t i o n ， t h e r e b ye n h a n c i n gt h ew a t e r - s a v i n ge f f o r t si no r d e rt oa d a p tt ot h en e e d so ft h e d e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t y , t oa c h i e v et h en e c e s s a r yw a t e rf o rt h ed e p a r t m e n tt o e l i m i n a t ew a s t e k e y w o r d s ：s i n g l e - c h i pc o m p u t e f ；s m a r tc a r d ；f l o wm e t e r ；s a v i n g w a t e r ； i n t e l l i g e n tc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盈亟篮! 导师签名：鱼翔筮日期：坐 第1 幸绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着人类生产的发展和生活水平的提高，世界用水量正以每年5 的速度递 增，每1 5 年用水总量就翻一番，除非各国政府采取有力措施，否则，在2 0 2 5 年 前，地球上将有1 2 以上的人口面临淡水资源危机，1 3 以上的人口得不到清洁 的饮用水【l 】。水资源的短缺己成为当今全球性的社会和经济发展的主要制约因 素，合理利用水资源，是人类可持续发展的当务之急，而节约用水是水资源合理 利用的关键所在，是最快捷、最可行、最广泛有效地维护水资源可持续利用的途 径之一。 农业，是水资源的用水大户，也是水资源的浪费大户。在我国，“土渠输水、 大水漫灌”的农业灌溉方式目前还仍在普遍沿用，灌溉用水一半在输水中就渗漏 损失了，灌溉用水的利用系数大多只有o 4 ，不足一些发达国家的一半水平。我 国每平方水灌溉后增产粮食0 5 k g ，发达国家则可达2 k g 。工业，因为现有用水 设施技术落后，目前我国工业万元产值用水量为1 0 3 m 3 ，美国是8 m 3 ，同本只有 6 m 3 ，是发达国家的1 0 - - 2 0 倍；我国工业用水的重复利用率仅为4 0 左右，而 发达国家平均为7 5 - 8 5 。城市居民生活用水不讲节约、铺张浪费的现象十分 严重，节水教育任重道远。仅北京市一年跑冒滴漏的水就达3 6 万吨【2 】。公共场 所用水情况特殊，水资源浪费更为突出。其主要原因在于人们的节水意识比较低， 想到用的都是公家的水，或则说已经定量付钱了的，就应该多用一点才合算，正 是因为有这样那样的不良的思想，导致了公共场合用水成为我们的生活用水的浪 费大户。 表卜1f t 农业及生活用水近1 0 年各自所占百分比【3 】 t a b l e1 1t h ep e r c e n t a g eo fi n d u s t r i a la n dd o m e s t i cw a t e rf o rn e a r l y1 0y e a r s 1 9 9 71 9 9 81 9 9 9 2 0 0 02 0 0 12 0 0 i2 0 0 32 0 0 42 0 0 5 2 0 0 6 农业 7 0 46 9 36 9 2 6 8 86 8 76 86 66 6 16 5 2 6 4 8 t 业 2 0 2 2 0 72 0 72 0 72 0 52 0 82 2 12 2 22 2 82 3 2 j 生活9 41 0l o 11 0 51 0 81 1 21 1 91 1 71 21 2 根据表1 1 作图得工农业及生活用水近l o 年来的用水比例走势图，从图1 1 可知随着国家对工农业用水采取了强有力的措施后，工农业的用水比例在逐渐减 少，而我们的生活用水用水比例则是年年升高，因此，为了达到更好的节水效果， 我们不仅仅是要在农业和工业方面下功夫，研究节水措施，对我们的生活用水也 应该要有先进的节水措施，来保证我们的任何一滴水都用的有意义，用到切实需 要使用的地方，做到真正的全面节水节能。 北京i 址人学上学硕士学位论文 我国是一个水资源短缺的国家，水资源短缺已经成为我国国民经济与社会 可持续发展的重要制约因素。建设节水型社会，是解决我国水资源短缺问题最根 本、最有效的战略举措。建设节水型社会，有利于加强水资源统一管理，提高水 资源利用效率和效益，进一步增强可持续发展能力；有利于保护水生态与水环境， 保障供水安全提高人民群众的生活质量：有利于从制度上为解决水资源短缺问 题建立公平有效的分配协调机制，促进水资源管理利用中的依法有序，为构建社 会主义和谐社会作出积极贡献。 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 擎擎擎p 萨事擎萨 幽卜i 片i 水比例走势图 f i g l lw a t e r r a t i oc h a r t 1 2 国内外研究成果及发展状况 12 1 国外研究成果及发展状况 1211 国外在智能卡方面的研究 智能卡，用一张给定大小的塑料卡片封装集成电路系芯片和天线线圈，用 于存储和处理数据。它的概念是7 0 年代提出的，法国b u l l 公司首创智能卡产 品，并将这项技术应用于金融、交通、医疗、身份证明等多个方面【4 l 。用智能卡 实现电子钱包的功能管理某一范围内的金额交易，提高了安全性，简易性。使 其为越来越多的学校和企业所采用，现在我们的生活随处可见到智能卡的踪迹， 国家和社会对智能卡的研究也越来越重视，也投入了大量的人力和物力。 在国外，智能昔首次真正意义上的应用出现在法国。1 9 8 4 年，法国邮政和 长话服务m 成功地进行了电话卡的现场实验，智能卡迅速证明了能满足涉及 防止篡改的所有预期功能并有着高度的可靠性，从此拉开了智能卡应用的序幕。 继电话卡的成功试验后，智能卡先是在法国，继而在德国以惊人的速度取得了 第1 章绪论 进一步的发展，1 9 8 6 年，仅仅在法国就有数百万张电话卡在流行。1 9 9 0 年总数 达到了6 0 0 0 万张，而1 9 9 7 年在全世界就有数亿张。随之，智能卡在银行界得 到了应用。1 9 8 4 年法国银行界首先引入了智能卡技术，同时，德国也进行了第 一次区域性试验。前些年，澳大利亚发行了具有电子收款机p o s 功能的电子钱 包以及多功能的智能卡，使得澳大利亚成为世界上第一个拥有全国电子钱包系 统的国家【引。 从具体应用领域来讲，在金融领域世界上最大的信用卡集团v i s a 卡集团， 为扩展会融服务范围，满足未来金融服务的需要及提高安全性，开始准备转向 智能卡。v i s a 还和m a s t e r c a r d 以及e u r o p e 共同制定新的国际银行交易标准， 这将极大拓展世界性的智能卡应用范围。而美国因为磁卡数量和应用水平在世 界处于前列，从现有的磁卡设备迁移到智能卡设备是一个漫长和痛苦的过程， 所以在这方面进展颇为缓慢。威士国际组织处于安全方面的考虑，计划在2 0 0 8 年以前，逐步完成取代磁条卡的工作。在医疗事业领域，法国将在所有医疗事 业发行单一的国家智能卡。为从根本上改善法国全国的国有医疗系统的有效性 及高效性铺平道路，这种智能卡还将朝着健康医疗信息技术方向发展，甚至还 将在国际范围内寻求合作。除此之外，还有包括交通运输，校园管理及身份证 方面的应用。 1 2 1 2 国外的节水措施 国外生活用水节水，城市生活用水在城市用水中占有较大份额，例如沙特阿 拉伯占4 7 左右，具有较大的节水潜力，其节水技术也研究得最为成熟。目前国 外城市生活用水节水主要注重以下几个方面【6 j ： ( 1 ) 城市生活用水监测和用水量估计实行用水量监测，是为了了解实际的用 水量和用水方式，进而得知供水系统的运行状况，为合理、公正地确定水价提供 依据。用水量估计主要是通过调查和评估用水现状，按照节水原则合理估计将来 的生活用水量。 ( 2 ) 采用节水型家庭卫生器具节水型卫生器具一般是低流量或超低流量的卫 生器具，研究表明，这种器具节水效果明显，用以代替低用水效率的卫生器具可 平均节省3 2 的生活用水。节水型卫生器具包括节水型便具、节水型洗涤器具、 节水型淋浴器具等。 ( 3 ) 家庭草坪浇灌节水技术数据统计美国大约有5 0 的拥有草坪的居民过量 浇水，因此具有较大的节水潜力。该技术通过改进浇水方式、建立不同季节的浇 水规定、控制浇水时问、选择抗旱草种等达到节水目的。1 9 9 0 年美国曾开发了 一个试验程序，以降雨量和草坪根部深度为主要影响因素，控制浇水量，结果证 明该程序是可信的。 ( 4 ) 水价结构和漏水控制城市生活用水的水价结构反映了水的制造成本、销 北京t 、l p 人学t 学硕十学何论文 售效益和其它效益。居民生活用水的水价是大多数公司首先关注的问题，因为其 份额大且使用群体稳定。节水型水价的研究在美国进行的很多。国外研究证明， 漏水控制的节水效果也是相当明显的，英国北爱尔兰在未实行漏水控制之前，每 幢建筑物平均漏水量为2 3 - 4 0 l h ，在实行漏水控制后，平均漏水降至8 1 1l h 。 1 2 2 国内研究成果及发展状况 1 2 2 1 国内在智能卡方面的应用研究 在国内，智能卡的发展比较晚，1 9 9 3 年6 月江泽民主席针对我国存在的大 量现金发行、资金体外循环以及经济犯罪等问题，为稳定金融秩序、加强国家 对经济的宏观控制、加速金融商贸现代化建设，倡导在全民推广使用信用卡。 同年9 月国家金卡工程正式启动。根据不完全统计，截止2 0 0 4 年1 0 月，中国 发行使用智能卡约为1 4 亿张左右，其中公用电话i c 卡约为0 7 6 亿张，移动电 话s i m 卡0 3 4 亿张，其他各类智能卡约为1 3 亿张。2 0 0 1 年4 月，经国家金卡 工程协调小组第六次会议批准，已确定银行、电信、劳动和社会保障、公安、 建设、工商行政管理、组织机构代码管理、税务、海关、广播电视、石化、交 通、会计从业资格管理等行业或领域发行的智能卡属于“行业性大卡 1 ，j 。 国内生活用水节水，国内的节水运动始于八十年代初期，经过近二十年的 努力，取得了较大进展，城市节水累计达2 2 0 多亿m 3 。以北京市为例，北京市 城市自来水需水量五十年代平均增长了2 8 9 8 ，六十年代为4 2 9 ，七十年代 为6 7 4 ，八十年代为3 1 ，9 1 至9 6 年为5 8 ，数据充分说明，八十年代开 始的节水措施效果是明显的，目前国内主要节水措施有【酬： ( 1 ) 水表安装与计量城市生活用水的经验表明，有水表比无水表用水节约， 而一户一表用水比一单元装总表节水。山西大同7 个大型企业改包费制为计量 收费制后，生活用水节约7 5 3 ，每月节水8 7 万m 3 。 ( 2 ) 采用节水型器具包括节水型便具、节水型淋浴器具和洗涤器具等，但 这些器具要真正做到既方便使用，又具节水效果，且能普及应用尚需时同。 ( 3 ) 城市节水灌溉随着人民生活水平的提高，城市绿化面积不断增加，城 市灌溉用水量逐年增长。目前我国着重推广喷灌、微喷灌和滴灌等新技术，比 原来的地面灌节水3 0 - - 5 0 ，同时节省了大量劳力。 1 2 2 2 国内节水措施 国内城市生活用水( 大生活用水) 一般占城市总用水量的3 0 左右，包括 城市居民住宅用水( 小生活用水) 和公共用水两部分。以上的节水措施对城市 居民住宅用水上能取到显著节水的效果，但是对于公共用水这方面，由于中国 是一个人口大国，公共用水场所数量和国外相比显得相对较多，因此，解决公 共用水的节水问题是一个不可忽视的问题。而随着 l ：会经济的快速发展，城市 第1 市绪论 生活用水量将迅速增加，因此就节水而言，大有潜力可挖，公共用水节水也是 大有潜力可挖的。 在国内，公共用水的浪费现象已经被重视，并采取了相应的措施，某智能 产品事业部，研制成功了c a n t e c h s 节水控制机，其开发的节水控制器和现在先 进的智能卡结合起来，形成一个有效的节水系统，使用户可以按照管理需求个 性化用水，给水资源管理者提供有效解决方案，同时可以为国家能源节约提供 一种新的思路。某公司采用飞利浦m i f a r e1 非接触式i c 卡为存储介质，将卡 作为电子钱包，实现淋浴计时收费，设计出了j s 1 0 0 型节水控制器，有效的提 高了使用者的节水意识，节约水资源。 1 3 选题的目的和意义 目前国内已经有了几款针对公共用水浪费现象而设计的节水设备( 节水控 制器) ，这些节水控制器的节水效果还是比较满意的，但是，现有的节水控制器 采用的计费方式均采用的是计时方式，即根据使用的时间长度来收费，时间使 用的越长，收费即越多。从设计上来说，采用计时收费比较容易实现，成本比 较低，从表面上看，是个不错的方法。但是，实际使用后发现此种收费方式存 在着如下问题： ( 1 ) 同一个浴室，同样的l o 分钟的淋浴，同样的费用，一个人的实际用水量 却比另一个人的多得多明显的感官差别。 ( 2 ) 同一个开水房的同一根水管上买同样一瓶开水，一个人只要1 0 秒钟， 另一个人却需要1 5 秒钟后者付出的费用是前者的1 5 倍。 ( 3 ) 当电磁阀被堵塞或是损坏时，会造成无用水误收费的情况。 上述计费差异不但有悖于交易公平，而且还导致使用者对节水器本身合理性 的质疑，且不时引发纠纷甚至发生损坏设备泄愤的事件。不及时更正计费方式， 设备的维修费用将达到一个不可估计的数目，权衡比较，节水效果也将有所下降。 高等院校集教学、科研和生活于一体，是水资源消耗大户。目前全国有1 4 0 0 多所全同制高等学校，在校学生和教职员工约1 6 1 0 万人，他们既是城市生活的重 要组成部分，又是人才、技术高度密集的地方【9 1 。因此，节水控制器的使用，不仅 可以提高高校的用水效率和经济效益，而且对增强全社会的节水意识，促进人水 和谐发展大有裨益。学校浴室也是高校水资源浪费比较严重的场所之一，具有相 当大的节水潜力。在浴室罩，有的学生为了增加室内温度，空开热水龙头，有的用 丌水洗衣服，有的用水后不关龙头，造成长流水现象，为改变这种状况，许多高校 采取了应对措施。如减压供水、减小龙头出水口径、脚踏板控制淋浴技术，一旦 人员离开淋喷头，便自动关闭等措施。但由于部分学生的节水意识仍未跟上，浪费 水的现象没有从根本上得到解决。 ：i 匕京t 、i p 大学t 学硕十半：1 _ 奇：论文 由计时计费方式引发的问题的合理解决方法就是设计出新型计费方式型的 节水控制系统流量计费式，这不仅能够达到良好的节水效果，还能改善收费 不公平合理的现象，能更好的响应国家的节水节能、构建和谐社会的号召，其意 义就尤为突出重要了。 本课题的目的是设计出采用单片机控制的，新型计费方式的节水控制系统， 并采用红外开关按键取水替代已有的插卡型取水，使用更方便，更安全可靠，寿 命更长。其意义在于改善一下目前公共场合用水存在的浪费现象，通过不断的改 善这些浪费现象来逐渐提高我国的节水水平，有利于建设节水型社会，加强水资 源统一管理，提高水资源利用效率和效益，迸一步增强可持续发展能力；保障供 水安全，提高人民群众的生活质量；为构建社会主义和谐社会作出积极贡献。 1 4 本课题的研究内容 由于本课题是基于对已有的计时计费型智能卡节水控制系统改进的一种新 型计费的节水控制系统，并且还将改进现有的节水控制器的开关类型，将插卡型 开关改为红外感应开关，防水更安全，更可靠，使用更方便，寿命更长，所以本 课题采用的是学习借鉴并改进的方法，先逐个功能模块化设计并调试，再拼接融 合调试改进调试改进，如此方法，不断的调试改进，最终设计出 合乎要求的系统。 系统所需要完成的功能如图1 2 所示，当有智能卡进入系统时，读写芯片将 对卡进行身份验证，身份验证通过后，将其卡中数据读出并发送给单片机，单片 机命令l e d 显示其数据，等待红外感应开关的信号，红外感应开关接收到红外 线后，则给单片机信号，判断余额是否足够，余额不足则报警处理，余额充足则 单片机命令电磁阀打开，水流通过流量计，流量计将通过的流量转换成脉冲数传 给单片机，通过预先设定的费率进行计费，对卡中的金额进行实时扣费，并将此 数据给读写芯片，最终传送给智能卡，实时显示卡中余额。当红外感应开关再次 收到红外信号时，单片机命令电磁阀关闭，单片机将此时卡中余额通过读写芯片 写入卡中。 图卜2 系统功能图 f igl 一2s y s t e mf u n cti o nc h a r t 筇1 章绪论 通过图1 2 可知，本课题的研究内容包括以下四点： ( 1 ) 插入智能卡自动显示余额； ( 2 ) 红外按键实现取水； ( 3 ) 自动报警功能； ( 4 ) 实现流量计费功能； 整个系统预期由单片机、电磁阀、流量计、电源等组成，实际可应用于节水 控制器，其使用环境为有水龙头流水的公共场所都可以利用控制器达到节水目 的，如：浴室、集体和个人公寓、开水房、洗衣房等场所使用，对节水控制器的 设计应充分考虑到设备的防水性、安全性、实用性和可操作性等方面的性能。一 台节水控制器控制一个节点( 浴室的水龙头、开水房龙头等) ，控制器在不同的场 所使用，起到不同节约目的，由于环境的不同，使用的型号不同，根据使用的现 场环境、管理要求和整体结构决定。在安装智能卡节水设备主要用于在控制电磁 阀的同时实现按照流量计费，在卡片插入控制器内按键后才可以取水，当卡片从 控制器拿出时，电磁阀自动关闭，基本消灭现在的长流水的现象，同时能够提醒 用水时自己“钱包”内金额的减少。如果是用于热水水龙头，在该控制器除了节 水外还能很好的节约能源。 北京下、i k 人学t 学硕十学位论文 第2 章主要功能模块简介 2 1 流量计费功能 2 1 1 流量计种类选取 流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用 的流量仪表种类达6 0 种之多【1 0 】。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种 对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。 按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原 子物理学原理等。按照目前最流行、最广泛的分类法，即分为：容积式流量计、 差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计涡街流 量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计等。以下分别介绍几种类型的 流量计的优缺点及应用概况。 2 1 1 1 容积式流量计l l o 】 容积式流量计，又称定排量流量计( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tf l o w m e t e r ) ，简称 p d 流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续 不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部 分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭 圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、 圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。 ( 1 ) 容积式流量计优点计量精度高；安装管道条件对计量精度没有影响；可 用于高粘度液体的测量；范围度宽；直读式仪表无需外部能源可直接获得累计总 量，清晰明了，操作简便。 ( 2 ) 容积式流量计缺点结果复杂，体积庞大；被测介质种类、口径、介质工 作状态局限性较大；不适用于高、低温场合；大部分仪表只适用于洁净单相流体； 易产生噪声及振动。 ( 3 ) 容积式流量计应用概况容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列 为三类使用量最大的流量计，常应用于昂贵介质( 油品、天然气等) 的总量测量。 工业发达国家近年p d 流量计( 不包括家用煤气表和家用水表) 的销售金额占流量 仪表的1 3 ，我国约占2 0 ，1 9 9 0 年产量( 不包括家用煤气表) 估计为3 4 万台， 其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占7 0 和2 0 。p d 流量计一般不具有时间基准， 为得到瞬时流量值需要另外附加测量时问的装置。 第2 章卡要功能模块简介 2 1 1 2 涡轮流量计 涡轮流量计，是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子( 涡轮) 感 受流体平均流速，从而且推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两 部分组成，也可做成整体式涡轮流量计和容积式流量计、涡轮流量计称为流量计 中三类重复性、精度最佳的产品，作为十大类型流量计之一，其产品已发展为多 品种、多系列批量生产的规模。 ( 1 ) 涡轮流量计优点高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计，通常 有0 5 、0 2 两种：重复性好；无零点漂移，抗干扰能力好；范围度宽， 最大和最小线性流量比为6 ：1 1 0 ：1 ；结构紧凑。 ( 2 ) 涡轮流量计缺点涡轮流量计的仪表常数是在常温下用水标定出来的，如 果使用条件和标定条件不同，则会产生误差；涡轮流量计在工作时，叶轮在不断的 高速旋转，因转动会产生摩擦，容易损坏，如果更换了转轴或轴承，则需重新标定 仪表常数，而一般用户都不具备标定条件；涡轮流量计不能测带有杂质的流体， 如果在流量计前面加过滤器，则会增加流体阻力，并增加拆卸和维护过滤器的工 作量；涡轮流量计测的是体积流量，如果流体的温度，密度和粘度等在测量过程中 发生变化，则需要采取补偿措施，否则测得的数据便没有意义。 ( 3 ) 涡轮流量计应用概况涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：石 油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体等在欧洲和美国，涡轮流 量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然气计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就 采用了2 6 0 0 多台各种尺寸，压力从0 8 6 5 m p a 的气体涡轮流量计，它们己成为 优良的天然气计量仪表。 2 1 1 3 涡街流量计 涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，流体在发生体两侧交 替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。涡街流量计按频率检出方式 可分为：应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。涡 街流量计是属于最年轻的一类流量计，但其发展迅速，目前己成为通用的一类流 量计。 ( 1 ) 涡街流量计优点结构简单牢固；适用流体种类多；精度较高；范围度宽； 压损小。 ( 2 ) 涡街流量计缺点不适用于低雷诺数测量；需较长直管段；仪表系数较低 ( 与涡轮流量计相比) ；仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。 2 1 1 4 差压式流量计 1 1 】 差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件 和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置( 检测 件) 和二次装置( 差压转换和流量显示仪表) 组成。通常以检测件形式对差压式流量 北京t 、l k 人学下学硕十学何论文 计分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、 电子、机电一体式差压计，差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化( 系列 化、通用化及标准化) 程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表，它既可测量流 量参数，也可测量其它参数( 如压力、物位、密度等) 。差压式流量计的检测件按 其作用原理可分为：水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几 大类。检测件又可按其标准化程度分为二大类：标准的和非标准的。所谓标准检 测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流标定即可确定其 流量值和估算测量误差。非标准检测件是成熟程度较差的，尚未列入国际标准中 的检测件。差压式流量计是一类应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用 量占居首位。近年来，由于各种新型流量计的问世，它的使用量百分数逐渐下降， 但目前仍是最重要的一类流量计。 ( 1 ) 差压式流量计优点应用最多的孔板式流量计结构牢固，性能稳定可靠， 使用寿命长；应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；检测件与 变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。 ( 2 ) 差压式流量计缺点计量精度普遍偏低；范围度窄，一般仅3 ：1 4 ：l ；现场 安装条件要求高；压损大( 指孔板、喷嘴等) 。 通过对各种流量计的优缺点及应用概况的了解，结合本课题对流量计的使用 要求等各个因素，综合判断决定选取涡轮流量计。 2 1 2 涡轮流量计概述 2 1 2 1 涡轮流量计的工作原理 涡轮流量计的工作原理【1 2 1 如图2 1 所示，在管道中心安放一个涡轮，两端由 轴承支撑，当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克 服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质 粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转 角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。涡轮的转速通过装在机壳 外的传感线圈来检测，当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会 引起传感线圈中的磁通变化，传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放 大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与 流量积算电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电 路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值。 三霉 、一国 二县：e 二一 图2 1 涡轮流量计原理图图2 2 涡轮叫片分解 f i 9 2 1t u r b i n ef l o w m e t e r s c h e m a t i cd i a g r a mf i 9 2 2d e c o m p o s i t i o no f t u r b i n eb l a d e s 第2 市卞要功能模块简介 涡轮流量计的流量方程可描述如下：平行于涡轮轴线的流体平均流速v ，可 分解为叶片的相对速度v r 和叶片切向速度v s ，如图2 2 所示： 切向速度为k = v t a n 8 ( 2 一1 ) 式中o _ 一叶片的旋转角。 若忽略涡轮轴上的负载力矩，那么当涡轮稳定旋转时，叶片的切向速度为 k = r m ( 2 - 2 ) 则涡轮的转速为 ，l ：旦：t a n 0 1 ，( 2 - 一3 ) ，l = 一= 1 ， k zj 2 万2 n r 式中r 涡轮的平均半径( m ) 缈涡轮的角速度 由此可见在理想状态下，涡轮的转速n 与流速v 成正比例，磁电式转换器所产生 的脉冲频率为 厂：，l z ：z t a n 0 ， ( 2 4 ) 。 2 m 式中z 涡轮的叶片数目 由船4 得：y = 急厂 则流体的体积流量为 q = s v - 蒜厂= 专厂 ( 2 - 5 ) 式中s 涡轮的通道截面积( m 2 ) ； 亭流量转换系数掌：2 t a n 0 z 冗r s 由式( 2 1 ) 可见，对于一定结构的涡轮流量系数是一个常数，因此流过涡 轮的体积流量q 与磁电转换器的脉冲频率f h - t 2 j 下比。但是由于轴承的摩擦力矩、 磁电转换器的电磁力矩、流体和叶片的摩擦阻力等因素的影响，在整个流量测量 范围内流量转换系数不是常数。在小流量时，由于各种阻力力矩之和与叶轮的转 矩相比较大，因此流量转换系数下降，在大流量时，由于叶轮转矩大大超过各阻 力力矩之和，因此流量转换系数几乎保持常数。 2 1 2 2 所选用的涡轮流量计的参数 根据上述的各种流量计的优缺点对比，结合本课题流量计的使用目的、场合 等客观条件决定选用涡轮式流量计，再考虑到本课题对所需要使用的流量计的精 度要求和价格比较，最终选定湛江中信电磁阀有限公司生产的型号为 c w v - h 0 5 0 1 的涡轮流量计，其精度为2 1 0l m i n + 1 0 以内，流量一脉冲特性为 北京t 、l p 大学t 学硕十学位论文 水平测试脉冲频率( h z ) = 【8 1q 一6 】士l o ( 水平测试) ( q 一流量l m i n ) 具体参数如表2 1 ： 表2 - 1c w v h 0 5 0 1 型涡轮流量计参数表 t a b 2 1c w v h 0 5 0 1p a r a m e t e rt a b l eo ft u r b i n ef l o w m e t e r 1 、最低额定t 作电压 d c 5 v 2 、最人j f ：作l 乜流1 5m a( d c5 v ) 3 、工作电压范同 d c5 1 8v 4 、负载能力 1 0m a ( d c5 v ) 基5 、使川温度范同 8 0 本 6 、使川湿度范围3 5 - - - 9 0 r h ( 无结霜状态) 参 7 、允许耐压水压1 7 5 m p a 以卜 8 、保存温度 一2 5 + 8 0 数 9 、保存湿度 2 5 9 5 r h 1 、输出脉冲高电平 d c4 5v ( 输入电压d c5v ) 2 、输出脉冲低电平 d c0 5v ( 输入电压d c5v ) 3 、精度 ( 流量一脉冲输出) 2 1 0l m i n + 1 0 以内 4 、输出脉冲占空比 5 0 士1 0 5 、输出上升时间 0 0 4us 6 、输出下降时间 0 1 8us 7 、流量一脉冲特性 水平测试脉冲频率( h z ) = 8 1q 一6 士1 0 ( 水 平测试) ( q - 一流量l m i n ) 技 8 、耐冲击产品包装好，从5 0 c m 高度x 、y 、z 方向自由落 下至混凝土表面无异常， 术 精度变化1 0 以内。 要 9 、绝缘电阻霍尔传感器与铜阀体之间的绝缘电阻1 0 0 m q 求 以上。( d c5 0 0 v ) 在8 0 + 3 。c 环境中放置4 8 h ，返回常温卜2 h 无 1 0 、耐热性异常，且零件无裂纹、松驰、膨胀、变形等现 象，精度变化1 0 以内。 在- 2 0 士3 。c 环境中放置4 8 h ，返同常温卜2 h 无 1 1 、耐寒性异常，且零件无裂纹、松驰、膨胀、变形等现 象，精度变化1 0 以内。 1 2 、耐湿性在4 0 士2 。c ，相对湿度9 0 9 5 r h 环境中放置 7 2 h 取出后，绝缘电阻1 mq 以上。 1 3 、拉拔强度在引山线上施加1 分钟1 0 n 的拉力，无松脱、 拉断现象，且性能无变化。 1 4 、耐久性在常温下，从进水u 通入0 1 m p a 水压，以接通 l s ，断开0 5 s 为一循环， 试验3 0 万次无异常。 流量计费功能的实现：将流量计输出的脉冲信号输入到单片机，单片机对输 入的脉冲信号进行每秒计数，根据流量一脉冲特性为水平测试脉冲频率 ( h z ) = 8 1q 一