基于MSP430单片机的智能水表设计毕业论文.doc

基于MSP430单片机的智能水表设计毕业论文目录摘 要IABSTRACTII目录IV1概述11.1 水表的发展历史11.2 智能水表的概念11.3 智能水表的性能指标21.4 智能水表的分类31.4.1 脉冲发讯集中抄收式水表31.4.2 无电源直读抄收式水表31.4.3 磁卡（IC）卡预付费水表41.4.4、非接触式IC卡51.4.5 方案选择72 智能水表的设计流程102.1 智能水表的基本组成102.2 智能水表的工作原理112.3智能水表的主要元器件介绍182.3.1 智能水表的主芯片MSP430F149182.3.2 液晶LCD1602212.3.3传感器(霍尔传感器)262.3.4 IC读卡器272.3.5三端稳压管LM1117-3.3292.3.6小型直流电机302.3.7蜂鸣器303 智能水表的制作323.1 智能水表的结构设计323.1.1表壳、中罩、表玻璃323.1.2 计量机构323.1.3计数机构373.2 智能水表组成电路的设计453.3 原理图设计483.4 PCB制作494 智能水表的程序514.1 MSP430F149常用程序介绍514.1.1 中断介绍及存储器段介绍514.1.2 硬件乘法器514.1.3 P口524.1.4定时器及数模转换524.1.5 时钟模块524.1.6 USART通信模块534.1.7 比较器模块534.1.8 数模转换模块534.2 程序设计流程图544.3 智能水表的程序源代码55智能水表的市场经济分析56结论与谢辞58参考文献60附件1. 原理图62附件2. PCB图63附件3. 程序源代码63附录一98附录二.104III1概述1.1 水表的发展历史 从1825年英国克路斯发明了真正具有仪表特征的平衡罐式水表以来，水表的的发展已有近两百年的历史。1879年，李鸿章为操办海军，在旅顺口创建了我国第一家水厂，1883年英殖民主义者在上海创建了第二个水厂，水表开始进入我国。至20世纪初期，当时的水厂大都从国外进口部分零部件用以生产水表。在相当长的时间，英法德日等国家的水表一直占据中国水表行业的市场。1949年解放以后，随着城市供水事业的发展，我国的水表工业也相应的发展起来。从1955年起，我国的一些大中城市自来水公司向后开始生产水表。20世纪80年代初，根据当时水表的国际标准IS4046的要求，我国对小口径水表实行了全国统一的设计并加以改进推广。统一设计和水表零部件的塑料化，大大推动了我国水表工业进步与发展。20世纪90年代，我国的经济建设高速发展，水表行业也快速发展，同时各种智能型水表、水表抄表系统等产品也开始兴起。1.2 智能水表的概念智能水表是一种利用现代微电子技术、现在传感技术、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，是水表的另类派生产品之一。与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是很大的进步。智能水表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由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的改变。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的特点。图1-1 某型号智能水表样图1.3 智能水表的性能指标水表的主要技术参数： （1）水温：该参数规定了水表使用的最高温度，使用者英选用合适的型号规格来满足自己的需求，否则将导致水表水流总量计量不准。 （2）工作压力：规定了水表计量水体的最大压力。水压超过此限度，可能会使水表损坏或渗漏。 （3）流量系数：其包括公称口径、最大流量、公称流量、分界流量、最小流量、始动流量。使用者可根据使用的需要选择公称口径和公称流量。 （4）示值误差。 （5）外形尺寸及重量：水表的外形尺寸包括安装时需了解的各种参数如长宽高、连接螺纹。另外尺寸和重量与包装运输有关。1.4 智能水表的分类 目前市场上普遍采用的智能化水表主要有三类：脉冲发讯式集中抄收系统(表具传感器分为干簧管型、霍尔元件型、光电转换型)；IC卡表(分为插卡表、射频卡表)；无电源直读式集抄系统(传感器分为光电收发编码式、电阻逻辑编码式、接触开关编码式、条形码式，水表表具分为干式、湿式)。1.4.1 脉冲发讯集中抄收式水表 工作原理：由表具不断发出脉冲信号，经采集器对脉冲信号进行采集、累加、存储和数据上传。 优点：发讯式集抄系统目前在国内已普遍采用，推广应用方便，价格较低，只要生产厂商、系统集成商严格把好每一环节的质量关，且发讯不随时间而产生疲劳损伤。 实践中存在的问题：初始化及维护工作量大；磁铁强磁场干扰；电能耗费。1.4.2 无电源直读抄收式水表 工作原理：在干式或湿式旋翼式水表码盘下每个与刻度对应的位置上装上红外收发光管或电阻或金属触点，当码盘上的透光孔或触点转到某一刻度时抄表，系统即供电。这时红外发光管发光，在对应位置上的红外接收管收到光信号后经单片机对信号进行判别、计算，将每一刻度上的数据传给集中器，再由集中器将所抄水表数据上传至计算机管理软件，该系统平时不工作、不用电、无功耗，所以称无电源(简称“无源”)，抄表时读取的是表具实时指针度数(即直读)。 优点：自动读取指针位置或字轮读数，无需在集中抄收器中设定数据初始化的工作；无源远传采集器直接传送表具实时度数，平时不工作，故不受机械振动和电磁干扰的影响；系统日常工作无需供电，避免了由于供电不稳定或电源故障引起的计量误差及大量的维护工作，并大大降低了系统的使用和维护费用； 由于无源远传系统的传感器记忆的是指针或字轮位置，即便水表发生倒转，自动抄表数据与表具指针或字轮的读数也始终保持一致，避免了用户与售水单位由于数据不一致而产生矛盾；即使发生断线，当接好线后仍然是水表内刻度指示的计量，自来水行业无任何损失。 实践中存在的问题：其制造成本较高；不易大面积推广应用；不易远传计量。1.4.3 磁卡（IC）卡预付费水表 工作原理：以接触IC卡或非接触射频卡作为媒介，由用户到自来水公司网点先预购用水量，再将用水量通过IC卡输入表中控制系统，等水量用尽即自动关阀并中断水的供应，报警器在设定水量用完之前会自动报警以提醒用户购水，达到“先买水、后用水”的目的。 优点：在用户不缴费的情况下可自动断水，有效控制收费单位的资金回笼，不需要人工上门抄表、收费，减少抄表员。 实践中存在的问题：电磁阀在长期开启状态下由于水垢和水中杂质而影响阀门关闭，使用户在不缴费的情况下继续用水，而收费单位还一无所知，一旦发现也无法向用户追缴多用水费。IC卡表也是由发讯脉冲进行累加计量，如果人为强磁干扰或强电瞬间电击，也会造成芯片损坏，从而无法计量。锂电池在长期使用中是否能达到设计年限还有待考证，到期后由谁负责更换是个问题。若充值卡密码被盗或被破译，就会给售水单位造成极大损失。售水单位必须保证24 h不间断服务，营业点分布要合理，维护人员接到电话即随时上门维修，否则会给用户带来极大的不便，易造成买水方(用户)与卖水方(自来水行业)之间的矛盾和自来水行业的利益损失。1.4.4、非接触式IC卡非接触式IC卡又称RF (Radio Frequency)卡，简称射频卡，它是世界上近几年发展起来的一项新技术。采用无线电波进行数据交换，在卡片靠近读写器表面时即可完成卡中数据的读写操作，它成功地将射频识别技术和IC技术结合起来，解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题。射频卡在卡内有微小的集成电路芯片和线圈。对应的卡表内有一套发射和接收信号的电路。当射频卡工作时，在瞬间内由卡表发射的电磁波在射频卡内通过电磁感应形成一个低压电源，射频卡如同一座微型电台，与卡表高速地进行一系列复杂的数据交换和信息传递。非接触式IC卡表面无触点，因此接口设备与非接触式IC卡的通信方式与接触式卡不同，提供电源的方式也不同，为此ISO八EC根据接口设备与IC卡作用距离的不同而定义了三个国际标准，如表2-1所示，它们也目前市场上应用最广泛的。表 非接触式IC卡国际标准IC卡读写器标准卡类型作用距离(约)CICCCCDIS010536密耦合010MMPICCPCDIS014443近耦合0100MMVICCVCDIS015693疏耦合01000MM非接触式IC卡具有如下优点:(1)可靠性高。非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了接触读写而产生的的各种故障。此外，非接触式IC卡表面无裸露的芯片，无需担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。(2)操作方便、快捷。由于使用射频通讯技术，读写器在10mm范围内可以对卡片进行读写，不需插拔，而且使用时没有方向性，也没有正反性和角度限制，卡片可以任意方向掠过读写器，读写时间不超过0.1s。(3)安全防冲突。非接触式IC卡有快速防冲突机制，能防止卡片间出现数据干扰。因此，在多卡同时进入读写范围时，读写器可以“同时”处理多张非接触式IC卡，具有应用的并行性，无形中提高了系统的工作速度。(4)高安全性。非接触式IC卡的序列号是唯一的，由制造厂家在出厂时将其固化在芯片内，不可更改。(5)良好加密性。非接触式IC卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器要验证IC卡的合法性，而IC卡也要验证读写器的合法性;此外，非接触式IC卡在进行数据交换之前与读写器之间要进行三次相互确认，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件，并且具有传递数据加密、传输密码和传输密码保护。(6)良好的适用性。非接触式IC卡的存储结构特点使其可以一卡多用，能应用于不同的场合或系统，可根据不同的应用场合设置不同的密码和访问条件，适用不同的距离，系统配置灵活多样。1.4.5 方案选择 综上所述很容易选择最后一种方案。1.4.6 非接触式IC卡的工作原理通常一张非接触式IC卡由IC芯片、感应线圈及电容元件等组成，并完全封装在一个标准的PVC卡片中。在读写过程中，由卡片与读写器之间通过无线电波来完成操作。其中，卡片为发射应答端，读写器为接收端，类似于发电机，不断发送电波。当卡片在读写器发射频率范围之内时，卡片内的线圈在“激发信号”的感应下产生微弱的电流，作为卡内集成电路芯片的电源，而该卡内的集成电路芯片存储有制造时输入的唯一数字辨识号码，该号码从卡中通过一个解调信号反馈回控制器，读写器将收到的无线信号传给现场控制器，由现场控制器进行信号处理并对执行装置发出指令。1.4.7 非接触式IC卡的关键技术(1)射频识别技术。将射频技术应用于非接触式IC卡，从技术上有三个特殊要求:一是无源设计，由于IC卡的尺寸限制，卡上的Mifare不能有电源，需要由读写器向射频卡发射一组固定频率的电磁波，通过卡内电路产生芯片工作所需电流电压;二是由于IC卡的尺寸限制，卡上Mifare的天线需要特殊设计，卡需特殊封装和制造;三是必须保证有良好的抗干扰性能，并必须设置“防冲突”电路。(2)封装技术。由于非接触式IC卡中需要埋装天线、芯片和其它部件，为确保卡片的大小、厚度、柔韧性和耐高温高压，需要特殊的封装技术。(3)低功耗技术。对非接触式IC卡的一个最基本要求就是低功耗，以提高其寿命和适用性。而降低功耗同保证一定的感应距离是同等的重要。因此，卡内芯片一般采用非常苛刻的低功耗工艺和技术，比如“休眠技术”等。(4)安全技术。非接触式IC卡的安全主要是信息的安全，包括以下三点:一是机密性:防止未经授权的信息获取;二是完整性:防止未经授权的信息更改;三是可获取性:防止未经授权的信息截流(在往外流通过程中的非法截取)。因此，除了卡的通讯安全技术之外，还要以卡片的物理安全技术和卡片制造的安全技术这两方面再和前者相结合，从而构成其强大的安全体系。事实上，非接触式IC卡的安全技术就是主要依据以上几点提出和实施的。首先，由于卡与读写器之间是无线频率方式，但采用的是变数方式，即每次通讯过程都有一个随机的变量函数，因而外界想通过无线电接收器来分析系统的参数将是极其困难的;其次，卡和读写器必须经过严格的授权以后方可使用。任何非法用户想获取卡中的信息是不可能性的:再次，由于每张卡都有有一个32位的独立卡号，这一卡号是芯片在工厂加工时固化的，是唯一不变的，且卡中系统区具有加密算法校验。因此，伪造卡也是不可能的;最后，卡中的用户区可按用户的要求，设置成若干个小区，每个小区都可分别设置密码，进一步提高了卡的安全性。2 智能水表的设计流程2.1 智能水表的基本组成 智能水表主要包括液晶显示、声音报警、电源监测、电控阀、IC卡通讯及水表传感器模块等。图 智能水表硬件电路图 1.液晶显示：为了有一个良好的人机界面，便于管理及用户使用，利用液晶显示相关数据和状态信息。 2.声音报警及电源监测：为确保水表可靠运行，配备了电源监控系统。当电源电压降至一设定值后，水表会将有用信息保存，同时关闭水阀并发出报警信号。更换电池后，水表会自动恢复有用的数据并重新开始工作。当有异常情况发生时，如有人为破坏事件，或可用水数低于设定值或电池电压低于设定工作电压时，蜂鸣器会发出报警信号提示用户引起注意。 3.电控阀：阀门开启系统由电控阀与电控阀驱动电路组成。在满足特定条件的情况下，单片机输出控制信号，经放大电路处理后，可以有效的控制电控阀的开启与关闭，以达到对用户用水的有效监控。 4.IC卡通讯：当读卡器有IC卡插入时，卡座上的卡簧常开触点闭合，在单片机的I/O口检测到低电平输入，转入读写卡操作的程序。 5.水表传感器：来自流量计传感器的水流信号经前置电路处理后，转换成一系列可测量的电压脉冲信号。2.2 智能水表的工作原理 智能水表的工作原理：用户先购买IC卡（用户卡），并携带IC卡至收费工作站交费购水，工作人员将购水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表表座内时，IC卡水表内单片机识别IC卡密码，校验并确认无误后，将卡中购水量与表内剩余水量相加后（初次使用时，剩余水量为零），写入IC卡水表内的存储器，进而控制电阀开通阀门供水。 用户在用水过程中，叶轮在水流的冲击下转动，通过磁针旋转使得干簧管周期性的闭合传递低电平，带动上表罩上的梅花齿轮转动并使多极齿轮转动，实现机械累计计量，每当计量到0.01m3时由位于0.01m3处的计量传感器向单片机发出同步的计量脉冲信号，此时，MSP430F413将输入的有效脉冲计入并计算用水量，IC卡水表内剩余水量就会相应的减少一个计量单位，累计用水量就会增加一个计量单位，LCD显示屏上显示剩余水量等相关用水数据。当剩余水量低于一个定量时（有一个事先设定好的最低剩余水量值），IC卡水表的报警系统启动（蜂鸣器响起），提醒用户及时到供水部门再次购水，这时，LCD显示屏上显示“请购水”字样。当剩余水量为-1时，单片机驱动电阀自动关闭，切断水源，停止供水并报警。在用户重新购水读卡存入后，再开通电阀供水。在正常情况下，阀门处于开通状态，当遇到剩余水量为-1或者电池电压小于3V等其他特殊情况时阀门会由开通变为关闭状态。2.2.1水流量计量单元多流(束)水表：水流通过水表时，有多束(股)水流从叶轮盒四周流人，驱动叶轮旋转。这种水表的公称口径一般为15mm150mm。旋翼多流束式水表由表壳、中罩、表玻璃、密封垫圈、计量机构、计数机构和滤水网等组成。水流冲击叶轮后，叶轮开始转动，所转圈数通过计数机构累计，记录显示通过水表的水量。见图所示图 旋翼多流束水表的结构示意图1-接管；2-连接螺母；3-接管密封垫圈；4-铅封；5-铜丝；6-销子；7-O形密封垫圈；8-叶轮计量机构；9-罩子；10-盖子；11-罩子衬垫；12-表壳；1-碗状滤丝网图 旋翼多流束水表的结构展开图1表盖；2轴销；3铜罩；4罩子衬垫；5表玻璃；6O形密封圈；7计数器；8防磁环；9中心齿轮，10齿轮盒；11垫圈；12磁钢座；13叶轮；14叶轮盒；15表壳；16调节螺钉；17调节螺钉垫片；18调节塞；19滤水网；20接管垫片；21接管；22连接螺母多流束水表的总体尺寸和连接方式见表。表2 旋翼式多流束水表的总体尺寸和连接方式 mm公称口径长度宽度高度连接方式LL1BH小口径15259165100109螺纹20299195100111253452251041173235423010411740373245127153大口径50280127174法兰803702522761003702722801505003654002.2.2水流量采集单元智能水表的水流量采集是在普通水表上加装传感器来进行流量信号采集的，本系统采用干簧管传感器采集水流量。它是利用磁场信号来控制的一种线路开关器件，又叫“磁控管”。干簧管的外壳一般是一根密封的玻璃管，在玻璃管中装有两个铁质的弹性簧片电极，玻璃管中还充有一种叫金属铑的惰性气体。在平时玻璃管中的两个簧片是分开的，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，使两个引脚所接的电路连通。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。如图所示。图 干簧管工作过程示意图选择基于模拟水表的旋翼式结构，它具有结构简单、测量范围宽、灵敏度高、外形尺寸小的特点。通过在叶轮上安装磁钢与微型干簧管，将叶轮的旋转转换成电信号，以实现频率脉冲计数，进而实现水流量的计量。本系统用三个干簧管传感器来测量水流量，如图所示。既能抗干扰，又能有效地判断水流方向。干簧管2动作时能判断出干簧管1干簧管2干簧管3图 干簧管安装示意图水流方向，如果干簧管2动作前的一次吸合反应是干簧管1，则水流方向是顺时针的，如果干簧管2动作前的一次吸合反应是干簧管3，则水流方向是逆时针的。若遇外强磁干扰，三个干簧管将处于同一状态，系统据此判断为异常情况，予以屏弃。将干簧管传感器的通断信号输入单片机，通过单片机内置的比较器和定时器来完成计数。连接电路如图所示。K1, K2, K3分别表示干簧管1, 2, 3,将A, B, C三个结点连接至单片机的I/0端，当干簧管断开时，输入高电平:当干簧管吸合时，输入低电平。图3.4 水流量采集电路2.3智能水表的主要元器件介绍2.3.1 智能水表的主芯片MSP430F149图2-1 MSP430F149引脚图 TI公司MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，他们具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高代码效率。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功耗消耗。数字控制的振荡器（DCO）可以使器件从低功耗模式迅速唤醒在小于6S的时间内被激活到正常的工作方式。MSP430的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器，数字化电机控制、电表、水表、和手持式仪表等理想配置。内置的硬件乘法器大大加强了功能并提供软硬件想兼容的范围，提高了数据处理能力。下面介绍本文所用的主芯片MSP430F149。 1.MSP430F149单片机的特点： 1) 采用FLASH 存储器作为程序代码及信息存储, 因此可实现多次的写入和擦除, 也可实现在线写入，且存储空间大，其中ROM为60K, RAM为2K。 2) 在单片机内集成了一个12位精度、高效通用的A /D转换模块,即数据采集子系统。 3) 片内有1个硬件乘法器, 这个硬件乘法器是1个16 位的外围模块,它并不集成于CPU中,因此它的运算独立于CPU,也不需要特殊的指令。 4) 片内有2个串行通讯接口, 支持通用异步协议(UART 协议) 和同步协议(SP I协议) 5) 片内有2个16位的定时器, 且带有多个捕获/比较寄存器, 这样寄存器的使用将更加灵活。 2.MSP430F149 单片机的数据采集子系统： 在MSP430F149 中有1 个12 位精度的A /D 转换模块ADC12, 主要由5 大功能模块组成, 且都可独立配置, 它们分别为: 带有采样/保持功能的ADC 内核,可控制的转换存储, 可控制的参考电平发生器, 可控制和选择的时钟源, 可控采样及转换时序电路。 ADC12 可以对8 个外部模拟信号之一或4 个内部电压之一作转换, 由ADC 内核把模拟信号转换成12 位数据并存入转换存储寄存器。内核用到2 个参考电平, 即VR+ 和VR- 作为转换范围的上下限和读数的量程值和“0”值。转换数值在输入信号大于等于VR+时为满量程, 小于等于VR-时为“0”。 对于ADC12 的转换时钟, 用户有各种选择来形成采样的时序。ADC12 可以选择所有有效的MSP430片内时钟, 也可以选择一个外围模块所含的时钟, 对于选择时钟源可以引入一个18的分频因子。 ADC12有4种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换, 也可以在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换, 采样顺序完全由用户定义。转换的结果保存在16个转换寄存器中, 这样ADC12 可以进行多次转换而不需要软件干预, 这一点提高了系统性能, 也减少了软件开销。2.3.2 液晶LCD1602图2-1 1602字符型液晶显示器实物图1602LCD主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-1所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK表2-1表2-1：引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2-2表所示：表2-2表2-2：控制命令表1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。2.3.3传感器(霍尔传感器)图2-3 霍尔效应1.霍尔传感器霍尔效应传感器采用一种半导体器件，检测电线中变动的电流所产生的磁场。在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出被检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。2.3.4 IC读卡器图2-4 某IC读卡器 IC卡读写器要能读写符合ISO7816标准的IC卡。IC卡接口电路作为IC卡与IFD内的CPU进行通信的唯一通道，为保证通信和数据交换的安全与可靠，其产生的电信号必须满足下面的特定要求。 1.完成IC卡插入与退出的识别操作 IC卡接口电路对IC卡插入与退出的识别，即卡的激活和释放，有很严格的时序要求。如果不能满足相应的要求，IC卡就不能正常进行操作；严重时将损坏IC卡或IC卡读写器。 1)激活过程 为启动对卡的操作，接口电路应按图1所示顺序激活电路：RST处于L状态； 根据所选择卡的类型，对VCC加电A类或B类，VPP上升为空闲状态； 接口电路的I/O应置于接收状态； 向IC卡的CLK提供时钟信号(A类卡15MHz，B类卡14MHz)。 在RST处于状态H的情况下，如果应答信号在40 000个时钟周期内仍未开始，RST上的信号将返回到状态L，且IC卡接口电路按照图2所示对IC卡产生释放。 2)释放过程 当信息交换结束或失败时(例如，无卡响应或卡被移出)，接口电路应按图2所示时序释放电路： RST应置为状态L； CLK应置为状态L(除非时钟已在状态L上停止)； VPP应释放(如果它已被激活)； I/O应置为状态A(在td时间内没有具体定义)； VCC应释放。 2.通过触点向卡提供稳定的电源 IC卡接口电路应能在表1规定的电压范围内，向IC卡提供相应稳定的电流。 3.通过触点向卡提供稳定的时钟 IC卡接口电路向卡提供时钟信号。时钟信号的实际频率范围在复位应答期间，应在以下范围内：A类卡，时钟应在15MHz；B类卡，时钟应在14MHz。 复位后，由收到的ATR(复位应答)信号中的F(时钟频率变换因子)和D(比特率调整因子)来确定。时钟信号的工作周期应为稳定操作期间周期的40%60%。当频率从一个值转换到另一个值时，应注意保证没有比短周期的40%更短的脉冲。2.3.5三端稳压管LM1117-3.3图2-5 三端稳压管LM1117-3.3LM1117-3.3特点: 1)可调版本的电压精度为1；2)固定电压为1.2V 的输出电压精度为2；3)低漏失电压：1A 输出电流时仅为 1.2V；3) 限流功能；4) 过热切断；5) 温度范围：40C-125C采用稳压管LM11117-3.3输出，把+5V的电源电压作为三段稳压管的输入，输出电压即为主芯片电压3.3V。2.3.6小型直流电机图2-6 小型直流电机 与单片机混搭使用时，通过主芯片控制的I/O口电平高低使得流过电机的电流有正反两个方向，电磁效应实现电机正反转。2.3.7蜂鸣器图2-7 蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器。在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。 自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音。主芯片驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM 输出口直接驱动，另一种是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。 PWM 输出口直接驱动是利用PWM 输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。利用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器。 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。 3 智能水表的制作3.1 智能水表的结构设计3.1.1表壳、中罩、表玻璃表壳、中罩、表玻璃和密封垫圈一起组成一密封体，使表壳内被测水不致渗漏至表外。按国家标准规定，水表应能承受水压1.6MPa、持续15min和水压2.0MPa、持续1min的压力试验。因此，表壳、中罩和表玻璃均应满足上述要求。表壳材料一般采用灰铸铁(HTl50，见GB94361988)或铸造铅黄铜(ZcuZn40Pb2，见GBll761987)。中罩材料一般采用铸造铅黄铜(ZcuZn40Pb2，见GB11761987)。表玻璃应采用符合JB/T84801996的钢化玻璃。3.1.2 计量机构计量机构主要由齿轮盒、叶轮盒、整体叶轮、顶尖、调节板等组成，见图23。计量机构是水表的“心脏”，它对水表的计量性能和耐用性起着关键的作用。图示 旋翼式水表计量机构图1-齿轮盒：2-整体叶轮；3-叶轮盒；4-顶尖，5-调节板 (1)齿轮盒计数器置于齿轮盒中，与齿轮盒上部的内孔相配合。齿轮盒下部有一凸台，与叶轮盒相配合。齿轮盒在旋翼多流水表的机芯中，起着承下启上的作用。为此，要求齿轮盒上部内孔与下部凸台间应有良好的同轴度。另外，齿轮盒外壁应有定位线或底部有定位键，以保证与叶轮盒配合时的定位要求，从而确保性能的稳定。旋翼式水表的齿轮盒底部一般均有三条左右的固定筋，其主要作用是，当水表在大流量运转时，对叶轮旋转起阻尼作用，以改善水表在大流量区域的性能曲线。因为当很小的流量通过水表时，其流速很低，水流的动能极小，不足以克服叶轮的惯性，故叶轮未转动。待稍加大流速，叶轮虽转动，但不能准确计量，故最小流量以下的流量范围水表呈偏慢的现象。此后逐渐加大流速，水表向快的趋势发展，如果没有齿轮盒上的筋加以阻尼，则这种趋势将会持续下去，直至偏快1015左右后(与有筋阻尼相比较)，其性能曲线才会趋向平稳。水流从叶轮盒进水孔流人后，一方面驱动叶轮旋转，另一方面水流本身呈螺旋形上升，并从叶轮盒出水孔排出。在小流量时，因水流流速低，叶轮上平面与齿轮盒筋的间隙处的水流呈层流状态，水的粘性作用占主要地位，齿轮盒上的筋对叶轮转速无影响。当流速大到一定程度时(一般为0.7ms左右)，间隙处水流从层流过渡到湍流，造成齿轮盒若干条筋的下方产生旋涡，使叶轮转速有所减低。同时，因流速增大，在叶轮盒内呈螺旋上升的水流，有一部分冲到齿轮盒筋反射回来，其方向却与叶轮旋转方向相反，故又使叶轮转速降低，使水表不致于出现没有齿轮盒筋那样快1015后才使误差趋向平稳的现象。变化示意见图。图示 齿轮筋对性能曲线的影响齿轮盒底部装有三块可任意调节角度的调节板，其作用是通过调整调节板角度，以改变水流从调节板反射回来时反作用力的大小，即改变水流对叶轮转速阻尼力的大小，达到调节大流量区域误差的目的。这种调节对小流量区域影响不大。(2)叶轮盒叶轮盒是计量机构中最关键的部件。叶轮盒上部内孔与齿轮盒下台肩相配合。在叶轮盒低部中心一般有一螺孔，与顶尖相配合。但有些水表不用螺纹配合，而采取过盈配合，将顶尖用力压人。叶轮盒上部内孔与顶尖应具有良好的同轴度。在叶轮盒四周有两排斜孔，下排为进水孔，上排为出水孔，前者比后者对水表计量特性与压力损失的影响，更为至关重要。进水孔一般在叶轮盒注塑时一次成型为矩形孔或长方孔。进水孔可以均匀分布于叶轮盒的四周，也可在叶轮盒四周呈对称排列。叶轮盒底部有若干条筋(一般为3条或6条)，与齿轮盒上的筋作用相仿，主要是对水表在小流量区域运转时，使水流对叶轮转速产生阻尼。因此，调整叶轮下平面与叶轮盒筋之间的间隙，将会对小流量区域的示值误差产生影响。同时，当用水设备一旦关闭，水流不再流经水表时，由于筋的阻尼作用，能较快地克服叶轮的惯性，使其迅速停止转动，达到准确计量的目的。对于内部调节式水表而言，在叶轮盒底部有若干个调节孔，如LXS-15C20C水表的叶轮盒底部，均布有三排、每排二只的调节孔。调节孔有斜孔和直孔两种，如两者截面积相同，则后者比前者具有更大的调节功能，同时，在误差调节时，直孔比斜孔显得更敏感，在微量调节时比较难掌握。(3)叶轮无论是整体叶轮，或是组合叶轮，均要求叶轮上端的轴与下部的叶轮衬套孔(甚至玛瑙轴承窝)之间，应有良好的同轴度。旋翼式水表所用的叶轮的形状为直板形。叶轮受到水流冲击后旋转，与叶轮轴和轴上的中心齿轮同时转动。对于大多数水表来说，在常用流量时，水表叶轮的转速，一般在750900rmin。所以希望叶轮具有较好的动平衡性能，以减少运动副之间的磨损，提高水表使用寿命。(4)顶尖顶尖安装在叶轮盒底部的中心，在叶轮轴的下部，用于支撑叶轮转动。顶尖的最上尖部与叶轮轴的下端凹轴承直接形成点滑动接触，以便使叶轮转动更加灵敏。除了顶尖头、轴与螺纹间应具有良好的同轴度外，顶尖头的材质应具有很高的耐磨性能，一般以特殊配方的硬质橡胶棒、聚甲醛等材料较佳。值得注意的是，不能片面追求水表的灵敏度(始动流量值)而将顶尖头做成很尖。否则，经短时间使用，顶尖头即会磨损，使水表出现大流量区域变快、最小流量时变慢的情况。这是因为在上述两种流量下，叶轮旋转时呈下沉状态，即叶轮玛瑙轴承与顶尖头相接触，叶轮上平面与齿轮盒筋的间隙增大，水流对叶轮转速的阻尼减小，水表在大流量区域变快。而小流量时，叶轮下平面与叶轮盒筋的间隙减小，水流对叶轮转速的阻尼增大。同时，顶尖头的磨损，使叶轮与顶尖的磨擦阻力增大，在两者的共同作用下，即造成水表在最小流量时变慢和始动流量值增大。如果顶尖头严重磨损，即使在大流量情况下，其磨擦阻力的影响会达到或超过水流对叶轮转速阻尼减小的影响，水表在大流量时的误差又会恢复到准确或变慢。3.1.3计数机构计数机构常称为计数器，常见的形式有指针式、字轮式和指针字轮组合式。 (1)指针式计数机构指针式计数机构一般由上夹板、下夹板、托板、齿轮级、标度盘、指针、圆指针及螺钉等组成。a上夹板、下夹板夹板、下夹板和托板三者(有些产品将下夹板和托板合二为一)组成齿轮架，齿轮组被夹持在其中。上、下夹板上相对应序号的轴孔投影，应分别重合。齿轮在齿轮架中的上、下窜量应保持在0608mm之间，若窜量过小，当上夹板一旦变形下凸时就会将齿轮上、下夹紧，齿轮组传动阻力就增大，水表的始动流量和最小流量下的误差就达不到要求。上夹板下面中心有一凸台，其中有一孔与叶轮上端的光轴组成运动副。上夹板中心孔与其外圆(与齿轮盒配合处)要求具有良好的同轴度。b齿轮齿轮组起着变速和计数作用。公称口径1550mm水表的齿轮组，均由17只齿轮组成。公称口径80150mm旋翼式水表的齿轮组由18个齿轮组成。图2-5为LXS-15C25C水表的齿轮排列图。如图所示，叶轮轴上的中心齿轮与第一位齿轮相啮合，齿轮组将叶轮转数记录下来，通过指针在度盘上指示出流经水表的水量。齿轮组的前三位齿轮为变速齿轮，起变速作用。自第三位(即第一位红针的)齿轮的主动轮(即小齿)起，直到末位齿轮止，起计数作用，称为计数齿轮，其相邻的两指针的齿轮间，其速比均为10:1，由此构成连续十进位方式。齿轮排列展开图图2-5 LXS-15C25C水表的齿轮排列图和标度盘1-螺钉；2-圆指针；3-指针；410-齿轮；11-标度盘；12-上夹板；13-下夹板；14-托板；15-螺钉不同规格的水表，在通过等量水体积的情况下，其叶轮与第一位指针的转数比是不同的。变速齿轮的作用是通过其主、被动轮的齿数变化，取得不同的速成比而满足不同规格水表的需要，从而可最大限度地提高上、下夹板、度盘等零部件的通用化程度。习惯上将水表第一位红指针转一圈与其叶轮的转数之比，称为该水表的减速比i。这一减速比为主动轮齿数与被动轮齿数之比。LXS-15C，20C，25C，40C的i值分别为1：296，1：225，1：15577，1：3538，LXS-80。100，150的i值分别为1：100905、1：611819、1：24716。从这些减速比值，可计算出各种规格水表在各种流量下的叶轮转速。例如，要计算LXS一15C水表在常用流量(15m3h)下的叶轮每分钟转速时，可按下式计算：同理，可得到LXS一20C，25C，40C规格的水表在常用流量下的叶轮转速为9375，9087和58967rrain。c标度盘标度盘的分格，一要满足检定时的分辨率要求，二要满足在水表正常的使用年限内水表的显示数不返回零。1m3及其倍数的指针和度盘用黑色，1m3以下的用红色。规程JJGl621985和标准GBT7781996规定：水表最小分度值(水表标准称为检定分格值)应满足检定时的准确度不低于o5(每一次读数允许有不超过12最小分度值的允许读数误差)，以及最小流量检定所需时间不应超过1h30min；应能在不越过零的情况下记录下相当于在常用流量下工作至少1999h的以立方米表示的用水量体积。说明：国际建议OIMLR49一l：2000(E)中的表述为“检定标尺的分格值，应足够小以保证指示装置的分辨率误差不大于最小流量Ql下运行lh30min的实际体积的05(对2级表)”，这样的表述更准确。LXS-15C25C水表的标度盘如图。26所示。在水表检定时，要注意最小分格值的读数，见图26所示。水表最小位圆标度的主分格值为00001m(或称011)，其间一分为二作为细分格，则成为检定分格或最小分度值000005m3。根据人机工程学原理，为取得较快的读数，采取二步内插法，即根据目测，将细分格再假想插入一条等分中线。如果指针指向小于(或等于)细分格中的假想中线，则读取下限分格值，如图26(a)应读作000005m3，如果指针指向大于(或等于)细分格中的假想中线，则读取上限分格值，如图26(b)中应读为000010m3。图2-6 水表标度盘读数检定分格值、检定用水量、检定所需时间三者互为联系、互相牵制，在水表的检定分格值设计、检定用水量的确定及水表检定装置的量器量限设计时都需考虑。检定分格值应符合表2-2的要求。水表的十进位数应符合表2-3的要求。表22 水表的检定分格值最小流量qmin(m3h)检定分格的最大值m30.0226qmin0.06660.00020.0666qmin0.1330.00050.133qmin0.2660.0010.226qmin0.6660.0020.666qmin1.3300.0051.330qmin2.6600.012.660qmin6.6600.026.660qmin13.3000.0513.300qmin-26.6000.126.600qmin66.6000.266.600qmin1330.5表2-3 水表的十进位数常用流量qp(m3/h)最少十进位数1.5qp545qp10515qp50550qp5006500qp10007(2)指针字轮组合式、字轮式指针字轮组合式计数机构具有读数清晰、抄读方便等优点，越来越多的水表包括E型表、干式水表和液封式水表普遍采用这样的计数机构。国内的指