无磁水表的设计与实现.

摘 要 水表是水流量计量的主要工具 与居民的生产生活有着密切的关系 而国 内的水表大多采用较为落后的旋翼式水表 水表行业面临着较好的机遇 本设 计中的无磁水表由于抗磁干扰性较强 所以具有相当高的稳定性 利用LC振荡 电路来测量水流量 选用较为先进的AT89C52单片机为核心 制作出功耗较低 的无磁水表 而且拥有较高的稳定性 并能保持较高的精准度和抗干扰性 关键词 无磁水表 LC振荡电路 AT89C52单片机 ABSTRACT Water flow meter is the main tool measurement with the production life of the residents has a close relationship and the use of domestic water meters is lagging behind most of the rotor type water meter water meter industry is facing good opportunities The design of the non magnetic meter has a good opportunity have a good value of promotion Through the measurement of water flow LC oscillator circuit the use of more advanced and feature more AT89C52 MCU as the core to produce non magnetic meters and has a high stability and to maintain a high accuracy and immunity Key words LC oscillating circuit AT89C52 microcomputer water meter with nonmagnetic 目目 录录 1 引言 1 1 1 课题提出的目的及背景 1 1 2 水表发展的历程及趋势 1 1 2 1 水表测量技术 1 1 2 2 水表的发展趋势 2 2 系统总体方案的设计 3 2 1 系统设计思想及方案选择 3 2 2 系统组成 3 3 系统硬件电路设计 4 3 1 单片机的选择 4 3 2 无磁计量功能模块 6 3 2 1 无磁计量的原理 6 3 3 阀门控制 8 3 4 液晶显示模块 9 3 5IC 卡模块 10 3 6 蜂鸣器电路 12 3 7 电压检测模块 13 3 8 电源电路模块 14 3 9 防拆电路模块 15 3 10 复位电路模块 16 3 11 键盘设计 16 4 系统程序设计 17 4 1 主程序设计 17 4 2 子程序设计 18 4 2 1 充值程序设计 18 4 2 1 用水扣费程序设计 19 5 软件选择及仿真 19 5 1 软件的选择 19 5 2 仿真结果演示 20 6 总结 22 致谢 24 参考文献 25 附录 26 1 1 引言 1 11 1 课题提出的目的及背景课题提出的目的及背景 流量计量是科学计量中非常重要的一部分 而水流量计量又是流量计量中 最重要的组成部分 在居民的生产 生活中起着非常重要的作用 而无磁水表 的设计与实现能够为水流计量提供强有力地支持 众所周知 水是不可再生资源 由于人口过多 工业的高速发展 我们对 水的需求量也越来越大 环境的自净速度远远跟不上我们的用水速度 近年来 随着全球水资源的不断枯竭 为改变中国南涝北旱和北方地区水资源严重短缺 局面 南水北调等国家重点工程的运行 随着法制计量的不断完善 全社会对 水计量的要求越来越高 因此 设计出适合我国各种使用条件的水表成为一个 重要的课题 设计出的水表要拥有较高的稳定性 精准性和较强的抗干扰的能 力 现在设计出的水表多是采用舌簧管 霍尔元件或者是韦根传感器 但是他 们都有着较为明显的缺点 舌黄管一旦出现故障 检测故障相当困难 由于误 差较大 并不适合对误差要求高的产品设计 而且其产品寿命太低 也并不适 合生产 而霍尔元件在工作的时候容易被磁场和电场干扰 韦根传感器存在磁 阻大 价格太贵的缺点 我们可以看出这几种传感器都带有磁的特性 在磁场 作用下发出脉冲信号 所以都会避免不了磁场的干扰 从这点就能体现出本文 设计的无磁水表的优越性 本设计利用 LC 振荡电路的原理 而不需要利用到电磁原理 这样的话就 可以使其具有较高的稳定性和抗干扰的能力 并且大大的提高精准度 所以具 有一定的推广价值 1 21 2 水表发展的历程及趋势水表发展的历程及趋势 1 2 1 水表测量技术 水表的测量对象是水 而水是相对条件下较为稳定的 其温度 压力 密 2 度等都不容易受到影响 但因为流量计量的动态特性 水表的工作依然会受到 一定的影响 随着流量计量技术的发展 我们可以选择的范围也越来越宽 但 是很多技术都有着自己的缺陷 当我们选择合适的水表时 除要适应符合法制 计量的要求之外 我们必须考虑各方面的其它因素 包括它的灵敏度 数据的 范围 成本和安装复杂程度 抗干扰的能力等等 因此 为了适应各种不同的 环境条件 比如介质 流量等 它们都有着不同的使用要求 所以各类水表被 广泛应用 而我们设计的无磁水表就是为了避免磁场的干扰而设计出的产品 1 2 2 水表的发展趋势 随着计量技术的发展 水表也进入高速发展的阶段 现国内外主要发展以 下几种水表 1 预付费类水表 预付费水表主要采用先付费后用水的原则 这对我国传统的手抄式收费方 式进行了重大的改革 它能非常有效的解决部分地区收水费困难的问题 而且 一定程度上节省了人力资源 也避免了因为抄表而给居民的生活带来不便 而 且可以使收费更为合理 这种水表在以后的发展中会越来越广泛的得到运用 有着较为广阔的发展前景 2 灵敏度较高的水表 由于水资源的日益匮乏 水也变得越来越宝贵 采用计量等级高的水表能 够一定程度上的节约水资源 避免水资源的浪费 而且因为其较高的灵敏度 可以运用到生产过程中 其主要产品为活塞式水表 可以达到国际上的标准 3 防倒流水表或双向计量水表 现在市面上的水表多为单流向的水表 如果水流产生倒流 可以使水表反 向转动 从而导致水表的计量出现错误 导致计量的纠纷 如果采用防倒流水 表或者双向计量水表 则可以避免这种情况 避免部分有心之人采用倒流法作 弊 造成水资源的白白浪费 这种水表也拥有着较好的市场 4 远传户外抄读和计算机物业管理相结合的水表 由于信息化的高速发展 自动化程度也越来越高 远传户外抄读的水表也 开始进入大众的视野中 它能够较为集中高效的掌握用户的用水量信息 节省 3 很多的人力资源 越来越受到居民的喜爱 2 系统总体方案的设计 2 12 1 系统设计思想及方案选择系统设计思想及方案选择 本设计中选择利用 LC 振荡电路的原理来测量水流量 它的基本电路图如 图 2 1 所示 图 2 1 LC 振荡基本原理 在图2 1的电路中 我们先把 K 开关处于1位 使电容 C 充满电 等充电完 成后将 K 开关扳至2位 如果电感 L 中的电阻和线路上的损耗被忽略掉 这样 就可以构成一个理想状态的 LC 振荡回路 当完成上述步骤后 回路中将会产 生自由振荡 当开关 K 扳至2位后 充了电的电容 C 将通过电感 L 放电 产生 两个结果 1 放电过程中 电容器中的电荷量逐渐减少 电压也同时会逐渐 降低 所储存的能量也会变少 2 同时通过电感器电流增大 会导致电感器 的磁能慢慢的增加 当电容放电完全后 电荷量 电压 电能都会变成零 在这个时候 电感中的电流则会达到最大值 磁场中的能量也会达到最大 由于能量守恒 在这个时候电感中的磁能与电容放电前的电能会是相等的 如 果是在理想的情况下 LC 回路中的振荡将会一直进行下去 但是振荡总是会有 衰减的而且衰减程度会不同 计量水流量可以利用衰减程度的不同判断当前传 感器所处的状态 2 22 2 系统组成系统组成 本次设计的组成模块主要有以下几个模块 分别是单片机控制模块 蜂鸣 器模块 液晶显示模块 电压检测模块 Flash 存储模块 阀门控制模块 无磁 计量模块 复位电路模块 防拆装置模块以及 IC 卡模块 无磁水表系统总框图 如图 2 2 所示 图 2 2 无磁水表系统总框图 各模块的主要功能如下 1 电压检测模块 主要用来检测电池电量 当电量不足时发出提醒并关闭 阀门 4 2 FLASH 存储模块 主要用于储存水量余额 已用水量等信息 3 IC口模块 用来购买水量 管理系统和下位机之间传输重要数据 4 无磁计量模块 主要用于测量水流量 5 阀门控制模块 用于控制供水的开关 当出现一些异常的情况时关闭 6 液晶显示模块 显示水表中的各种数据 7 蜂鸣器模块 用以提示相应的操作是否成功 成功时蜂鸣器响 8 复位电路 为了保证单片机能够正常运行 9 防拆装置 为了防止水表被拆卸 3 系统硬件电路设计 3 13 1 单片机的选择单片机的选择 此次设计采用 AT89C52 单片机 Atmel 公司生产的 AT89C52 单片机功能非 常的强大 较低的功耗 很好的兼容性 很高的稳定性 而且有较高的性价比 AT89C52 单片机的主要工作特性如下 1 在硬件组成 指令系统等发面有很好的兼容性 2 运算处理能力相当的强大 能够实现数字信号处理的算法 3 拥有三个可编程定时器 4 有着低功耗的工作模式 5 可编程串行 UART 通道 6 全静态操作 0HZ 24MHZ 7 1000 次擦写周期 AT89C52 外部引脚图如图 3 1 所示 图 3 1 AT89C52 外部引脚图 AT89C52 部分引脚功能介绍如下 VCC 电源电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏极开路型双向 I O 口 5 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口 P3 口管脚是 8 个带有内部上拉电阻的双向 I O 口 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 3 23 2 无磁计量功能模块无磁计量功能模块 3 2 1 无磁计量的原理 图 3 2 用两个 LC 传感器旋转测量的原理 如图 3 2 所示 在这个圆盘上 区域 a 镀有良好导电性的金属而另一半区 域 b 是导电性很差的半圆盘 没有镀有任何金属 圆盘会随着水流的流动而转 动 所以导致电感所处的位置也会变化 当位于左边的电路给 LC 回路激励脉冲信号 可以使 LC 回路产生振荡 从 而会让它拥有能量 随后断开激励电路 从而会让它发生阻尼振荡 振荡总会 发生区域 a 的半盘或者区域 b 的半盘上 因为在振荡的过程中 能量会损失掉 一部分 从而会导致振荡的不断衰减 衰减会遵循以下的公式 3 1 0 tcos t Vet V 式子中为振荡电压 为激励电压 为阻尼系数 为衰减振荡中 V t 0 V 角频率 衰减振荡中的角频率跟阻尼系数有着很大的关系 即 式 22 0 中 为 LC 回路的谐振的角频率 0 1 LC 从以上式子中我们可以看出 镀了导电性良好的金属的区域 a 如果处于电感 线圈所产生的磁场中的话 金属的存在会一定程度上影响阻尼系数的大小 衰减振荡的频率将受到影响 衰减会更快些 振荡波形如图 3 3 所示 图 3 3 波形测量示意图 我们把两种不同的振荡波形转换为MCU可以识别的0或1代码 传感器所在的 6 位置就可以被确定了 AT89C52单片机可以非常有效的转换这种振荡波形 我们 对振荡中的电压进行对比和分析以后会发下 在左边的振荡电路断开以后 然 后我们需要延时一段时间 然后等待振荡衰减到可以测量的范围内的时候 tdelay 然后在规定的时间把测得的电压和基准电压比较 如果比基准电压高的 gate t ref V 话 我们视为高 如果始终比基准电压低的则视为低 基准电压是由单片机AD 采集模块得到的 旋转测量的转换结果如图3 4所示 图 3 4 旋转测量的转换结果 通过图3 4 a 所示 如果我们仅仅使用一个LC回路 只能测得水流的单向 流动 只有使用2个LC回路才可以推断出水流的流向 利用传感器1或传感器2状 态的变化导致的高低电平的变化来判断转盘转动的方向 图3 4 b 是转换后呈 现的时序图 我们可以看出如果以逆时针旋转为正向的话 可以把当传感器1和 传感器2从状态d改变到状态a时认为是水量增加1个单位 把从状态b改变到状态 a时认为是水量减少1个单位 把前一次状态到当前状态转变的所有可能及相应 的运动状态列成状态表 存储在单片机的存储器中 我们根据传感器采集到的 转盘转动的方向和转动圈数N 仪表常数为K 再由Q L N K 且K N L 可以得 出流过仪表的水量Q 从而达到计量水量的目的 3 33 3 阀门控制阀门控制 阀门控制在水表控制系统中处于非常重要的地位 如果阀门控制的性能较 差 将会给居民的生产生活带来不便 而且不利于供水部门的监管 而阀门的 种类又有很多种 我们本次采用脉冲式电磁阀 阀门控制设计实现对电磁阀的 开 关及故障诊断 当IC卡认证时 如果认证错误 则电控阀关闭 如果认证 成功 则电控阀开启 如果电池缺电 电控阀也需要关闭 如果出现并显示阀 门故障 此时水表用户需通知管理人员进行排除故障后方可正常用水 原理如 图3 5所示 图 3 5 电控阀模块原理图 在这个图中 可以看到电路中有一个三极管Q 它主要的作用是一定程度上 能够减小电路中的静态功耗 在日常的生活中 阀门肯定长时间处于打开或者 7 关闭的状态 所以开关中2和1接触 或者2和3接触 我们在这里假设2和1接触 如果不要三极管Q 则2会直接接地 Vcc R1 开关 地就构成一个通路 我们 假设R1为10K 电源为3 6V 我们可以得到静态电流为0 36mA 对于本系统静态 电流过大 所以三极管Q必不可少 3 43 4 液晶显示模块液晶显示模块 本设计中的液晶显示模块采用 LCD 显示器 选择 LM016L 液晶显示器 显示器的作用是为了显示数值和提示信息 当放入 IC 卡后输入密码时 显示出 需要输入密码的数字 当密码错误时提示输入错误 并且能够显示剩余水量 和使用水量的总和 液晶显示模块电路图如图 3 6 所示 图3 6 液晶显示模块电路 LM016L液晶显示器在设计中非常的常见 它的显示的质量是非常高的 而 且不会发生闪烁 而且这个显示器采用的是数字型接口 这种接口是相对比较 可靠的 而且有着非常方便的操作 它在体积上是非常小的 并且有着很小的 功耗 所以在本设计中是比较适合的 它是使用HD44780控制器 这个控制器的 功能非常的强大 能够实现字符的移动和闪烁的功能 3 5IC3 5IC 卡模块卡模块 由于传统的接触式 IC 卡的使用寿命不长 且损坏后难以修理 本设计采用 非接触式 IC 卡 即射频卡 因为没有触点 所以它具有很好的可靠性 射频卡 拥有多种可工作的距离 能够适应不同的场合 无需插拔 使它拥有很好的可 操作性 IC 卡模块采用 RC522 芯片 IC 卡模块的电路图如图 3 7 所示 图 3 7 IC 卡模块的电路图 如图所示 在复位以后 先使系统初始化 并且使看门狗复位 而且同时 要使关键的数据得到恢复 当水表能够正常工作的时候 我们还要能够判断系统 各个部件是否缺电 是否收到外界磁场的干扰 IC 卡中的余额是否不足 阀门 是否被拆卸过 如果系统发生电量不足 受到外界磁场的干扰 水表被人为的 拆卸过 IC 卡内的余额不足的情况 电控阀能够自动关闭 而且为了保护电控 阀不长时间一直的工作 我们需要定时关闭 开启一次电控阀 8 RC522 系统的工作频率是 13 56MHz 这个频率通过一个 27 12MHz 的晶振产 生 IRQ 端与单片机相连 用于产生中断信号 由于信号传输载波频率固定为 13 56MHz 因此滤波和接收部分的元件 L0 C0 R1 R2 Cmid 和 Crx 的值是固 定的 C1 C2 这两个元件用于匹配天线阻抗 它们值的大小与所设计天线参数 密切相关 RC522 芯片它具有以下工作特性 1 高集成度的调制解调电路 2 采用很少的外部连接器件 3 内置温度传感器 以便在芯片温度过高时自动停止 RF 发射 4 支持 Classic 加密 5 64 字节的发送和接收 FIFO 缓冲区 6 灵活的中断模式 7 低功耗的硬复位功能 8 软件掉电模式 9 可编程定时器 10 3 3V 的电源电压 11 CRV 协处理器 12 内部自测试 在 RC522 应用电路 除了与单片机的接口连接 RC522 外围的还必须有天 线 以及和天线匹配的电路等等 3 63 6 蜂鸣器电路蜂鸣器电路 图 3 8 蜂鸣器电路模块原理图 蜂鸣器电路原理图如图3 8所示 它的主要作用是在读卡操作失败的时候能 够报警 当我们放上IC卡并开始输入密码时 如果密码输入错误 会发出警报声 而且当水量不足的时候 也能够发出警报的声音 本设计中的蜂鸣器电路主要 由两个电阻 一个三极管和一个蜂鸣器组成 9 3 73 7 电压检测模块电压检测模块 图 3 9 电压检测模块连接图 电压检测模块连接图如图3 9所示 它在整个系统中也有着很重要的作用 是不可缺少的一部分 如果经过电压检测 当前的系统处于缺电的状态 那么 表内的主要数据很可能丢失 电压检测模块这个时候就要采取保护措施 首先 关闭阀门使系统停止工作 将数据保存起来 以保证用户和供水系统的利益 如果发生缺电 则主要可能是电源供电不足 或者是水表被人为的拆卸过 本 设计中的电路主要是由电压检测器 常闭和常开的开关各一个 两个与非门 一个或非门组成 当电压缺电时 会输出一个低电平的信号 这个时候会产生 断开电路 已达到保护系统的目的 3 83 8 电源电路模块电源电路模块 图 3 10 电源电路模块连接图 电源电路模块连接图如图 3 10 所示 本次设计供电的电源采用锂电池的设 计 锂电池电压为 3 6V 锂电池有着自己很大的优势 它能够提供系统的所有 优势 而且使用的寿命是非常长的 水表对于生活中是一种必须要保证长时间 使用的物品 它必须有着很高的稳定性 而干电池则不具备这一点 当然锂电 池也不是永远不会坏的 所以我们的电压检测系统弥补了这一点的不足 当电 量不足或者损坏的时候 我们的系统会发出提示 提醒用户更换电池等等 来 保护数据不丢失 以免给广大用户带来困扰 3 93 9 防拆电路模块防拆电路模块 图 3 11 防拆电路模块连接图 防拆电路连接图如图 3 11 所示 在我们设计的水表中 加入防拆系统可 以使这个水表更加安全可靠 在日常生活中 为了防止各别别有用心的用户拆 卸水表 这个部分也是不可缺少的 它能够很有效的保护供水公司的利益 本 设计中在电路中加入一个常闭的按键 当有用户开始拆卸水表的时候 这个按 键会打开 这个时候系统会停止工作 这个设计可以非常有效地保证水表不被 拆卸 10 3 103 10 复位电路模块复位电路模块 图 3 12 复位电路原理图 复位电路的原理图如图3 12所示 这个电路的作用是为了保护整个系统在 任何时候都能够正常的工作 当单片机无法正常工作的时候 用复位电路可以 使它自动恢复或者采用人工进行恢复 本设计中的主要复位是上电复位 欠压 复位和外部的复位 当电源的电压高于指定的某个数值后 开始进行上压复位 当电压低于设定的数值时 开始进行欠压复位 当引脚的电平发生变化的时候 进行外部复位 为了系统的安全 复位一定要等待一定的时间后并使电压稳定 后才停止 3 113 11 键盘设计键盘设计 图 3 13 键盘设计原理图 键盘的设计原理图如图 3 13 所示 由于本次设计需要键盘能够充值并且输 入密码 而单片机 AT89C52 的接口是不够用的 所以我们的设计中采用 4 4 的 16 个键位的键盘 键盘在设计中是不可缺少的一部分 我们通过键盘来控制系 统 并且输入一些重要的信息 本次采用的键盘不仅仅能够满足这次的设计 而且在成本上也是比较合适的 能够运用到生产中 选用合适的键盘 对于此 次设计的成功是不可缺少的一部分 4 系统程序设计 4 14 1 主程序设计主程序设计 对于主程序系统流程 复位以后 先使系统初始化 然后开始检测 IC 卡插 入后的信息 主程序设计流程图如图 4 1 所示 图 4 1 主程序设计流程图 本次设计的主程序先进行系统的初始化 初始化完成后开始读卡 这时候 屏幕上会显示输入密码 当密码输入完成后 需要对密码进行校对 如果密码 不正确 则系统自动停止 反之密码输入正确后 要对是否需要进行充值操作 判断 若余额充足 就开启阀门 用户开始用水 如果余额不足 需要进行充 11 值 那么我们就进行充值操作 如果充值成功 则开启阀门用水 如果充值失 败 那么系统停止操作 4 4 2 2 子程序设计子程序设计 4 2 1 充值程序设计 图 4 2 充值程序设计流程图 充值程序设计流程图如图 4 2 所示 开始后 首先对密码进行校对 如果 密码错误 则本次充值直接结束 若密码输入正确 按下充值按钮 然后输入 充值金额 充值成功后结束 4 2 1 用水扣费程序设计 图 4 3 用水扣费程序设计流程图 用水扣费程序设计流程图如图 4 3 所示 首先我们先进行读卡操作 读卡 后按下用水按钮 这个时候水阀开启 IC 卡开始扣费 5 软件选择及仿真 5 15 1 软件的选择软件的选择 在本设计当中 绘图软件选用 PROTEL 进行绘图 PROTEL 是 Altium 公司设 计出的一款非常强力的 EDA 软件 在我们电子行业中 它经常使我们首选的软 件 由于它很早就被大家接受 所以导致它现在也大范围的被使用 它的操作 非常的简单 很适合我们进行绘图 PROTEL 主要的功能特点是提供大量的工业 化标准电路板作为设计模版 智能封装导航和反射和串扰仿真的波形显示结果 与便利的测量工具相结合 本次设计中的仿真部分采用 Proteus 仿真软件 Proteus 仿真软件的功能 非常的强大 在电气工程的学习应用中起着很重要的作用 它的出现方便了很 多电气设计工作者 支持各种硬件及其软件的仿真 它的主要的功能特点是能 12 够对非常庞大的种类的单片机进行仿真 进行自动或者人工的布线 能够进行 互动的仿真等等 它在我们的生产设计中以及教学中都有着很重要的地位 5 25 2 仿真结果演示仿真结果演示 本次设计中使用Proteus仿真软件进行仿真部分如图5 1 图5 2 图5 3及 图5 4所示 图5 1 显示输入IC卡密码 当系统开始运行时 显示输入IC卡密码 初始密码为123 如果密码输入不 正确 则发出警报声 图5 2 显示余量不足请充值 当密码输入正确后 如果余额不足 则会提醒需要充值 这时候我们需要 按下充值按钮对IC卡进行充值操作 图5 3 充值金额显示 当进行充值的时候 我们需要输入充值的金额 这里我们假设充值111元的 水量 图5 4 水表运行时的状态 当水表正常运行时 可以从显示器中读取数据 S为使用的水量总和 L为 剩余的水量的总和 6 总 结 本次设计选用与居民