【《某智能水表的硬件设计案例》3400字】

某智能水表的硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u24911某智能水表的硬件设计案例 1217301.1AT89C51单片机的最小系统 1167211.1.1AT89C51单片机介绍 2254071.1.2复位电路 2209201.1.3晶振电路 3111871.2流量检测电路 317881.3阀门驱动电路 4279421.4IC卡信息识别模块 6306031.5通信模块 7294121.6显示电路 9321741.7报警电路 10167631.8电源电路 10311081.9智能水表的整体电路图 111.1AT89C51单片机的最小系统根据系统实现设计的需要，我们选用AT89C51单片机作为中控处理器，作为系统控制的中枢大脑，要对单片机的原理和架构有详细的了解。单片机AT89C51最小系统结构如图1.1所示。其中包括AT89C51芯片和一个复位电路、一个晶振电路。图1.1AT89C51结构1.1.1AT89C51单片机介绍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，俗称单片机。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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1.1.2复位电路复位电路是用来将电路恢复到起始状态的一种电路设备，复位电路的工作原理就像计算器一样，就是复位电路启动的原理和方法与计算器有一些差别。复位电路就是把工作电路变成起始的状态，以便重新进行计算。1.1.3晶振电路晶振电路的两端与AT89C51单片机的18、19引脚并联，AT89C51的这两个引脚，是与晶振的工作引脚相连接。如图1.1所示。电容C7一端接18脚，一端接地。电容C8一端接19脚，一端接地。这两个电容，我们在10到30P之间选择都可以，他们的主要作用是，让晶振接收的信号在工作范围之内，可以让晶振在运行时越发的平稳。1.2流量检测电路流量传感器，从市场角度来说，通常使用霍尔元件或者干簧管，我们更具智能水表的工作状态来考量，干簧管的匹配度非常合适，因其静态的功耗非常低，适配于依赖电池电源功能的水表的能耗要求，并且其耐用性和经济性都能有很好的优势，在设计电路的时候，我们要依据日常使用的场景特征：当输水水管很难避免空气的渗入，当我们打开龙头用水时，因为空气的挤压，会让水管出现不同程度的震动，这个时候干簧管与磁钢的位置恰巧处于界点，就会不停地将脉冲信号发给CPU，使CPU无法正确计数。我们设置随便一个干簧管出现多次闭合的状态就是无效状态，这样成功地规避了灵界点震动产生的错误识别的问题，改设计还可以避免磁铁的影响，因为在监测到两管闭合时，就会认为是外磁发生干扰，会停止计数，并会通过报警提示相关人员。1.2流量监测电路1.3阀门驱动电路图1.3阀门驱动电路图阀门电路设计如上图所示，简单的分析下电路的构造设计原理，电路有两个输入控制端口，当连接端口P1.0输入高电平信号时，P1.1端口为低电平状态，图中的Q678三极管元件会通电导通，进入工作状态，Q452是停滞状态，电机模块的正负端，分别输入低电平和高电平，这样的信号状态，会使得电机发生反转，直到阀门关闭到位，依据此原理逻辑，当两端电平为高电平和低电平的时候，电机会正装，知道阀门开启到位，这里有个细节点要引起重视，当阀门处于临界点时候，通常情况会出一个相反电流，这时候会影响系统判定的准确性，我们设计加入一个成并联转改的二极管来就行防护规避，保护水表系统的稳定，例如在电磁阀门正向归位的时候，产生的反向电流会由二极管D1D2引导释放，电机启动时候电路会比平常更高，需要加入一个高容电动来提供能量供给，电机启动后开始运行，这个时候电流会以较低的状态平稳流通，但当阀门开到位或者关到位时，电流又会出现短时间的上浮，如果出现时间跨多较长，上浮的电流有可能会对电路进行破坏，所以阀门到位的检测灵敏度、及时性要重点设计，响应时间必须迅速，在软件程序设计上也需要针对性进行调整，最大程度的防护电流过载烧毁电路的情况发生。1.4IC卡信息识别模块IC卡通信识别模块，要求读写识别精准快速，避免出现误差，导致使用上出现错误，尤其在金额数字信号识别上不能出现任何差错，该系统拟定的识别模块分为两个重要部分。一是由AT89C51对MFRC500进行控制与通信，MFRC500驱动外围电路对Mifare1卡进行读写操作。二是读写模块的天线部分的设计及其与射频读写芯片的连接。该系统主要由AT89C51、MFRC500、看门狗以及RS-232通信模块组成，MFRC500是应用于11.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员，系统的工作方式是先由AT89C51控制MFRC500驱动天线对misfire卡进行读写操作，然后与PC之间进行通信，并把数据传给上位机，结构图下图所示。图1.4IC卡信息识别系统下面对电路图进行简单的原理分析，MFRC500有两个发送信号端口，分别是TX1和TX2，在设计上采用的是中心抽托设计的方式，这样能够有效的解决电路运行时的信号干扰问题，系统的工作功率设计有一振荡器来提供，石英材质无论从经济性、稳定性都能很好的胜任，其在导通的时候会产生高次谐波，针对这种情况需要在发送信号的端口加入低通的滤波器，如图中所示，滤波器的组成结构有：L0和CO，系统也必须匹配天线系统，天线作为无线信号的接收端，收到目标信号后会由天线匹配电路，将信号发送至RX端口，使用内部产生的电势作为RX管脚的输入，并且还需要RX和VMID引脚之间连接一个分压器。当然我们还需要考虑到各类元件运行产生的干扰问题，引入一个电容到VMID引脚口，并且直接到地。3．5IC卡识别电路1.5通信模块要达成设计好的水表系统智能通信功能，需要确定与上位机的通信机制，本设计主要采用RS-458与上位机连接实现数据信息通信，SN75176芯片是作为收发器实现RS-485DE电平转换，SN75176芯片的结构环境里面加入了缠粉驱动器和差分接收器，其中驱动器和接受其的功能参数需要做一定了解，这是支撑收发功能核心元件，具体参数如下：驱动器输入D使能DE输出ABHHHHLHLL×L三态三态接收器差分输入VID使能QUOTERERE输出RVID≤0.2VLH-0.2V＜VID＜+0.2VL×VID≤-0.2VLL×H三态最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。下面我们就简单介绍一下RS-485。RS-485:由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。例如，RS-485也采用平衡传输方式，也要在传输线连接终接电阻等。RS-485可采用二线与四线的连接方式。当采用二线制时，可实现真正的多点双向通信。当采用四线制时，RS-485和RS-422一样，只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备，其余为从设备。无论采用二线还是四线的连接方式，RS-485总线都支持最多接入32个串口接收节点。RS-485共模输出电压为-7~+12V；RS-485接收器最小输入阻抗为12kQ；RS-485兼容RS-422，因此RS-485驱动器可在RS-422网络中使用。RS-485最大传输距离约为1219m，最大传输速率为10Mbit/s。我们对元件有了充分了解，就需要设计通信之间的电路图，下面给出通信模块电路设计图。图3-6通信模块电路设计图1.6显示电路1. 显示电路是表达系统处理信息后的结果，用于使用者查阅水表使用情况，针对于此，系统的显示电路模块选择了3位8段LED数码管作为显示元件，液晶显示模块：LCD1602显示器是由若干个点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。该液晶的位与位之间有一个点距的距离，同样的行与行之间也有一个点距的距离，来分隔两个相邻的字符，这样的设计便于用户查看数据，水表系统的信息显示包含相对较多的信息内容，字符信息显示清晰度、数字内容排列序列是反应实时数据的技术功能要求，该型号的显示器可以完成显示模块的硬件支撑功能。数码管的驱动芯片是常见的MAX7219，MAX7219集成了多种功能，例如BCD译码器功能、多路扫描功能、段位驱动功能，内部集成8X8位的SRAM，这种静态元件用于存储显示器的相关信息。在电路连接方面，AT89C51单片机的引脚接口连接也很简单，其中P1.5、P1.6、P1.7作为连接口，分别连如显示模块的DIN数据输入口、LOAD锁定输入口、CLK时钟输入口。具体的电路结构图如下图所示。图3-7显示电路图1.7报警电路报警电路的设计相对简单，主要用于系统识别后出现一定情况进行报警提示的功能，用来提醒使用者某个指标的异常，在电路设计上按照常规报警模块来进行设计，主要基于晶体管和扬声器，例如蜂鸣器，单片机的P1.6作为连接端口，直接对应晶体管的导通，进行信号输出的控制，当晶体管导通时，扬声器发出报警。如果出现温度异常，无法匹配预设比对数值的时候，单片机主控系统会发出信号指令，借由上诉原理，激发报警电路运行发生报警提示。图3-8报警电路图1.8电源电路电源功能电路，需要考虑实际