基于51单片机的家用水流量计设计.docx
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基于51单片机的家用水流量计设计
五、实现功能.................................................................................................................19
基于51单片机的家用水流量计设计
【摘要】：
本设计作为一个家居的智能电子设备，以STC89C52RC单片机为核心器件，要紧研究基于单片机的智能操纵和传感器的数据搜集与相应的闭环操纵系统的构建，电路元件少，制作方便。
单片机通过温度传感器和水流量传感器搜集出相应的温度和水流量并在液晶屏幕上显示相应的数字，能够读出利用的水流量和水温，并查看出相应的价钱，是一个数字化的智能水流量计。
【关键词】：
STC89C52RC单片机；温度传感器；水流量传感器；LCD1602
【Abstract】Asahouseholdintelligentelectronicdevice,thisdesignusessinglechipmicrocomputerSTC89C52ascorecomponent,makingaprimaryresearchonthatsinglechipmicrocomputer,whichisadigitalintelligentwatermeter,cangatherrelevanttemperatureandwaterflowanddisplaycorrespondingfigureonLCDscreenandthuswecanreadwaterflowandtemperatureused,checkoutrelevantpricebasedontemperaturesensorandwaterflowsensoranditsadvantagesofintelligentcontrolsofsinglechipmicrocomputer,dataacquisitionofsensorandtheconstructionofclosedloopcontrolsystem.Anditpossessesfewcircuitcomponentsandconvenientmaking.
【KeyWords】STC89C52，temperaturesensor，waterflowsensor
绪论
现今由于中国经济的腾飞，掉队的科技已经不能适应时期的进展，只有不断进步的科技才能推动社会的进展，智能化的家居生活让人们感到身心的放松，本设计是以单片机STC89C52为主控芯片，用来监控不同的家电，智能水表除可对用水量进行记录和电子显示外，还能够进行自动完成水价的计算，本设计还有一个重大的作用确实是能够节约用水，水是生命之源，由于我国的人口众多，因这人均水量超级的贫乏，因此国家提倡节约用水，这款水流量计的设计超级符合中国的国情。
可见研究一种低功耗、计量精准方便的水流量计十分重要，对节约水资源和一些对水量有要求的工业的进展起到专门大的支持。
一、系统方案
本系统要紧由负责整个给作品供电的电源模块，负责检测水量的水量检测模块，负责检测水温的水温检测模块，负责整个对电路进行操纵的主操纵芯片模块，负责对数据进行显示的显示模块，用于切换和调剂的按键模块，用于超过平安值而提出警报的报警部份，下面别离讨论和论证以下各个模块的选择和选择该方案的缘故。
一、方案论证与选择
作品电源模块的论证与选择
方案一：
铅酸电池供电，优势电流大，输出稳固，缺点重量太沉，体积过大。
方案二：
USB电源供电，快捷方便，电压电流恒定，方便调试和维修。
方案三：
太阳能电池板，绿色能源无污染，但受环境限制，电路组成复杂。
方案四：
利用12V的开关电源，功率高，稳固性好，可是本钱较高。
经比较，选择方案二，因为USB供电，电源的电压电流恒定，既能够连接电脑，又能够连接充电器，重量轻，方便调试，又平安。
水流量检测模块论证与选择
方案一：
LWGY-15涡连番量计，优势是该传感器具有结构简单、轻巧、精度高。
缺点是价钱昂贵，对外界电场、磁场的抗干扰能力差。
方案二：
自制光电对射式流量计，优势是价钱廉价，程序设计方便。
缺点是精度低，容易受到外接干扰。
而且需要手工制作，加大作品制作的难度。
方案三：
USN-HE06PA霍尔式水流量传感器，精度高，重量轻，方波计数输出，能够直接被单片机用于计数，价钱廉价，程序设计较为容易。
抗干扰能力强，不易损坏。
经比较，选择方案三，因为该传感器电路简单，与前面的两个方案相较，综合了前两个方案的优势。
而且作为实验用的设计，不需要太周密的传感器。
水温检测模块论证与选择
方案一：
pt100温度传感器，优势是耐高温，精度高，转换速度快。
缺点是价钱昂贵，输出的是电量很小的模拟信号，需要放大和ad转换[1]。
方案二：
dht11数字温湿度传感器，优势是采纳总线通信，数字化操纵。
缺点是不能防水[3]。
方案三：
DS18B20数字温度计，本传感器优势是采纳总线通信，数字信号通信，转换精度高，速度快，而且市场上配有防水的铠装型的DS18B20传感器[1]。
经比较，选择方案三，因为作品跟水打交道的，需要有防水的传感器检测水温，而且转换精度和速度都有较高的要求，因此综合以上三种方案，选择方案三。
主操纵芯片模块论证与选择
方案一：
采纳FPGA/CPLD系统，该系统时钟精度高，每一个io口都能够做为双向输入输出，io口配置灵活。
可是程序设计比较复杂，芯片价钱昂贵，不适合推行[2]。
方案二：
采纳台湾宏晶公司的STC89C52RC单片机作为操纵系统。
该单片机属于8位的MCS-51系列单片机，51单片机是目前低端智能电子产品的主流操纵芯片，在八位的单片机中进展的最快，资料齐全，应用性强，价钱廉价。
种类多样。
方案三：
采纳飞利浦公司的嵌入式ARM7芯片--LPC2131，该芯片是32位的高级单片机，功能多样，时刻快，精度高。
资料比较齐全。
可是价钱昂贵，程序设计比较复杂。
方案四：
采纳韩国三星公司的嵌入式ARM9芯片--S3C2440，该芯片应用领域广，能够自带操作系统，智能化水平高，编程难度大，价钱昂贵。
适用于高端智能电子产品。
[3]
经比较，咱们采纳方案二，因为我的作品是属于低端的智能电子产品，不需要那么多的功能和接口，尽管其他方案的操纵芯片性能好，可是性价比不如方案二高。
再加上51单片机通过几十年的进展，技术成熟，利用的频率很高，方便批量生产。
显示器模块论证与选择
方案一：
假设基亚5110显示屏，是一款基于图形显示的LCD屏，黑白色显示，无任何字库，采纳串行总线接口与微操纵器相连，引脚少，体积小，价钱廉价。
程序设计较为复杂。
方案二：
寸TFT彩屏模块，能够显示彩色图片和文字，价钱比较贵，视角较小，程序设计比较难。
引脚比较多。
方案三：
8*8点阵，LED点阵需要行扫描和列驱动芯片，程序设计难，电路设计不方便，需要增加硬件本钱。
可是价钱廉价，灵活性较强。
方案四：
LCD1602，LCD液晶显示屏，带背光，自带字库，采纳并口通信，功能多样，电路和程序设计简单，价钱相对廉价，是低端电子产品的主流显示器之一。
通过比较，采纳方案四，因为显示的数据可不能很多，通过切换一次就能够够显示所有的数据，而且价钱相对廉价，操纵起来很方便，不存在视角问题。
而且在设计电路的时候比较方便。
综合以上四种方案，选择方案四。
按键操纵模块论证与选择
方案一：
矩阵键盘。
矩阵键盘能够做成4*4、2*2等多种类型，节省io口资源。
可是电路和程序设计较为复杂，适用于多个按键组成的键盘。
方案二：
独立键盘，每一个io口操纵一个按键，尽管浪费io口，可是操纵方便，程序和电路设计较为简单。
易于检测和维修，适用于很少的按键组成的键盘。
。
经比较，采纳方案二，因为本作品io口剩余较多，不需要很紧凑的利用io口，而且整个作品除去复位，按键只有3个，为了简化电路和程序，选择方案二。
报警指示部份论证与选择
方案一：
采纳喇叭，喇叭的声音比较难听，而且不行操纵，可是价钱比较廉价。
可是需要相关的驱动电路。
方案二：
采纳蜂鸣器，蜂鸣器的声音比较好听，而且易于操纵，价钱也廉价。
可是需要开关三极管作为驱动电路
方案三：
采纳LED灯，操纵简单，价钱及其廉价，无噪音污染。
能够直接连接单片机，不需要其他电路。
因为本产品是放在室内，若是声音一直响个不断，会引发人们的反感。
因此尽可能做到不打搅用户的生活和休息时刻，综合比较上面三个方案，选择方案三。
2系统设计
通过上述方案的论证，咱们决定用MCS-51系列的STC89C52RC单片机作为主操纵芯片，用USN-HE06PA霍尔流量传感器作为水量检测，用铠装的DS18B20作为温度传感器。
采纳LCD1602进行显示水价，水流量和温度。
采纳独立按键作为切换和开关，用led灯作为报警和指示。
并针对以上器件编写相应的操纵程序。
3结构方框图
整个电路由独立按键，主操纵器STC89C52RC单片机，DS18B20温度传感器，USN-HE06PA霍尔流量传感器，LCD1602液晶显示器，报警指示系统组成。
系统方框图如图1所示。
STC89C52RC
温度传感器DS18B20
水流量传感器
按键系统
LCD1602显示
报警指示系统
图1系统方框图
4理论分析与计算
本系统要实现，必需先进性一些理论性的分析。
要紧分析水流量传感器的利用方式和数据转换。
而且要确保精度，因此算法必然要精准。
水流量传感器要紧由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。
它装在进水口，用于检测进水量。
当水通过水流转子组件时，磁性转子转动而且转速随着流量转变而转变，随着磁铁和霍尔开关的距离改变。
通过霍尔开关的磁通量也发生转变，当电流垂直于外磁场通过导体时，磁通量最大，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会显现电势差，这一现象确实是霍尔效应。
霍尔开关通过霍尔效应产生差动脉冲信号并输出。
霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给单片机，由单片机判定水量的大小，进行显示和调控。
传感器内部构如图2所示。
其输出波形如图3所示。
磁铁
霍尔传感器
Vcc
Qount
gnd
磁铁
水流方向
带磁铁齿轮
图2传感器内部构造
图3输出波形图
传感器技术参数如表1所示：
表1传感器参数
适用范围:
适用于热水器，咖啡机，家用数字水表等水量检测设备！
基
本
参
数
1、最低额定工作电压
2、最大工作电流
15 mA（DC5V）
3、工作电压范围
DC 5～18V
4、负载能力
≤10mA（DC5V）
5、使用温度范围
≤75℃
6、使用湿度范围
35%～90%RH（无结霜状态）
7、允许耐压
水压以下
8、保存温度
-30～+86℃
9、保存湿度
20%～92%RH
水流量传感器外观如图4所示。
图4水流量传感器外观
a）输出波形图：
方波
b）引出线方式如图5所示：
1 红 IN 接正极
2 黄 OUT 信号输出线
3 黑 GND 接负极
图5引出线方式图
在那个地址咱们选用的是内径为2mm的饮水机净水器的流量传感器。
流完一升水输出2400个脉冲。
依照这些信息，咱们决定采纳计数器计波形的方式来搜集水流量。
（计数器检测出脉冲的个数，因为一升水输出2400个脉冲，检测出输出脉冲个数后，通过换算后得出流过水流量传感器水有多少升）
二、系统硬件电路设计
整体电路图如图6所示，分为显示相关数据的LCD1602显示模块，检测水温的水温检测模块，用于搜集流过的水量的水量检测模块，负责人机互换的按键模块，超出范围时的报警指示模块，为整个电路提供工作电压的主电源模块，对产品进行操纵的51单片机最小系统模块。
图6整体电路图此刻咱们对每一个模块别离进行简单的介绍。
1.单片机最小系统
单片机最小系统由晶振电路和复位电路组成，负责提供给单片机工作的必要时钟和复位。
其中，EA端接电源，表示采纳单片机内部的ROM。
单片机晶振采纳12MHz，用两个30pf的瓷片电容作为起振电容。
复位方式采纳按键复位,依照电容电压不能突变的特点，用RC串联决定RST脚高电平的时刻，高电平持续两个周期以上就能够够靠得住复位[4]。
电路图如图7所示。
图7单片机最小系统
2.液晶显示电路
液晶显示电路要紧由以LCD602为主的配套电路，采纳并口通信的方式和单片机通信，3脚接可调电阻调剂背光，RS端接P1^3,R/W接P1^2,E接P1^1，DB1到DB7接单片机的P0口，进行数据通信，15脚接10K电阻作为背光调剂功能，R111周密可调电阻作为LCD1602的对照度调整电压。
单片机和LCD液晶显示器的连接图如图8所示：
图8单片机和LCD的连接示用意
3.传感器检测电路
传感器检测电路由两个传感器组成，一个是水流量传感器，一个是温度传感器，这两个传感器接口比较简单，下面别离介绍两种传感器的电路。
数字温度计模块
温度传感器有三个引脚，别离对应电源，信号线，和地，信号线与单片机的IO口相连，R2作为单片机的上拉电阻。
电路图如图9所示。
图9温度传感器连接图
水流量传感器模块电路
水流量传感器有四条线，别离是信号线，电源，空脚，接地，信号线用一个瓷片电容104耦合，然后接入单片机的IO口。
电路图如图10所示。
图10水流量传感器连接电路图
4按键操纵模块
按键操纵模块要紧由三个独立按键组成，三个按键的功能别离是切换界面，水流量传感器开关和水价调整。
三个按键别离接入,,。
电路图如图11所示。
图11按键连接电路图
5报警指示模块
报警指示模块用于对水温进行报警和指示，同时用于显示水流量传感器的运行情形，报警指示模块采纳两个LED灯，电阻R5和R6作为限流电阻。
水流量计开启的时候二极管D3是亮着的，当关闭水流量计的时候二极管D3是灭的。
温度在大于50°C和小于0°C的时候D4就会突然变亮，来提示用户水的温度不在自己的限制范围内。
报警显示的电路图如图12所示。
图12报警只是模块电路图
三、单片机程序设计
单片机程序设计在整个系统中是十分重要的，为了设计方便和便于修改，本作品用C语言进行程序的设计和操纵，因为C语言编写简单，移植容易，方便修改。
而且本作品在时刻上不需要太精准，程序占的内存小，单片机的内存也足够大，因此不采纳汇编语言[5]。
为了方便书写和检查，本作品采纳了多个C文件分开写，在中进行挪用的方式编写程序。
下面将程序分模块进行描述，本作品的程序分为温度传感器操纵程序，水流量传感器操纵程序，LCD1602液晶屏操纵程序和主程序四个模块，两个模式，两个功能。
同时，主程序又分为初始化，按键操纵，报警指示，按时计数器等子程序。
模式可分为模式一和模式二，每一个模式都有独立的显示界面和实现的功能。
模块流程图是对各个电路模块的驱动而编写的程序，要紧负责驱动底层的各个模块，让他们行驶相应的功能，而且为在此之上的模式程序成立基础。
主程序流程图
主程序流程图负责整个作品的各个器件初始化，lcd的显示和界面切换，按键操纵。
主程序流程图如图13所示。
图13主程序流程图
开始
初始化程序
水流量检测程序
温度检测程序
LCD显示界面控制
P14=0？
是
开启水流量计数
否
关闭水流量计数
水价调节+1
P15=0？
是
显示第一页内容
否
P16=0？
显示第二页界面
是
否
水流量传感器操纵程序
水流量传感器是采纳霍尔传感器制作的，只要搜集传感器传回的方波个数，就能够够换算成水量。
程序的设计方式是，采纳单片机的按时器和计数器对方波信号进行计数，而且按时器每50ms中断一次，每中断两次，就搜集一次脉冲的个数，把脉冲的个数通过处置以后转换成水量，通过数据处置以后分成9位数，送给LCD进行显示，低三位用于显示千克一下的数据，高六位用于显示千克以上的数据。
并进行价钱的计算，计算出来的价钱在第二页进行显示。
该程序放在文件里。
水流量传感器程序流程图如图14所示。
开始
设置tmod为定时器0，计数器1
开启定时计数器，开始计数定时
100ms到了？
没？
否
是
获取计数值，d清零，计数值清零
将脉冲转换为水量，取出每个位的数值
计算水费，并取出每个位的数值送lcd
结束
图14水流量传感器程序流程图
数字温度计传感器
温度传感器采纳总线操纵的方式，向传感器发布命令和读取传感器的数据，而且进行数据处置，该程序寄存文件里。
温度传感器流程图如图15所示。
是
否
是正温度吗？
结束
启动温度转换
ds1820复位
ds18b20复位跳过读序列号
ds182复位
将温度数据给b
将数字转移八位
温度取反加1，tflag=1
tflag=0
跳过读序列
将温度数据给a
是正温度吗？
跳过读序列号
开始
精度调整并输出
图15温度传感器程序流程图
LCD液晶显示程序
LCD液晶显示程序是专门用于操纵LCD1602液晶屏的程序，对时序要求比较高，在编写前特意查阅了时序逻辑图。
LCD液晶程序大致分为写命令，写数据，和初始化三个部份。
在主函数和各个子函数中，均有挪用lcd显示程序。
程序放在文件里。
程序流程图如图16所示。
LCD初始化，设置工作方式
结束
各个子程序调用写数据和写命令函数
写数据
RS=0，写入数据
RS=1，写入命令
写命令
开始
是
LCD忙？
否
图16LCD程序流程图
除对为实现各个模块的功能进行编程之外，本产品在功能上还分为两个模式。
模式一是用于显示千克以下的数据，显示单位为“kg”，同时显示温度和水价。
模式二是显示千克以上的数据，单位为“t”，同时显示温度。
两个模式之间用按键进行切换，模块操纵流程图和两个模块的流程图如以下图所示。
模式一流程图
模式一要紧用于显示水流量的kg以下的数据，和水的单价和温度，流程图如图17所示。
开始
模式一
显示kg单位的水量
显示温度水单价
P16=0?
水单价++
是
否
显示更新以后的水价和其他数据
结束
图17模式一流程图
模式二流程图
模式二要紧显示温度，水价和水流量。
流程图如图18所示。
开始
模式二
显示T单位的水量
显示温度，水价
结束
图18模式二流程图
模块操纵流程图
模块操纵部份主若是通过一个按键的切换来完成两个模块之间的转换。
流程图如图19所示。
模式一功能
模式二功能
模式一
模式二
按键切换功能
显示模式一界面
初始化
开始
图19模块操纵流程图
四、电路调试和方式
1.仪器仪表和实验材料
仪器仪表和实验材料如表2所示：
表2仪器仪表和实验材料
序号
仪器
厂商
数量
1
双踪示波器
RIGOL
1
2
模拟万用表
胜利公司
1
3
数字万用表
胜利公司
1
4
600ml矿泉水瓶
1
5
水管
1
6
温度计
2.检测方式
本作品主若是调试和检测水流量计和温度传感器搜集来的数据是不是正确，是不是有水温太高报警，各个按键可否正常行驶功能，lcd可否正常工作并正常显示。
第一检测LCD能不能工作和显示正确的内容。
开机以后，观看LCD的显示是不是自己想要的样子，而且同时通过独立按键切换显示界面，和修改水的单价，确信独立按键能不能正常工作。
然后检测水流量计可否送回数据，和送回的数据是不是有错。
检测方式是用示波器搜集水流量计的信号端口，是不是有方波信号送出。
若是正常，就用600ml的矿泉水瓶装满水，然后作品上电，在LCD显示正常的情形下，把半升矿泉水瓶的水慢慢注入与传感器相连的水管里，尽可能保证水没有溢出，等注入完毕以后，观看LCD显示器上的数据是不是显示“”左右的数据。
而且通过按键开启和停止水流量计，查看按键是不是有效工作，同时查看LED提示灯是不是有效的提示水流量计的开启和关闭。
最后是检测温度传感器是不是能正确显示，是不是有正确的报警指示。
方式是用水温计检测温度超过50度以上的水温，然后将传感器放入水中，查看LCD显示的温度是不是在误差范围之内，LED温度太高指示灯灯是不是点亮。
3.调试结果，问题分析和解决问题方式
硬件系统调试
初步硬件调试问题：
当焊接PCB板完成以后，把程序写进单片机，接人电源，显示屏幕LCD1602有亮度，可是上面无显示。
显示屏的亮度不够，很暗。
当LCD1602显示正常的时候，把水通入水流量传感器的时候，显示屏上关于水流量的数字并无转变。
其中key2是操纵水的价钱的按键，可是按那个键，价钱可不能变更。
二极管不亮。
问题分析:
a）可能是LCD1602与单片机连接的引脚可能有错误。
b）显示屏亮度不够可能是因为程序冲突或是连接电阻过大致使电流过小。
c）屏幕上关于水流量的流量的示数不变，可能是因为水流量计的入水口和出水口装反了或是水流量传感器的三个引脚与单片机的连接有误。
d）利用按键key2并无发觉价钱的变更可能是因为显现了虚焊，焊接不牢固的缘故。
e）二极管的正负极是不是接反了或是二极管已经坏了。
解决方案:
关于适才显现的问题，通过认真的分析和探讨以后，咱们提出以下几点解决方案：
a）显示屏LCD1602不亮，经检查是STC89C52第20脚忘记接地，把20脚接地后问题得以解决，显示屏上显现了所希望的功能列表。
b）显示屏LCD160亮度不够，通过调剂滑动变阻器使得显示屏有足够的亮度看清楚上面显示的字母和数字。
c）屏幕上关于水流量的流量的示数不变，咱们检查了下水流量传感器的进出口发觉并无接错，然后发觉时因为key1是操纵水流量传感器的开启，咱们不警惕把水流量传感器关了。
因此才没有示数，咱们把水流量传感器开启后，发觉示数开始了转变。
d）咱们把按键key2与及周围的器件从头再焊接了一次，发觉按动按键，价钱开始显现了变更。
e）二极管不亮咱们考虑是二极管的正负极接反了。
咱们把两极管的正负极从头接好后发觉二极管亮了。
软件系统调试
单片机程序烧入以后，开机调试的时候，显现一些软件方面的问题，要紧归纳如下：
●水流量有跳变，可是最终显示错误，与实际水量不符合，差距过大。
●LCD里的水价钱和理论计算出的水价钱差距过大。
以上两个程序中的缺点和不足，通过研究，从水流量的转换公式来入手，解决水流量显示误差太大的故障。
对水价钱计算程序部份算法进行修改，更正水价钱计算错误的故障。
第一，通过几回实验和记录的实验数据，确信转换数据要多少才能符合要求。
下面是通过一些实验取得的一组实验数据。
通过这组数据，能够清楚的看到，如何调剂水流量的转换精度。
水流量转换的公式是：
实验数据如表3所示。
表3实验数据表
次数
质量
参数
指示灯是否有亮
1
有
2
有
3
有
4
有
5
有
依照以上实验数据，采纳2326作为精度转换数据。
将程序中的
“zh=b/;安西安：
西安电子科技大学出版社，2006,6
[2]江晓安董秀峰杨公华.数字电路技术[M].西安：
西安电子科技大学
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