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水表是水流量计量的重要工具,与居民的生产生活有着亲密的关系,而国内的水表大多采用较为落后的旋翼式水表,水表行业面临着很好的机遇本设计中欧I无磁水表由于抗磁干扰性较强,因此具有相称高的稳定性运用LC振荡电路来测量水流量,选用较为先进的AT89c52单片机为关键,制作出功耗较低的无磁水表,并且拥有较高的稳定性,并能保持较高的精确度和抗干扰性关键词无磁水表、LC振荡电路、AT89c52单片机ABSTRACTWater flowmeter isthe maintool measurementwith theproduction lifeof theresidents hasa closerelationship,and the use ofdomestic water meters islagging behindmost of the rotortype watermeter,water meterindustry isfacing goodopportunities.The designofthenon-magnetic meterhas agoodopportunity,have agood valueof promotion.Through themeasurement ofwater flowLC oscillatorcircuit,theuseof moreadvanced andfeature moreAT89C52MCU asthe core,to producenon-magneticmeters,and hasa highstability,and tomaintain ahigh accuracyand immunity.Key words:LC oscillatingcircuit,AT89C52microcomputer,watermeterwith nonmagnetic生区域a的半盘或者区域b曰勺半盘上由于在振荡的过程中,能量会损失掉一部分,从而会导致振荡的不停衰减,衰减会遵照如下的公式=V/e-bt ss
①t3-1Vt式子中丫⑺为振荡电压;匕为鼓励电压;5为阻尼系数;为衰减振荡中角频率;衰减振荡中的角频率跟阻尼系数有着很大的关系,即二折万<%,1式中g=k,为LC回路日勺谐振的角频率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假如处在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3时大小,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所示图波形测量示意图3-3我们把两种不同样的振荡波形转换为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日勺电压进行对比和分析后来会发下,在左边欧I振荡电路断开后来,然后我们需要延时一段时间必如,然后等待振荡衰减到可以测量的范围内的时候,然后在规定的%,e时间把测得的电压和基准电压V©比较,假如比基准电压高的话,我们视为高,假如一直比基准电压低日勺则视为低,基准电压是由单片机AD采集模块得到的旋转测量的转换成果如图3-4所示图旋转测量的转换成果3-4通过图3-4a所示,假如我们仅仅使用一种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日勺流向,运用传感器1或传感器2状态日勺变化导致的高下电平时变化来判断转盘转动的方向图3-4b是转换后展现的;时序图,我们可以看出假如以逆时针旋转为正向的J话,可以把当传感器1和传感器2从状态d变化到状态a时认为是水量增长1个单位,把从状态b变化到状态a时认为是水量减少1个单位把前一次状态到目前状态转变的所有也许及对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时转盘转动的方向和转动圈数N,仪表常数为K,再由QL=N/K且K=N/L可以得出流过仪表的水量Q,从而抵达计量水量日勺目的
3.3阀门控制阀门控制在水表控制系统中处在非常重要的地位,假如阀门控制的性能较差,将会给居民的生产生活带来不便,并且不利于供水部门日勺监管而阀门的种类又有诸多种,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,假如认证错误,则电控阀关闭,假如认证成功,则电控阀启动假如电池缺电,电控阀也需要关闭假如出现并显示阀门故障,此时水表顾客需告知管理人员进行排除故障后方可正常用水原理如图3-5所示图电控阀模块原理图3-5在这个图中,可以看到电路中有一种三极管Q,它重要的作用是一定程度上可以减小电路中的静态功耗在平常的生活中,阀门肯定长时间处在打开或者关闭的状态,因此开关中2和1接触,或者2和3接触我们在这里假设2和1接触假如不要三极管Q,贝吃会直接接地,Vcc、RR开关、地就构成一种通路我们假设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,因此三极管Q必不可少
3.4液晶显示模块本设计中欧I液晶显示模块采用LCD显示屏,选择LM016L液晶显示屏显示屏的作用是为了显示数值和提醒信息当放入IC卡后输入密码时,显示出需要输入密码的数字,当密码错误时提醒输入错误并且可以显示剩余水量,和使用水量的I总和液晶显小模块电路图如图3-6所小图液晶显示模块电路3-6LM016L液晶显示屏在设计中非常的常见它的显示的质量是非常高的I,并且不会发生闪烁并且这个显示屏采用的是数字型接口,这种接口是相对比较可靠时,并且有着非常以便的操作它在体积上是非常小的,并且有着很小的I功耗,因此在本设计中是比较适合的I它是使用HD44780控制器,这个控制器日勺功能非常的强大,可以实现字符的移动和闪烁的功能
3.5IC卡模块由于老式的接触式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,即射频卡由于没有触点,因此它具有很好的可靠性射频卡拥有多种可工作的距离,可以适应不同样的I场所无需插拔,使它拥有很好的可操作性IC卡模块采用RC522芯片,IC卡模块日勺电路图如图3-7所示图卡模块的电路图3-7IC I如图所示,在复位后来,先使系统初始化,并且使看门狗复位,并且同步要使关键的数据得到恢复当水表可以正常工作的时候,我们还要可以判断系统各个部件与否缺电,与否收到外界磁场的干扰,IC卡中的余额与否局限性,阀门与否被拆卸过假如系统发生电量局限性、受到外界磁场的I干扰、水表被人为的拆卸过、IC卡内的余额局限性的状况,电控阀可以自动关闭并且为了保护电控阀不长时间一直日勺工作,我们需要定期关闭、启动一次电控阀RC522系统的工作频率是
13.56MHz,这个频率通过一种
27.12MHz的J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播载波频率固定为
13.56MHz,因此滤波和接受部分的元件LO、CO、RI、R
2、Cmid和Crx时值是固定的Cl.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亲密有关RC522芯片它具有如下工作特性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564字节的发送和接受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可编程定期器
103.3V的电源电压llCRV协处理器12内部自测试在RC522应用电路,除了与单片机的I接口连接,RC522外围的I还必须有天线、以及和天线匹配的电路等等
3.6蜂鸣器电路图蜂鸣器电路模块原理图3-8蜂鸣器电路原理图如图3-8所示,它的)重要作用是在读卡操作失败的时候可以报警当我们放上IC卡并开始输入密码时,假如密码输入错误,会发出警报声并且当水量局限性日勺时候,也可以发出警报的声音本设计中的蜂鸣器电路重要由两个电阻、一种三极管和一种蜂鸣器构成
1.7电压检测模块图电压检测模块连接图3-9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,是不可缺乏口勺一部分假如通过电压检测,目前的系统处在缺电的状态,那么表内的重要数据很也许丢失,电压检测模块这个时候就要采用保护措施首先关闭阀门使系统停止工作,将数据保留起来,以保证顾客和供水系统的利益假如发生缺电,则重要也许是电源供电局限性,或者是水表被人为的拆卸过本设计中的电路重要是由电压检测器、常闭和常开欧I开关各一种、两个与非门、一种或非门构成当电压缺电时,会输出一种低电平的信号,这个时候会产生断开电路,已抵达保护系统的目的I
1.8电源电路模块图电源电路模块连接图3-10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
3.6Vo锂电池有着自己很大的I优势,它可以提供系统的所有优势,并且使用的寿命是非常长日勺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,而干电池则不具有这一点当然锂电池也不是永远不会坏的,因此我们的电压检测系统弥补了这一点的局限性,当电量局限性或者损坏的时候,我们的系统会发出提醒,提醒顾客更换电池等等,来保护数据不丢失,以免给广大顾客带来困扰
3.9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愈加安全可靠在平常生活中,为了防止各别别有专心欧I顾客拆卸水表,这个部分也是不可缺乏的,它可以很有效日勺保护供水企业的利益本设计中在电路中加入一种常闭的按键,当有顾客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
4.10复位电路模块图复位电路原理图3-12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可以正常日勺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重要复位是上电复位、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
3.11键盘设计图键盘设计原理图3-13键盘的设计原理图如图3-13所示,由于本次设计需要键盘可以充值并且输入密码,而单片机AT89C52的接口是不够用欧J,因此我们欧J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乏日勺一部分,我们通过键盘来控制系统,并且输入某些重要的信息本次采用的键盘不仅仅可以满足这次的设计,并且在成本上也是比较合适的,可以运用到生产中选用合适的键盘,对于本次设计时成功是不可缺乏的一部分系统程序设计
44.1主程序设计对于主程序系统流程,复位后来,先使系统初始化,然后开始检测IC卡插入后日勺信息主程序设计流程图如图4-1所示图主程序设计流程图47本次设计的主程序先进行系统的初始化,初始化完毕后开始读卡,这时候屏幕上会显示输入密码当密码输入完毕后,需要对密码进行校对假如密码不对的,则系统自动停止,反之密码输入对的后,要对与否需要进行充值操作判断若余额充足,就启动阀门,顾客开始用水假如余额局限性,需要进行充值,那么我们就进行充值操作,假如充值成功,则启动阀门用水假如充值失败,那么系统停止操作
4.2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假如密码错误,则本次充值直接结束若密码输入对的,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,这个时候水阀启动,IC卡开始扣费软件选择及仿真
55.1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企业设计出的一款非常强力的EDA软件,在我们电子行业中,它常常使我们首选的软件,由于它很早就被大家接受,因此导致它目前也大范围时被使用它的操作非常的简朴,很适合我们进行绘图PROTEL重要的功能特点是提供大量的工业化原则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成果与便利的测量工具相结合本次设计中的I仿真部分采用Proteus仿真软件Proteus仿真软件的I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以便了诸多电气设计工作者,支持多种硬件及其软件的仿真它的重要的功能特点是可以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,可以进行互动的仿真等等它在我们的生产设计中以及教学中均有着很重要的I地位
5.2仿真成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假如密码输入不对的J,则发出警报声图显示余量局限性请充值5-2当密码输入对於I后,假如余额局限性,则会提醒需要充值,这时候我们需要按下充值按钮对IC卡进行充值操作图充值金额显示5-3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元的水量图水表运行时的状态5-4当水表正常运行时,可以从显示屏中读取数据S为使用欧|水量总和,L为剩余的水量的I总和总结6本次设计选用与居民的生产生活有很大联络的水表作为研究课题在大学四年学习的期间,系统的学习了有关单片机的知识,这是对于这些知识的一次实际运用这次设计可以体现大学期间所学到的东西,并且可以活学活用,对后来时学习生活有着非常重大的意义在进行这次设计的过程中,碰到了诸多的困难,例如不懂得怎样选择合适的仿真工具等等,不过通过老师同学们的协助,这些问题都得到了很好的处理,这对后来的生活工作均有着很重要的学习意义在本次设计当中,重要完毕了如下的内容首先通过筛选,选择了本次设计然后根据设计的规定,做出了初步的规划,选择出一种可行的方案;然后上网搜索和去图书馆选择和本方案有关的书籍杂志,进行系统日勺学习通过一段时间的学习后来,进行硬件的选择例如选择何种单片机,选择合适日勺IC卡;最终开引言错误!未定义书签1L1课题提出的目的及背景错误!未定义书签
1.2水表发展的历程及趋势错误!未定义书签水表测量技术错误!未定义书签水表的发展趋势错误!未定义书签系统总体方案的设计错误!未定义书签
22.1系统设计思想及方案选择错误!未定义书签
2.2系统构成错误!未定义书签系统硬件电路设计错误!未定义书签
33.1单片机的选择错误!未定义书签
3.2无磁计量功能模块错误!未定义书签无磁计量的原理错误!未定义书签
3.3阀门控制错误!未定义书签
3.4液晶显示模块错误!未定义书签
3.5IC卡模块错误!未定义书签始系统的进行设计,设计出合理的流程、电路,并多次修改,然后进行仿真,以确定设计出日勺水表是可靠日勺,可以运行的当然,由于各方面的原因,设计出的东西并非是没有一点点缺陷的它仍然存在诸多的问题,例如在低流量的J时候,会存在一定的J误差并且成本过高也是一种不可忽视的问题在后来的学习中,但愿可以通过某些设计,使这些问题都得到更好的处理本次的设计,是大学学习到的知识日勺一次汇总,运用了诸多的知识,锻炼了自己日勺动手能力并且使自己充足运用所学到的东西,提高自己的思维能力,对后来的学习生活均有着非常重大的意义
3.6蜂鸣器电路参照文献错误!未定义书签
3.7电压检测模块错误!未定义书签搂然苗,李兴飞.系列单片机设计实例
[1]
513.8电源电路模块错误!未定义书签北京航空航天大学出版社[M].,
2023.
3.9防拆电路模块错误!未定义书签⑵金海龙,潘勇.新型智能热量表的开发研究
3.10复位电路模块错误!未定义书签传感技术学报[N].,
2023.
3.11键盘设计错误!未定义书签徐惠民.单片机微型机原理接口及应用北
[3][M].系统程序设计错误!未定义书签4京邮电大学出版社』
999.扬振江.流行单片机实用子程序及应用实例西安电子科学技术出版社
[4][M].,
2023.沈红文.单片机应用系统设计实例与分析北京航空航天大学出版社
[5][M].,
2023.樊军.水表大规模更新的时代已经来临给水排水
[6][J].,
2023.黎洪生,岳蕾,张虎在旋转计数器中的应用工业控制计算机
[7].MSP430FW427[J].,
2023.周金治,范富宏.以为关键的远程数字水表设计西南科技大学学报
[8]MSP430FW427[N].,
2023.胡大可系列超低功耗位单片机原理与应用北京航空大学出版社
[9].MSP43016[M].,
2023.张晞.王德银.张晨.单片机实用语言程序设计人民邮电出版社
[10]C[M].,
2023.秦龙.单片机语言应用程序设计实例精讲电子工业出版社
[11]C[M].,
2023.
4.1主程序设计错误!未定义书签
4.2子程序设计错误!未定义书签充值程序设计错误!未定义书签用水扣费程序设计错误!未定义书签软件选择及仿真错误!未定义书签
55.1软件日勺选错误!未定义书签择
5.2仿真成果演示错误!未定义书签总结错误!未定义书签6道谢错误!未定义书签参照文献错误!未定义书签附录错误!未定义书签引言
11.1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I一部分,而水流量计量又是流量计量中最重要时构成部分,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可认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J高速发展,我们对水的I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伴随全球水资源的不停枯竭,为变化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,伴随法制计量时不停完善,全社会对水计量的规定越来越高因此,设计出适合我国多种使用条件的水表成为一种重要的课题,设计出的水表要拥有较高的稳定性,精确性和较强的抗干扰的能力目前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,不过他们均有着较为明显的缺陷舌黄管一旦出现故障,检测故障相称困难,由于误差较大,并不适合对误差规定高的产品设计,并且其产品寿命太低,也并不适合生产;而霍尔元件在工作区I时候轻易被磁场和电场干扰;韦根传感器存在磁阻大,价格太贵的缺陷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,因此都会防止不了磁场的干扰,从这点就能体现出本文设计的无磁水表的I优越性本设计运用LC振荡电路的原理,而不需要运用到电磁原理,这样的话就可以使其具有较高的I稳定性和抗干扰的能力,并且大大的提高精确度,因此具有一定的推广价值
1.2水表发展的历程及趋势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I,其温度、压力、密度等都不轻易受到影响但由于流量计量口勺动态特性,水表的工作仍然会受到一定的影响伴随流量计量技术的发展,我们可以选择的范围也越来越宽,不过诸多技术均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规定之外,我们必须考虑各方面的其他原因,包括它的敏捷度、数据的范围、成本和安装复杂程度、抗干扰的能力等等因此,为了适应多种不同样的环境条件,例如介质,流量等,它们均有着不同样的使用规定,因此各类水表被广泛应用而我们设计口勺无磁水表就是为了防止磁场的干扰而设计出的产品水表的发展趋势伴随计量技术日勺发展,水表也进入高速发展的阶段,现国内外重要发展如下几种水表
1.预付费类水表预付费水表重要采用先付费后用水的原则这对我国老式的手抄式收费方式进行了重大日勺改革它能非常有效的处理部分地区收水费困难的问题,并且一定程度上节省了人力资源,也防止了由于抄表而给居民日勺生活带来不便,并且可以使收费更为合理这种水表在后来的发展中会越来越广泛的得到运用,有着较为广阔日勺发展前景
2.敏捷度较高口勺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可以一定程度上的节省水资源,防止水资源的挥霍并且由于其较高的敏捷度,可以运用到生产过程中其重要产品为活塞式水表,可以抵达国际上的原则
3.防倒流水表或双向计量水表目前市面上的J水表多为单流向欧I水表,假如水流产生倒流,可以使水表反向转动,从而导致水表的计量出现错误,导致计量的纠纷假如采用防倒流水表或者双向计量水表,则可以防止这种状况,防止部分有心之人采用倒流法作弊,导致水资源的白白挥霍这种水表也拥有着很好的市场
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可以较为集中高效的掌握顾客的I用水量信息,节省诸多的人力资源,越来越受到居民的爱慕系统总体方案日勺设计
24.1系统设计思想及方案选择本设计中选择运用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所示图振荡基本原理2-1LC在图2-1的电路中,我们先把K开关处在1位,使电容C充斥电;等充电完毕后将K开关扳至2位假如电感L中的J电阻和线路上日勺损耗被忽视掉,这样就可以构成一种理想状态的LC振荡回路当完毕上述环节后,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,产生两个成果
(1)放电过程中,电容器中欧I电荷量逐渐减少,电压也同步会逐渐减少,所储存的I能量也会变少;
(2)同步通过电感器电流增大,会导致电感器的磁能慢慢欧I增长当电容放电完全后,电荷量、电压、电能都会变成零在这个时候,电感中日勺电流则会抵达最大值,磁场中的能量也会抵达最大由于能量守恒,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假如是在理想的状况下,LC回路中的振荡将会一直进行下去不过振荡总是会有衰减的并且衰减程度会不同样,计量水流量可以运用衰减程度的不同样判断目前传感器所处的状态
2.2系统构成本次设计的构成模块重要有如下几种模块,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所示图无磁水表系统总框图2-2各模块日勺重要功能如下
1.电压检测模块重要用来检测电池电量当电量局限性时发出提醒并关闭阀门O
2.FLASH存储模块重要用于储存水量余额、已用水量等信息
1.1C口模块用来购置水量,管理系统和下位机之间传播重要数据
4.无磁计量模块重要用于测量水流量
5.阀门控制模块用于控制供水时开关,当出现某些异常的状况时关闭
6.液晶显示模块显示水表中欧I多种数据
7.蜂鸣器模块用以提醒对应的操作与否成功,成功时蜂鸣器响
8.复位电路为了保证单片机可以正常运行
9.防拆装置为了防止水表被拆卸系统硬件电路设计
33.1单片机的选择本次设计采用AT89C52单片机Atmel企业生产日勺AT89C52单片机功能非常时强大,较低的功耗,很好的兼容性,很高的稳定性,并且有较高的J性价比AT89C52单片机的I重要工作特性如下1在硬件构成、指令系统等发面有很好的兼容性2运算处理能力相称的强大,可以实现数字信号处理日勺算法3拥有三个可编程定期器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OHZ-24MHZ71000次擦写周期AT89C52外部引脚图如图3-1所示图外部引脚图3-1AT89C52AT89C52部分引脚功能简介如下VCC电源电压GND接地PO nP0口为一种8位漏极开路型双向I/O口P1□P1□是一种内部提供上拉电阻的18位双向I/O口P2□:P2口为一种内部上拉电阻区J8位双向I/O口P3□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I输入及内部时钟工作电路的I输入
3.2无磁计量功能模块无磁计量的I原理图用两个传感器旋转测量的原理3-2LC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二分之一区域b是导电性很差的半圆盘,没有镀有任何金属圆盘会伴随水流的流动而转动,因此导致电感所处的位置也会变化当位于左边的I电路给LC回路鼓励脉冲信号,可以使LC回路产生振荡,从而会让它拥有能量随即断开鼓励电路,从而会让它发生阻尼振荡,振荡总会发。