龙8国际【基于单片机的家用智能水表设计11000字】doc

　　本课题是关于家用智能水表的设计，家用水表涉及到千家万户的用水计量，以往家庭常用的都是机械式的水表，这种水表价格低廉，性能较为稳定，但是这类水表只能采用人工挨家挨户的抄表、计算水费，此种方式对于自来人管理部门的计费工作量较大，劳动强度大，收费周期长，效率很低，对于抄表计费人员的综合素质要求较高，过多的依赖于抄表人员的数据采集，人为因素较大。随着电子技术的发展，现在越来越多的使用智能的电子式的计量水表，它通过智能化的控制，对用水户的用水量进行实时的监测，也可采用提前充卡付费的方式进行刷卡取水，大大减轻了自来水公司的计量成本，能够做到水量的精确计费，同时对于用水户来说，也带来了很大的方便。因此本课题就是基于智能水表的设计，采用单片机控制，实现刷卡预付费，定量取水，方便快捷。对于供电方式，采用蓄电池供电，联锁各种报警系统，可以实现水表与物联网的连接，实现更多的在线充值和报警功能，诸如上海市为独居老人安装的智能水表，可以实现最低用水量的报警功能，当月水量12h内低于0.01个计量单位时，会联锁报警，上传数据至社区或者相关部门，上门查看老人的实际状况，对独居老人做到了很好的多方面的侧面监护工作。

　　伴随着科技的不断发展，我国每一个领域都有了突飞猛进的发展，但是现如今城镇用的水表依然是之前的机械类型水表。这种水表的制作成本较低，所以价格也是相对比较便宜的，但是性能比较稳定，不容易出现问题，缺点就是不能够自己主动上报数据，智能通过人工的方式进行读表，记表，抄表，然后根据数据，人工计算水费，这对于工作人员来讲，工作时间长，而且相对强度也是比较大的，工作效率得不到提升。相比于机械水表，研制一款电子水表就显得非常有必要，将以前复杂的程序进行解放，对此方面完成智能化的控制，所以说，自来水收费管理的系统也需要跟上时代，进行电子化以及信息化的转变。智能化的水表可以解决很多问题，可以提高工作效率，并且节省人工费用，计算精准度高，能够改善人们的用水质量，创造更好的条件。

　　传统的水表尽管出现很长时间，但是现在依然是渗透到社会的各个角落。所以，它对于改善人们的生活质量、以及促进社会发展和科技发展都有着比较重要的作用。传统水表到现在依然有着不可漠视的作用。

　　传统水表的结构一般是由硬件组装而成，然后按照固定的格式确定，能够提供的功能比较少。一般具有的功能是能够水流量进行采集，并且有显示水量的单元，当人们在进行使用的时候，这两个点是没有办法自己进行手动操作的。结构一般是有三部分，其中一个是输入的信号接口，另外一个是内部的处理电路，还有显示的部分。long8-龙8(国际)唯一官方网站其中凋零以及校准这些设计，都是需要在设备的面板完成的。

　　之前传统的水表是不允许被用户进行修改的。上文已经说过，传统水表的功能非常单一，只有采集水流量以及由机械指针来对其进行显示的作用。再有就是具有相应的独立性，一块水表是不能够和其他的水表进行衔接的，作用就是只能够用于现场的测量，而且结果只能够由人工来进行记录，不能够自行的进行存储，和显示，这也就是有了一定的局限性。而且升级换代的次数很少，基本没有什么大的变化。

　　伴随着科技的不断发展，人们也逐渐发现传统水表所缺乏的一些功能可以通过科技进行实现，并且有了很多的要求，测量的数据需要更加的精准，而且能够实现的功能也是需要全面的，需更加可靠，并且在进行测量数据的时候，可以自行的进行存储，处理以及显示，能够和其他通讯设备进行连接，这些要求也促使着传统水表进行快速的更新，也逐渐演化出了一款新型的水表——智能水表。

　　电子技术的突飞猛进，逐渐出现了将处理器，存储器，定时器，串联结构等等的结构一起集成的芯片，也就是单片机。智能水表就是使用单片机为技术主体，利用计算机的相关技术，测量勘察的相关技术，以及微电子、传感、IC卡的技术集成的一款电子传品，拥有结算并且数据传递的功能。除了上述说的两点功能之外，能够控制水流量，并且完成水费的计算，对重要的数据进行存储和传输。然后最终的结算使用IC卡来完成的，这样就可以解放人工，方便快捷吗，准确度更高。IC卡交易起来也是非常的方便的，直接通过银行进行结算。

　　1．第一个方面是针对于供水部门而言的，这样一来，可以实现先用水再交钱和先交钱再用水的转换，这样的转变是大家承认的一个优点。而且，这方面的问题是可以解决欠费，以及拖欠的问题的。人们也是接受先交钱再用水这一政策，对于用户来说。因为水费支出的占的比例是比较小的，这种转变，用户只是交钱的时间提前，其他没有什么缺点，所以说这方面用户是基本同意的，但是供水部门方面，改变就是巨大的，伴随着水资源的的减少，而且属性也慢慢的被人们认可，交钱用水成为了一个非常合理的选择。

　　2．第二个部分就是解决了人工入户抄表的现象，城市规模的不断增大，以及居民人数的提升，如果还按照以前的方式人们抄表，所需的经费以及人工数量也是非常大的，所以这种模式是注定不可取的。所以使用IC卡，能够轻松的解决这些问题，再也不需要上门计费，上门读表，只需要人们使用IC卡自行的缴费就可以，而且对于用户来说，自己的隐私可以得到保障，并且使用IC卡也能够自己决定缴费的时间以及缴费的金额。这样一来就能够讲很多的问题进行解决。

　　现如今很多的国内企业也是比较专心研发智能网络水表，有很多的企业都在对此进行技术的突破，因为智能的网络远传水表系统需要使用网络技术，但是前提的资本投入较大，所以，智能应用于一些小区或者区域的小型网络进行使用，并没有完全的进入到市场进行使用，使用先缴费的方式能够让的更加快速一些，这样也就能让一些企业家在资本上获得缓解。

　　使用的抄表方式也是类似的，使用相应的采集器，按照时间顺序，通过多个电路来进行信号的处理，完成对数据的处理和存储。每一个采集器的连接方式使用的是总线制的连接，这些线路的终端最终是要连接到计算机的，每一个用户使用分户线的方式进行连接。

　　=1\*GB3①因为每一次水表计量产生的信号，是从分户线到采集器的，如果在这个阶段当中出现一个问题，那么就会导致计量产生的数据没有办法到达到采集器，这是一个非常难以解决的问题，并且，分户线在进行安装的时候也是非常的复杂的，难免会出现短线②因为采集器的安装位置一般都是在现场的，这样相对来说，维护的成本较大。

　　=3\*GB3③在传输的过程当中有问题，数据是极有可能丢失的，而且出现的风险是没有办法分散的。

　　总线制的智能水表相比于分线制，它的采集以及计量等等工作的单元安装位置实在水表内进行密封的，所有有关于数据的处理都是由一个单独的智能水表完成的，并且手抄器和电脑并不能够对底层的数据进行采集，只限于进行通讯，这样一来就没有外界因素进行干扰。智能水表出现的总线及时断裂，也并不会出现数据断通，丢失的情况，不需要进行重新的置数，水流量也可以进行读出。

　　因为每一个表的输出都是需要进行连接的，相对于上述的，就可以不用使用繁琐的布线，和程序进行组装，后边进行维护也可以变的方便一点，能够方便设计网络，long8-龙8(国际)唯一官方网站以及其他系统和开放网络的设计。

　　现如今社会比较普及的水表就是智能水卡式水表，而且发展速度很快，每一个智能卡和刷卡的机器的性价比的提升也是根据时期来产生的。在这说明一下智能水卡的系统在进行组成的时候使用的部分，其中有水卡以及智能卡，还有就是读卡器，使用这个系统能够实现的就是可以将水很多的问题进行解决，并且用水量也是比较的充足的。上述的几个方面都是传统水表不能够实现的，智能卡水表不需要进行电路的铺设，long8-龙8(国际)唯一官方网站也不需要进行后期的维护，在进行安装时候的程序也是非常的简单。除此之外，智能卡水表使用数据采集模块还有电源以及一些阀门的控制，智能卡读取用户购买的水量，在进行使用的时候非常的方便快捷。

　　因为此水表长时间的工作时间，所以说设计的时候要以能耗低为出发点进行功能的实现，相关框图如下所示。智能水表系统硬件电路是有IC卡的读取模块，液晶显示模块以及电磁阀控制等的电路组成，使用芯片为核心，实现水表数据以及信号的读取处理，并且能够实时的监控水表功能。此芯片内部有一块4K的存储其，并且有三十二个端口，有编程的中断接口，还有数据串行的通信接口。此芯片还具有的优点式能耗比较低，比较适合此课题的研究。

　　（2）再者就是拥有一个二百五十六字节的存储器，主要能够实现的功能就是能够进行读取以及写入的操作。

　　（1）XTAL1（是十九个脚）：这方面是反方向的震荡的放大器，还有就是时钟的输入的地方。

　　（5）P3口（是第十脚到十七脚）：在这个的引脚上是有往上拉起来的电阻的，还有很多的功能的接口。输出缓冲可以带动四个逻辑门电路进行工作，。数据为一，上拉电阻被拉起，输入的端口进行工作，外部拉起的P4端口进行电流的输出。

　　在这介绍一下Mifare1射频IC卡，此卡是由菲利普公司制作的系列为镜片，其中有1KB的高速EEPROM，还有数字控制的模块以及效率较高的射频天线的模块。总所周知，卡片内部一般是不安装电池的，进行工作的时候，将卡片放到工作的区域就可以，卡片的读写器的天线发送载波信号，然后耦合到卡片上进行供能。

　　（1）总共有十六个扇区，其中每一个分为四部分，每一部分的存储大小是16B。

　　在此电路当中，主要有波形转换的模块以及POR的模块。第一个模块可以接受无线电调制的频率，还可以送调制模块，再有一个就是可以进行波形的转换，然后滤波最后由电压的调节对电压进行处理。

　　当卡片在接触的区域内以后，程序员可以控制读写器，对卡片进行命令的传输，然后ATR会进行工作，奖卡便当中Block的两个字节传递给读写器。

　　如果进行工作的时候，出现了很多张卡片，就会出现重叠的现象，这时候此模块就会开始，读写器会与每一张参与的卡片进行通信，对其序列号进行获取。序列号是不可能相同的，所以说，读卡器可以根据序列号来进行识别，这也就是此模块的作用所在。

　　当此卡片完成了上边的两个程序，这是程序员想要对卡片读取，就需要进行SELECT操作，这样卡片就真正的选择了。在这当中已经选择结束的字节就会被传输给读卡器，并且在这之后，就可以进行下一步的操作。

　　完成上述的三个操作，并且选择一张卡之后，还想对卡片进行读写就需要输入密码来进行验证，正确的话，就可以进行下一个操作，每一个扇区的密码都是不同的，并且互不干扰。

　　此单元是卡片的核心，也就是卡片的主控中心。主要的作用是对整个的卡片进行操作，控制，并且协调各部门之间进行合作。能够对各种的数据进行计算，递增以及递减操作也是可以进行计算的。

　　在这个单元当中主要的工作就是对单元以及能够进行计算的单元，会将结果进行存储。但是如果将数据存储到EEPROM，那么控制和运算的单元就会送到存储器当中，但是如果数据需要进行传送，那么就会控制及运算的单元进行拿出，RF射频处理之后，经过天线的处理送到卡片当中读写器，数据在丢失电源之后，就会被抹除。

　　此单元主要用途是对数据进行存储，EEPROM中的数据在没有电源之后，数据将会继续存在。用户的很多的数据是需要放在这个单元里边的。

　　此模块优点是在进行读写的时候相对于比较稳定，集成PCB的天线电路接口并且能进行转换，需要正五伏的电源供电，主要的指标如下所示：

　　IC卡的应用系统硬件设计如图所示，总体的原理结构图看附录。本设计的核心器件是AT89C51，主要完成的操作是对射频卡的读写，此读写器读写之后，通过串口将电平转换能够被单片机识别的电平。

　　此次单片机的芯片当中的P1引脚作用是为H6152提供控制和输出，能够对工作状态进行操控，高电平停止工作，单片机不会发出蜂鸣声，低电平单片机会发出蜂鸣声，。

　　串口当中的电平转换电路使用的时MAX3232完成的，将TTL当中的电平转换成RS-232，然后让接口进行连接，RS-232C是数据中断和通信设备的接口的标准，也是常用的一种标准。此标准的信号线根，但是定义的只有二十二根。这些信号线是分为主和辅两个信道的，多数的危机串行都是使用的主信道。在进行通信的时候，用主信道，并不是说所有的信号全都要一起连接，long8-龙8(国际)唯一官方网站而且使用当中的九根线。

　　此模块选择的显示模块是GXM12864，其中有控制器，这是一种能耗比较低的LCD模块，共有八位的微处理器接口，使用一百二十八乘六十四位的映射DDRAM完成平板显示。

　　其中R15的作用是提供电压给驱动器，并且对显示的对比度进行调节，RST是复位的引脚，能够接电平。

　　在进行调试的时候，需要注意正负极的接线，不能接错，如果接错，会导致芯片被烧坏，在进行加液晶驱动电压的时候，是要在逻辑的电压前提上往后延迟五十毫秒，断电的时候要提前五十毫秒关掉。

　　正常情况下，液晶器件在进行驱动的时候需要使用两种电压进行，其中一个时正五伏，再有一个是负十伏。在进行使用的时候，需要专门的液晶电源电路来进行使用。

　　在此次设计当中，系统使用的供电方式是电池供电，其中输入的电压为正三伏，电源部分的设计是正三伏，正五伏和负十伏双电压输出。

　　当电池正常的时候，电池的电压如果过低，那么输出的引脚就会持续保持高的电平，但是如果电池电压比门槛的电压低，那么LBBO就会输出低电平。

　　液晶控制器的存在可以让单片机和GXM12864直接连接，不用其他的接口进行连接，因为单片机当中液晶模块是算作存储器的一部分，能够直接进行I/O的操作。

　　3.3.1I2C总线C是内部的集成总线，有两个方向的双向二线制，其中有数据线，还有就是总线。这时候很多的总线是能够进行结合的，并且还能够进行操作。总线当中的元器件可以成为主控，也可以成为被控器，也就是说，能够对外发送，也能够对外进行接受。总线是依据通信的协议对数据进行呼唤。在交换开始的时候，主控器可以获得主控的权力。

　　典型并且标准的I2C总线器件，内部有接口电路，还可以进行分割，成为很多独立的模块，其中有两根的信号线，双方向的数据线，还有一个就是适中的线。CPU可以使用质量来对其他的模块进行操控，当然，所有的模块都是基于这个总线之上的，每一个电路以及模块都有属于他们自己的地址，在对信息进行传输的过程当中，I2C上并联的模块是主控器也是发送的。I2C接口如下所示。

　　图3.8I2C总线C器件分类主要有两种，一种是主器件，一种是从器件。在主线上进行数据传送的器件叫做主器件，与此同时，可以获得许可能够进行访问的。被访问的器件，另外一个名称是从器件。通俗的讲，所有的器件都可以叫做从器件，单片机是系统当中非常核心的部分，所以说，单片机是唯一的主器件。

　　之前的单片机接口在对数据进行接收和发送时，使用的一般是一条线C是根据器件的作用，实用程序让它工作。这时候如果有器件发送的时候是在总线上进行的时候，这个当中的就是发送的，然后接受的就是叫做接收器，主器件应用的范围主要是数据的上行。

　　总线上有主和从的关系，此关系主要是根据传送数据的方向来进行决定的。SDA以及SCL都是两个方向的线路，利用一个电流源来和电源进行连接。在和器件进行连接的时候，这个当中就是发送的，但是接受的进行有集电极以及漏极的。I2C传输速率一般情况下可以到达100kb/s，在速度较快的情况下是它正常情况下的四倍，高速的情况下是三点四兆每秒。

　　内部含有二百五十六乘八的存储空间，其优点有工作电压较宽,能够进行擦写的次数较多的优点：

　　SCL:此引脚在进行上升沿时，系统可以将数据送到器件当中，在进行下降的时候进行输出。

　　选择的时脉冲式的电磁阀，原理如图所示，在开启的时候需要在控制线的AB加上一个正方向的脉冲，当开启水阀之后，就会一直保持。当断开之后。则是加上一个反向的脉冲，那么就会关闭。这种的电磁阀在打开之后就不需要给电磁阀进行供电，它的功耗也是比较低的，所以说比较适合在IC卡当中充当一个送水和断水的单元。

　　能够在原先的水表的基础上添加磁针和干簧管，磁针会随着水流进行旋转，然后出发干簧管发出开或者关的信号。

　　此电路主要的作用是用AT89C51能够编程的输入输出端口接到水表上的封装上进行保护。能够让I/O线类似于接地，电平是低电平状态，并且封装之后是不能打开的，I/O不接地，电平是高电平，然后CPU会发生保护中断，这时候就会断水，也就能够有良好的保护作用。

　　内部可以分为两部分，其中是三十二乘六的密码存储和二十B的寄存器，可以让用户自己进行设置，能够访问。地址分配和功能如表4.1所示：

　　MCU和很多的读写模块成为串行的网络时候，用于保护ID号，可以成为设备的地址。

　　当比特位是零时，比特流在通信协议下进行不开启超时控制，是1的时候开启超时控制。

　　当Autostart是零的时候，H6152在上电复位会进入连续读模式，是1的时候在进行读写的时候接收到C命令之后进入到命令。

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