基于單片機(jī)的智能感溫水表的設(shè)計(jì)

摘要：為了克服現(xiàn)有的水表在技術(shù)上不能區(qū)分冷熱水的不足，設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用的智能感溫水表。系統(tǒng)采用雙干簧管設(shè)計(jì)了流量傳感器，提高了測(cè)量精度。AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，系統(tǒng)工作時(shí)，溫度傳感器DS18B20采集水溫信息傳入單片機(jī)，并與設(shè)定的溫度值比較，當(dāng)判斷水溫高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始統(tǒng)計(jì)流量傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)，并以此計(jì)算當(dāng)前流量。流量數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)輸出在液晶顯示屏上，同時(shí)用E2PROM存儲(chǔ)，進(jìn)行掉電保護(hù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)對(duì)溫水計(jì)量精確，具有良好的穩(wěn)定性，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)；干簧管；DS18B20；液晶顯示屏；E2PROM

0 引言
    現(xiàn)用的檢測(cè)熱水流量的方法是在熱水或暖氣管道的入戶端安裝一個(gè)水表，直接檢測(cè)流過(guò)的流量，根據(jù)記錄的流量來(lái)計(jì)費(fèi)。但是，熱水不可能一直使用，閑置在管道中的熱水會(huì)逐漸冷卻，每一次間隔較長(zhǎng)的使用，用戶都要事先放掉一些涼水。每一個(gè)采暖季開(kāi)始前，都需要循環(huán)大量的冷水來(lái)試驗(yàn)管道的可靠性，然后才會(huì)逐步提高水溫。而這些放掉或循環(huán)的冷水卻需要用戶按熱水的價(jià)格來(lái)承擔(dān)費(fèi)用，這顯然不合理。為了解決現(xiàn)有技術(shù)上的缺陷，本文對(duì)傳統(tǒng)的水表做了改進(jìn)，采用AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，由溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)采集管內(nèi)液體溫度信息。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)流量計(jì)算。同時(shí)，系統(tǒng)增加了顯示端口和存儲(chǔ)端口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)保存。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    智能感溫水表由信號(hào)采集、信號(hào)處理、計(jì)算以及數(shù)據(jù)顯示、記錄3部分組成，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

    水管中的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集液體溫度信息，傳給AT89C52單片機(jī)。單片機(jī)判斷傳來(lái)的溫度值大于閾值時(shí)，啟動(dòng)流熱水量計(jì)算。流量傳感器是由安裝在管道內(nèi)的葉輪和一對(duì)干簧管實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)熱水流過(guò)葉輪時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)干簧管形成電脈沖信號(hào)，單片機(jī)統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)即可計(jì)算出當(dāng)前流量。計(jì)算的結(jié)果通過(guò)串口液晶顯示模塊顯示出來(lái)。同時(shí)，所得的數(shù)據(jù)采用I2C總線，存儲(chǔ)到E2PROM中，進(jìn)行掉電保護(hù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件電路的搭建以AT89C52單片機(jī)為信號(hào)處理核心，P0口和P1口控制顯示電路(1602B)，P2口控制溫度傳感器(DS18B20)和雙干簧管(MARR -5)的信號(hào)采集，P3口負(fù)責(zé)E2PROM(CAT24WC0X)存儲(chǔ)。系統(tǒng)的硬件電路示意圖如圖2所示。

2．1 流量傳感器的設(shè)計(jì)
    水管中的液體流量信號(hào)的采集是通過(guò)雙干簧管傳感器實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)采用了MARR-5干簧管，這是一種磁敏開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。包含2片軟磁性材料做成的磁簧片，被封裝在充有惰性氣體的玻璃管里，磁簧片間留有空隙，構(gòu)成常開(kāi)觸點(diǎn)。

    當(dāng)永久磁鐵靠近干簧管時(shí)，簧片的接點(diǎn)就會(huì)感應(yīng)出極性相反的磁極。由于磁極極性相反而相互吸引，當(dāng)吸引的磁力超過(guò)簧片的抗力時(shí)，分開(kāi)的接點(diǎn)便會(huì)吸合。
    在熱水管道中安裝一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，水的流動(dòng)推動(dòng)葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，流量越大，葉輪的轉(zhuǎn)速越高。葉輪軸向安裝一個(gè)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)，一片永磁鐵固定轉(zhuǎn)盤(pán)上，干簧管固定安裝在計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)附近。整個(gè)傳感器的組成示意圖如圖4所示。

    轉(zhuǎn)盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈，永磁鐵就經(jīng)過(guò)干簧管一次，即在信號(hào)端產(chǎn)生一個(gè)計(jì)量脈沖，單片機(jī)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)計(jì)量脈沖即可求出流量。但是使用單個(gè)干簧管易受水錘現(xiàn)象、人為電磁干擾等外界因素的影響，產(chǎn)生較大的計(jì)量誤差。所以，感溫水表在設(shè)計(jì)流量傳感器時(shí)采用了雙干簧管傳感器(見(jiàn)圖4)。當(dāng)檢測(cè)到干簧管A吸合時(shí)，先記錄下來(lái)；再檢測(cè)干簧管B，只有檢測(cè)到干簧管B吸合后才認(rèn)為此次采集的計(jì)數(shù)脈沖有效。
2．2 溫度傳感器
    水管溫度傳感器采用了Dallas公司的DS18B20傳感器，測(cè)量范圍：-55～+125℃，分辨率12位，滿足設(shè)計(jì)要求。DS18B20以計(jì)數(shù)器原理工作，可直接向單片機(jī)輸出數(shù)字量，不需要后加加A／D轉(zhuǎn)化模塊。它采用單總線方式，僅需一根信號(hào)線與單片機(jī)連接即可傳送串行數(shù)據(jù)，且不需要外部元件。測(cè)溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)為9～12位，并可編程選擇?？刂坪?jiǎn)單，工作可靠。
2．3 液晶顯示電路和存儲(chǔ)電路
    感溫水表信息顯示模塊采用液晶顯示屏(LCD)顯示。由于該水表顯示的內(nèi)容包括少量數(shù)字和字母，段式LCD1602B就可以滿足要求，且價(jià)格低廉。它內(nèi)部集成有LCD控制器、LCD驅(qū)動(dòng)器和RAM，因而可方便顯示數(shù)據(jù)的編程。設(shè)計(jì)中，1602B采用3～4線串行數(shù)據(jù)輸入，直接與單片機(jī)P0口相連。由于串行接口方式節(jié)省了所需的口線和系統(tǒng)資源，因而使系統(tǒng)具有較高的資源利用率。
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用I2C總線的E2PROM存儲(chǔ)器CAT24WC04。CAT24WC04是串行的E2PROM存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量為4 KB。圖2中草SCL為時(shí)鐘線，SDA為數(shù)據(jù)線。當(dāng)前時(shí)刻的流量數(shù)據(jù)會(huì)保存在CAT24WC04中，可保證掉電時(shí)，數(shù)據(jù)不丟失。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，主程序通過(guò)調(diào)用各子程序模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，其程序流程如圖5所示。

    系統(tǒng)初始化程序完成單片機(jī)端口的功能選擇及各寄存器、LCD顯示模塊的初始化。溫度傳感器模塊檢測(cè)當(dāng)前水管中液體溫度，并與設(shè)定的閾值(85℃)相比較，當(dāng)溫度高于閾值時(shí)，流量傳感器模塊計(jì)算當(dāng)前流量。LCD顯示模塊程序完成流量顯示，存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)當(dāng)前流量值。
3．2 流量信號(hào)的計(jì)算
    流量傳感器中的干簧管采用單計(jì)數(shù)脈沖輸入，2個(gè)100μF的電容用來(lái)消除雙干簧管閉合時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)。如圖4所示，轉(zhuǎn)盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈，永磁鐵經(jīng)過(guò)干簧管附近一次，即產(chǎn)生一個(gè)計(jì)量脈沖。雙干簧管的情況下這要計(jì)數(shù)脈沖有效就對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算。具體的程序流程如圖6所示。

    當(dāng)檢測(cè)到干簧管A的脈沖信號(hào)是并不直接開(kāi)始計(jì)算，還要檢測(cè)干簧管B得脈沖信號(hào)。當(dāng)干簧管B的脈沖信號(hào)也被檢測(cè)到的時(shí)候，認(rèn)為此次計(jì)數(shù)脈沖有效，并記錄，與以前的檢測(cè)脈沖數(shù)求和。
    在室溫下進(jìn)行20次測(cè)量實(shí)驗(yàn)，傳感器管道直徑50 mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到該流量傳感器平均一次有效計(jì)數(shù)脈沖對(duì)應(yīng)0．64 L的液體流過(guò)設(shè)計(jì)管道。
    若當(dāng)前記錄的總的脈沖數(shù)為N，則此時(shí)的流量Q=0．64N(單位：L)。
3．3 溫度測(cè)量
    感溫水表的溫度測(cè)量系統(tǒng)的溫度傳感器是DS18B20，硬件電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。但是這是以犧牲軟件為代價(jià)的，在編程時(shí)必須嚴(yán)格遵守DS18B20工作時(shí)序的要求。基于DS18B20的溫度信號(hào)檢測(cè)流程如圖7所示。

    先由主機(jī)給DS18B20發(fā)一個(gè)復(fù)位脈沖，在DS18B20發(fā)回響應(yīng)脈沖給主機(jī)后，主機(jī)再發(fā)讀ROM命令(代碼33H)，并發(fā)一個(gè)15μs左右的脈沖，接著再讀取DS18B20序列號(hào)的一位，并用同樣方法讀取序列號(hào)的每一位。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文所設(shè)計(jì)的感溫水表，以AT89C52單片機(jī)為核心控制芯片，加入了溫度傳感器、流量傳感器、外圍顯示電路和E2PROM存儲(chǔ)設(shè)備。
    設(shè)計(jì)提出的采用DS18B20傳感器采集溫度信號(hào)的設(shè)計(jì)方案，克服了普通水表不能分辨冷熱水的缺陷，適合用于我國(guó)各種不同的區(qū)域環(huán)境。同時(shí)，其計(jì)量準(zhǔn)確度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，有良好的實(shí)用價(jià)值，具有廣闊的市場(chǎng)前景。