基于51单片机的家用水流量计设计毕业设计文档格式.docx
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本系统主要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控制的主控制芯片模块，负责对数据进行显示的显示模块，用于切换和调节的按键模块，用于超过安全值而提出警报的报警部分，下面分别讨论和论证以下各个模块的选择以及选择该方案的原因。
1、方案论证与选择
1.1作品电源模块的论证与选择
方案一：
铅酸电池供电，优点电流大，输出稳定，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，电路构成复杂。
方案四：
利用12V的开关电源，功率高，稳定性好，但是成本较高。
经比较，选择方案二，因为USB供电，电源的电压电流恒定，既可以连接电脑，又可以连接充电器，重量轻，方便调试，又安全。
1.2水流量检测模块论证与选择
LWGY-15涡轮流量计，优点是该传感器具有结构简单、轻巧、精度高。
缺点是价格昂贵，对外界电场、磁场的抗干扰能力差。
自制光电对射式流量计，优点是价格便宜，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。
USN-HE06PA霍尔式水流量传感器，精度高，重量轻，方波计数输出，可以直接被单片机用于计数，价格便宜，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比，综合了前两个方案的优点。
而且作为实验用的设计，不需要太精密的传感器。
1.3水温检测模块论证与选择
方案一：
pt100温度传感器，优点是耐高温，精度高，转换速度快。
缺点是价格昂贵，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，优点是采用总线通信，数字化控制。
缺点是不能防水[3]。
方案三：
DS18B20数字温度计，本传感器优点是采用总线通信，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，所以综合以上三种方案，选择方案三。
1.4主控制芯片模块论证与选择
采用FPGA/CPLD系统，该系统时钟精度高，每个io口都可以做为双向输入输出，io口配置灵活。
但是程序设计比较复杂，芯片价格昂贵，不适合推广[2]。
采用台湾宏晶公司的STC89C52RC单片机作为控制系统。
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控制芯片，在八位的单片机中发展的最快，资料齐全，应用性强，价格便宜。
种类多样。
采用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，时间快，精度高。
资料比较齐全。
但是价格昂贵，程序设计比较复杂。
方案四：
采用韩国三星公司的嵌入式ARM9芯片--S3C2440，该芯片应用领域广，可以自带操作系统，智能化水平高，编程难度大，价格昂贵。
适用于高端智能电子产品。
[3]
经比较，我们采用方案二，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，虽然其他方案的控制芯片性能好，但是性价比不如方案二高。
再加上51单片机经过几十年的发展，技术成熟，使用的频率很高，方便批量生产。
1.5显示器模块论证与选择
若基亚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，采用串行总线接口与微控制器相连，引脚少，体积小，价格便宜。
程序设计较为复杂。
2.4寸TFT彩屏模块，可以显示彩色图片和文字，价格比较贵，视角较小，程序设计比较难。
引脚比较多。
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，需要增加硬件成本。
但是价格便宜，灵活性较强。
LCD1602，LCD液晶显示屏，带背光，自带字库，采用并口通信，功能多样，电路和程序设计简单，价格相对便宜，是低端电子产品的主流显示器之一。
经过比较，采用方案四，因为显示的数据不会很多，通过切换一次就可以显示所有的数据，而且价格相对便宜，控制起来很方便，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。
1.6按键控制模块论证与选择
矩阵键盘。
矩阵键盘可以做成4*4、2*2等多种类型，节省io口资源。
但是电路和程序设计较为复杂，适用于多个按键组成的键盘。
独立键盘，每个io口控制一个按键，虽然浪费io口，但是控制方便，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，采用方案二，因为本作品io口剩余较多，不需要很紧凑的使用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。
1.7报警指示部分论证与选择
采用喇叭，喇叭的声音比较难听，而且不好控制，但是价格比较便宜。
但是需要相关的驱动电路。
采用蜂鸣器，蜂鸣器的声音比较好听，而且易于控制，价格也便宜。
但是需要开关三极管作为驱动电路
采用LED灯，控制简单，价格及其便宜，无噪音污染。
可以直接连接单片机，不需要其他电路。
因为本产品是放在室内，如果声音一直响个不停，会引起人们的反感。
所以尽量做到不打扰用户的生活和休息时间，综合比较上面三个方案，选择方案三。
2系统设计
经过上述方案的论证，我们决定用MCS-51系列的STC89C52RC单片机作为主控制芯片，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。
采用LCD1602进行显示水价，水流量和温度。
采用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控制程序。
3结构方框图
整个电路由独立按键，主控制器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。
图1系统方框图
4理论分析与计算
本系统要实现，必须先进性一些理论性的分析。
主要分析水流量传感器的使用方法和数据转换。
而且要确保精度，所以算法一定要精确。
水流量传感器主要由塑料阀体、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，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，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变化，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出现电势差，这一现象就是霍尔效应。
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，由单片机判断水量的大小，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。
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
DC4.5V-20V
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1.25Mpa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
在这里我们选用的是内径为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。
根据这些信息，我们决定采用计数器计波形的方式来采集水流量。
（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，经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，用于采集流过的水量的水量检测模块，负责人机交换的按键模块，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，对产品进行控制的51单片机最小系统模块。
图6整体电路图
现在我们对每个模块分
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