基于单片机的水计价器设计毕业论文.docx
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基于单片机的水计价器设计毕业论文
本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
基于单片机的水计价器设计
本科毕业论文（设计）
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本人郑重声明：
本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。
毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
特此声明。
论文（设计）作者签名：
日期：
基于单片机的水计价器设计
摘要
随着人们物质生活水平越来越高以及物价市场的持续波动，原有的以计量为主的功能单一仪表不再满足人们日益多元化的需要，而通过计价器人们可以直观的了解日常各项开支，因此，计价器越来越多的影响着人们日常生活，特别是在出租车、水费、供暖等日常消费活动中应用广泛。
本系统采用STC89C52单片机作为控制核心，充分利用单片机的数据处理及实时检测功能，实现对水流量进行检测，并可以根据当前水费单价进行水费计量功能。
外围扩展电路主要包括时钟电路、电源电路、温度检测电路、数据存储电路、键盘输入电路、无线控制电路、报警电路及液晶显示电路等。
整体设计实现了用微机技术对水流量进行实时检测和水费计量，外围扩展电路采用模块化设计，系统整体结构清晰，维护方便，对其他相似计费系统有很好的参考价值。
关键词：
单片机，流量，温度，计费
Abstract
Aspeople'smaterialstandardoflivinggettinghigherandhigher,andthemarketpricecontinuedvolatility,theoriginalpurposeofmeasuringthemainfunctionofasingleinstrumentnolongermeetstheneedsofanincreasinglydiversepeople,andpeoplecanintuitivelyunderstandtheexpenditurethroughthemetereveryday.Therefore,themeteraffectedmoreandmorepeople'sdailylife,especiallyinthetaxi,water,heatingandotheractivitiesofdailyconsumption.ThesystemusesSTC89C52MCUasthecontrolcore,takesfulladvantageofsingle-chipdataprocessingandreal-timedetectionfunctiontoachievethewaterflowdetection.Italsocanbecarriedouttheexpensiveofwateraccordingtothecurrentprice.Expansionoftheexternalcircuitincludestheclockcircuit,powersupplycircuit,thetemperaturedetectioncircuit,datastoragecircuit,keyboardcircuit,theradiocontrolcircuit,thealarmcircuitandliquidcrystaldisplaycircuit.Theoveralldesignhasachievedwaterflowdetectionandwatermeteringwithcomputertechnology,externalexpansioncircuitusesamodulardesign,thesystemoverallstructureisclear,easymaintenanceandalsocanbeagoodreferencetoothersimilarbillingsystem.
Keywors:
SCM,flow,temperature,billing
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着现代社会的进步，经济的发展，人们对生活水平的要求越来越高，现代的家居生活更加体现高品位、高质量、个性化、智能化的特点。
水、电、暖是家居生活必不可少的要素，对之精确、便捷的测量也显得尤为重要。
传统的水表由传感器和转换器部分构成，大多以码盘或者数码管形式显示水流量或水量，功能较为单一。
而且由于其不具备水费计量功能，因而不能很好的促进人们节能减排意识的提高。
单片机具有体积小、功能强、可靠性高、价格低廉等一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代。
本文设计的以单片机为控制核心的智能水计价器功能强大，用较少的硬件和适当的软件相互配合即可以很容易的实现系统设计要求，系统灵活性强，且可以通过软件升级来完成更多的附加性功能。
该智能型水计价器系统和传统水表相比，具有功能多样化的优点，更加符合当今社会智能、节能、环保的发展观念，使人们在享受高品位、高质量、个性化、智能化生活的同时提高了节约用水意识。
1.2研究目的、内容及思路
随着电子信息技术的飞速发展和人们节能减排意识的提高，计价器在人们日常生活中得到越来越多的应用，特别是在和人们生活密切相关的水、电、暖等方面应用普遍。
早起的水计价器是通过直接显示被测对象的量来进行人工计算，后来又发展了模拟控制计价器。
但是采用模拟电路所用器件较多，导致电路复杂、故障率高、调试困难等问题，另外，不同模式的切换用到的机械开关会造成接触不良，从而导致系统工作不稳定。
基于此，本文拟设计一款基于单片机的智能型水计价器，该系统采用STC89C52单片机作为系统控制核心，在充分利用其丰富I/O端口及控制灵活性的基础上，实现水费计量、时间显示和数据存储功能。
除了可以完成上述基本功能外，该计价器还具有水温实时检测，水流量液晶显示，无线遥控能外部扩展功能。
本文研究内容和思路如图1.1所示：
图1.1本论文主要研究内容及思路
第2章水计价器系统总体方案设计
2.1系统设计方案简介
系统采用台湾宏晶公司设计生产的STC89C52单片机作为主控制器，结合电源电路、DS18b20水温检测电路、HZ41C流量检测电路、AT24C02数据存储电路、键盘输入电路、无线控制电路、DS1302系统时钟电路及TGB12864液晶显示电路等外围电路，共同实现对自来水的自动温度检测、流量检测以及水费计量。
系统硬件电路结构简单，功能强大，测量精度高。
其硬件原理图如图2.1所示。
系统工作过程如下：
在STC89C52单片机的控制下、水流量传感器HZ41C和水温传感器DS18b20实时采集水流量和水温数据，数据传入STC89C52单片机处理，计算出所采集的水流量后，通过液晶屏TGB12864动态显示当前水流量、水费及水温数据。
另外系统还具有时钟显示、按键输入、遥控等功能。
图2.1系统结构框图
2.2系统技术参数及性能特点
1、系统性能特点
具备有关水流量监测规程、规范要求的检测功能：
数据显示、分析、存储功能。
采用单片机最小系统设计，不用外扩其他硬件电路，体积小，成本低。
2、主要技术参数
✧工作环境温度：
-10~55℃；
✧测温范围：
0℃-100℃；
✧温度误差：
≤±1.0℃；
✧流量监测范围：
0.2~2.5L/min。
0.2~0.4L/Min时，1L=2100次；0.5~0.8L/Min时，1L=2280次；0.9~1.2L/Min时，1L=2350次；1.2~2.5L/Min时，1L=2460次（脉冲次数在流量变化时有一定程度的变动）；
✧流量测量精度：
±5%（在流量稳定的系统，精度可达±2%）
✧实时检测：
可对水温，水流量不间断检测和定时检测；
✧报警系统：
对采集到的温度数据进行分析，达到报警上下限后系统有警报提示。
第3章水计价器硬件电路设计
3.1单片机最小系统设计
3.1.1STC89C52单片机简介
STC89C52系列单片机是台湾宏晶科技公司推出的一款超强抗干扰、高速、低功耗单片机。
指令代码对8051单片机完全兼容，具有12分频时钟/机器周期和6分频时钟/机器周期，可选择使用，其内部方框图如图3.1所示。
最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路[1]。
（1）增强型6分频时钟/机器周期和12分频时钟/机器周期：
（2）工作电压：
5.5v～3.4V/3.8v～2.0V：
（3）工作频率范围：
0～40MIPS，实际工作频率可高达48MHz；
（4）用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节；
（5）片上集成有128字节/512字节RAM；
（6）通用I/O口（32/36），复位后为P1/P2/P3/P4是准双向口，弱上拉；
（7）ISP/IAP编程模式，无需专用编程器和仿真器；
（8）E2PROM功能；
（9）内置硬件看门狗：
（10）内部集成MAX810复位芯片，当外部晶振频率为20M以下时，可省略外部复位电路：
（11）3个16位T/C，其中定时器0可以作为两个8位定时器使用；
（12）4路外部中断，下降沿或低电平触发方式：
（13）通用异步串行口UART；
（14）工作温度：
0～75℃，-40～+85℃；
（15）封装：
PDIP-40；PLCC：
PQFP-44。
图3.1STC89C52内部方框图
STC89C52外形、引脚排列如图3.2，引脚功能如下：
✧VCC（40）：
＋5V
✧GND（20）：
接地
✧P0口（39~32）：
P0口为8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。
P1口（1~8）：
P1口是8位内部提供上拉电阻的双向I/O口，P1口内部缓冲器能接收或输出4个TTL电流。
✧P2口（21~28）：
P2口也是8位内部提供上拉电阻的双向I/O口，P2口内部缓冲器同样可接收和输出4个TTL门电流。
✧P3口（10~17）：
P3口普通I/O功能同P1口和P2口，带有8个内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流。
同时，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。
✧RST（9）：
复位输入端。
振荡器复位时，要保持RST引脚至少2个机器周期的高电平。
✧ALE/PROG（30）：
当单片机对外部存储器访问时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位，在对单片机FLASH编程期间，此引脚用于编程脉冲输入。
在平时的时候，ALE端以固定频率（依据起振电路而定）输出正脉冲信号，此频率是振荡器频率的1/6，它可以用作对外部输出的脉冲或用于定时，需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。
✧PSEN（29）：
外部程序存储器选通信号。
当单片机从外部程序存储器取值的时候，每个机器周期中有2次PSEN有效，但在对外部数据存储器访问时，这2次有效的PSEN信号将不出现。
✧EA/VPP（31）：
当EA保持持续低电平时，外部程序存储器地址始终为0000H－FFFFH，而不管是否具有内部程序存储器。
在对单片机FLASH编程期间，此引脚用于施加12V的外部编程电源（VPP）。
✧XTAL1（19）：
反向振荡放大器的输入端，内部时钟工作电路输入端。
✧XTAL2（18）：
反向振荡器输出端。
图3.2STC89C52引脚排列外形图
3.1.2单片机最小系统电路
单片机最小系统电路图如图3.3。
包括时钟电路和复位电路。
1、时钟电路
时钟电路由振荡电路和分频电路组成。
其中振荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容构成，用于产生震荡脉冲。
而分频电路则用于把震荡脉冲分频，已得到所需要的时钟信号[2]。
时钟电路的作用主要是产生单片机工作所必需的时钟信号，而以时钟信号为基准的时序是指令执行中各信号之间严格遵守的相互关系。
单片机本身就是一个异常复杂的同步时序电路，为了实现工作方式同步，应该有唯一的时钟信号对电路时序严格控制。
单片机STC89C52内部自带时钟电路，因此，在实际使用时只需要在片外通过XTAL1引脚（19）和XTAL2引脚（18）接入晶体振荡器和电容等定时控制元件，即可构成稳定的自激振荡器。
STC89C52单片机内有一个高增益反相放大器，在芯片外部，XTAL1引脚和XTAL2引脚之间跨接了晶体振荡器和微调电容。
在单片机的XTAL1引脚和XTAL2引脚之间并接一个晶体振荡器就构成了内部振荡方式。
STC89C52单片机内部有一个高增益的反相放大器，XTAL1为内部反相放大器的输入端，XTAL2为内部反相放大器的输出端，在其两端接上晶振后，就构成了自激振荡电路，并产生振荡脉冲，振荡电路输出的脉冲信号的频率就是晶振的固有频率。
在实际应用中通常还需要在晶振的两端和地之间各并上一个小电容。
AT89C52芯片中的高增益反响放大器，其输入端为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
通过这两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容器（电容C1和电容C2一般取30pF）。
2、复位电路
复位是单片机的硬件初始化操作，其目的是使CPU和系统中各部分处于一个确定的状态，并从这一状态开始工作。
系统上电路或死机后都要进行复位操作。
单片机的RST引脚为复位引脚，振荡电路正常工作后，RST端加上持续两个机器周期的高电平后，单片机就被复位。
复位电路有3种基本方式：
上电复位，开关复位和看门狗复位。
本课题采用上电复位方式是指通过系统接通电源的方式，使单片机进入复位状态。
上电复位电路是最为简单的复位电路，一般不单独使用。
图3.3中C1与R5构成了上电复位电路。
上电复位后，电源经R5对C1充满电源，C1等效于开路，RST端为低电平；单片机正常工作。
在上述电路中C1、R5按照经验取值，C1为22uf的极性电容，R5为1K的电阻。
复位电路的作用非常重要，能否成功复位关系但单片机系统能否正常运行的问题。
如果振荡电路正常而单片机系统不能正常运行，其主要原因是单片机没有完成正常复位，程序计数器的值没有回0，特殊功能寄存器没有回到初始状态。
这时可以适当地调整上电复位电路的阻容值，增加其充电时间常数来解决问题。
经过复位操作后，单片机系统才能开始正常工作[3]。
图3.3单片机最小系统电路
3.2水流量检测电路设计
课题任务中最重要的是水流量的测量，通过水流量传感器的数据采集。
本文选用深圳欧卡达公司的OKD-HZ41C水流量传感器，根据其参数可以得出单片机在运算时的数据。
OKD-HZ41C水流量传感器外形如图3.4所示。
图3.4水流量计图
3.2.1OKD-HZ41C水流量传感器简介
水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量的传感器。
水流量传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔传感器组成，装在进水端用于检测进水流量的大小及通断。
将负载电阻串接在霍尔元件的正极处，同时通以5V直流电压使电流和磁场方向正交。
当水流通过涡轮开关壳推动磁性转子时会产生磁极不相同的旋转磁场，通过切割磁感线产生了变化的高低脉冲电平。
传感器中霍尔元件脉冲输出信号的频率和磁性转子的转速成正比，而磁性转子转速又和水流量成正比，因此，根据传感器的脉冲输出数目即可计算水流量的大小[4]。
OKD-HZ41C水流量传感器的电气参数如表3.1所示：
表3.1OKD-HZ41C水流量传感器的电气参数表
标识、外观
有型号规格、生产日期，清洁美观
光滑无毛刺、无杂色
耐水压性能
0.8MPa水压下无漏水现象，且零件无裂纹、
松弛、膨胀、变形等异常现象
工作电压范围
DC3-18V，额定DC5V
最大工作电流
15mA
输出脉冲高电平
在额定5V工作电压时，
输出的高电平要求在4.5V以上
输出脉冲低电平
在额定5V工作电压时，
输出的低电平要求在0.5V以下
输出脉冲占空比
在额定工作电压时，
输出的脉冲占空比50%±10%
流量脉冲特性
见流量参数和脉冲对照表
绝缘性能
绝缘电阻＞100MΩ
电气强度
AC500V 50Hz，不击穿或闪络
耐热性（80℃）
80℃温度中放置72小时，然后在环境温度下
恢复1小时测量的精度要求在±5%以内
耐寒性（-20℃）
在-20℃温度中放置72小时，然后在环境温度下
恢复1小时测量的精度要求在±5%以内
接线方式
红色：
正极，黑色：
负极，黄色：
脉冲信号
3.2.2水流量检测电路
OKD-HZ41C水流量传感器各接口属性及功能描述如表3.2所示：
表3.2OKD-HZ41C水流量传感器引线分配
引脚
名称
颜色
描述
1
Signal
黄色
脉冲信号输出端
2
VDD
红色
电源电压（额定DC5V）
3
Earth
黄绿
大地
4
GND
白色
地线
单片机与OKD-HZ41C的典型连接电路如图3.5所示。
传感器的信号输出端经过104瓷片电容滤波作用后与单片机的一个I/O端口连接即可。
输出脉冲高电平4.5V以上，低电平0.5V以下，脉冲输出占空比50±10%。
另外，在使用中应尽量减小传输信号线的长度。
图3.5水流量测量电路
3.3水温检测电路设计
温度是水的重要指标之一，也是本文需要测量的重要参数，，故先用温度传感器DS18b20的数据采集，再通过单片机数据处理，最后在液晶屏显示出来。
3.3.1DS18b20温度传感器简介
温度检测部分采用集成温度传感器DS18b20，DS18b20外形封装如图3.6，它采用独特的单总线接线方式传输，在与微处理器连接时仅需要单条数据线即可实现单片机和DS18b20双向通讯任务，不需要其他外围器件支持，温度检测的全部传感元件及转换电路均集成在一只形状类似三极管的集成电路内，工作电源范围为3.0～5.5V，测温范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃的温度测量范围内分辨率为0.5℃，数据测量结果以9位或12位的数字量方式储存在传感器的内部数据寄存器中，最后数据通过单片机读写命令以单总线串行方式传送给CPU，同时具有CRC校验码功能和极强的抗干扰纠错能力[5]。
图3.6DS18b20外形封装
3.3.2温度检测电路
该模块各接口属性及功能描述如表3.3所示：
表3.3DS18b20引脚分配
引脚
名称
描述
1
GND
地
2
SDA
串行数据双向口
3
VDD
电源电压（3.5-5.5V）
单片机与DS18b20的典型连接电路如图3.7所示。
为了使DS18b20能完成准确的温度变换，当温度变换发生时I/O线上必须提供足够的功率单总线通信模式下，经过上拉作用后的串行数据双向口SDA（2脚）与单片机的一个I/O端口连接即可。
实际工程使用中应尽量使中间连线短于30m，上拉电阻推荐为为5.1k。
在总线上的主机不知道总线上DS18b20是寄生电源供电还是外部VDD电源供电的情况下，在DS18b20内采取了措施来通知微控制器其当前工作所采用的供电方案。
总线上的主机通过发出跳过ROM的操作约定，继而发送读电源命令，同时可以决定是否有需要强上拉的DS18b20在总线上。
此命令发出后，主机紧接着发出读芯片命令，如果是寄生供电方式，DS18b20将在单线总线上送回“0”反馈；如果是由VDD电源供电，它将送回“1”。
如果主机接收到一个“0”，则必须在温度变换的同时在数据线上提供一个强的上拉电源。
当系统在连接线长度大于30m时，需要根据通信情况降低使用上拉电阻的值，以避免线路压降过大使传感器出现供电不足状况，确保线信号传递准确与稳定[6,7]。
图3.7DS18b20接口电路图
3.4AT24C02数据存储电路设计
在单片机的开发应用中，常常希望对现场输入的数据能够在断电的情况下长久保存，以避免下次开机时的重新输入，此项工作通常采用AT24C02芯片来完成。
3.4.1AT24C02数据存储芯片简介
数据存储主要用于存储当前已设定的单价信息，系统断电后当前设定单价不丢失，并且存储已载乘客消费信息。
本设计中采用的是AT24C02,其PDIP8封装如图3.8所示。
图3.8AT24C02封装图
AT24C02是带I2C总线接口的E2PROM，其容量为256×8，它的特点是无需特殊设备支持，单片机本身就可对它进行读/写操作，写入数据在断电情况下可保存十年以上，使用非常方便。
但由于STC89C52单片机没有I2C总线接口，故不能直接使用。
通常采用虚拟I2C总线技术来解决这个问题。
其主要特性如下所示：
✧工作电压：
1.8V～5.5V；
✧输入/输出引脚兼容5V；
✧应用在内部结构；
✧128×8（1K），256×8（2K），512×8（4K），1024×8（8K），2048×8（16K）；
✧二线串行接口；
✧输入引脚经施密特触发器滤波抑制噪声；
✧双向数据传输协议；
✧兼容400KHz（1.8V,2.5V,2.7V,3.6V）；
✧支持硬件写保护；
✧高可靠性：
读写次数1,000,000次，数据保存100年。
表3.4AT24C02引脚定义
引脚名称
引脚功能
A0~A2
器件地址输入
SDA
传销数据输入输出
SCL
串行时钟输入
WP
写保护
VCC
电源
GND
地
AT24C02的第1、2、3管脚是芯片的三条地址线，用于确定芯片硬件地址；第4管脚和第8管脚分别为正、负电源断开。
第5管脚SDA是数据串行输入/输出断开，时间数据通过这条双向的I2C总线以串行方式传送，SDA和SCL和正电源之间都需要各接一个5.1K的电阻作为上拉电阻。
第7管脚为WP写保护端，该管脚接地时允许芯片执行一般读写操作，接电源时则不允许对器件写入。
AT24C02中自带片内地址寄存器，每当写入或读出一个数据字节，该地址寄存器加1，以准备对下一个存储单元的读写操作，寄存器中所有的字节均以单一操作方式读取。
同时，为了降低总的写入时间，一次写入操作可写入多达8个字节的数据量[8]。
长时间处于极限条件下，将影响器件的可靠性。
AT24C02的极限额定参数如表3.5所示，如果外加条件超过“极限额定参数”的额定值，将会对芯片造成永久性的破坏。
表3.5AT24C02极限额定参数表
工作温度
-55℃~+125℃
存储温度
-65℃~+150℃
任何引脚的对地电压
-1.0V~+7.0V
最大工作电压
6.25V
直流输出电流
5.0mA
3.4.1AT24C02数据存储电路
设计电路如图3.9所示：
图3.9数据存储电路
3.5系统时钟电路设计
在实时性控制的单片机系统中，一些数据的检测常需要与时间相关，这时就需要在系统中提供实时时钟信号。
例如，在故障诊断控制系统中，特别是长时间无人值守的测控系统中，经常需要记录某些故障数据及其出现的时间，以便进行原因查询和事故检修，这时使用实时时钟芯片，就能很好地解决这个问题。
本文是利用单片机STC89C52和时钟芯片DS1302进行数据通信，以读取和写入时。
3.5.1DS1302时钟芯片简介
DS1302是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加有31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可以采用突发方式，一次传送
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