李素平，毛萬(wàn)中，蔣厚芝

（巢湖學(xué)院　機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽　巢湖　238000）

1　引言

目前，由于市面上的水表功能單一，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的計(jì)量功能，在一些論文和專利文獻(xiàn)中，出現(xiàn)過(guò)溫度感應(yīng)、信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ埽鞘袌?chǎng)上這些功能并沒(méi)有普及，主要原因是上述功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)要求相對(duì)較高，且成本高，不易普及[1-5].本設(shè)計(jì)易實(shí)現(xiàn)、成本低、性價(jià)比高，更易于普及.本設(shè)計(jì)中的水表節(jié)水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)包括兩大模塊：水量檢測(cè)與控制系統(tǒng)及用水時(shí)間控制系統(tǒng).通過(guò)水流量傳感器檢測(cè)水管中水量及水壓等基本信息，同時(shí)借助水量檢測(cè)與控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用戶用水量的控制，達(dá)到節(jié)約用水的目的[6-7].同時(shí)通過(guò)用水時(shí)間控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用水時(shí)長(zhǎng)的控制.此外，本設(shè)計(jì)還包括水表無(wú)水自鎖功能，當(dāng)水管中長(zhǎng)時(shí)間無(wú)水流時(shí)，水表會(huì)控制表內(nèi)電磁閥門(mén)關(guān)閉,需要用水時(shí)用戶可以通過(guò)終端開(kāi)關(guān)打開(kāi)電磁閥門(mén).該創(chuàng)新型功能可以有效地解決人們?cè)谕Ｋ畷r(shí)誤開(kāi)水龍頭忘記關(guān)閉造成的水資源浪費(fèi)問(wèn)題.

2　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)框圖

如圖1所示，該系統(tǒng)組成框圖有三大模塊構(gòu)成:A:總閘模塊，B：水表模塊，C：終端模塊.其中,總閘模塊包括手動(dòng)總閥門(mén)，用戶可自行切斷水源.

當(dāng)B、C模塊出現(xiàn)故障，用戶可關(guān)閉A模塊閥門(mén)，可、緊急止水.水表模塊包含水壓傳感器、計(jì)量器、單片機(jī)及電磁閥門(mén).水壓傳感器可以測(cè)定水流信息，單向傳遞給單片機(jī)和計(jì)量器件，單片機(jī)接收到來(lái)自傳感器的信號(hào)后，對(duì)外輸出高電平號(hào)，可啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)功能，定時(shí)結(jié)束則電磁閥關(guān)閉.若水壓傳感器無(wú)信號(hào)輸出，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后單片機(jī)控制電磁閥關(guān)閉.

終端模塊包括壁掛式開(kāi)關(guān)和水龍頭，壁掛式開(kāi)關(guān)與B模塊的單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸，控制電磁閥門(mén)的打開(kāi)（只能打開(kāi)閥門(mén)，不具備關(guān)閉閥門(mén)的功能），終端模塊可多級(jí)并聯(lián)，提高設(shè)計(jì)的實(shí)用性，安裝位置可選，用來(lái)開(kāi)啟水閥門(mén)，不具備關(guān)閉閥門(mén)作業(yè).

3　硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為中央控制單元核心芯片，由流量傳感器、電子開(kāi)關(guān)模塊、數(shù)碼管顯示電路、按鍵模塊、復(fù)位開(kāi)關(guān)以及電磁閥等部分組成.系統(tǒng)電路組成框圖如圖2所示.

圖2　系統(tǒng)電路框圖

流量傳感器，其與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)通訊，如果流量傳感器檢測(cè)到流量信號(hào)，則向單片機(jī)輸出高電平，反之，向單片機(jī)輸出低電平；按鍵模塊與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，主要包括定時(shí)、定量和選擇按鍵；復(fù)位開(kāi)關(guān)安裝在水龍頭終端，其與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)通訊，能及時(shí)間接控制電磁閥的開(kāi)啟（不能關(guān)閉電磁閥）；數(shù)碼管顯示電路與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，能顯示用水量、定數(shù)量、定時(shí)時(shí)間等信息；電子開(kāi)關(guān)模塊包括電子開(kāi)關(guān)和電磁閥，電子開(kāi)關(guān)與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，與電磁閥之間進(jìn)行電通訊，電子開(kāi)關(guān)接收到單片機(jī)輸出的高電平，控制電磁閥關(guān)閉；電子開(kāi)關(guān)接收到單片機(jī)輸出的低電平，則控制電磁閥打開(kāi).中央控制電源是整個(gè)節(jié)水控制系統(tǒng)的核心，STC89C52單片機(jī)是核心芯片.本設(shè)計(jì)中，STC89C52單片機(jī)接收三路信號(hào)，向外輸出兩路信號(hào)，信號(hào)之間以低電平通訊[8].

3.1　功能描述

定量停水功能：用戶自行在計(jì)量器設(shè)置用水量，系統(tǒng)通過(guò)水壓傳感器計(jì)算出水流量，并將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，當(dāng)水流量達(dá)到用戶設(shè)定值，單片機(jī)控制電磁閥門(mén)關(guān)閉.該功能適用于學(xué)校公寓、小區(qū)公寓等需對(duì)用水量進(jìn)行控制的區(qū)域.

定時(shí)停水功能：用戶可設(shè)置停水時(shí)間，由系統(tǒng)內(nèi)部單片機(jī)自動(dòng)計(jì)時(shí)，到達(dá)時(shí)限電磁閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉.該功能很好的應(yīng)用與按時(shí)停水區(qū)域.

自鎖功能：用戶自行設(shè)置自鎖時(shí)限，當(dāng)水壓傳感器接收到無(wú)水壓信號(hào)時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)計(jì)時(shí)，達(dá)到時(shí)限，單片機(jī)發(fā)送關(guān)閉指令給電磁閥門(mén)，閥門(mén)關(guān)閉.當(dāng)超過(guò)時(shí)限用戶需要用水時(shí)，可按下C模塊的壁掛式開(kāi)關(guān)，這時(shí)電磁閥門(mén)打開(kāi).該功能是本應(yīng)用型設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)之一，在日常生活中，有些人因停水時(shí)誤開(kāi)水龍頭忘關(guān)而對(duì)生活造成困擾，浪費(fèi)水資源，甚至水會(huì)淹沒(méi)地板、家具等.本功能可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題.

3.2　主控制器STC89C52

STC89C52單片機(jī)作為主控制芯片，STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器.8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口.運(yùn)行速度快、價(jià)格便宜、性價(jià)比高.

圖3　主控制器示意圖

3.3　傳感器電路

水流量及水壓的檢測(cè)擬采用渦輪流量傳感器，輸入3～24V，小于10mA的電流，輸出方波.傳感器電路組成如圖4所示.

圖4　傳感器電路組成示意圖

流量傳感器是由水閥體、葉輪組件和霍爾傳感器組成[9]，當(dāng)有水流流過(guò)時(shí)向單片機(jī)發(fā)送脈沖，單片機(jī)通過(guò)測(cè)定一定脈沖數(shù)的水量，計(jì)算每個(gè)脈沖多少流量，對(duì)單個(gè)脈沖的流量進(jìn)行標(biāo)定，反復(fù)測(cè)試二十次取平均值，作為單個(gè)脈沖的流量數(shù)值.這樣水量定量的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為對(duì)脈沖數(shù)的計(jì)數(shù)問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì).

3.4　復(fù)位開(kāi)關(guān)電路

考慮到復(fù)位開(kāi)關(guān)電路輸出的電平要作為單片機(jī)的輸入信號(hào)，故采用7805三態(tài)穩(wěn)壓芯片將12V電壓轉(zhuǎn)化為5V.按鍵開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電路接通，單片機(jī)將接收到來(lái)自復(fù)位電路的信號(hào)，完成設(shè)置的動(dòng)作.具體復(fù)位電路組成如圖5所示.

圖5　復(fù)位電路組成示意圖

3.5　電磁閥及電子開(kāi)關(guān)電路

采用MOS管MK522作為電子開(kāi)關(guān)，其輸出端可以控制大功率設(shè)備，電機(jī)、燈泡、LED燈帶、電磁閥等.電磁閥的輸入電壓為12V，P1口接單片機(jī)的輸出信號(hào)，高電平觸發(fā)期間工作.具體示意圖如圖6.

圖6　電磁閥及電子開(kāi)關(guān)電路組成示意圖

4　軟件設(shè)計(jì)

圖7　系統(tǒng)軟件流程圖

在軟件設(shè)計(jì)中充分利用了STC89C52單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)水流量傳感器的特點(diǎn)，以及按鍵掃描、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的要求，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì).考慮到設(shè)計(jì)的實(shí)用性，設(shè)置檢測(cè)優(yōu)先級(jí)依次為：是否有水流、是否定時(shí)、是否定量.

設(shè)備上電初始化后檢測(cè)是否有水流？無(wú)水流則開(kāi)始計(jì)時(shí)30分鐘，計(jì)時(shí)結(jié)束則定時(shí)器溢出，輸出“1”；當(dāng)有水流時(shí)，檢測(cè)有否定時(shí)？是的話就輸入定時(shí)時(shí)間，開(kāi)始計(jì)時(shí)，到達(dá)定時(shí)時(shí)間定時(shí)器溢出，輸出“1”；當(dāng)不需要定時(shí)時(shí)再檢測(cè)是否定量？用戶輸入水量，此時(shí)根據(jù)算法，將定量轉(zhuǎn)化為定時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束則定時(shí)器溢出.輸出“1”.設(shè)計(jì)中定時(shí)和定量功能只能二選一.

5　系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

依據(jù)上述硬件及軟件要求，我們?cè)O(shè)計(jì)出該節(jié)水型水表的模型，為了驗(yàn)證系統(tǒng)功能的正確性，對(duì)系統(tǒng)定量停水，定時(shí)停水及停水自鎖功能分別進(jìn)行了測(cè)試.測(cè)試結(jié)果如下：

表1　水表定時(shí)功能測(cè)試結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，用戶自定義定時(shí)時(shí)間為30min，未到達(dá)定時(shí)時(shí)間（25min）時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)，復(fù)位開(kāi)關(guān)關(guān)閉；到達(dá)定時(shí)時(shí)間及之后時(shí)間（30min和35min）時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)及復(fù)位開(kāi)關(guān)均關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)停止供水；當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)（36min），電磁開(kāi)關(guān)隨之打開(kāi)，正常供水，起到復(fù)位功能.

表2　水表定量功能測(cè)試結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，用戶自定義水量為10L，且水量精度可達(dá)到1%.到達(dá)規(guī)定水量，電磁開(kāi)關(guān)和復(fù)位開(kāi)關(guān)均關(guān)閉，停止供水；未到達(dá)規(guī)定水量則正常供水.當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)相應(yīng)的打開(kāi)，此時(shí)持續(xù)供水，起到復(fù)位功能.

停水自鎖功能是該實(shí)用新型的亮點(diǎn).從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，用戶自定義計(jì)時(shí)時(shí)間為30min，流量傳感器自動(dòng)檢測(cè)有無(wú)水流，當(dāng)有水流時(shí)（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1），芯片不計(jì)時(shí)，整個(gè)供水系統(tǒng)正常工作.一旦檢測(cè)到無(wú)水流時(shí)，芯片自動(dòng)計(jì)時(shí)，未到達(dá)規(guī)定時(shí)間（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2）時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)打開(kāi)狀態(tài)，復(fù)位開(kāi)關(guān)關(guān)閉狀態(tài).到達(dá)規(guī)定時(shí)間及之后（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3、4），電磁開(kāi)關(guān)及復(fù)位開(kāi)關(guān)均關(guān)閉，此時(shí)電磁閥關(guān)閉.當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)打開(kāi)(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5)，電磁開(kāi)關(guān)隨之打開(kāi)，電磁閥打開(kāi)，此時(shí)流量傳感器自動(dòng)檢測(cè)，有水流則正常供水，無(wú)水流則重新計(jì)時(shí).

表3　水表停水自鎖功能測(cè)試結(jié)果

6　結(jié)束語(yǔ)

在社會(huì)水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下，設(shè)計(jì)了一種智能控制節(jié)水系統(tǒng).該系統(tǒng)能有效地節(jié)水、控水.特別針對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中，人們因?yàn)橥Ｋ畬?dǎo)致忘關(guān)水龍頭造成的水資源浪費(fèi)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用流量傳感器采集水管中水流量信息，可以及時(shí)關(guān)閉電磁閥門(mén)，達(dá)到節(jié)水的目的，給人們的日常生活帶來(lái)極大的便利.

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