毕业设计基于51单片机的智能节水型水表的设计.docx

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毕业设计基于51单片机的智能节水型水表的设计

基于51单片机的数显节水型水表的设计

摘要：

 本设计是基于51单片机的一种数显节水型水表。

该水表是采用霍尔传感器采集水流信号,通过对现有水表的改进,并结合电子传感技术，设计出一种体积小,重量轻,全数显的节水型水表。

该数显水表的叶轮处安装上小磁柱,水表外壳上装有霍尔元件AH44E，霍尔元件接收到的信号被传入单片机，信号通过处理，传送到显示板上，显示板上分别带有可显示瞬时流量、累计流量的视窗、报警灯和报警器，显示板上盖有透明密封板。

本设计有如下的优点：

一、准确反应瞬时流量和累计流量,读数准确,使用效果好；二、能够在超过用户设定值时提醒用户，起到了时时提醒用户节水的目的。

关键字：

数显，霍尔传感器，小磁柱，显示板，报警

Thedesignofdigitalshowedwater-meterbased

on51Microcontroller

Abstract:

Thisdesignisasavingmeterwhichbasedonadigitaldisplay51microcontroller.ThewatermeteriscollectedusingHallsensorsignalflowthroughtheimprovementoftheexistingwatermeter,combinedwithelectronicsensingtechnology,Designasmallsize,lightweight,allfiguresshowthewater-meter.Thefiguresshowthattheimpellertoinstallwatermetersonthesmallcylinder.ThewatermeterisequippedwithaHallelementAH44Eshell.HallelementreceivedsignalispassedtoSCM.Thesignalisprocessed,senttothedisplayboard.Displayboardcanbedisplayedwiththeinstantaneousflow,respectively,thecumulativeflowwindow,alarmlightsandalarm,thedisplayboardcoveredwithatransparentsealingplate.Thisdesignhasthefollowingadvantages:

1,accuratelyreflecttheinstantaneousflowandtotalflowrate,readingaccuracy,andefficiencyisgood;2,theusercansetthevalueinmorethanremindtheuser,playingthepurposeofsavingtimetotimetoremindtheuser.

Keyword:

Figuresshow,Hallsensors,smallcylinders,displayboard,alarm 

目录

1设计来源及设计意义3

2设计方案3

2.1总体设计3

2.1.1智能水表的硬件组成部分3

2.1.2智能水表应具有以下功能：

3

2.1.3智能水表实现方式4

2.2理论基础4

2.2.1AT89S51单片机4

2.2.2AH44E霍尔传感器5

2.2.31602LCD液晶显示屏6

2.2.4水流计7

3硬件设计8

3.1设计方案8

3.2电路图的设计9

3.2.1信号采集电路9

3.2.2数据显示电路10

3.2.3复位电路10

3.2.4报警灯电路11

4软件设计12

4.1主流程框图12

4.2按键扫描子程序框图14

4.3流水量计数程序框图15

4.4报警子程序框图15

5系统调试17

6总结17

致谢17

附录：

18

附录一：

1602LCD简介18

附录二：

霍尔元件简介及应用22

附录三：

按键扫描子程序30

1设计来源及设计意义

近年来，全球缺水问题已引起人们普遍关注。

我国是淡水资源严重紧缺的国家之一，城市缺水特别是我国北方城市缺水已经到了相当严重的地步。

人们虽然有很好的节水意识，但是在生活中一般难以控制好用水量，如果每月没有限定好用水量，那将造成淡水资源的严重浪费。

传统的水表就只有计数功能，而且安装在户外，不具有提醒用户节水的功能，基于这一现象，我设计了一款能够提醒用户主动节水的智能数显节水型水表。

同时推动我国智能水表产业的发展，中国智能水表网特地推出智能水表技术推广工程，限量扶持部分个人或企业，投入智能水表生产，成为创业级合作伙伴。

2设计方案

2.1总体设计

2.1.1智能水表的硬件组成部分

水流计，小磁柱，霍尔元件AH44E,液晶屏1602LCD，矩阵键盘，单片机AT89S51，12MHZ晶振，无极电容104，复位开关，5V稳压电源等，报警灯，蜂鸣器。

2.1.2智能水表应具有以下功能：

1）用户可以设定两个用水量值，当这个月的流水量达到这两个值时，数显式节水水表进行报警，提醒用户设定的值已经达到，用户应该进行节水措施，不要无意识的浪费水资源；

2）当一个月的时间到时，数显式节水型水表将把用户一个月的用水量显示在液晶屏上，提示用户这个月的用水情况。

;

3）液晶屏时钟显示时间功能

4）液晶屏上时刻显示用水量信息，以便用户及时了解用水信息。

2.1.3智能水表实现方式

图1数显式节水水表工作原理图

数据采集：

在普通水表叶片处安装上小磁柱，外壳处安装上霍尔元件以检测叶片转过的圈数，再根据水表内部的体积，计算出用户的用水量。

数据处理：

通过单片机将采集的数据，经过单片机处理计算出每一段时间的用水量，同时，将用水量同用户设定的用水预期用水量进行比较。

数据显示：

一个月内，用户的实时用水量超过设定的预期用水量时，智能水表上的报警灯亮起，同时LCD液晶屏上显示报警信息，提醒用户节约用水。

一个月到时，单片机将把这一个月的用水量显示在液晶屏上，好让用户对当月的用水情况有个大概的了解。

2.2理论基础

2.2.1AT89S51单片机

AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，AT89S51是它的一种精简版本。

AT89S51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图2-1所示

图2AT89S51芯片引脚图

AT89S51共有40个引脚，大致可分为4类：

电源引脚、时钟电路引脚、I/O引脚、控制线引脚。

根据开发的需要和单片机的结构，我们就可以实现单片机的自动工作，即实现自动化！

2.2.2AH44E霍尔传感器

图3AH44E霍尔传感器电路

开关型霍尔传感器（简称霍尔开关）是一种新型的集成电路无触点开关，其外形尺寸和内部结构如图25所示。

其中A是恒压源；B是霍尔电势发生器（霍尔片）；C是差分放大器；D是施密特触发器；E是集电极开路（OC门）输出。

图中1、2、3表示霍尔开关的三个引出端，分别为电源U+，接地GND和输出OUT。

其工作原理为：

在

（1）、

（2）端输入电压Uc，经稳压器稳压后加在霍尔片的两端。

由霍尔效应原理知：

当霍尔片处在磁场中时，霍尔电势发生器就会有一个霍尔电压UH输出，该UH经放大器放大后，送至施密特触发器整形，当施加的磁场达到该器件的工作点时，施密特电路翻转，使OC门开关。

表一、AH44E开关型霍尔集成元件主要参数：

型号

电源电压Vcc（V）

动作磁场B（mT）

内部电流Icc（mA）

输出电流Iout（mA）

输出形式

工作温区

44E

4.5～24

45

9

≤20

单OC门

－40～85

简要说明：

用于无触点开关,汽车点火器,刹车电路,位置,转速检测与控制报警装置,纺织控制系统电压范围:

4.5--24V耐温范围:

AH44E-40--85度AH44L-40--150度

特点：

结构简单，塑料外壳，体积小，需要一个小磁铁配合使用；开关型元件，集电极开路输出； 无触点，寿命长； 开关速度快，工作频带宽（DC～100KHz）；

2.2.31602LCD液晶显示屏

在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：

一、显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

二、数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

三、体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

四、功耗低，相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

本系统选用的字符型LCD是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

本次设计选用的是长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器。

一般1602字符型液晶显示器实物如图3-1：

图41602字符型液晶显示器实物图

2.2.4水流计

水流计采用透明状的的小型直管水流计为一。

内部尺寸规格为

根据圆柱体积计算公式

和物体重量计算公式

得叶轮转一圈流过的水量约为12g.

图5水流计实物图

3硬件设计

3.1设计方案

图6设计总体图

3.2电路图的设计

单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。

硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起。

这种设计方法可以降低系统设计的复杂性。

系统电路原理图如图3-2所示。

本系统主要硬件设计包括电源电路、蜂鸣器电路、晶振电路、复位电路、LCD显示电路、矩阵键盘电路以及霍尔元件传感器电路。

图7电路原理图

3.2.1信号采集电路

图8信号采集电路

（1）、

（2）、（3）代表集成霍耳传感器的三个引出端点。

在输入端输入电压VCC，经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端，根据霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍耳电势差HV输出，该HV信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。

当施加的磁场达到工作点（即BOP）时，触发器输出高电压（相对于地电位），使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为开。

当施加的磁场达到释放点（即BrP）时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态为关。

这样两次电压变换，霍耳元件完成了一次开关动作。

使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍耳传感器优良特性之一。

3.2.2数据显示电路