龙8国际基于单片机的智能水表系统设计doc

　　[摘要]传统水表功能单一，具有测量结果不能处理、显示等弊端，具有很大的局限性。针对传统水表的弊端，本系统设计研究了采用单片机为开发平台的智能水表系统。用户可采用刷卡的方式充值及购水，采用流量传感器对用户所购的水量进行检测，如果卡内余额不足会发出提醒，当购买的水量用尽时会自动断电，LCD1602液晶显示屏可实时显示水流量及余额。系统将传感器技术及射频刷卡技术应用到水表系统中，经测试系统运行稳定，对传统水表的功能有所改进，适用于家庭、办公等场合需要，成本低且测量准确，有很强的实用价值。

　　随着社会的发展，科学技术的提高，人们的生活水平也在不断的提高，但是我们的人口也是越来越多，虽然我国现在已经进入了老龄化的阶段，但是我国依然是一个人口大国。庞大的人口数量致使消耗的资源更多，这就造成了资源短缺的现象。而水源正是最关键，最不可缺少的资源之一，俗话说水是生命之源，人类的生存是离不开水的，我国是一个水资源严重缺乏的一个国家，正是要解决水资源的为题我国还建设了南水北调的重大工程项目就是解决局部缺水的问题[1]。在我国的发展历史中，我国城镇居民现在使用的还是最普通的机械式水表，这种水表价格是非常低廉，机械式的水表通过水的流速来测量水量，在通过电表进行显示虽然性能稳定，但是这种水表要用人工抄表的方式来进行收费，这样就会投入很多的人力资源，进行大量的工作才能统计出每家每户所消耗的水量计算出水费，这种方法效率非常低。随着我国信息工程的发展，金卡工程得到了全面的实施，现在我国实现了电子化、信息化及网络化的自来水收费[2]。水表系统的智能化大大提供了供水管理不能的工作效率和节约费用，用于改善供水的设施的同时提高了居民饮用水的质量。自从用了智能水表之后加强了自来水使用的监督和管理。微电子技术和计算机技术的不断的发展，智能水表领域也得到了很大的应用及变革，现在以单片机为主控芯片控制是显示市场上的主流产品，将计算机技术和传感器检测技术结合到了一起，组成了新一代的“智能化仪表”，可以实现自动化测量[3]。智能化仪表解决了传统水表的检测困难和效率低的问题，提高了仪表的性能，long8-龙8(国际)唯一官方网站提高了仪表的可靠性，智能水表的监测精度更高，比传统的检测方式更加的精准。本文所介绍的智能水表系统，将单片机技术、传感器技术及射频刷卡技术应用到智能水表系统中，主要是由智能卡，读卡器，收费管理系统和卡式水表组成的，可以有限制的用水，解决了收费难的问题。在和其他的普通的表相比也占有很大的优势，智能卡式水表不需要铺设管线和线路，安装方便，维护简单。这种智能卡式水表的投入是非常少，所以在投入使用上时比较普遍的，long8-龙8(国际)唯一官方网站受到了供水管理部门及用户的青睐，使用价值及实际意义很强。

　　目前社会上所使用的水表功能较为单一，只能实现水流量的检测及使用机械式指针的方式对水量进行显示。同时，传统水表测量结果不能显示、存储及充值，只能到地方的有关部门才能缴费，有很大的局限性，机械式的水表常常出现故障，给用户造成很大的麻烦。另外，目前使用的水表在开发上局限性上也是显而易见的，不但经费的投入大且开发的周期也过长。随着社会的不断进步及科学水平的提高，人们对于水表的精度、功能性、可靠性、智能性及灵活性上有了更高的要求[4]。目前所使用的传统水表已经无法满足人们随着时代进步日益增长的需求，因此对于智能水表的研究符合社会发展的需求。

　　根据对智能水表系统的社会需求分析，智能水表系统需要满足人们目前对于水表的需求，实现自助购水、充值、流量监测及余额显示功能于一体的智能水表。系统实现的功能如下：

　　1、充值功能：需要采用IC卡识别的刷卡方式对水卡进行充值，用户可以采用刷卡的方式后水；

　　2、自动供水功能：在用户充值完毕后，就可以以射频刷卡的方式购水，购水完毕后会启动水泵自动供水；

　　3、水流量检测功能：水表具有设置单价的功能，采用水流量传感器可以检测用户刷卡后可以购买的水量；

　　5、自动停水功能：在购买的水量用尽后，会自动断电，停止供水，用户在刷卡购水成功后，才能恢复供水；

　　智能水表系统需要实现充值功能、自动供水功能、水流量检测功能、余额不足提醒功能、显示功能及自动提醒功能。系统以单片机作为智能水表的核心控制芯片，由显示模块、刷卡模块、按键模块、报警模块、水流量检测模块及供水控制模块组成。系统总体方案框图设计如图2-1所示。

　　如图2-1所示基于单片机的智能水表系统的总体方案框图设计，智能水表将单片机作为核心的控制芯片，按下按键后即可控制刷卡，刷卡模块识别IC卡，long8-龙8(国际)唯一官方网站通过刷卡的方式可以实现购水、充值等功能，水流量传感器检测实时的水量，显示模块对卡内的余额、单价及水流量进行显示，在卡内余额不足时会通过蜂鸣器报警并控制继电器断开电源停止用水。

　　方案一：STM32F103C8T6是STM32系列单片机型号中的一种，具有非常高的性能，而且制作的成本也是非常的低廉，作为一款32位的单片机，在市场是的需求是非常受欢迎的，其内部内核为Cortex-M3架构[5]，可以使单片机拥有可观的速度，性能也更加的稳定。还能够进行C语言编译，其能够完成信息收集、数据处理以及存在于系统内各模块预计功能实现的协调作用，但程序开发难度大。

　　方案二：STC89C52型单片机。采用的是CMOS8位MCS-51内核，不但拥有8K字节系统可编程Flash存储器，还拥有高性能、低功耗CMOS8位微控制器[6]。STC89C52与传统51单片机相比，存储相较于以往的AT系列51单片机的4K内存增加了1倍，功能更全，更加灵巧，能够解决大部分嵌入式控制应用系统难以解决的问题。

　　结论：STM32F103C8T6单片机开发难度大，使用STC89C52单片机开发存储、编程方面都符合系统的需要，因此智能水表系统选用STC89C52单片机作为主控单片机。

　　方案一：HD601M刷卡模块内部直接集成了天线，是一种高性能的非接触式射频刷卡模块，由于集成天线这就使天线M刷卡模块在读写功能上的优势是显而易见的，其中最具优势的就是它的读写距离可以达到3米，可读写标签在30个以上[7]，但是模块的价格昂贵，会增加产品的成本负担。

　　方案二：RC522射频刷卡模块所采用的非接触通信芯片为13.56MHZ，模块具有读写方便、低功耗及低成本的特点，IC卡读写方便。RC522射频刷卡模块双向传输速度高达424kbit/s，传输速度快，且都是采用加密的方式对数据进行传输，RC522射频刷卡模块在各类非接触式刷卡模块中的性价比很高，读写速度快，不但能完成智能水表系统中刷卡的功能，而且还可以减少投入成本。

　　结论：HD601M刷卡模块成本过高且具有较大的开发难度，RC522射频刷卡模块电路简单，容易开发且成本低，因此选择RC522射频刷卡模块作为智能水表的刷卡模块。

　　方案一：LCD1602是一种工业字符型液晶，可以显示两行字符的液晶显示模块，能够同时显示16X02即32个字符。LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出图形[8]。1602的意思表达是在显示屏上每行可以显示16个字符，可以是数字，也可以是字母或者图形，字符之间的间距也是固定的。

　　方案二：LCD12864液晶显示屏是一种分辨率很高的屏幕，可以显示中文，数字，图形等，运用广泛而且也非常实用。该显示屏自带中文字库，中文字库可以分为一级和二级两种。但是LCD12864液晶显示屏正因为它的功能比较全面，也造成它的费用比较高，如果在使用方面不是要求中文显示的，一般情况下是很少有用到的。

　　结论：LCD1602液晶显示屏的性价比更高且符合水表的显示需求，因此通过对比选择了LCD1602液晶显示屏。

　　方案一：矩阵按键通过名称来讲就是将按键排列称为矩形，由此实现矩阵形的按键，通过矩阵形的按键可以实现输入字符、数字、long8-龙8(国际)唯一官方网站字母等功能，最大的有点就是虽然有多个按键但是占用的IO资源很少，例如4*4的矩阵按键有16个却只使用了单片机的8个I/O口。由此看来，在输入数字等需要按键较多的设计中，矩阵按键占用绝对的优势[9]。

　　方案二：独立按键从名称上来看，是由单个的按键连接单片机的每一个I/O口实现电路连接的，不同的按键可以有不同的功能，为了节省I/O资源也可以按键复用，但是如果需要的按键很多，即使采用复用的方式也无法保证按键的正常功能并且会显得杂乱无章。因此，如果需要的按键很多，独立按键明显处于劣势。

　　结论：智能水表中需要输入充值的金额等内容，矩阵按键操作简便且可以节省I/O资源，因此选择了方案一中的矩阵按键。

　　通过第二章对系统方案的设计，选择出了适用于智能水表系统的最佳元器件，本章将设计出系统各模块的电路连接，并通过各模块与单片机的连接图更深入的对系统电路进行介绍。

　　智能水表系统的主控单元为STC89C52单片机的最小系统，在单片机系统的电路设计中，最先需要做的就是将单片机最小系统完成，因为整个系统电路都是围绕着它的最小系统来展开的，没有了最小系统，也就不存在单片机系统。例如在本系统中的设计中，无论硬件还是软件，都需要先设计单片机的最小系统，然后再布置系统的外围电路，利用下载口下载好程序，才能实现系统的功能。

　　在智能水表系统中加入了复位电路，复位电路的作用就在于将系统重启，使用复位按键的目的就是在系统给电的瞬间可以为单片机系统提供一个和系统工作状态相反的电平。复位电路的原理为，通过单片机的RST复位引脚串联10UF的电容和10K的电阻，在系统刚上电时电容并未处于充电状态，这时复位电路就不会发挥作用，而当复按键被按下时，电容就会有一个充放电的过程，此时就会利用电容充放电的过程实现复位[10]。

　　在本系统中，STC89C52单片机的复位引脚RST连接了一个独立按键用来实现复位，配合的是容量为10UF的电容和10K的电阻，构成了单片机的复位电路。在系统运行过程后，直接按下RST复位按键，已经充好电的10UF电容会迅速放电，使单片机的RST口的电平变为高电平，由高电平判断为复位按键被按下，此时就会执行复位功能，程序重启。系统复位电路如图3-1所示。

　　如果单片机系统在运行过程中发生了故障造成死机或者程序跑飞的现象，就可以利用按下复位按键进行程序复位，因此单片机的复位电路是单

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