節(jié)水型數(shù)字熱表的設(shè)計(jì)

1、節(jié)水型數(shù)字式熱表的單片機(jī)設(shè)計(jì)一、課題簡(jiǎn)介城市供暖是基礎(chǔ)設(shè)施,居民正常過冬的供暖問題關(guān)乎百姓生活。按供熱面積收費(fèi),不利于節(jié)能,易造成資源的浪費(fèi);安裝熱量表及調(diào)節(jié)設(shè)備,并實(shí)施按表計(jì)量收費(fèi)的工作己經(jīng)成為當(dāng)前供暖行業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)。熱量表是用于對(duì)集中供熱系統(tǒng)中的熱量分戶進(jìn)行計(jì)量的儀表,主要由進(jìn)水和回水溫度傳感器、積分器、流量計(jì)等部分構(gòu)成。該表安裝在用戶的進(jìn)水和出水管上。熱量表根據(jù)測(cè)量到的熱水進(jìn)出溫度差、水流量以及供熱時(shí)間,計(jì)算出采暖設(shè)備散發(fā)的熱量值,并將其顯示出來(lái)。隨著集中采暖按熱量計(jì)費(fèi)的相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展,整個(gè)采暖熱量計(jì)費(fèi)裝置向小型化、計(jì)算機(jī)化發(fā)展。本文所設(shè)計(jì)的熱量表,不但實(shí)現(xiàn)了基本的熱量計(jì)量,同時(shí),還利用

2、出水和進(jìn)水的流量監(jiān)控(若流量不平衡,單片機(jī)系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)) ,通過電磁閥對(duì)熱水流量以及對(duì)用戶違章用熱水或用戶房間漏水等進(jìn)行控制。具體的總體原理圖如下：圖1、熱量表原理圖二、方案論證方案一：方案一框圖如下，集入口和出口的溫度采集和流量采集（相當(dāng)于四個(gè)采集模塊）于一個(gè)單片機(jī)，其中還連接了電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，LCD顯示模塊，電路模塊以及報(bào)警部分。圖2、方案一原理框圖方案一的優(yōu)點(diǎn)在于集所有功能于一片單片機(jī)，硬件較簡(jiǎn)單易于理解，成本也較低，但這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于單片機(jī)中斷資源非常拮據(jù)并且I/O資源幾乎全總被占用，給編程帶來(lái)很大難度，并且還涉及到一個(gè)中斷不夠用的問題，雖然可以通過其他方法解決，但是顯然增加了

3、其復(fù)雜度，這是其缺點(diǎn)。方案二： 方案二框圖如下。圖3、方案二原理框圖方案二與方案一的區(qū)別在于把入口的溫度和流量采集模塊和出口的這兩個(gè)模塊分開，減輕了單個(gè)硬件的負(fù)擔(dān)，中斷不夠用的問題也得以解決，但是必須得加入上位機(jī)作為主機(jī)，其他兩個(gè)從機(jī)專門負(fù)責(zé)從溫度以及流量采集模塊采集數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)通過多機(jī)通信傳輸給主機(jī)，讓主機(jī)處理，并根據(jù)處理結(jié)果來(lái)控制LCD的顯示和電磁閥的關(guān)閉以及報(bào)警器，這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是利用的硬件較多，成本較高，但給編程減輕了負(fù)擔(dān)，出于可實(shí)現(xiàn)性考慮本文選擇方案二。三、硬件的設(shè)計(jì)和說明1、溫度采集模塊任務(wù)書中要求用Pt100熱電阻作為溫度傳感器，在這里溫度采集電路采用了Pt100的三線制接法，

4、熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻,其連接導(dǎo)線(從熱電阻到中控室)也成為橋臂電阻的一部分,這部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,易造成測(cè)量誤差。為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差,熱電阻采用三線制接法,即將其中的一根導(dǎo)線接到電橋電源端,其余兩根分別接到熱電阻所在橋臂及與其相鄰的橋臂上,從而消除了導(dǎo)線的測(cè)量誤差。溫度采集電路下圖所示。圖4、溫度采集電路2、A/D轉(zhuǎn)換模塊 考慮到溫度采集模塊產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)放大后的電壓范圍，本文采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。下圖

5、為其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。圖5、ADC0809引腳結(jié)構(gòu)ADC0809各腳功能如下：D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)

6、換）.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。A、B、C：地址輸入線。圖6、管腳結(jié)構(gòu)圖工作原理：ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線

7、。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。硬件接線圖：說明：從溫度傳感器出來(lái)并放大的電壓信號(hào)接在ADC0809的模擬輸入端IN0端，控制端口ST、OE、EOC端分別接在P1口的P1.0、P1.1、P1.2，數(shù)字輸出端的八位接在P0口，由頻率產(chǎn)生器Sun7474供給0809一個(gè)500Hz的時(shí)鐘信號(hào)。圖7、ADC0809接口電路3、流量采集模塊流量采集模塊用來(lái)產(chǎn)生計(jì)量脈沖信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)計(jì)量脈沖信號(hào)時(shí),表示有10 L熱水流過。流量傳感器安裝在管路系統(tǒng)上。本文采用LWY智能渦輪流量計(jì)作為熱量表流量采集部分的

8、傳感器渦輪流量計(jì)工作原理渦輪流量計(jì)是一種葉輪式儀表，其工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單。當(dāng)被測(cè)流體流過傳感器時(shí)，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪葉片使磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值發(fā)生周期性變化。檢測(cè)線圈中磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢(shì)，即電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后送出到51單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)端，再利用T1作為計(jì)時(shí)器給出一個(gè)1S的中斷，也就是說統(tǒng)計(jì)的脈沖數(shù)以1S為單位。電路只需把流量計(jì)的輸出端接到T0計(jì)數(shù)端，再在單片機(jī)內(nèi)設(shè)置一個(gè)定時(shí)中斷即可，在此不再贅述。4、電磁閥模塊由于閥門電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電流比較大,所以專門設(shè)計(jì)一個(gè)閥門驅(qū)動(dòng)電路來(lái)完成閥門的驅(qū)動(dòng)。控制部分只要給出電平信號(hào)即可,同時(shí),驅(qū)

9、動(dòng)電路給出一個(gè)電平信號(hào),以表示閥門的狀態(tài),從而確定閥門是否處于打開、關(guān)閉或異常的狀態(tài)。報(bào)警電路是指當(dāng)電源電壓不足、誤操作、或違規(guī)用水發(fā)生時(shí),單片機(jī)系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào),熱量表會(huì)報(bào)警提示。電路如下：圖8、電磁閥電路Open、Close、Recheck端分別接在主機(jī)的P0.0P0.2端來(lái)控制，具體工作方式為：Open和Close為輸入端; Recheck為電壓反向檢測(cè)端。當(dāng)Open和Close均為低電平時(shí),電磁閥不打開,此時(shí)Recheck端為低電平。當(dāng)MCU 發(fā)出Open 信號(hào)時(shí), Open 輸入端為高電平,Q1、Q3、Q5 導(dǎo)通,電磁閥正向供電,閥門打開。此時(shí),若Recheck 端為高電平,電磁閥

10、處于正常打開過程;若Recheck端為低電平,表示電磁閥已經(jīng)打開。同時(shí),MCU反復(fù)檢測(cè)信號(hào),以判斷電磁閥狀態(tài)以及是否斷開Open信號(hào)。當(dāng)MCU發(fā)出Close 信號(hào)時(shí), Close 輸入端為高電平,Q2、Q4、Q6 導(dǎo)通,電磁閥反向供電,閥門關(guān)閉。此時(shí),如果Recheck端為高電平,電磁閥處于正常關(guān)閉過程;如果Recheck端為低電平,表示電磁閥已經(jīng)關(guān)閉。同時(shí),MCU反復(fù)檢測(cè)信號(hào),以判斷電磁閥狀態(tài)以及是否斷開Close信號(hào)。5、電源電路采用7812及7805配合外圍電路產(chǎn)生5V和12V的直流輸出，電路如下： 圖9、電源電路6、整體原理圖（見附錄一）四、程序設(shè)計(jì)1、總體程序框圖 系統(tǒng)總體程序框圖如

11、下，說明：系統(tǒng)開機(jī)后，先進(jìn)行初始化，等侍A/D中斷，中斷產(chǎn)生后ADC0809把溫度采集模塊輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)（從機(jī)），同時(shí)單片機(jī)（從機(jī)）開始從流量采集模塊計(jì)數(shù)（T0作為計(jì)數(shù)器），直到T1產(chǎn)生1S中斷，單片機(jī)把采集到的溫度及流量數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)，前述的過程是兩個(gè)從機(jī)同時(shí)進(jìn)行的,也就是入口和出口的數(shù)據(jù)采集是同步的，主機(jī)收到數(shù)據(jù)后觸發(fā)串口中斷的，中斷子程序中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再根據(jù)處理之后結(jié)果來(lái)控制電磁閥門的關(guān)閉和LCD的顯示以及報(bào)警器。圖10、總體程序框圖整個(gè)程序關(guān)鍵部分都由中斷程序構(gòu)成，中斷程序又由三個(gè)子中斷服務(wù)程序構(gòu)成，由于時(shí)間關(guān)系，本文只寫出部分程序。2、A/D轉(zhuǎn)換程序如下：

12、#include sbit ST=P10;sbit OE=P11;sbit EOC=P12;unsigned char channel=0xbc;/IN3unsigned char getdata;void main(void)P1=channel;while(1)ST=0;ST=1;ST=0;while(EOC=0);OE=1;getdata=P0;OE=0;3、流量計(jì)數(shù)及時(shí)鐘中斷程序如下：#include unsigned long T0count; unsigned char timecount; bit flag; unsigned long x; void main(void) un

13、signed char i; TMOD=0x15; TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-4000)/256; TL1=(65536-4000)%6; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; while(1) if(flag=1) flag=0; x=T0count; timecount=0; T0count=0; TH0=0; TL0=0; TR0=1; void t0(void) interrupt 1 using 0 T0count+; void t1(void) interrupt 3 using 0 TH1=(65536-4000)/256;

14、TL1=(65536-4000)%256; timecount+; if(timecount=250) TR0=0; timecount=0; flag=1; 五、總結(jié)與收獲這次的單片機(jī)課設(shè)可以說有一定的難度，特別是對(duì)于本人這樣的初學(xué)者，從拿到題目的不理解到不停的查閱各種資料，再到后來(lái)的參照別人寫的文章來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，中間的確學(xué)到了很多知識(shí)，原來(lái)經(jīng)常用到的知識(shí)得到的鞏固及提升，原來(lái)不常用的東西也逐漸熟悉，原來(lái)根本不知道的東西也有所了解，實(shí)踐出真知，的確如此，如果只看課本的話等于白學(xué)，當(dāng)然這也算不上完全的實(shí)踐，只是讓我們寫一個(gè)具體的方案以及配套程序，此方案可行度還有待實(shí)踐，想必還存在很多不成熟的地方有待改進(jìn)，最關(guān)鍵的程序部分也未能調(diào)試，這四天為課設(shè)經(jīng)常晚上看資料到一兩點(diǎn)，最終寫出的方案雖不盡如人意，但也是本人辛苦勞動(dòng)的結(jié)果，學(xué)校開設(shè)這樣的課設(shè)確實(shí)很有意義，可以讓人學(xué)到