多功能智能化水流量測控系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計說明書

畢業(yè)設(shè)計（論文）多功能智能化水流量測控系統(tǒng)目錄摘要 11緒論 2研究背景 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2研究意義 4本課題研究的內(nèi)容及方法 42系統(tǒng)總體設(shè)計方案以及硬件電路的設(shè)計 6 2.1總體方案設(shè)計 62.2系統(tǒng)源電路設(shè)計 82.3單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計 112.4系統(tǒng)各個功能模塊的電路設(shè)計 12 2.4.1流量傳感器以及水溫傳感器的電路設(shè)計 122.4.2電動閥門的電路設(shè)計 152.4.3溫濕度的測量電路的設(shè)計 162.4.4時鐘電路設(shè)計 172.4.5外部SRAM的設(shè)計 182.4.6SD卡的設(shè)計 182.4.7WIFI的設(shè)計 192.4.8其他電路的設(shè)計 202.5本章結(jié)語 223硬件的設(shè)計 233.1閥門的背景以及意義 233.1.1球閥的類別 233.2球閥的設(shè)計以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計算 253.2.1球閥設(shè)計的主要內(nèi)容 253.2.2球閥閥體的設(shè)計 263.2.3球閥閥體的內(nèi)壁的確定 263.3法蘭的設(shè)計和計算 273.3.1法蘭的預(yù)緊力的計算 273.3.2法蘭的力矩的計算 273.4螺栓位置確定以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計算 283.4.1螺栓的間距的確定 283.4.2螺栓的載荷的設(shè)計與計算 293.4.3螺栓的面積的計算 303.4.4螺栓的載荷的設(shè)計與計算 303.5零件的選取分析 313.5.1閥體和閥蓋 313.5.2密封圈 313.5.3閥桿螺母 313.5.4填料壓緊套 314系統(tǒng)軟件設(shè)計的與實現(xiàn) 324.1開發(fā)環(huán)境的簡單介紹 324.2系統(tǒng)總體設(shè)計的思路 324.3水流控制以及流量監(jiān)測的程序設(shè)計 334.4電動閥門的控制程序的設(shè)計 374.5數(shù)據(jù)傳輸模塊的程序設(shè)計 384.6Web端的檢測平臺的構(gòu)建與設(shè)計 394.7GUI界面的程序設(shè)計 454.7.1主界面程序的設(shè)計 454.7.2功能界面的選擇設(shè)計 464.7.3日期時間的界面功能 474.7.4溫度濕度的界面的設(shè)計 484.7.5水流信息的功能 514.7.6定量輸出 544.7.7預(yù)約的功能控制 554.7.8系統(tǒng)的設(shè)置 584.8本章小結(jié) 645系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果的分析 665.1系統(tǒng)的調(diào)試 665.1.1流體傳感器的校準和測試 665.2流體速度閉環(huán)的測試 705.3定量輸出的功能的調(diào)試 715.4預(yù)約的控制功能的調(diào)試 725.5物聯(lián)網(wǎng)的功能測試 735.6拓展其他領(lǐng)域的應(yīng)用 735.7本章小結(jié) 75參考文獻 77摘要水流量測控是一種日常生活重要的一部分，其主要作用是用來測量液體的流速以及流量的一項技術(shù)，但由于液體的流體性質(zhì)、流動狀態(tài)、流動條件以及感測機理的復(fù)雜性，導(dǎo)致對液體流量的測控精度非常低，其中最為關(guān)鍵的就是對水流量測控的編程，所以，測控系統(tǒng)的的精度和準度，在于對系統(tǒng)軟件的編譯。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的測控技術(shù)日益完備，但對于智能化，多功能化還不夠完備。究其原因是對軟件的編輯以及對硬件的設(shè)計不夠成熟，因此，除了對軟件上的設(shè)計外，改變以往程序的編寫，加入更多智能化，多功能化的程序，也要對硬件的設(shè)計。因此設(shè)計一款智能化，多功能化的水流量測控系統(tǒng)自關(guān)重要。本設(shè)計將從對水流量測控系統(tǒng)進行全面細致的研究，將從水流量測控系統(tǒng)的硬件到軟件全部進行系統(tǒng)的設(shè)計。本文在充分考慮目前市場存在的實際問題的基礎(chǔ)上，選擇了最合適的微處理器，針對本設(shè)計的軟件進行模擬、調(diào)試以及仿真，針對本設(shè)計的硬件結(jié)合目前市面存在的多功能智能化水流量測控系統(tǒng)進行改進與完善，從而達到真正意義上的多功能化與智能化。關(guān)鍵詞：水流量，多功能智能化，測控系統(tǒng)多功能智能化水流量測控系統(tǒng)王賡旭2018660104221緒論1.1研究背景在日常生活中，流量的測量是能否滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枨蟮闹匾M成部分，它不僅僅在農(nóng)業(yè)，工業(yè)還是鋼鐵的制造行業(yè)等各個領(lǐng)域都有較為寬廣的應(yīng)用，而且在石油開采的行業(yè)甚至是對其的對外出售都起著至關(guān)重要的作用，同時它也在電力的生產(chǎn)，鋼鐵的鍛造以及包括農(nóng)力和水利、以及氣體的流速等各個方面都有它的身影。流量測控的重要的地位不單單表現(xiàn)在它的實際應(yīng)用和是否安全的方面，更為重要的是，在當(dāng)今處于一個能源較為枯竭以及環(huán)境急需整改的大條件下，它更是我們發(fā)展生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。從目前來看，我國雖然是個能源大國，但是對能源的使用的效率較低，所以在這種大環(huán)境的背景下，大力發(fā)展流量測控的技術(shù)迫在眉睫。1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀進入新時代開始，我國對能源的開發(fā)，流量的測量以及對環(huán)境的保護等各個領(lǐng)域較為重視，因此大力發(fā)展流量測控技術(shù)至關(guān)重要。隨著綜合國力的提升，電子技術(shù)的大力發(fā)展，我們可以利用電子技術(shù)，尤其是對于微型電子技術(shù)的使用以此來提升流量測控技術(shù)的升級，使其可以從較為機械化，較為傳統(tǒng)化的，走向智能化，多功能化等。目前，微型電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得流量測控技術(shù)能夠具備智能化，可以完成遠距離操控等各式各樣的功能，使其具備更為高端的操作，從而開啟流量測控的新篇章。流量測量離不開測試與控制技術(shù)，測試與控制技術(shù)是對現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程以及其設(shè)備參數(shù)進行測量控制的自動化技術(shù)，是電、計算機、自動控制與信息技術(shù)等多學(xué)科相互融合和滲透而形成的一門技術(shù)密集型綜合學(xué)科。它是人類認識世界和改造世界的方式方法在科學(xué)技術(shù)上的體現(xiàn)。它的發(fā)展，促進了自然科學(xué)和現(xiàn)代化生產(chǎn)的進步。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能、智慧硬件、物聯(lián)網(wǎng)和電子微電子技術(shù)逐步普及，越來越多的智能化設(shè)備被設(shè)計制造并且投入到工業(yè)應(yīng)用和日常生活中，人類對于基礎(chǔ)設(shè)施和日常使用設(shè)備的過程測量和控制的需求急速增長，所以流量測控應(yīng)運而生。流量測控是過程測量科學(xué)技術(shù)的一個重要組成部分，它在貿(mào)易銷售、工業(yè)生產(chǎn)和國民基礎(chǔ)建設(shè)等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如油礦開采、物流貿(mào)易、水電工業(yè)生產(chǎn)、氣象風(fēng)速、農(nóng)田水利等等，都離不開大量的過程流量測控。我國正處于一個資源與環(huán)境問題十分嚴峻的階段，不僅是一個資源消耗大國，而且能源利用率很低，流量測控的重要性不僅在于它龐雜的應(yīng)用范圍，而且更是有效的節(jié)約了水、氣等流動資源。結(jié)合當(dāng)前發(fā)展的智能化硬件技術(shù)，特別是電子和微電子技術(shù)的高速演變，流量測控儀器不斷從傳統(tǒng)機械產(chǎn)品向電子化、集成化、智能化等高精尖方向高速發(fā)展。當(dāng)今時代由于微電子技術(shù)的快速迭代，印證了摩爾定律，也對大規(guī)模的微小型集成電路及適用于普適計算的通訊技術(shù)做了相當(dāng)大的推廣應(yīng)用，集成智能的測控儀表成為了現(xiàn)代流量測控科學(xué)中的新的研究發(fā)展方向，引領(lǐng)了過程測量科學(xué)的新潮流和新趨勢。但是關(guān)于測量技術(shù)，國內(nèi)起步的較晚，技術(shù)發(fā)展落后于發(fā)達國家，但在智能測試儀表普及使用后，很好的解決了人工作業(yè)帶來的諸多不便以及人工測盤不準確的問題?，F(xiàn)階段市場上采用的流量測控多數(shù)都是基于單片機或MSP的單片機作為核心處理器，它的主要結(jié)構(gòu)和原理如下：單片機和

FPGS

的有效融合，融合方式就是將單片機集成在可編程模塊內(nèi)，F(xiàn)PGA

可以將每個模塊的能力集成在一個模塊內(nèi)，讓他和單片機進行合作處理。采用這種方式的好處就是可以讓整個系統(tǒng)便捷化，微縮化。另一種就是采用ASIC將水表的測量方式進行標準化規(guī)定。運用相關(guān)硬件對邏輯進行表寫制定以及對測量流程的各功能進行仿真處理。如此選擇與邏輯芯片綜合布局處理的完成所有相關(guān)流程的編寫和制定。然后將設(shè)備給相關(guān)的企業(yè)進行市場化量產(chǎn)。采用這種方式的最大好處就是布局簡單巧妙，通信距離長，一致性好，同時帶來的設(shè)計成本和系統(tǒng)的消耗比較大。還有一種方式就是直接使用單片機，就像

MSP430

系列的單片機，本身就可以進行數(shù)據(jù)的采集和實時的處理，通過相應(yīng)的代碼將流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成水分數(shù)據(jù)同時將數(shù)據(jù)保存在存儲模塊內(nèi)。此外，代碼模塊還可以增加讀寫卡接口，通過接口直接讀出水量的數(shù)據(jù)。通過以上三種方式的介紹和對比，結(jié)合實際操作，因此目前我們多數(shù)會采用第三種的方式進行遠程的水流量測量。1.3本課題研究的意義水流量測控是一種日常生活重要的一部分，其主要作用是用來測量液體的流速以及流量的一項技術(shù)，但由于液體的流體性質(zhì)、流動狀態(tài)、流動條件以及感測機理的復(fù)雜性，導(dǎo)致對液體流量的測控精度非常低，其中最為關(guān)鍵的就是對水流量測控的編程，所以，測控系統(tǒng)的的精度和準度，在于對系統(tǒng)軟件的編譯。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的測控技術(shù)日益完備，但對于智能化，多功能化還不夠完備。究其原因是對軟件的編輯以及對硬件的設(shè)計不夠成熟，因此，除了對軟件上的設(shè)計外，改變以往程序的編寫，加入更多智能化，多功能化的程序，也要對硬件的設(shè)計。因此設(shè)計一款智能化，多功能化的水流量測控系統(tǒng)自關(guān)重要。本設(shè)計將從對水流量測控系統(tǒng)進行全面細致的研究，將從水流量測控系統(tǒng)的硬件到軟件全部進行系統(tǒng)的設(shè)計。本文在充分考慮目前市場存在的實際問題的基礎(chǔ)上，選擇了最合適的微處理器，針對本設(shè)計的軟件進行模擬、調(diào)試以及仿真，針對本設(shè)計的硬件結(jié)合目前市面存在的多功能智能化水流量測控系統(tǒng)進行改進與完善，從而達到真正意義上的多功能化與智能化。1.4本課題研究的內(nèi)容及方法本課題主要的是對多功能智能化水流量測控系統(tǒng)的研究與改進，目前市面上存在的水流量測控系統(tǒng)都是比較單一而且應(yīng)用到實際生活中比較受限制，本文結(jié)合市面上的系統(tǒng)外加上自己的改動，使得水流量控制系統(tǒng)實現(xiàn)真正意義上的多功能化智能化的應(yīng)用，但是如何實現(xiàn)多功能化以及智能化，對于該問題本設(shè)計采用先對其硬件的設(shè)計，也就是對閘口的硬件設(shè)計，保證其在運作時能夠滿足正常的工作需求并且能夠在較為惡劣的環(huán)境滿足正常的工作需求。其次就是對軟件的設(shè)計，軟件的設(shè)計首先要對整體框架有個思路，其次在根據(jù)整體框架進行一一設(shè)計，主要是對系統(tǒng)源電路，單片機最小系統(tǒng)，系統(tǒng)各個功能模塊的電路設(shè)計和流量傳感器以及水溫傳感器的電路設(shè)計，電動閥門的電路設(shè)計，溫濕度的測量電路的設(shè)計，時鐘電路設(shè)計，外部SRAM的設(shè)計，SD卡的設(shè)計，WIFI的設(shè)計以及其他電路的設(shè)計，其中系統(tǒng)源電路，系統(tǒng)各個功能模塊的電路設(shè)計以及GUI的設(shè)計這幾個環(huán)節(jié)較為重要，硬件的設(shè)計需要結(jié)合實際情況查閱相關(guān)的書籍進行設(shè)計，軟件的設(shè)計則需要KeilC51以及protues等仿真軟件的了解與使用，GUI界面的設(shè)計需要學(xué)習(xí)MATLAB這個軟件，其中設(shè)計起來較為困難的是GUI界面的設(shè)計，GUI界面的設(shè)計是為了實現(xiàn)水流量控制系統(tǒng)智能化，使得人們能夠更為方便的了解水流量的詳細情況，比如了解當(dāng)天的使用情況，以及水流量的流速以及使用的具體數(shù)值等等，想要完成上述的內(nèi)容，需要結(jié)合相關(guān)的資料以及對軟件進行仿真，只有能夠完成GUI界面的設(shè)計，才能夠使得人們更為直接觀察的到使用情況，只有熟練的掌握MATLAB這個軟件的使用才能使得本設(shè)計完成。2系統(tǒng)總體設(shè)計方案以及硬件電路的設(shè)計2.1總體方案設(shè)計圖2-1是本設(shè)計軟件的整個系統(tǒng)框架，本章的設(shè)計的大體思路是對該系統(tǒng)軟件的設(shè)計從而滿足人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€需求，本節(jié)主要是從系統(tǒng)源電路，單片機最小系統(tǒng)，系統(tǒng)各個功能模塊的電路設(shè)計和流量傳感器以及水溫傳感器的電路設(shè)計，電動閥門的電路設(shè)計，溫濕度的測量電路的設(shè)計，時鐘電路設(shè)計，外部SRAM的設(shè)計，SD卡的設(shè)計，WIFI的設(shè)計以及其他電路的設(shè)計，從上述的這幾個方面入手，大體的介紹了該設(shè)計的流程，對上述各個環(huán)節(jié)的設(shè)計保證了該系統(tǒng)可以在不同環(huán)境的條件下來進行工作，從而在真正的意義上達到多功能化，智能化的系統(tǒng)，下文將結(jié)合本框架以及功能需求具體設(shè)計。圖2-1多功能智能水流量測控系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖流量傳感器用于檢測水流的通過某一截面的速度和體積，水溫傳感器是用來檢測某一時間段水流的溫度?？諝鉂穸葌鞲衅魇怯脕頇z測當(dāng)前環(huán)境下的濕度。電動閥門是用來控制管道內(nèi)水流的大小，結(jié)合著流量傳感器從而實現(xiàn)一個水流量測量的閉環(huán)控制。RTC模塊可以用來觀看當(dāng)前日期以及系統(tǒng)時間。蜂鳴器是當(dāng)系統(tǒng)的某一個環(huán)節(jié)或者部位出現(xiàn)了問題用來發(fā)出警報的。液晶觸摸屏，是用來顯示系統(tǒng)的各個信息，包括水溫，濕度，流速，并能總結(jié)成實時曲線以及直方圖等等，更加直觀的顯示數(shù)據(jù)，并便于用戶操作。液晶觸摸屏上顯示的GUI界面可能要占有很大的存儲空間，所以系統(tǒng)需要對外擴展一個SRAM芯片。從而系統(tǒng)引出為處理器的USART接口用來信息交換和通信等等，引出的USB接口可以方便該系統(tǒng)直接與電腦連接用來交換信息和傳輸數(shù)據(jù)。EEPROM存儲器在失去供電的情況下不會失去當(dāng)前存儲的數(shù)據(jù)。SD卡存儲器可以保存數(shù)十幾年甚至幾十年的信息，為以后的數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)的升級提供了堅實的保障。WIFI模塊是用來連接互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)遠程的監(jiān)控和操作。這整個系統(tǒng)中WIFI模塊，電動閥門，以及液晶觸摸屏的消耗比較大，所以需要添加外部電源用來給整個系統(tǒng)持續(xù)供電，為了保障系統(tǒng)在突然斷電的情況下的正常運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)應(yīng)有內(nèi)置的鋰電池，并且可以循環(huán)使用，可以通過外部電源來實現(xiàn)對鋰電池的充電。圖2-2是多功能智能水流量測控系統(tǒng)的樣本機，如圖所示，該設(shè)計將PCB板安裝并固定到了電動閥門智商，使水流量傳感器與電動閥門按照順序連接，這樣的目的在于減小系統(tǒng)的體積。液晶觸摸屏置于最上端，并與電動閥門插接在一起，內(nèi)置的鋰電池安裝在PCB控制板的和液晶屏幕之間，這樣安裝使得整個裝置十分緊湊。圖2-2多功能智能化水流量測控系統(tǒng)的樣本機然后根據(jù)多功能智能化水流量測控系統(tǒng)的概念模型以及所需要的功能，分析整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)施并對每一部分的電路進行設(shè)計，其中包括該系統(tǒng)的電源電路的設(shè)計，最小系統(tǒng)的設(shè)計和各個部分功能電路的設(shè)計2.2系統(tǒng)電源電路的設(shè)計電源是整個系統(tǒng)最開始也是最關(guān)鍵的部分，穩(wěn)定的電源輸出是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的的前提和基礎(chǔ)。在該設(shè)計中，由于有消耗較大的設(shè)備，例如電動閥門，LCD液晶屏的存在，使得整個系統(tǒng)的消耗較大，在這種情況下，該系統(tǒng)需要連接外部電源給本系統(tǒng)供電，本系統(tǒng)中使用比較常見的5V直流電作為電源為該系統(tǒng)供電。系統(tǒng)內(nèi)部含有鋰電池，在短時間切斷外界供電時也能使該系統(tǒng)正常的運行。當(dāng)接通外部電源時，系統(tǒng)由外部的電源供電，并且此時也會給內(nèi)部鋰電池進行充電，當(dāng)外部供電突然斷開的情況下，該系統(tǒng)由內(nèi)部的鋰電池進行供電，來滿足短時間的運作。圖2-3所示，5V電源設(shè)計了以下兩種接入方式，第一種就是通過DC的電源插座來直接連接5V的電源（圖2-3（a）所示），第二種就是使用USB接口，可以通過該接口來進行對該系統(tǒng)的充電（圖2-3（b）所示）。例如第一種方案，LEDD6是用來顯示電源的接入狀況，當(dāng)外部電源介入室，LEDD6燈亮。S1是外部電源的總開關(guān)，S1閉合，外部電源接通，反之?dāng)嚅_。第二種是帶有USB接口的供電方式，可以通過該USB接口來對電腦進行連接通信，下圖USB_D+和USB_D-分別接相應(yīng)端口，其中10R電阻是保護電路的匹配電阻。圖2-3（a）圖2-3（b）圖2-4是給鋰電池充電的電路，外部電源為5V，輸入到系統(tǒng)中，5V電源經(jīng)過TP4056給鋰電池和系統(tǒng)提供動力，TP4056可通過USB電源或者電源適配器來給鋰電池進行充電，充電電流最大為1A。TP4056充電過程中，可以用兩個LED燈來顯示充電過程，紅色的LED燈亮表示鋰電池正在充電，綠色的LED燈亮，則表示充電完成。圖2-4鋰電池充電電路本設(shè)計中，WIFI模塊和芯片部分都需要3.3V的電源進行供電。本設(shè)計采用低壓差穩(wěn)壓的芯片XC6206P332MR作為給系統(tǒng)供電的穩(wěn)壓電源，相較于1117系列的LDO，XC6206等電源，它更具備體積小，靜態(tài)的能耗較低，電壓更穩(wěn)等優(yōu)點，只要輸入的電壓能達到160mV，他就能正常的運行，如圖2-5（a）所示。如圖，開關(guān)S2控制系統(tǒng)是否運行，斷開系統(tǒng)則停止運行，反之正常工作，系統(tǒng)通電后LED燈D10亮起。電源供電經(jīng)過壓阻R33、R34的分壓之后連接到STM32ADC的輸出引腳PC1上面，這是用來檢測電源兩端的電壓從而大概的了解電池的使用情況。除此之外，WIFI模塊由于消耗的功能比較大，所以需要單獨為他供電，如圖2-5（b）所示。（a）圖2-5XC6206穩(wěn)壓電路。3.3V供電電路（b）圖2-5XC6206穩(wěn)壓電路。WIFI供電電路2.3單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計STM32F103ZET6是意大利和法國半導(dǎo)體公司共同研發(fā)的中低端微小控制器，使用的是32為的SRMCortex-M3的芯片內(nèi)核，最高的工作頻率可以達到72MHz。在這個芯片內(nèi)含有512K字節(jié)的FLASH以及64K字節(jié)的SRAM，可以進行嵌入式的系統(tǒng)操作。芯片內(nèi)含有3個12位的A/D轉(zhuǎn)換器和12位的D/A轉(zhuǎn)換器，由這兩部分可以保證實現(xiàn)較大的數(shù)據(jù)信號的采集以及處理分析的功能。芯片內(nèi)含有12通道的DMA的控制器，可以通過ADC,DAC,定時器等來進行對其控制。11個定時器可以滿足以下功能，例如定時，計數(shù)，數(shù)據(jù)捕捉，輸入捕獲，輸出比較等控制的需求。除此之外STM32F103ZET6控制器內(nèi)還包含的有13個通信接口；5個USART以及3個SPI等等這些多種多樣的通信接口保證了設(shè)備與外界進行方便的通訊。單片機最小的系統(tǒng)設(shè)計其主要包括了以下部分，晶振電路，復(fù)位電路，模擬電源，JLINK電路以及BOOT電路等組成，如下圖2-6所示。圖2-6單片機最小系統(tǒng)如上圖2-6系統(tǒng)的晶振電路包含8MHz的高頻晶振電路以及一個32.769KHz的低頻晶振電路。其中8MHz高頻晶振電路的作用是通過PLL倍頻后，給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘。32.768KMz低頻晶振電路的作用是為RTC提供時鐘，或者在系統(tǒng)斷電或低電量時來使用的。模擬電源采用3.3V的電壓，STM32F103作為低電平復(fù)位，復(fù)位引腳經(jīng)過電阻接到VCC，0.1uF的下拉電容作用是單片機上電自動復(fù)位。當(dāng)外界按下復(fù)位鍵是，復(fù)位引腳的電壓降低，從而系統(tǒng)復(fù)位。2.4系統(tǒng)各個功能模塊的電路設(shè)計2.4.1流量傳感器以及水溫傳感器的電路設(shè)計在現(xiàn)實生活中，流量傳感器多種多樣，本設(shè)計采用霍爾流量傳感器，因為其具有重復(fù)性好，抗干擾能力強以及測控范圍寬，成本低等優(yōu)點。圖2-7（a）是本設(shè)計使用的霍爾流量傳感器，但由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此本設(shè)計使用相似的流量傳感器進行分析，圖2-7（b）是塑料的霍爾流量傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；魻柫髁總鞲衅魇且环N測量速度的流量儀器，流體經(jīng)過傳感器時轉(zhuǎn)動葉片旋轉(zhuǎn)，從而帶有磁性的磁性元件也跟著轉(zhuǎn)動，當(dāng)帶有磁性的元件靠近霍爾元件是，導(dǎo)通，離開時，斷開，霍爾元件持續(xù)輸出高低電平信號，其各占50％。因此霍爾元件輸出的信號與流體的速度成正比，流體的速度越快，霍爾傳感器的輸出頻率越高，相反流體的速度越慢，輸出的頻率越低。（a）圖2-7霍爾流量傳感器外部圖（b）圖2-7（b）塑料霍爾傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下是流體的速度與霍爾傳感器輸出的脈沖信號的數(shù)學(xué)關(guān)系設(shè)葉片的轉(zhuǎn)速是w,葉片的直徑為D，通道的橫截面積是S。流體的速度是V，那么對應(yīng)的流體流量Q是Q=S×V=SWD2 （2-1）葉片轉(zhuǎn)動一圈時，霍爾傳感器輸出的脈沖信號，設(shè)脈沖信號的頻率為f，那么f=W2π通過（1-1）和（1-2）；Q=SDf （2-3）由于當(dāng)確定流量傳感器是，其管道的橫截面積以及葉片的直徑確定，所以可以吧SDf看作為一個定值K，即（2-3）可寫成Q=Kf （2-4）使用單片機來對脈沖進行測量一般有兩種辦法；第一種是測量一定時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)，雖然這種比較簡單，但是誤差較大，第二種就是測量脈沖的寬度，雖然測量較為復(fù)雜，但是精度較高。在本設(shè)計中，采用的是第二種測量脈沖寬度的方法，在一定時間段內(nèi)捕獲的脈沖寬度為T，即f=1T由上述式子可以得出流體速率Q，以及流體的體積VV=Q×T=K?硬件設(shè)計時，傳感器用3.3V的電壓供電，把脈沖輸出的引腳連到STM32的定時器的第一個通道上。除此之外，本設(shè)計也使用了USC-HS21TLT流體流量傳感器，其管道內(nèi)有溫敏電阻，可以更精確的，更快捷的測量出流體的溫度。如果水溫發(fā)生了改變，其傳感器內(nèi)的電阻也隨之改變，通過觀察電阻的變化，可以計算出相應(yīng)流體的溫度。圖1-8是霍爾傳感器以及流體溫度測量的電路圖，P6是傳感器的接入口，P5是溫敏電阻的接入口。圖2-8霍爾流量傳感器以及水溫測量電路2.4.2電動閥門的電路設(shè)計對于流體的測控系統(tǒng)中，主要采用電磁閥門或者電動閥的兩種閥門，一般的電磁式閥門主要利用線圈的驅(qū)動，只能管控開始或者關(guān)閉，其時間的動作反應(yīng)時間較短，通常應(yīng)用于小流量或者壓力小的狀況下。不同于電磁式閥門來講，電動式閥門采用直流的電機控制，它相對于電磁式閥門，它的開啟或者關(guān)閉需要一定的時間，但它可以調(diào)節(jié)閥門開關(guān)的大小，耗能更小。綜上所述本設(shè)計采用的是電動式閥門，它的功耗較大，其引腳的輸出電流不能使他直接轉(zhuǎn)動，所以要配合一個閥門來驅(qū)動。另外，如圖2-9（b）所示，電動式閥門內(nèi)含有一個保護電路板以及兩個保護開關(guān)，這兩個保護開關(guān)分別安裝在閥門的開啟位或者關(guān)閉位。當(dāng)直流的電機帶動著閥門轉(zhuǎn)動時，有正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)兩種情況，這兩種情況都會觸發(fā)開關(guān)，會把開關(guān)的由常閉式改變?yōu)閿嚅_式，切斷電流，從而保護電路。設(shè)計中使用L9110的芯片來驅(qū)動電動式閥門，將閥門安裝在保護電路上并把他們安裝在系統(tǒng)板上，其電路如圖2-9所示。圖2-9電動式閥門驅(qū)動電路圖2-9中，Moter是電動式閥門的直流電機，P7是引出接口。在現(xiàn)實生活中，把PC2和PC3其中之一連接到高電平上，另一個連接到低電平上，從而實現(xiàn)電動閥門的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。圖2-9中的S3以及S4相對的電動大門內(nèi)有兩個保護開關(guān)。當(dāng)閥門處于開或者關(guān)的位置時，相對應(yīng)的開關(guān)被觸發(fā)，從而把線路切斷，以便保護電路。但由于二極管D8和D9的存在，電動式閥門可以反向轉(zhuǎn)動。2.4.3溫濕度的測量電路的設(shè)計在某些現(xiàn)實生活中，要求需要了解到空氣中的溫濕度，本設(shè)計提出多功能智能水流量測控系統(tǒng)的設(shè)計中，加入了對溫濕度的測量功能。測量溫濕度采用的是DHT11溫濕度傳感器。其傳感器內(nèi)部含有一個高8位的單片機以及相連的感測濕度的元器件，以及測溫元件，DHT111品質(zhì)好，處理快，抗干擾的能力較強，等等優(yōu)點。DHT111供電電壓為3.3V-3.5V，在本設(shè)計中，采用3.3V的電源供電，用PG11端口讀取數(shù)據(jù)，電路圖如2-10所示圖2-10硬件電路2.4.4時鐘電路設(shè)計時鐘電路設(shè)計（RTC）可以提供同步的時間信號，把他應(yīng)用于本設(shè)計中，主要優(yōu)點有可以顯示時間，帶有流體的相關(guān)信息，有預(yù)約控制閥門的功能。時鐘電路采用外部32.768KHz晶振作為頻率源，32768Hz=215HZ,即周期為1S，RTC內(nèi)含有一個寄存器，如果寄存器的數(shù)值與系統(tǒng)時間的數(shù)值會產(chǎn)生一個中斷，此時RTC持續(xù)工作，本設(shè)計中，我們采用鋰電池為其供電，本文采用并聯(lián)二極管和電容為供電電路。如圖2-11所示圖2-11時鐘電路2.4.5外部SRAM的設(shè)計STM32F103ZET6內(nèi)含有一個64K字節(jié)的內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)，但當(dāng)計算要求較高時，內(nèi)存可能比夠用，所以在本系統(tǒng)中，需要外部拓展1M的SRAM字節(jié)，提高反應(yīng)速度。1M字節(jié)的SRAM采用的是ISSI生產(chǎn)的芯片，其優(yōu)點為反應(yīng)速度塊，能耗低，能靜態(tài)操作的優(yōu)點。其硬件電路如圖2-12所示。圖2-12外部SRAM電路2.4.6SD卡的設(shè)計SD存儲卡，是一種具有記憶功能的存儲設(shè)備，其具有體積小，傳輸快等等優(yōu)點，被許多人們所認可，常應(yīng)用于MP3，MP4，PSP以及手機上。設(shè)計SD卡主要是為了方便存儲本地數(shù)據(jù)，方便以后的查詢，包括流體的速度，流體的溫度和體積等等，另外，上文也涉及了STM32攜帶的USB接口，可以把存儲卡直接通過USB接口連接到電腦上來讀取數(shù)據(jù)，其電路設(shè)計去2-13所示。圖2-13SD卡的設(shè)計2.4.7WIFI的設(shè)計上文提出的測控系統(tǒng)測試得出的數(shù)據(jù)，包含流體速度，溫度，體積等等，一方面可以存儲在SD卡上，另外可以通過設(shè)計的WIFI直接上傳到云端，實現(xiàn)遠距離多端口對流體流量的控制。WIFI采用ESP8266模塊，該模塊支持多種模式，可以作為一個WIFI連接也可以連接其他的WIFI，其可以通過AT指令集來實現(xiàn)與單片機的數(shù)據(jù)交換，在設(shè)計WIFI模塊時，其耗能較大，需要外接穩(wěn)壓電源來給他單獨供電，如圖2-14所示，此外ESP8266的單片機片選引腳有PA4控制的，其PA5為復(fù)位引腳具體電路如2-14。圖2-14WIFI供電電路圖2-15ESP8266電路2.4.8其他電路的設(shè)計本小節(jié)的設(shè)計主要包括LED電路，蜂鳴器電路，以及串口電路，將它們放到本小節(jié)中一并講解。設(shè)計LED的電路主要通過兩個LED燈的顯示狀態(tài)來反應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)，兩個LED燈經(jīng)過保護電阻上拉后接入單片機，其電路圖如2-16所示。圖2-16LED指示燈設(shè)計蜂鳴器是為了在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者不確定的事件發(fā)生時，發(fā)出聲音來警報。蜂鳴器主要通過一個三極管來工作，三極管連接到單片機的端口上，在由PB8端口作為驅(qū)動蜂鳴器的電源，如圖2-17所示串口電路的調(diào)試與設(shè)計主要通過串口調(diào)試程序和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來進行工作的。串口調(diào)試通過USART1進行，其引出三個接口，分別對應(yīng)的是串口一接受PA10的數(shù)據(jù)，發(fā)送PA9、GND的數(shù)據(jù)，其電路如圖2-18所示，P10是三線接口。圖2-17蜂鳴器電路圖2-18串口電路2.5本章結(jié)語本章節(jié)根據(jù)市場所需要的功能對該系統(tǒng)進行設(shè)計與升級，本設(shè)計上文給出了設(shè)計思路以及簡單的設(shè)計方案，其系統(tǒng)主要包括微處理器，電動式閥門，RTC模塊，SD存儲卡，等等由上述的模塊，可以實現(xiàn)該系統(tǒng)對流體速度，溫度，濕度等各方面信息的了解和控制。3硬件的設(shè)計3.1閥門的背景以及意義水流量測控系統(tǒng)的不止是軟件的設(shè)計其中也包括其他硬件的設(shè)計，本設(shè)計就從球閥的設(shè)計來入手，閥門在我國的機械領(lǐng)域是重要的行業(yè)，球閥廣泛應(yīng)用在作為流體的控制當(dāng)中，例如在電力，城市的建設(shè)，以及環(huán)保化工等重要的部門。近些年，國家的重視，閥門行業(yè)處在了發(fā)展的黃金的時代。其中球形閥門是重要的一環(huán)，其工作的原理是可以接通或切斷傳輸管中的液體，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的流速，壓力等相關(guān)的因素。球閥作為閥門中的一者，不僅在工業(yè)的生產(chǎn)方面還是在電力，醫(yī)藥，建設(shè)方面起著不可忽視作用，如下圖3.1是外螺紋球閥的外觀圖，球閥的選擇可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景來作出不同的選擇，以滿足基本的傳輸要求。圖3.1外螺紋球閥3.1.1球閥的類別球閥的類別比較多，按照不同的功能又可以細分很多種。目前國內(nèi)的球閥的種類很多，其主要有一下幾種，例如電動式的球閥門，自動式的調(diào)節(jié)球閥，等等。以下是球閥當(dāng)中比較常見的閥體分類。1.按照閥芯的切口的形狀進行分類，其分成兩類一種O型球閥另一種是V型球閥。O型的球閥其主要采用的是浮動式的連接結(jié)構(gòu)，它的閥芯是較為精密的鑄件，精度要求較高，外表較為堅硬，閥座采用的是乙烯類的材料，其功能是流通性能極好，阻礙性小，當(dāng)關(guān)閉閥門的時候，沒有液體的漏跑，其一般作為開關(guān)閥體使用。而V型球閥則采用的是固定的結(jié)構(gòu)，閥芯上有一個V字型的切口，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)流體的速度，較為穩(wěn)定。2.根據(jù)不同的工作需求可選用啟動或者電動的執(zhí)行部分作為球閥的主要部分，其中電動式的球閥可以實現(xiàn)電動的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其氣動的球閥可以實現(xiàn)按照所需比例來調(diào)節(jié)閥門。3.根據(jù)不同的用途，可以把球閥分為以下五種，直通式球閥，三通式球閥，四通式球閥，以及保溫和斜面球閥，等等4.市面上也有其他的分法，例如一片式球閥，兩片式，三片式球閥等等下面簡單的列舉了如圖3.1(a），3.1（b），3.1（c）這三類一些市面上常見的球閥，以及它們的主要參數(shù)一片式球閥：型號：Q11F壓力：1.6-6.4MPa如圖3.1（a）二片式球閥：型號：Q11F：壓力：1.6-6.4MPa如圖3.1（b）三通式球閥：型號：Q15F：壓力2.5MPa如圖3.1（c）3.2球閥的設(shè)計以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計算3.2.1球閥設(shè)計的主要內(nèi)容閥門在管道的傳輸系統(tǒng)中是一個較為重要的組成部分，其能否正常工作是水流量系統(tǒng)較為關(guān)鍵的一環(huán)。所以閥門的相關(guān)數(shù)據(jù)的計算與設(shè)計必須滿足在當(dāng)下的工作條件下的要求。其主要的數(shù)據(jù)必須了解。（1）閥門的分類以及工作位置（2）在介質(zhì)中的工作的壓力以及溫度（3）在工作環(huán)境下的物理和化學(xué)的性能（4）閥門的直徑，長度以及材料（5）和管道的連接方式以及其他的操作在球閥的設(shè)計中不僅要掌握上述的主要數(shù)據(jù)還要了解相關(guān)的技術(shù)。（1）球閥的流通的能力（2）球閥的阻礙系數(shù)（3）球閥的外形以及重量的限制（4）球閥如何保養(yǎng)以及其他的要求3.2.2球閥閥體的設(shè)計球閥的閥體是其最重要的部分之一，他主要起著支撐保護作用，其重量占據(jù)總重量的70%左右，它的主要功能有以下幾點：支撐球閥，承受外力的壓力作為安裝球閥的基礎(chǔ)保護閥芯及相關(guān)內(nèi)部組件球閥閥體的流通管道的設(shè)計（1）球閥閥體的入口處設(shè)計為圓形，為了保證流體進入，流道的設(shè)計為直線或者是流線的形狀，最大程度的避免流體在管道內(nèi)由于流動方向的變化而導(dǎo)致的對管道內(nèi)壁的阻力以及沖擊（2）設(shè)計為直通式的閥體，其在通道的喉部的設(shè)計面積最少也要是閥體的入口處的橫截面積3.2.3球閥閥體的內(nèi)壁的確定閥體的壁厚的確定主要是查表或者計算得出來的。對于該設(shè)計的閥門，可根據(jù)閥門的設(shè)計標準可得。對于鑄鋼的閥體，其要滿足最小的允許的壁厚；因此在該球閥閥體的設(shè)計中，采用薄壁的計算方法SB=（pDN2δ公式中，D是閥體的最大內(nèi)徑，根據(jù)需要，D=50mmP是設(shè)計的壓力，其大小為公稱壓力為1.6MPaS是磨損腐蝕后的剩余壁厚δ是材料的允許的壓力，其查表可得為45MPaC是在鑄造中的偏差，是允許發(fā)生的由上述的式子得出S==5.9mm由此可知，在考慮鑄造的磨損后，因此壁厚選擇6mm。3.3法蘭的設(shè)計和計算閥體和閥蓋的連接的方式目前有五大類，其分別是螺紋連接，法蘭練級以及焊接，夾箍，自緊式連接等等連接方式。本設(shè)計采用法蘭連接，在計算中要考慮以下的相關(guān)問題：（1）法蘭的強度會直接影響連接的安全性以及可靠性。所以，在設(shè)計的時候不僅要滿足法蘭的尺寸要求也要考慮到流體的壓力以及其他不確定因素所產(chǎn)生的應(yīng)力。（2）螺栓的應(yīng)力的確定以及密封圈的選用，為了確保整體連接的牢固性，螺栓必須擰緊，其產(chǎn)生的應(yīng)力也要考慮。（3）由于閥體在工作環(huán)境中，在使用時溫度以及濕度壓力的變化所產(chǎn)生的應(yīng)力，也應(yīng)該注意到。在本設(shè)計當(dāng)中，把法蘭，螺栓以及密封圈和管道這上述的元件看做一個整體，這樣方便計算分析和考慮。3.3.1法蘭的預(yù)緊力的計算根據(jù)公式Ma=W×SG （上述的公式中，W是螺栓的設(shè)計載荷，下文3-11式子得到數(shù)據(jù)為W=54731.77NS是螺栓的中心到密封圈作用力的徑向的距離，在本設(shè)計中是11.75mm，所以，計算式3-2得出M=54731.77=643.10N3.3.2法蘭的力矩的計算根據(jù)公式M=FD計算式中SD=S+0.5ST=（S+δSG=上述的計算式FD是作用在法蘭內(nèi)徑的的軸向壓力，F(xiàn)D=0.785Di2pDi是泛濫的內(nèi)徑，p是設(shè)計的壓力，因此，F(xiàn)D=0.785FT=F-F=FD=0.785DG2p是流體的靜態(tài)的靜壓的總的軸向壓力。DG是密封圈壓緊力作用的直徑，其值為43mm，于是可以計算得出F=0.758由上述可知FT=3140FG在工作的情況下是FG=FP=6.28DGbmp=6.28上述式子2-4中，SD=S+0.5上述式子2-5中，ST=上述式子2-6中，SG=由上所知，計算出上述式子3-3得出M==3140=75832N3.4螺栓位置確定以及相關(guān)數(shù)據(jù)的計算3.4.1螺栓的間距的確定螺栓之間的最小間距應(yīng)滿足正常的拆卸需求，由網(wǎng)上數(shù)據(jù)得出，較為合適的螺栓的最小間距Smin和法蘭的徑向的尺寸S,SC該設(shè)計采取公稱直徑dB為12mm，可以滿足螺栓中心到球閥的閥蓋的外壁的距離能夠滿足正常使用且不小于20mm，螺栓的中心點到法蘭的外壁之間的距離不低于16mm在該設(shè)計當(dāng)中，采用的是小型的球閥，因此只要在保證正常工作的安全以及密封良好的條件下，采取了較大的間距來滿足安裝要求。其安裝的螺栓的最大間距的公式如下S=2dB+6上述的式子當(dāng)中，螺栓的公稱直徑dB為12mm法蘭的厚度δf是密封圈的參考系數(shù)有網(wǎng)上數(shù)據(jù)得出，本設(shè)計采用的是O型圈，無其他材料含量，所以墊片系數(shù)是m=1.0由上述給出的數(shù)據(jù)得出2-7S=2=72mm3.4.2螺栓的載荷的設(shè)計與計算1.在預(yù)緊的情況下需要媽祖最小的螺栓的載荷需求，其公式如下Wa=3.14DG上述的式子中，DG是密封圈的中心點，在該設(shè)計當(dāng)中，其數(shù)值為43mm，密封圈的寬度為密封圈的比壓為y，有網(wǎng)上的數(shù)據(jù)得出y=1.4由上述可知，計算2-8的式子得出W2.在使用的情況下安裝最小的螺栓的公式WP=F+F上述的式子中，F(xiàn)是流體的靜態(tài)的靜壓總軸向力FP是設(shè)計的壓力由此可知，計算出2-9的式子得出W=4930.93N3.4.3螺栓的面積的計算1.在使用的市況下所要求的最小的螺栓的計算載荷的公式Aa=Wa/上述式子中，δ因此，得出3-10A=3.9383.4.4螺栓的載荷的設(shè)計與計算1.在預(yù)緊的情況下螺栓的設(shè)計載荷按照下述的公式W=(Am+A上述的式子中，Am代表當(dāng)是螺栓的總的橫截面積，Am取用和Ab的大的數(shù)值，有上述的計算式子可以得出Am的數(shù)值為3.938由上述的數(shù)據(jù)得出，計算式2-11得出W==54731.77N2.在使用的強狂下螺栓的設(shè)計的載荷按照下述的公式計算W=Wp 所以得出W=W3.5零件的選取分析3.5.1閥體和閥蓋材料：鑄鋼ZG25原因：在使用時的溫度為-80～120℃，可作為PN≤性能：鑄體的壁厚5～10mm，其抗拉的強度是240主要特點：此材料的強度，抗腐蝕性，耐高溫性以及耐磨性較為良好，可鑄性較為優(yōu)秀。其可用于在工作環(huán)境要求較為嚴格的條件下。3.5.2密封圈材料：聚合材料原因：橡膠類的制品在高溫，高壓的摩擦較為嚴重的情況下使用，但是這樣容易造成密封圈的磨損，會影響其密封性和穩(wěn)定性，所以需要定時的更換，但是聚合材料由于和橡膠材料的組成成分不同，其可以在具有抗磨損，抗腐蝕的同時也不容易損壞，所以不用定時的更換，所以球閥的密封圈采用聚合材料。3.5.3閥桿螺母材料：鑄青銅原因：Q11F球閥的選用材料3.5.4填料壓緊套材料：35作用：作用是壓緊密封的材料，達到密封的作用4系統(tǒng)軟件設(shè)計的與實現(xiàn)4.1開發(fā)環(huán)境的簡單介紹本文的軟件設(shè)計是采用Keil和MDK-arm的集成軟件進行的程序的開發(fā)與設(shè)計。Keil是提供一個面對內(nèi)嵌式的系統(tǒng)，以及單片機系統(tǒng)的開發(fā)的完整方案。原來的Keil是面對舊版本的ST51版本的單片機來實現(xiàn)其功能開發(fā)的，但由于STM的日益完備，Keil推出了面對不同環(huán)境進行不同的編程的MDK，方便了面對不同的ARM的構(gòu)架的內(nèi)部核心處理器的開發(fā)方便。我們使用的MDK-ARM是專門為cortexM內(nèi)部核心微控制器提供一個完備的C開發(fā)的環(huán)境以及完備的數(shù)據(jù)支持。4.2系統(tǒng)總體設(shè)計的思路圖4-1系統(tǒng)設(shè)計的總體思路多功能智能水流量測控系統(tǒng)的總體思路為：首先在STM32上配置各個GPIO的接口，配置一些必要的條件，例如計數(shù)模式，觸發(fā)模式等等，在設(shè)計的開始階段初始化這些接口的函數(shù)，完成上述的接口配置后，我們可以在中斷中加入傳感器的控制算法，測量算法，GUI的設(shè)計等等，不同的程序段寫入相應(yīng)的函數(shù)算法中。4.3水流控制以及流量監(jiān)測的程序設(shè)計本設(shè)計采用的是直流電機為電子電動閥進行供電，控制電機的程序依次為開閥，閉閥以及檢修。電動式閥門的開啟時的不同大小角度可以通過在閥門開啟或者關(guān)閉時利用閥門的不停旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，而閥門的不停旋轉(zhuǎn)是利用電機的開啟或者關(guān)閉來控制的，從而利用電機的開關(guān)來控制閥門開啟的大小，具體的程序設(shè)計，首先要先初始化電動式閥門的IO口，其次就是調(diào)用主程序，電動式閥門控制界面如圖4-2所示。圖中深色的按鈕為開關(guān)鍵，當(dāng)電動式閥門全關(guān)閉時，顯示為綠色狀態(tài)。該電動式閥門可使用較為先進的配置，例如開閥，關(guān)閥，以及設(shè)置水流的速度等等的功能，可利用在農(nóng)業(yè)，工業(yè)的各個用水場景，滿足人民復(fù)雜的生活需求。圖4-2系統(tǒng)UI的設(shè)計圖通常情況下來說，實現(xiàn)預(yù)設(shè)的操作是否成功的關(guān)鍵是取決于當(dāng)前的時間是否達到設(shè)置的輸入時間，然后才能執(zhí)行之后的相應(yīng)動作。如何才能知道是否系統(tǒng)時間達到了預(yù)設(shè)的時間，以下是兩個方案，第一種是利用RTC定時器的報警功能，把預(yù)設(shè)的時間帶人RTC報警定時器中，如果預(yù)設(shè)的時間值和系統(tǒng)的時間模塊的值相同時，報警中斷，否則，報警系統(tǒng)正常工作。第二種可以設(shè)計計輪詢算法，但是需要大量的運算以及內(nèi)存空間，這一種方案也就是說首先先對本系統(tǒng)的當(dāng)下時間進行算法運算，一直的對比系統(tǒng)的預(yù)設(shè)的時間值，如果達到了預(yù)設(shè)的時間就執(zhí)行系統(tǒng)的預(yù)設(shè)程序。本文因為采用STM32的微型處理器，并且外部設(shè)置了SRAM，存儲空間足夠且可以進行大量的運算，所以選擇第二種方案，第二種方案算力更高，需要不停地對系統(tǒng)的時間是否和預(yù)設(shè)時間相同進行比較，從而對閥門的開關(guān)進行控制。流程圖如下4-3（a）所示圖4-3（a）系統(tǒng)非周期控制的流程圖水流的速度和流量的測量的的中心思想就是測量流體傳感器的輸出的兩個脈沖的上沿之間的周期間隔，從而得出頻率。進入系統(tǒng)之后先確定是否處在上升沿或者溢出中斷。如果是溢出中斷的情況下，還需要觀察流體傳感器是否正常工作；另外一種情況就是捕獲了上升沿，那么增加一次溢出的次數(shù)，當(dāng)?shù)诙尾东@之后記錄時間，計算兩次之間的時間差值。如圖4-3（a）的流體速度的程序流程圖所示可了解，每過一個脈沖的周期系統(tǒng)就會計算一次流體的速度與體積，在流體的速度較快的時，則傳感器的輸出的頻率就會增高，從而系統(tǒng)經(jīng)過計算得出的頻率也很不穩(wěn)定，不停地波動。所以，在本設(shè)計中，在主程序當(dāng)中設(shè)計了一個子程序來完成計算平均速度的任務(wù)，我們?nèi)∑骄俣葹?0ms，每次更新時間間隔為10ms，得出的平均速度更有利于我們了解流體的速度情況。其程序如下所示。Voidmeter_task(void*pdata){U8i;Floatspeedtemp;While(1){i++;Speedtemp+=waterspeed;If(i>=5){speedAVE=speedtemp\i;i=0;Speedtemp=0;}OSTimeDlyHMSM(0,0,0,10);}}4.4電動閥門的控制程序的設(shè)計電動式閥門的內(nèi)部所采用的是直流電機，控制電機的程序主要執(zhí)行的是打開閥門，關(guān)閉閥門以及保持當(dāng)前的工作狀態(tài)。電動式閥門需要開啟不同的角度是主要是通過在打開和關(guān)閉閥門的途徑中，保持閥門當(dāng)前的工作狀態(tài)來完成的。保持閥門的不停轉(zhuǎn)動和停止時通過斷開或開啟直流電來實現(xiàn)的。具體的程序設(shè)計如下文所示，先初始電動式閥門的IO口的配置，然后在編輯主程序即可。//初始化PC2和PC3作為輸入接口，用來控制閥門的開關(guān)VoidVALVE_Init(void){GPIO_InitTypeDefDPIO_InitStructure;//采用PC端口的時鐘電路RCC_ABP2PeriphClockCmd(RCC_ABP2Periph_GPIOC,ENABLE);GIPO_InitStructure.GIPO_Pin=GIPO_Pin_2|GIPO_Pin_3;//端口配置GIPO_InitStructure.GIPO_Mode=GIPO_Mode_Out_PP;//輸出GIPO_InitStructure.GIPO_Speed=GIPO_Mode_Speed_50MHz;GIPO_Init(GIPOC,&GIPO_InitStructure);}打開和關(guān)閉閥門以及保持閥門當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)如下圖所示。VoidValveOpen（void）{GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3);GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_2);}VoidValveClose(void){GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_2);GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3);}VoidValveHold(void){GPIO_ResetBits(GIPOC,GPIO_Pin_2);GPIO_RetsetBits(GPIOC,GPIO_Pin_3);}4.5數(shù)據(jù)傳輸模塊的程序設(shè)計Esp8266芯片把單片機與MCU之間進行相連，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。給無線的遠程數(shù)據(jù)傳輸提供的保證，而且還改善了傳統(tǒng)的遠距離傳輸數(shù)據(jù)的缺點，減少的成本提高了效率。通常來說，esp8266的控制是通過at的指令來實現(xiàn)的。但由于Wifi模塊的數(shù)據(jù)交換任務(wù)量大，傳統(tǒng)的查看方法可能會占用很多的MCU的運算時間從而造成不必要的問題，從而導(dǎo)致其他任務(wù)可能不能正常的運行甚至是停止，由于中斷的優(yōu)先級更高，所以可能會引起掉幀的現(xiàn)象，所以本設(shè)計提供了二個DMA的信息通道，DMA的控制器不需要通過CPU來獲取指令，獲取或者發(fā)送數(shù)據(jù)等等一系列的操作，它不僅大大提高了系統(tǒng)的工作效率，同時也可以完成對大量數(shù)據(jù)的快速傳輸，避免了數(shù)據(jù)的丟失。具體的流程如4-4圖所示圖4-4數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D4.6Web端的檢測平臺的構(gòu)建與設(shè)計整個設(shè)計的平臺都是在JAVA的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，它的功能完備，可進行持續(xù)的升級維護，充分的保證了平臺的正常的工作，故障也能及時的發(fā)現(xiàn)以及修復(fù)，他可以實現(xiàn)對城市的供水系統(tǒng)的檢測以及定位，可以對數(shù)據(jù)進行分析和總結(jié)，可建立水力模型。本設(shè)計在設(shè)計是以市面上大部分的平臺為參考，整合了各個平臺的優(yōu)點，摒棄了其缺點，把各個平臺的核心重要的功能，以及其先進的優(yōu)勢融為一體，有效的保證了該設(shè)計的高效性，穩(wěn)定性。最近幾年，我國大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)，其背后擁有大量的數(shù)據(jù)為其支撐和發(fā)展，但是，物聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)在水業(yè)務(wù)行業(yè)的應(yīng)用少之又少，并沒有本身的技術(shù)來開拓發(fā)展水流量行業(yè),甚至可以說是一片空白。所以本設(shè)計在數(shù)據(jù)的存儲方面，采用了市面上較多的成熟的處理數(shù)據(jù)的方法，比如Oracle，SqlServer，等等數(shù)據(jù)處理方式。整個設(shè)計從人民的生活出發(fā)，界面的設(shè)計簡約大方，操作相對簡單，很好的降低了人員在操作系統(tǒng)時的要求和難度，可以滿足各種客戶對界面的不同需求。而且設(shè)計還未各個不同的模塊留有二次開發(fā)的端口，為了方便后期的升級和檢查。地理的信息系統(tǒng)簡稱GIS，是在對水務(wù)行業(yè)進行平臺操作中較為理想的平臺，本文的設(shè)計就是基于開發(fā)DMA的漏損技術(shù)的分析，主要針對的是遠距離水流量的大量數(shù)據(jù)，Web端的檢測系統(tǒng)的界面主要是針對水務(wù)行業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)供水系統(tǒng)的監(jiān)測和定位，進行對數(shù)據(jù)的分析和整合，以及水力模型的建立，提供水流量的預(yù)測等等功能。針對無線遠距離的水流量測量所采集的大量的數(shù)據(jù)，本設(shè)計開發(fā)了以MySQL數(shù)據(jù)庫和WebServe數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，結(jié)合GIS成熟的技術(shù)，可以設(shè)計出可觀察的漏損分析的系統(tǒng)。預(yù)測的功能主要含有對信息的檢索及對信息的提出發(fā)布等，可以通過對系統(tǒng)開放檢索和篩選的功能進行對存儲在服務(wù)器里大量數(shù)據(jù)的檢測和處理，以便提供在某個特定時間內(nèi)的水流量的壓力，濕度，流速等相關(guān)的信息。從而通過專業(yè)人員對這些信息的分析整合，可以制定出更為科學(xué)高效的方案，更好的利用水資源，通過平臺向指定的客戶進行發(fā)送了解，從而實現(xiàn)遠程的監(jiān)控漏損的功能。其流程圖如下圖4-5所示。圖4-5預(yù)測子平臺流程圖數(shù)據(jù)庫的子平臺是有檢測裝置上的上傳數(shù)據(jù)和與之相對應(yīng)的Web處理的程序共同組成的，把全部的樣本數(shù)據(jù)分入兩種不同的數(shù)據(jù)庫，一種是典型的樣本數(shù)據(jù)庫另外一種則是未識別的樣本數(shù)據(jù)庫。研究的人員可以通過典型的樣本數(shù)據(jù)庫進行查看，從而對比與漏損的歷史數(shù)據(jù)進行對比，得出相關(guān)的信息，整合相關(guān)的信息，可以得出豐富的數(shù)據(jù)，為維修人員提供了更有效更簡便的工作方法，可以進一步的對管網(wǎng)進行檢測和更新。數(shù)據(jù)庫的子平臺的流程圖如下圖4-6所示。圖4-6數(shù)據(jù)庫的子平臺流程圖定義數(shù)據(jù)庫的形式如下圖所示表4-1DatebaseConfig登錄模塊的流程圖如4-7的圖所示，采用的是基于Https的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：表4-1DatebaseConfig#設(shè)置數(shù)據(jù)庫的引擎#設(shè)置數(shù)據(jù)庫的名稱#指定連接數(shù)據(jù)庫的用戶名DATABASEENGINE:’mysqlDATABASENAME:‘myprodb’DATABASEUSER=’root’#指定用戶DATABASEUSER的密碼#指定數(shù)據(jù)庫的所在主機#設(shè)置連接數(shù)據(jù)庫時使用的端口號DATABASEPASSWORD=’ROOT’DATABASEHOST:‘localhost’DATABASEPORT=3306圖4-7用戶登錄模塊在漏損的平臺中，數(shù)據(jù)管理模塊的主要工作是吧獲取的數(shù)據(jù)信息同步到DateBase當(dāng)中去，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。同時，當(dāng)平臺的數(shù)據(jù)被更新的時候，可以通過離散型的算法剔除篩選無用的數(shù)據(jù)集，從而修正或者刪除相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得數(shù)據(jù)的缺失值或者異常值。并且會對剔除的數(shù)據(jù)進行單獨的存儲，減少系統(tǒng)運算的時間，從而減少運行時長。Web端的系統(tǒng)檢測的界面主要是整合水務(wù)運行的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對城市供水系統(tǒng)的漏損檢測和定位，可進行數(shù)據(jù)的管理和分析，水務(wù)的調(diào)動，水流量的預(yù)測等等的功能，分析當(dāng)前用水的規(guī)律以及實時供水情況的變化，提供實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警定位，從而提高水務(wù)行業(yè)的高效運行。針對遠距離的水計量的數(shù)據(jù)采集本設(shè)計以MySQL數(shù)據(jù)庫和WebServe數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計出可觀察的漏損分析處理的系統(tǒng)。在水的源頭發(fā)源地，供水商，配水的管網(wǎng)以及用水的分區(qū)等相關(guān)的環(huán)節(jié)，使用多功能智能的線上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)以及運行的情況進行實時的在線追蹤，除此之外，也對終端的用戶表進行升級改造，把離線的水表變成為在線式水表，把功能從單一性變成多功能性，智能型，對終端的用水客戶的用水進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合供水的總量，進行分層式供水以及制定漏損的控制方案。4.7GUI界面的程序設(shè)計本設(shè)計采用的GUI是StemWIN5.26版本，當(dāng)設(shè)計GUI的界面的時候，可以采用界面的開發(fā)工具來提高我們的工作效率，從而提高速度。所以推薦采用的開發(fā)界面的工具是4.1.3的部分的STemWIN的源代碼STM32Cube_FW_F1_V1.0.0\Middlewares\ST\STmeWin\Software的沐浴露下創(chuàng)建GUIBuilder的應(yīng)用程序。下面是對該系統(tǒng)的GUI界面的設(shè)計進行簡單的介紹。4.7.1主界面程序的設(shè)計在主界面中，主要顯示的當(dāng)下系統(tǒng)的主要信息，包含的有當(dāng)前的日期時間，水流的信息，水流的溫度，以及空氣中的濕度，電源電池的電量。除此之外，還可以設(shè)計一個功能性按鈕，作用在于用來直接跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)的功能的界面。其主界面圖如下圖4-16所示。在主界面當(dāng)中，需要不斷的刷新的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，本設(shè)計實現(xiàn)上述功能的方法是在主界面的程序中添加一個定時器，定時時間為200ms，每200ms刷新一次主界面的數(shù)據(jù)。圖4-16系統(tǒng)的主界面4.7.2功能界面的選擇設(shè)計在主界面中，當(dāng)我們按下功能選擇的按鍵之后，系統(tǒng)將會跳轉(zhuǎn)到功能的選擇的頁面中，本設(shè)計設(shè)計了一些可供選擇的功能性按鈕，按下不同的按鈕之后，系統(tǒng)將會跳轉(zhuǎn)到按鍵相對應(yīng)的界面中去，如圖4-17的選擇功能的界面所示。圖4-17功能選擇的界面系統(tǒng)功能的選擇界面可以大概的列出如下的六個板塊；日期時間，主要用來顯示當(dāng)前系統(tǒng)的時間以及修改功能；溫度濕度，主要是用來顯示當(dāng)前環(huán)境下的空氣的溫度，濕度以及水流的溫度等功能；水流的信息，主要是用來顯示當(dāng)前水流的相關(guān)信息，例如水流的流速以及流量等信息的功能；定量輸出，可以通過開關(guān)閥門來實現(xiàn)水流按照指定的速度來輸出的功能預(yù)約控制，可以通過系統(tǒng)來控制閥門的開啟或者關(guān)閉來實現(xiàn)在指定的時間內(nèi)水流的輸出的功能系統(tǒng)設(shè)置，其中包括了系統(tǒng)對很多子功能的操作。如下是對上述功能的具體介紹。4.7.3日期時間的界面功能日期時間的界面是用來顯示當(dāng)前的時間或者日期，除此之外和可以顯示當(dāng)前空氣的濕度，溫度以及水流的信息等，設(shè)計的時間設(shè)計按鍵以及日期設(shè)置按鍵可以分別用來調(diào)整時間和日期，如圖4-18的（a）（b）圖所示。設(shè)計的時間的按鍵被按下去時，按鍵被彈起來的同時會顯示出時間的設(shè)置界面，時間的設(shè)置界面有兩個方框，分別代表時鐘和分鐘，通過調(diào)節(jié)這兩個數(shù)值，從而達到對系統(tǒng)的時間的修改，然后根據(jù)年份的計算，分為平年，閏年，以及大月和小月等來設(shè)置日期的最大的數(shù)值為28，29或者30，31，避免出現(xiàn)錯誤的日期，影響操作等錯誤的現(xiàn)象。時間的設(shè)置界面日期的設(shè)置界面圖4-18（a）（b）時間，日期的設(shè)置的界面4.7.4溫度濕度的界面的設(shè)計當(dāng)溫濕度的功能按鍵被按下后，同樣按鍵彈起來的同時會彈出一個功能的選擇頁面，其選擇的界面設(shè)計了三個按鍵，分別是空氣溫度，空氣濕度以及水流的溫度，如圖4-19所示圖4-19溫度濕度的子系統(tǒng)的界面空氣的溫度的界面如圖4-20所示?？諝獾臏貪穸鹊慕缑嬷校ㄟ^MULTIPAGE的方式添加了三個頁面。其溫濕度的實時頁面如圖4-20（a）圖所示，采用GRAPH的控制件來實現(xiàn)打印空氣中的氣溫的曲線，這整個頁面的顯示持續(xù)一分鐘，除此之外還能手動拖動下面的滑動鍵來查看以往的歷史數(shù)據(jù)。每天的曲線的界面如圖4-20(b)所示，同樣也可以通過選擇不同的時間和日期，可以查看某一天當(dāng)中的任意一段時間的空氣的溫濕度的情況。這些條形圖都會被綜合總結(jié)在如圖4-20（c）的頁面中，其顯示的是綜合整合的信息，通過選擇不同的年份和月份可以查看到某一年當(dāng)中某一個月的溫度直方圖。圖4-20（a）空氣溫度界面的實時曲線圖4-20（b）空氣溫度界面的每日曲線圖4-20（c）空氣溫度界面的綜合曲線空氣中濕度的界面和水流的溫度界面的顯示比較相似，空氣濕度的界面如下圖4-21所示，則水流的溫度的界面如圖4-22所示。實時曲線每天曲線（c）綜合曲線圖4-21空氣中濕度的界面（a）（b）（c）實時曲線每天曲線（c）綜合曲線圖4-22水流溫度的界面（a）（b）（c）4.7.5水流信息的功能水流信息的功能的按鍵被按下時，同樣會彈出一個功能的選擇界面，功能的選擇界面設(shè)計了兩個按鍵，包含水流的速度以及水流的流量等，如下圖4-23所示。圖4-23水流信息界面的子功能選擇界面同樣，水流速度的界面和水流的流量的側(cè)面同4.3.4當(dāng)中的空氣溫濕度的界面較為類似，水流的速度的圖如下圖4-24（a）（b）（c）所示，水流流量的圖如下圖4-25（a）（b）（c）所示實時曲線每天曲線綜合曲線圖4-24水流的速度的界面（a）（b）（c）（a）（b）（c）圖4-25水流流量的界面（a）（b）（c）4.7.6定量輸出定量輸出的界面如下圖4-26（a）所示，主要包括了三個部分：1、設(shè)置輸出的水流的體積以及水流的速度，其中水流的速度和水流的體積可以隨時的進行更改；2、顯示當(dāng)下水流的速度以及水流的體積；3、控制按鍵，PID按鍵設(shè)置主要用來調(diào)節(jié)水流的速度閉環(huán)控制當(dāng)中的PID的參量，啟動或者關(guān)閉按鍵主要用來控制定量的輸出功能的開啟或者關(guān)閉，重置按鍵用來清除當(dāng)下輸出的水流的體積的記錄。定量輸出的界面PID的參量的界面設(shè)置圖4-26定量輸出的主界面（a）（b）PID的設(shè)置按鍵按下后能彈出如上圖所示4-26（b）的界面，精確的模式對應(yīng)上文的4-24的離散型的PID的控制變量的方法，快速的模式對應(yīng)的是上文PID的控制方法。PID的參量的百分比主要是應(yīng)用在不同環(huán)境下水的壓力的數(shù)值相差很大的情況下，通過手動調(diào)節(jié)閥門的開啟關(guān)閉的比例，從而快速的，精確的來實現(xiàn)水流的速度閉環(huán)功能。4.7.7預(yù)約的功能控制設(shè)置預(yù)約控制的這項功能主要是為了能夠在預(yù)定的任何時間來控制閥門的開啟關(guān)閉，而且還能賦予閥門更高級的操作，比如制定水流的速度，指定水流的體積和排量等高級功能。上述的這些功能都能應(yīng)用在智能灌溉的系統(tǒng)中去，可以滿足更為復(fù)雜的灌溉要求。閥門預(yù)約的控制界面如圖4-27（a）（b）所示。閥門的開關(guān)按鍵可以直接的控制閥門的開啟或者關(guān)閉，同時也能夠指定閥門處于特定的狀態(tài)。預(yù)約的控制的界面中，可以通過一個界面來顯示出當(dāng)前設(shè)置的預(yù)約的指令以及完備的詳細資料，同時也可以按下任何一個項目來進行對其修改。按下新增條目的按鍵之后，可以添加新的預(yù)約的指令。（a）預(yù)約的控制界面（b）新增條目的界面圖4-27閥門的預(yù)約控制（a）（b）新增的條目按鍵按下后會彈出如圖4-27（b）所示的界面，界面當(dāng)中使用的是英文單詞，其主要原因是由于Radio的控制軟件不支持中文。Oneday和Everyday的單選的按鍵用來設(shè)置每天的任務(wù)設(shè)置的次數(shù)，Oneday代表的是某一天的某個時刻執(zhí)行操作一次，但是Everyday是代表每天系統(tǒng)都會在設(shè)定的時刻來執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)Everyday被按下時，那么日期的設(shè)置變成無效。閥門的設(shè)置也包含三個選擇：OPEN（其控制閥門開啟），CLOSE（其控制閥門關(guān)閉），OTHER（定速定量的輸出）。通過滑動滑動條來設(shè)置水流的速度，通過體積處的SPINBOX可以設(shè)置水流的體積，按下確定的按鍵之后增加當(dāng)下的設(shè)定條目，或者刪除條目按鍵來刪除選定的不需要的條目。實現(xiàn)流量的預(yù)約控制的關(guān)鍵點在于判斷系統(tǒng)是否到達了條目的預(yù)設(shè)時間，在到達的設(shè)定時間之后來執(zhí)行與之相對應(yīng)的操作。如何判斷系統(tǒng)的時間是否以及達到了條目的預(yù)設(shè)的時間，本設(shè)計設(shè)計了兩種方案：1、利用RTC的鬧鐘的功能，把預(yù)先設(shè)置的時間寫入RTC的鬧鐘計數(shù)器，當(dāng)RTC計數(shù)器的數(shù)值和鬧鐘的計數(shù)值相同時就會觸發(fā)鬧鐘的斷開，在鬧鐘中斷的時候執(zhí)行設(shè)定的操作；2、設(shè)計一種查詢的算法，不斷的把當(dāng)下系統(tǒng)的時間和預(yù)先設(shè)置好的條目的時間進行對比，達到條目的預(yù)設(shè)時間后就執(zhí)行指定的操作。在本設(shè)計中采用第二種的方法，通過輪詢系統(tǒng)的時間和條目預(yù)設(shè)的時間進行對比，然后控制閥門。其流程圖如下圖4-28所示圖4-28閥門的預(yù)約函數(shù)單詞遍歷的流程圖閥門預(yù)約的控制的實現(xiàn)，它的最重要的就是采用二維數(shù)組的方法保存所有的預(yù)設(shè)條目的信息，在任務(wù)的函數(shù)當(dāng)中，輪詢當(dāng)下的系統(tǒng)時間和每一個條目的預(yù)設(shè)的時間。當(dāng)系統(tǒng)的時間到達了某個條目的預(yù)設(shè)的時間之后，閥門將采取相應(yīng)的動作，然后來查詢下一條的條目；當(dāng)系統(tǒng)的時間并沒有達到某個條目的預(yù)設(shè)值時，表示時間并未達到，然后跳過該條目繼續(xù)查詢下一個條目；當(dāng)系統(tǒng)的時間大于預(yù)設(shè)的條目時間，表示預(yù)設(shè)的條目時間已經(jīng)過期，那么應(yīng)刪除該條目并且把以后的條目向前移動，然后繼續(xù)按照當(dāng)前的方法檢索以后的條目。當(dāng)所有的條目檢查完畢之后，就是系統(tǒng)完成了一次遍歷，在閥門的預(yù)設(shè)的任務(wù)當(dāng)中，應(yīng)每過一段時間，系統(tǒng)就會執(zhí)行上述的遍歷流程。4.7.8系統(tǒng)的設(shè)置系統(tǒng)的設(shè)置界面如下圖4-29所示，其主要列出了九個設(shè)置的選則項目。圖4-29系統(tǒng)設(shè)置的界面時間的設(shè)置以及日期的設(shè)置選項和4-16中的相似，按下時間設(shè)置的按鍵可以用來調(diào)節(jié)時間的設(shè)置，按下日期設(shè)置，可以調(diào)節(jié)日期，如圖4-30所示。時間設(shè)置的界面日期設(shè)置的界面圖4-30系統(tǒng)設(shè)置界面內(nèi)的時間和日期的設(shè)置（a）（b）報警聲音的發(fā)出主要是在系統(tǒng)正常工作是出現(xiàn)了問題發(fā)生異常的狀態(tài)或者觸發(fā)了某個時間，從而發(fā)出報警聲。警報聲的設(shè)置界面其功能是有多種不同的警報聲音供我們選擇，但是因為Radio的控制件對中文不開放，所以使用英文，三個選項分別對應(yīng)了三個不同的聲音，如圖4-31所示。圖4-31報警聲音的設(shè)置界面閥門的控制界面相較于其他的界面較為簡單，就只是一個按鍵來控制閥門的開啟或者關(guān)閉，其如圖4-32所示圖4-32閥門開關(guān)設(shè)置的界面Wifi的設(shè)置的界面主要是對WIFI的一些相關(guān)事項的設(shè)置，但是由于WIFI在系統(tǒng)斷電回復(fù)后能夠自動從連，因此不需要經(jīng)常性的進行設(shè)置，所以把這個功能方法放到在系統(tǒng)的設(shè)置界面中。WIFI的系統(tǒng)設(shè)置界面包括三個子頁面，其分別是WIFI的設(shè)置，連接WIFI以及連接物聯(lián)網(wǎng)這三個子頁面，WIFI的設(shè)置頁面如下圖4-33所示。WIFI的開關(guān)鍵可以控制WIFI的開啟或者關(guān)閉，WIFI的連接狀態(tài)也能在頁面中來觀看的到，掃描的按鍵可以掃描并在列表中顯示能夠相連接的WIFI，點擊顯示出的WIFI，系統(tǒng)將會自動的跳轉(zhuǎn)到與WIFI相連的界面。連接WIFI的野蠻如圖4-34所示，圖4-34中點擊顯示的WIFI后會自動的將WIFI的名稱填寫如WIFI的名稱欄中，用戶的密碼自己輸出即可連接，點擊輸入密碼的位置，鍵盤會自動彈出，輸入完成之后點擊其他位置鍵盤即可消失。圖4-33WIFI的設(shè)置頁面圖4-34連接WIFI的界面連接物聯(lián)網(wǎng)的頁面如圖4-35所示，本設(shè)計的系統(tǒng)是基于YeeLink的平臺，也可以進行改變，來連接到其他的平臺上去。當(dāng)WIFI沒有連接時，系統(tǒng)處于斷網(wǎng)狀態(tài)，無法連接其他的云平臺，當(dāng)WIFI連接上時，可以通過按鍵的選擇，來確定是否連接YeeLink的云平臺，連接到Y(jié)eeLink之后，如圖4-35（a）所示，關(guān)閉YeeLink連接后如圖4-35（b）所示。開啟YeeLink的連接關(guān)閉YeeLink的連接圖4-35連接物聯(lián)網(wǎng)的頁面亮度的調(diào)節(jié)的頁面如圖4-36所示，屏幕的背光的調(diào)節(jié)原理是采用的PWM來調(diào)節(jié)LCD的背光燈的空間占比，通過一個可滑動的滑動條來調(diào)節(jié)背光燈的占空比從而調(diào)節(jié)屏幕的亮度，滑動滑動塊時，屏幕亮度立即改變，點擊確定之后，才是保存修改，點擊取消則是放棄了剛才的屏幕亮度的調(diào)節(jié)。圖4-36亮度的調(diào)節(jié)的界面觸摸屏的校準界面如圖4-37所示，依次點擊界面中的四個紅色標志的中心點，即可完成校準觸摸屏。圖4-37觸摸屏的校準界面系統(tǒng)中的液晶屏幕不需要一直的保持工作的狀態(tài)，本設(shè)計中設(shè)計了屏幕保護的程序，用來在不使用液晶屏幕的情況下關(guān)閉液晶屏幕的背光，從而延長液晶屏幕的使用壽命以及工作的續(xù)航，屏幕保護的時間設(shè)置的界面如圖4-38所示。屏幕的保護的程序的核心思想就是檢測屏幕是否被按下，當(dāng)屏幕沒有被按下時開始計時，一直到預(yù)先設(shè)定的屏保是建后，把液晶屏幕的背光關(guān)閉。在任何時候觸摸了屏幕的時候，都會把屏幕的屏保計時給清除并點亮屏幕?；謴?fù)出廠設(shè)置的界面如圖4-39所示，按下恢復(fù)出廠設(shè)置的按鍵后，系統(tǒng)會被重置，回到初始的狀態(tài)。圖4-38屏幕保護的時間的設(shè)置界面圖4-39恢復(fù)出廠的設(shè)置界面4.8本章小結(jié)本篇章主要詳細的介紹了一STM32為基礎(chǔ)的測控系統(tǒng)的軟件的設(shè)計，其中第一部分詳細的介紹了本設(shè)計的整個系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的組成，為下位構(gòu)建合理的開發(fā)環(huán)境作出了性能參考。然后，下一部分較為詳細的分析了電磁式流量傳感器和浸水溫敏電阻以及電子電動閥門等相關(guān)模塊的程序設(shè)計與開發(fā)，詳細的解釋了電動式閥和電磁式流量傳感器相結(jié)合后，事項水流的遠距離操控的方法。最終，在結(jié)合GUI的界面系統(tǒng)，分析了各個功能是如何實現(xiàn)完成工作。需要說明的是，通過GUI界面實現(xiàn)的功能，可以進行適當(dāng)?shù)男薷暮蜕?，從而滿足按鍵的控制和系統(tǒng)的遠程無線控制等等。本設(shè)計是基于STemWIN的設(shè)計的多功能智能化水流量的測控提，它的主要思想是利用單片機以及幾何多種傳感器的技術(shù)，從而實現(xiàn)多功能化和智能化的測控功能，在實際的應(yīng)用的時候，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進行修改和改進，從而滿足日常生活的各式需求。5系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果的分析5.1系統(tǒng)的調(diào)試5.1.1流體傳感器的校準和測試建設(shè)管狀的流速測試系統(tǒng)來進行實現(xiàn)，得出結(jié)論，電磁式流量傳感器的供應(yīng)廠家提供的電磁式流量傳感器的測定標準的數(shù)據(jù)不夠準確，需要人為的重新校準傳感器的流量數(shù)據(jù)參數(shù)。本設(shè)計對電磁式流量傳感器進行數(shù)據(jù)參數(shù)的校準，實驗場所如下圖5-1所示。有二個裝有自來水的水箱，以及恒壓的供水泵組成。為了得出數(shù)據(jù)的準確性，提高參數(shù)校準的準確性，進水處使用直徑較大的管道，出口處使用直徑較小的管道。二者相差一倍左右。開始，我們在實驗的過程中把供水泵和其閥門打開到一定的合適角度，使其電磁式流量傳感器輸出比較穩(wěn)定的電磁脈沖的頻率，其次關(guān)閉閥門和恒壓的供水泵，來讀取智能水表所顯示的數(shù)據(jù)，把它當(dāng)做初始值。然后在把閥門和恒壓的供水泵打開到相同的位置，同時開始計時，當(dāng)?shù)搅艘欢ǖ臅r間T時，立刻關(guān)閉恒壓的供水泵，并且在讀取水表顯示的數(shù)值，這兩次的數(shù)據(jù)的差值就是V，。最后計算出Q的數(shù)值。圖5-1校準的場景示意圖在實際的測試中我們發(fā)現(xiàn)，假如流量傳感器與電動式閥門之間不采用五倍的管道直徑的直管道的情況下，對其測試的結(jié)果影響較小。如果流量傳感器與電動式閥門之間不采用直管道之后，可以大大的縮短了管道的長度，減小了實際系統(tǒng)所占的空間，裝配起來也更加的方便快捷。不加直管道的實際場景如下圖所示5-2圖5-2傳感器的實際操作場景在實際的測試中使用的是固定脈沖頻率的方式測量的，每五分鐘內(nèi)流過的液體的體積進行多次的測量并且取平均值，最終得出傳感器的實際數(shù)據(jù)如下表所示5-1表5-1流量傳感器的數(shù)據(jù)校準脈沖頻率f水流時間T（s）水流體積V（L）水流速率Q（mL/s）1330010.033.331530010.735.671730011.638.671930012.742.332630016.153.673530020.367.673930022.474.674930027.892.675930032.6108.676930037.5125.007730041.1137.008730046.5155.009630051.1170.33表5-1中的f和Q是一一相對應(yīng)的關(guān)系，把上述的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖5-3所示。圖5-3f與Q之間的關(guān)系根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，計算出上述曲線圖的f和Q的代數(shù)關(guān)系Q=1.665f+10.776 （5-1）在由得出的代數(shù)關(guān)系繪制擬合的曲線如圖5-4所示如圖5-4擬合曲線圖把5-2得到的代數(shù)關(guān)系帶入到單片機中，在不同的流體的速度下進行驗證，在驗證的過程中，需設(shè)定水流不同的速度，設(shè)置定量輸出為10L，接著讀取水表的數(shù)值并與測量值進行比較，計算出誤差，經(jīng)過測試得出，誤差全部都在2%之內(nèi)，把其數(shù)據(jù)繪制成5-2的表格，如下圖所示表5-2公式校準測試數(shù)據(jù)水流速度（mL/s）水流體積（L）測量體積（L）流量誤差309.839.9911.64%509.859.98613.8%709.889.9901.11%909.919.9910.82%1109.939.9710.41%1309.979.9960.26%15010.0310.0040.26%17019.9619.9740.07%19020.0919.9950.47%21020.1320.0050.62%23020.2220.0071.05%25020.3120.0691.19%27020.4420.1121.60%29020.4520.1531.45%5.2流體速度閉環(huán)的測試水流的閉環(huán)速度的測試，其主要是對PID的算法進行優(yōu)化，才能更快速的實現(xiàn)水流速度的閉環(huán)。本設(shè)計中，電動式的閥門開關(guān)響應(yīng)較為迅速，但是相對應(yīng)的水流的速度就相對緩慢，反應(yīng)滯后，設(shè)計中使用PI的方法對水流的閉環(huán)速度進行控制。為了保證更快速的實現(xiàn)水流的閉環(huán)速度，在調(diào)試過程中本設(shè)計采取的主要思想是：在保證輸出的水流穩(wěn)定不震蕩的條件下，增大P值；在保證輸出的水流穩(wěn)定不震蕩的前提下，減小I值。其中P值可以保證閥門的反應(yīng)迅速，I值可以最大程度上消除穩(wěn)態(tài)的誤差。在調(diào)試離散型的PID的控制量的時候，起初需設(shè)置數(shù)值較小的調(diào)節(jié)數(shù)值，在保證輸出的水流量的速度不震蕩的情況下，再增大調(diào)節(jié)量，從而提高水流的反應(yīng)速度。PID的參量需要反復(fù)的測試和調(diào)整，才能做到更準確更快速的實現(xiàn)水流速度的閉環(huán)，調(diào)試完成的程序可以在很短的時間內(nèi)完成水流速度的閉環(huán)，水流的誤差控制在2mL/s內(nèi)。使用上述的方式來調(diào)節(jié)水流的速度，使得水流速度的閉環(huán)更加迅速，調(diào)節(jié)的更為精細，但是調(diào)節(jié)的相對速度慢了一些。5.3定量輸出的功能的調(diào)試水流的定量輸出的界面如下圖5.3.1所示，定量的輸出的主要功能包括四個方面：1、設(shè)定的水流的速度和水流的體積；2、單片機控制的自動閉環(huán)的水流的速度，并計算累計的體積；3、時刻刷新當(dāng)下的已輸出的水流的體積然后和設(shè)定的水流的體積進行比較；4、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PID參數(shù)