基于單片機的家庭天然氣用水流量監(jiān)測系統(tǒng)

張瑋　黃凱

摘要：為了對家庭管道煤氣以及家庭用水的流量進(jìn)行監(jiān)測，方便用戶了解家庭管道煤氣與用水等流量形式資源的消耗量，本文設(shè)計了一種基于單片機，安裝使用方便的小型流量監(jiān)測系統(tǒng)。本設(shè)計通過單片機采集流量計的脈沖數(shù)，通過換算得到相應(yīng)的流量，將流量通過LCD屏顯示出來。該系統(tǒng)還有自動關(guān)斷功能，能及時使用電磁閥阻止資源的泄漏和浪費。

關(guān)鍵詞：流量監(jiān)測 單片機 電磁閥 LCD顯示

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0001-02

隨著科技水平的發(fā)展，家庭生活越來越趨向智能化、可視化。目前市面上還沒有出現(xiàn)專門針對個人家庭的流量監(jiān)測設(shè)備，因此本設(shè)計具有一定的創(chuàng)造性。本設(shè)計的特點是便于安裝、查看、維護(hù)，只需串聯(lián)到家用水管或者煤氣管道中就能進(jìn)行監(jiān)測和顯示，系統(tǒng)由不同的模塊組成，在故障時便于維修。同時設(shè)計本身具有拓展性，可增加短信提醒，遠(yuǎn)程控制等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本項目將流量傳感器串聯(lián)入家庭流量管道中，流量傳感器可以在流體通過時產(chǎn)生脈沖，與流量傳感器連接的STC15F2K60S2單片機對產(chǎn)生脈沖進(jìn)行記錄，通過運算轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流量數(shù)值。單片機再使用LCD1602屏將流量數(shù)值顯示在LCD屏上，供用戶觀察。與流量傳感器一起串聯(lián)入管道的還有電磁閥，電磁閥的作用是在發(fā)生泄漏或者用戶忘記關(guān)閉閥門時自動關(guān)斷，切斷水源和煤氣這類流體，節(jié)省資源的同時提高了安全性，復(fù)位按鈕用于在電磁水閥切斷流體后復(fù)位電磁水閥，使得用戶能夠正常的使用水和煤氣。綜上可知，此系統(tǒng)主要由流量監(jiān)測模塊、單片機控制模塊、LCD顯示模塊、電磁水閥模塊組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計和選型

硬件系統(tǒng)由單片機STC15F2K60S2芯片、霍爾流量傳感器、LCD1602顯示屏、常閉電磁閥、復(fù)位按鈕等部分組成。模塊直接通過杜邦線和管道連接，方便進(jìn)行其他外圍模塊的添加（如短信提示模塊，以太網(wǎng)信息共享模塊等），為以后的開發(fā)和功能拓展創(chuàng)造了可能，系統(tǒng)實物如圖2所示。

2.1 STC15F2K60S2單片機芯片

該芯片作為整個系統(tǒng)的主控芯片，是連接和控制流量傳感器模塊、LCD顯示模塊和電磁閥模塊合理工作的關(guān)鍵。通過該芯片對脈沖的轉(zhuǎn)化可以得到相應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，同時得到的數(shù)據(jù)可以通過LCD屏將流量值實時、直觀的顯示在家庭用戶面前。該芯片通過計時的方式來判斷水閥或煤氣閥是否正常關(guān)閉。

2.2 霍爾流量傳感器

該傳感器使用簡單，將其串聯(lián)到流量管道中，傳感器一個信號口發(fā)送脈沖信號，該信號口與單片機端口相連，可以準(zhǔn)確計數(shù)脈沖，它的供電可以通過單片機5V低壓供電。

2.3 LCD顯示模塊

顯示模塊選用了較為常見的LCD1602顯示屏，其編程較為方便，同時還具有背光效果，亮度可以通過滑動變阻器進(jìn)行手動調(diào)節(jié)也可以通過光敏電阻進(jìn)行控制，白天和夜晚都可以使用。

2.4 常閉電磁閥

常閉電磁閥的特點是不通電情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，通電后打開，選擇這種電磁閥的主要原因是為了在斷電情況下也可以關(guān)閉水閥，這樣可以解決人長時間不在家時出現(xiàn)水閥或煤氣閥泄漏的情況。電磁閥通過一路繼電器來控制通斷，一路繼電器通過一個信號口來完成對繼電器com口和繼電器常閉口的控制。這種繼電器控制方便，為電磁閥提供不同的電源應(yīng)對不通的環(huán)境提供可能。

2.5 復(fù)位按鈕

復(fù)位按鈕的作用是在用戶得知電磁閥自動關(guān)閉后，為了恢復(fù)正常供水供氣設(shè)置的按鈕。當(dāng)電磁閥關(guān)閉后，按下復(fù)位按鈕重置繼電器控制口的狀態(tài)使得電磁閥重新打開。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用KEIL C51開發(fā)環(huán)境，對流量傳感器脈沖進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)行LCD顯示控制以及電磁閥通斷的控制。實現(xiàn)了智能化動作無須人為干涉。

3.1 流量傳感器部分的脈沖計數(shù)

使用單片機外部中斷當(dāng)接收到外部中斷信號就對變量n加1，直到外部中斷無信號出發(fā)。使用外部中斷方式，提高了脈沖計數(shù)的準(zhǔn)確度。程序如圖3所示。

3.2 LCD1602屏的流量顯示

將流量傳感器處得到的脈沖數(shù)值按照一定的比例轉(zhuǎn)化為流量值，給配給a/b/c/d/e/f/g七個變量，然后通過數(shù)組將數(shù)值分配給LCD顯示屏，用作LCD的屏顯，從而實時的向家庭用戶顯示當(dāng)前水流量或者煤氣流量。程序如圖4所示。

3.3 電磁閥的計時關(guān)斷和復(fù)位

當(dāng)有流量通過時，單片機進(jìn)行計時，一旦時間超過正常連續(xù)使用時間（這里為了方便實驗，定時為十秒）則會判斷為忘記關(guān)閉水閥、煤氣閥或者存在水或者管道煤氣泄漏的現(xiàn)象，這時候就會觸發(fā)標(biāo)志位的變化，當(dāng)變化數(shù)值符合關(guān)斷水閥的條件時自動關(guān)閉電磁閥，停止流體的供應(yīng)。同時對復(fù)位的標(biāo)志位進(jìn)行監(jiān)測。一旦收到復(fù)位信號，立刻復(fù)位，重新開啟電磁閥正常使用流體資源。程序如圖5所示。

4 結(jié)語

基于單片機的流量監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合了流量傳感器，LCD屏，電磁閥（一路繼電器控制）、復(fù)位按鈕等部分，通過51單片機芯片控制，進(jìn)行家庭水流量、煤氣流量的監(jiān)測和通斷控制，是當(dāng)前還未出現(xiàn)過的針對家庭流量情況的小型監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過增加其他模塊來完成更多的功能，比如短信提醒功能、遠(yuǎn)程控制功能、信息共享功能等。

參考文獻(xiàn)

[1]譚浩強.C語言設(shè)計.清華大學(xué)出版社，2010.6.

[2]劉剛主編.單片機機器接口技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2012.

[3]張景璐，于京，馬澤民.51單片機項目教程[M].人民郵電出版社，2010.3.

[4]李全利，遲榮強.單片機原理接口技術(shù).高等教育出版社，2004.1.

[5]文武松，單片機實戰(zhàn)寶典：從入門到精通.機械工業(yè)出版社，2014.

[6]劉甫，陳健美，單片機原理及典型應(yīng)用接口技術(shù).中國水利出版社，2014.

[7]張秀關(guān)，單片機與計算機串口通信實踐.電子工業(yè)出版社，2014.