摘要：為了克服現(xiàn)有的水表在技術(shù)上不能區(qū)分冷熱水的不足，設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用的智能感溫水表。系統(tǒng)采用雙干簧管設(shè)計(jì)了流量傳感器，提高了測量精度。AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，系統(tǒng)工作時，溫度傳感器DS18B20采集水溫信息傳入單片機(jī)，并與設(shè)定的溫度值比較，當(dāng)判斷水溫高于設(shè)定值時，系統(tǒng)開始統(tǒng)計(jì)流量傳感器輸出的脈沖個數(shù)，并以此計(jì)算當(dāng)前流量。流量數(shù)據(jù)通過單片機(jī)輸出在液晶顯示屏上，同時用E2PROM存儲，進(jìn)行掉電保護(hù)。經(jīng)過測試，系統(tǒng)對溫水計(jì)量精確，具有良好的穩(wěn)定性，市場應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)；干簧管；DS18B20；液晶顯示屏；E2PROM

0 引言
    現(xiàn)用的檢測熱水流量的方法是在熱水或暖氣管道的入戶端安裝一個水表，直接檢測流過的流量，根據(jù)記錄的流量來計(jì)費(fèi)。但是，熱水不可能一直使用，閑置在管道中的熱水會逐漸冷卻，每一次間隔較長的使用，用戶都要事先放掉一些涼水。每一個采暖季開始前，都需要循環(huán)大量的冷水來試驗(yàn)管道的可靠性，然后才會逐步提高水溫。而這些放掉或循環(huán)的冷水卻需要用戶按熱水的價格來承擔(dān)費(fèi)用，這顯然不合理。為了解決現(xiàn)有技術(shù)上的缺陷，本文對傳統(tǒng)的水表做了改進(jìn)，采用AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，由溫度傳感器DS18B20實(shí)時采集管內(nèi)液體溫度信息。當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值時，單片機(jī)啟動流量計(jì)算。同時，系統(tǒng)增加了顯示端口和存儲端口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示和數(shù)據(jù)保存。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    智能感溫水表由信號采集、信號處理、計(jì)算以及數(shù)據(jù)顯示、記錄3部分組成，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

    水管中的溫度傳感器實(shí)時采集液體溫度信息，傳給AT89C52單片機(jī)。單片機(jī)判斷傳來的溫度值大于閾值時，啟動流熱水量計(jì)算。流量傳感器是由安裝在管道內(nèi)的葉輪和一對干簧管實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)熱水流過葉輪時，葉輪轉(zhuǎn)動，通過干簧管形成電脈沖信號，單片機(jī)統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)即可計(jì)算出當(dāng)前流量。計(jì)算的結(jié)果通過串口液晶顯示模塊顯示出來。同時，所得的數(shù)據(jù)采用I2C總線，存儲到E2PROM中，進(jìn)行掉電保護(hù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件電路的搭建以AT89C52單片機(jī)為信號處理核心，P0口和P1口控制顯示電路(1602B)，P2口控制溫度傳感器(DS18B20)和雙干簧管(MARR -5)的信號采集，P3口負(fù)責(zé)E2PROM(CAT24WC0X)存儲。系統(tǒng)的硬件電路示意圖如圖2所示。

2．1 流量傳感器的設(shè)計(jì)
    水管中的液體流量信號的采集是通過雙干簧管傳感器實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)采用了MARR-5干簧管，這是一種磁敏開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。包含2片軟磁性材料做成的磁簧片，被封裝在充有惰性氣體的玻璃管里，磁簧片間留有空隙，構(gòu)成常開觸點(diǎn)。

    當(dāng)永久磁鐵靠近干簧管時，簧片的接點(diǎn)就會感應(yīng)出極性相反的磁極。由于磁極極性相反而相互吸引，當(dāng)吸引的磁力超過簧片的抗力時，分開的接點(diǎn)便會吸合。
    在熱水管道中安裝一個可以自由轉(zhuǎn)動的葉輪，水的流動推動葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，流量越大，葉輪的轉(zhuǎn)速越高。葉輪軸向安裝一個計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤，一片永磁鐵固定轉(zhuǎn)盤上，干簧管固定安裝在計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤附近。整個傳感器的組成示意圖如圖4所示。

    轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，永磁鐵就經(jīng)過干簧管一次，即在信號端產(chǎn)生一個計(jì)量脈沖，單片機(jī)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)計(jì)量脈沖即可求出流量。但是使用單個干簧管易受水錘現(xiàn)象、人為電磁干擾等外界因素的影響，產(chǎn)生較大的計(jì)量誤差。所以，感溫水表在設(shè)計(jì)流量傳感器時采用了雙干簧管傳感器(見圖4)。當(dāng)檢測到干簧管A吸合時，先記錄下來；再檢測干簧管B，只有檢測到干簧管B吸合后才認(rèn)為此次采集的計(jì)數(shù)脈沖有效。
2．2 溫度傳感器
    水管溫度傳感器采用了Dallas公司的DS18B20傳感器，測量范圍：-55～+125℃，分辨率12位，滿足設(shè)計(jì)要求。DS18B20以計(jì)數(shù)器原理工作，可直接向單片機(jī)輸出數(shù)字量，不需要后加加A／D轉(zhuǎn)化模塊。它采用單總線方式，僅需一根信號線與單片機(jī)連接即可傳送串行數(shù)據(jù)，且不需要外部元件。測溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)為9～12位，并可編程選擇?？刂坪唵危ぷ骺煽?。
2．3 液晶顯示電路和存儲電路
    感溫水表信息顯示模塊采用液晶顯示屏(LCD)顯示。由于該水表顯示的內(nèi)容包括少量數(shù)字和字母，段式LCD1602B就可以滿足要求，且價格低廉。它內(nèi)部集成有LCD控制器、LCD驅(qū)動器和RAM，因而可方便顯示數(shù)據(jù)的編程。設(shè)計(jì)中，1602B采用3～4線串行數(shù)據(jù)輸入，直接與單片機(jī)P0口相連。由于串行接口方式節(jié)省了所需的口線和系統(tǒng)資源，因而使系統(tǒng)具有較高的資源利用率。
    數(shù)據(jù)存儲電路采用I2C總線的E2PROM存儲器CAT24WC04。CAT24WC04是串行的E2PROM存儲器，其存儲容量為4 KB。圖2中草SCL為時鐘線，SDA為數(shù)據(jù)線。當(dāng)前時刻的流量數(shù)據(jù)會保存在CAT24WC04中，可保證掉電時，數(shù)據(jù)不丟失。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，主程序通過調(diào)用各子程序模塊來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，其程序流程如圖5所示。

    系統(tǒng)初始化程序完成單片機(jī)端口的功能選擇及各寄存器、LCD顯示模塊的初始化。溫度傳感器模塊檢測當(dāng)前水管中液體溫度，并與設(shè)定的閾值(85℃)相比較，當(dāng)溫度高于閾值時，流量傳感器模塊計(jì)算當(dāng)前流量。LCD顯示模塊程序完成流量顯示，存儲模塊存儲當(dāng)前流量值。
3．2 流量信號的計(jì)算
    流量傳感器中的干簧管采用單計(jì)數(shù)脈沖輸入，2個100μF的電容用來消除雙干簧管閉合時產(chǎn)生的抖動。如圖4所示，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，永磁鐵經(jīng)過干簧管附近一次，即產(chǎn)生一個計(jì)量脈沖。雙干簧管的情況下這要計(jì)數(shù)脈沖有效就對流量進(jìn)行計(jì)算。具體的程序流程如圖6所示。

    當(dāng)檢測到干簧管A的脈沖信號是并不直接開始計(jì)算，還要檢測干簧管B得脈沖信號。當(dāng)干簧管B的脈沖信號也被檢測到的時候，認(rèn)為此次計(jì)數(shù)脈沖有效，并記錄，與以前的檢測脈沖數(shù)求和。
    在室溫下進(jìn)行20次測量實(shí)驗(yàn)，傳感器管道直徑50 mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到該流量傳感器平均一次有效計(jì)數(shù)脈沖對應(yīng)0．64 L的液體流過設(shè)計(jì)管道。
    若當(dāng)前記錄的總的脈沖數(shù)為N，則此時的流量Q=0．64N(單位：L)。
3．3 溫度測量
    感溫水表的溫度測量系統(tǒng)的溫度傳感器是DS18B20，硬件電路簡單、穩(wěn)定。但是這是以犧牲軟件為代價的，在編程時必須嚴(yán)格遵守DS18B20工作時序的要求?；贒S18B20的溫度信號檢測流程如圖7所示。

    先由主機(jī)給DS18B20發(fā)一個復(fù)位脈沖，在DS18B20發(fā)回響應(yīng)脈沖給主機(jī)后，主機(jī)再發(fā)讀ROM命令(代碼33H)，并發(fā)一個15μs左右的脈沖，接著再讀取DS18B20序列號的一位，并用同樣方法讀取序列號的每一位。

4 結(jié)語
    本文所設(shè)計(jì)的感溫水表，以AT89C52單片機(jī)為核心控制芯片，加入了溫度傳感器、流量傳感器、外圍顯示電路和E2PROM存儲設(shè)備。
    設(shè)計(jì)提出的采用DS18B20傳感器采集溫度信號的設(shè)計(jì)方案，克服了普通水表不能分辨冷熱水的缺陷，適合用于我國各種不同的區(qū)域環(huán)境。同時，其計(jì)量準(zhǔn)確度符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，有良好的實(shí)用價值，具有廣闊的市場前景。