一种基于单片机的开水房计价装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于AT89S52单片机的开水房计价装置。

背景技术：

随着生活水平的提高和人类生产的发展，世界用水量正在以每年5％的速度递增，用水总量每15年就翻一番，如果各国政府不采取有力措施，在2025年前，地球上将有三分之一以上的人口得不到清洁的饮用水，一半以上的人口面临淡水资源危机。当今全球性的社会和经济发展的主要制约因素是水资源短缺问题，合理地利用水资源，是人类可持续发展的当务之急，而水资源合理利用的关键是节约用水。

传统水房计价系统主要结构由硬件构成，以相对固定形式确定下来，所实现的功能较死板、较单一。只具有按时间计价显示用水费用的功能，在使用过程中，由于流量的不同使用户无法公平合理的消费，造成了部分浪费。它一般具有计时电路、内部处理电路和实时显示三部分。传统水房计价系统的主要特点是自成体系，自我包容，用户无法更改。传统水房计价系统功能单一，测量结果不能存储、显示，局限性很大。另外，传统水房计价系统开发周期长、经费投入大。随着科技水平不断发展，人们对传统水房计价系统提出以下几方面的要求：按流量计价、测量精度高、可靠性好、功能强，测量智能化、自动化、使用灵活方便，同时还可以进行消费数据的存储和显示。这些新的要求不仅促使着传统水房计价系统不断地改进和发展，也孕育着新一代水房计价系统的产生。

目前我国国内已经有了几款针对公共用水浪费现象而设计的节水系统，这些节水系统的节水效果还是比较不错的，但是，现有的节水系统采用的计价方式仍然采用的是按时间计价的方式，即根据使用的时间长短来收取消费费用，时间用的越长，收取的费用越多。从设计上来讲，采用计时收费的方式比较容易实现，成本也比较低，从表面上看，这是个很不错的方法。但是，就实际使用后我们发现此种计价方式存在着如下问题：

(1)在相同的浴室，相同的15分钟的淋浴，同样的费用，而由于电磁阀的不同一个人的实际用水量却比另一个人的多得多。

(2)在同一个开水房打同样的一壶开水，而其中一个人只要15秒钟，另一个人却需要20秒钟，后者付出的费用比前者多。

(3)当电磁阀被损坏时，还会造成无用水误收费的种种情况。

为改善以上计价不合理的方式，本课题设计了一种以测量水位方式而实现按流量计价的系统。由于高等院校集科研、教学和生活于一体，是水资源消耗的大户。目前全国有1500多所这样的高等学校，在校教职员工和学生约1710万人，他们既是城市生活的重要组成部分，又是人口密集的地方。因此，节水控制系统的设计是必不可少的，解决此用水问题不仅能够提高学校的用水效率，还增强了人们的节水意识，促进了社会的发展。学校的浴室也是校内水浪费问题相对严重的场所，具有很大的节水潜力。在浴室里，有的同学为了增加浴室温度，空放热水，有的用浴室的开水洗衣服，有的用水后不关龙头，水资源的浪费现象非常严重，为改善这种状况，许多学校采取了应对措施。如减小龙头出水口径、减压供水、脚踏板控制淋浴，即一旦人离开了淋喷头，便自动关闭等措施。但由于很大一部分学生的节水意识仍然不强，浪费水的现象并没有从根本上得到合理的解决。由计时计价方式引发的问题的合理解决方法就是设计流量计价式节水系统，这不仅可以达到良好的节水效果，还能改善收费不公平不合理的现象，能很好的响应我国的节水节能、构建和谐社会的号召，其意义就尤为重要了。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

技术实现要素：

本实用新型目的是：提供一种基于单片机的开水房计价装置，具有能有效改善时间计价方式存在的计价不合理的缺陷，在使其节约水资源的同时保证其合理收费，安全更可靠，更方便，寿命也更长等优点具有良好的应用价值。

本实用新型的技术方案是：

一种基于单片机的开水房计价装置，其特征在于：包括单片机及分别与其连接的流量测量模块、温度测量模块、液晶显示模块、数据存储模块、时钟模块、键盘输入模块和电磁阀控制模块，温度测量模块实时采集管内液体温度信息，当温度超过设定阈值时，单片机启动电磁阀控制模块放水并进行流量计算，得出价钱，通过流量测量模块计算水流量而达到计价，同时液晶显示模块进行温度、流量、计价显示。

优选的，所述的单片机采用AT89S52。

优选的，所述的时钟模块选择实时时钟芯片来进行对时间的计算和控制。

优选的，所述的流量测量模块，包括在水箱内不同水位位置放置的导线，用于测量水位信息，当水位到达一定阈值的时候，电极端就变为地，单片机检测低电平并进行相应的算法处理，实现计价功能。

优选的，所述的液晶显示模块采用1602液晶显示模块。

优选的，所述的键盘模块采用直接型键盘模式。

优选的，所述的温度测量模块采用DS18B20温度传感器， DS18B20温度传感器输出数字信号，实现双向传输数据。

优选的，所述的数据存储模块采用AT24C02。

优选的，所述的电磁阀控制模块，采用在单片机与电磁阀之间接一个光耦芯片。

本实用新型的优点是：

本实用新型所提供的基于单片机的开水房计价装置，能够按流量计价、测量精度高、可靠性好、功能强，测量智能化、自动化、使用灵活方便，同时还可以进行消费数据的存储和显示，具有能有效改善时间计价方式存在的计价不合理的缺陷，在使其节约水资源的同时保证其合理收费，安全更可靠，更方便，寿命也更长等优点，具有良好的应用价值。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型所述的基于单片机的开水房计价装置整体设计模块图；

图2为本实用新型所述的单片机最小系统电路的电原理图；

图3为本实用新型所述的时钟模块电路的电原理图；

图4为本实用新型所述的水位测量电路的电原理图；

图5为本实用新型所述的液晶显示模块电路的电原理图；

图6为本实用新型所述的键盘模块连接电路的电原理图；

图7为本实用新型所述的温度测量模块电路的电原理图；

图8为本实用新型所述的数据存储模块电路的电原理图；

图9为本实用新型所述的电磁阀控制模块电路的电原理图；

图10为本实用新型所述的5V电源电路的电原理图；

图11为本实用新型所述的12V电源电路的电原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所揭示的基于单片机的开水房计价装置，系统的硬件部分主要包括水位测量、温度测量、时钟、液晶显示、数据存储、键盘输入、电磁阀控制几个部分。系统运用水位测量来计算流量从而实现合理计价，提高了测量精度。以AT89S52单片机为主控芯片，系统工作时，用DS18B20温度传感器采集水温信息传入单片机，并与设定的温度值比较，当判断水温高于设定值时系统开始开启电磁阀并测量水位，并以此计算当前流量得到消费费用。计算数据通过单片机输出在液晶显示屏上。

如图2所示，单片机最小系统电路图，开水房计价装置中关于水位、温度和时钟芯片需要我们用单片机来控制，是整个开水房计价装置的核心，对整个系统起着控制和枢纽作用。单片机的最小系统是由复位电路、时钟电路和电源组成。复位操作有上电自动复位、按键复位和外部脉冲复位3种方法。本文采用的是上电复位它是通过系统外部的复位电路来实现的。根据电路原理可知电容两极板间的电压不能突变当单片机电源接通电源的瞬间单片机的9管脚会产生一个阶跃信号，所以RTS端维持高电平由于这个充电时间远远大于1ms，一般就可以实现对单片机的上电自动复位，即接通电源就完成了系统的初始化。初始化是为了让单片机从地址0000H开始执行, 除此之外单片机要想正常工作还必须有时钟电路，时钟电路是产生时序的基础，单片机每执行一条指令都是建立在时序电路上的，为了能保证单片机执行指令的同步，电路就要在唯一的时钟信号控制下按时序的先后进行工作。它分为内部时钟电路和外部时钟电路。本文采用的是内部时钟电路，在MCS—51单片机的内部有一个高增益的反向放大器，其输入端为引脚XTAL1，输出端为XTAL2，只要在外部接上两个电容和一个晶振，就能够成一个稳定的自激振荡器。

这里主要看一下电容和晶振的选择，晶振的大小与单片机的振荡频率有关，电容的大小影响着振荡器振荡的稳定性和起振的快速性，通常选择10~30pF的瓷片电容。本系统电容选择为30pF晶振为11.0592MHz，另外在设计电路时，晶振和电容应尽可能的靠近芯片，这样可以提高系统的抗干扰能力。

如图3所示，时钟模块电路图，关于时钟芯片的选择问题有两种方案可以实施，可以利用单片机内部的定时器进行对时间的计算和计时，但是单片机的定时器计时不会很准确且对单片机的主芯片增加了额外的负担还有就是对与软件的编程也会非常复杂。另一种方案就是选择实时时钟芯片来进行对时间的控制和计算。X1 X2 32.768KHz 晶振管脚、GND地、RST复位脚、I/O 数据输入/输出引脚、SCLK串行时钟、VCC1,VCC2电源供电。

在DS1302芯片上的X1和X2管脚上需要加上一个振荡频率为32.768KHZ的晶振来提供给DS1302的工作时钟，VCC2为主电源，VCC1为备用电源需要连接上一个备用的直流电池以防止停电时，电源的备用。RST、I/O、SCLK跟单片机的p1.1、p1.2和p1.3管教相连接，需要单片机向DS1302发送命令来读取时间。

如图4所示，水位测量电路图，为了实现水流量测量以完成合理计价功能，在水箱内不同水位位置放置导线，用于测量水位信息。通过水位的多少得知用水量而实现计价功能。如图当水位到达一定阈值的时候，电极端就变为地。单片机检测低电平并进行相应的算法处理，实现计价功能。

如图5所示，液晶显示模块电路连接图，LCD（液晶显示器）模块是嵌入式设备中常用的显示模块，在此系统中采用了1602液晶显示模块，其主要技术参数如下：1.显示容量：16×2 个字符 2.工作电压：4.5-5.5V 3.工作电流：2.0mA(5.0V) 4.模块最佳工作电压：5.0V 5.字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm。单片机AT89C51是比较常用的入门级51单片机。用P0口和LCD1602的D口相连，P0口内部没上拉电阻所以连接上拉电阻。

如图6所示，键盘硬件连接图，本设计选择的是普通的直接型键盘模式，直接型的键盘有编程容易、电路简单。而矩阵型的虽然比较省I/O口，但是对于电路和编程都是比较复杂的。这两种键盘模式成本都不会很高，而本设计中只用到了6个按键，数量比较少，所以选用直接型的按键模式。这样在画电路和进行c语言程序编写时都会变得简单和容易。直接型的要比矩阵型的电路更加简单、方便、灵活。每行和每列各有一根信号线相连，当按键按下时，相应的行和列导通。按键分别接到单片机AT89S52的P2.7到P2.4（25～28引脚）上，开始关闭按键接到单片机AT89S52的P3.0和P3.6上。系统通过键盘扫描算法，得到各按键对应的值。

如图7所示，温度测量硬件连接图，本设计温度传感器采用DS18B20，DS18B20温度传感器是DALLAS公司最新推出的单总线数字温度传感器，测量温度范围是-55V~+125℃，在-10~+85℃范围内精度为±0.5℃。现场温度直接以单总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20支持3~5.5V的电压范围，使用十分灵活和方便。

DS18B20的工作方式有两种方式作为供电，一种是采用电源式供电，此时DS18B20的1脚作为接地线使用，2脚作为信号线使用，3脚作为电源线使用。另外一种则是寄生电源供电方式，单片机的端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。在本设计中选用了电源式的供电方式，由于四个DS18B20以线与方式接在一起挂接在单片机的P1.3口上，实现了对四路温度的采集，节省了单片机的口资源。这样也使设计更加简单明了。本设计选择DS18B20是由于DS18B20本身就可以输出数字信号，这样就可以起到简化电路的作用。采用单总线在简单上拉的情况下，就可以远距离的双向传输数据。

如图8所示，数据存储模块电路图，存储芯片采用AT24C02，AT24C02的是一个2K位串行CMOS E2PROM的，内部包含256个字节的8位存储单元，采用先进CMOS技术，有效地降低器件的功耗。AT24C02的存在是一个16字节页写缓冲。该器件通过I2C总线接口，一个特殊的写保护功能。该芯片完全符合I2C总线的芯片的要求，因此可以节省单片机的I / O占用，可以使全省的其他I / O口来添加其他功能。也更好的硬件电路简单。存储模块的设计是把WP引脚接到GND上因为要让器件进行正常的读/写操作，把SDA串行数据/地址与单片机的P3.4引脚使AT24C02与单片机进行所有数据的发送或接收，把SCK串行时钟引脚与单片机的P3.5引脚相连接，让单片机产生一个AT24C02工作的时钟，使其正常的工作。

如图9所示，电磁阀控制原理图，考虑到以下几个原因，电磁阀不能与单片机直接相连接：

（1）相对于单片机来说，电磁阀需要较大的驱动电流，而单片机驱动能力有限。

（2）如果电磁阀直接与单片机相连接，电磁阀电流较大，只要发生短路或者尖峰脉冲就会烧毁单片机。

（3）电磁阀有较大的干扰信号，会对单片机等较弱的电流信号产生很大的干扰作用。

由于以上原因所带来的问题是本课题中必须解决的，所以在本课题中，单片机控制电磁阀部分采用在单片机与电磁阀之间接一个光耦芯片来解决实际问题。

如图10和11所示，电源电路，对于5V和12V电压的选取是根据电路需求来选择的。由于5V在单片机AT89S52中可以作为高电平使用，驱动电压和外围电路的电压都使用的是5V。而在强弱隔离的光耦和继电器中都用到12V的电压，所以还需12V的电路图。

通过变压器把220V的交流电，分别转化成9V和15V的交流电压，在通过桥式整流电路把交流转化为直流。在通过78系列稳压芯片7805和7812使输出电压为5V和12V的电压。电容C1要考虑足够的耐压，一般越大越好，选用220uF。电容C2和C3选用无极电容104。电容CC4选用220uF就好。电容根据后面的负载大小决定。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。