本實用新型涉及一種基于AT89S52單片機的開水房計價裝置。

背景技術(shù)：

隨著生活水平的提高和人類生產(chǎn)的發(fā)展，世界用水量正在以每年5％的速度遞增，用水總量每15年就翻一番，如果各國政府不采取有力措施，在2025年前，地球上將有三分之一以上的人口得不到清潔的飲用水，一半以上的人口面臨淡水資源危機。當今全球性的社會和經(jīng)濟發(fā)展的主要制約因素是水資源短缺問題，合理地利用水資源，是人類可持續(xù)發(fā)展的當務(wù)之急，而水資源合理利用的關(guān)鍵是節(jié)約用水。

傳統(tǒng)水房計價系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)由硬件構(gòu)成，以相對固定形式確定下來，所實現(xiàn)的功能較死板、較單一。只具有按時間計價顯示用水費用的功能，在使用過程中，由于流量的不同使用戶無法公平合理的消費，造成了部分浪費。它一般具有計時電路、內(nèi)部處理電路和實時顯示三部分。傳統(tǒng)水房計價系統(tǒng)的主要特點是自成體系，自我包容，用戶無法更改。傳統(tǒng)水房計價系統(tǒng)功能單一，測量結(jié)果不能存儲、顯示，局限性很大。另外，傳統(tǒng)水房計價系統(tǒng)開發(fā)周期長、經(jīng)費投入大。隨著科技水平不斷發(fā)展，人們對傳統(tǒng)水房計價系統(tǒng)提出以下幾方面的要求：按流量計價、測量精度高、可靠性好、功能強，測量智能化、自動化、使用靈活方便，同時還可以進行消費數(shù)據(jù)的存儲和顯示。這些新的要求不僅促使著傳統(tǒng)水房計價系統(tǒng)不斷地改進和發(fā)展，也孕育著新一代水房計價系統(tǒng)的產(chǎn)生。

目前我國國內(nèi)已經(jīng)有了幾款針對公共用水浪費現(xiàn)象而設(shè)計的節(jié)水系統(tǒng)，這些節(jié)水系統(tǒng)的節(jié)水效果還是比較不錯的，但是，現(xiàn)有的節(jié)水系統(tǒng)采用的計價方式仍然采用的是按時間計價的方式，即根據(jù)使用的時間長短來收取消費費用，時間用的越長，收取的費用越多。從設(shè)計上來講，采用計時收費的方式比較容易實現(xiàn)，成本也比較低，從表面上看，這是個很不錯的方法。但是，就實際使用后我們發(fā)現(xiàn)此種計價方式存在著如下問題：

(1)在相同的浴室，相同的15分鐘的淋浴，同樣的費用，而由于電磁閥的不同一個人的實際用水量卻比另一個人的多得多。

(2)在同一個開水房打同樣的一壺開水，而其中一個人只要15秒鐘，另一個人卻需要20秒鐘，后者付出的費用比前者多。

(3)當電磁閥被損壞時，還會造成無用水誤收費的種種情況。

為改善以上計價不合理的方式，本課題設(shè)計了一種以測量水位方式而實現(xiàn)按流量計價的系統(tǒng)。由于高等院校集科研、教學(xué)和生活于一體，是水資源消耗的大戶。目前全國有1500多所這樣的高等學(xué)校，在校教職員工和學(xué)生約1710萬人，他們既是城市生活的重要組成部分，又是人口密集的地方。因此，節(jié)水控制系統(tǒng)的設(shè)計是必不可少的，解決此用水問題不僅能夠提高學(xué)校的用水效率，還增強了人們的節(jié)水意識，促進了社會的發(fā)展。學(xué)校的浴室也是校內(nèi)水浪費問題相對嚴重的場所，具有很大的節(jié)水潛力。在浴室里，有的同學(xué)為了增加浴室溫度，空放熱水，有的用浴室的開水洗衣服，有的用水后不關(guān)龍頭，水資源的浪費現(xiàn)象非常嚴重，為改善這種狀況，許多學(xué)校采取了應(yīng)對措施。如減小龍頭出水口徑、減壓供水、腳踏板控制淋浴，即一旦人離開了淋噴頭，便自動關(guān)閉等措施。但由于很大一部分學(xué)生的節(jié)水意識仍然不強，浪費水的現(xiàn)象并沒有從根本上得到合理的解決。由計時計價方式引發(fā)的問題的合理解決方法就是設(shè)計流量計價式節(jié)水系統(tǒng)，這不僅可以達到良好的節(jié)水效果，還能改善收費不公平不合理的現(xiàn)象，能很好的響應(yīng)我國的節(jié)水節(jié)能、構(gòu)建和諧社會的號召，其意義就尤為重要了。

鑒于上述已有技術(shù)，本申請人作了有益的設(shè)計，下面將要介紹的技術(shù)方案便是在這種背景下產(chǎn)生的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型目的是：提供一種基于單片機的開水房計價裝置，具有能有效改善時間計價方式存在的計價不合理的缺陷，在使其節(jié)約水資源的同時保證其合理收費，安全更可靠，更方便，壽命也更長等優(yōu)點具有良好的應(yīng)用價值。

本實用新型的技術(shù)方案是：

一種基于單片機的開水房計價裝置，其特征在于：包括單片機及分別與其連接的流量測量模塊、溫度測量模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、時鐘模塊、鍵盤輸入模塊和電磁閥控制模塊，溫度測量模塊實時采集管內(nèi)液體溫度信息，當溫度超過設(shè)定閾值時，單片機啟動電磁閥控制模塊放水并進行流量計算，得出價錢，通過流量測量模塊計算水流量而達到計價，同時液晶顯示模塊進行溫度、流量、計價顯示。

優(yōu)選的，所述的單片機采用AT89S52。

優(yōu)選的，所述的時鐘模塊選擇實時時鐘芯片來進行對時間的計算和控制。

優(yōu)選的，所述的流量測量模塊，包括在水箱內(nèi)不同水位位置放置的導(dǎo)線，用于測量水位信息，當水位到達一定閾值的時候，電極端就變?yōu)榈兀瑔纹瑱C檢測低電平并進行相應(yīng)的算法處理，實現(xiàn)計價功能。

優(yōu)選的，所述的液晶顯示模塊采用1602液晶顯示模塊。

優(yōu)選的，所述的鍵盤模塊采用直接型鍵盤模式。

優(yōu)選的，所述的溫度測量模塊采用DS18B20溫度傳感器， DS18B20溫度傳感器輸出數(shù)字信號，實現(xiàn)雙向傳輸數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述的數(shù)據(jù)存儲模塊采用AT24C02。

優(yōu)選的，所述的電磁閥控制模塊，采用在單片機與電磁閥之間接一個光耦芯片。

本實用新型的優(yōu)點是：

本實用新型所提供的基于單片機的開水房計價裝置，能夠按流量計價、測量精度高、可靠性好、功能強，測量智能化、自動化、使用靈活方便，同時還可以進行消費數(shù)據(jù)的存儲和顯示，具有能有效改善時間計價方式存在的計價不合理的缺陷，在使其節(jié)約水資源的同時保證其合理收費，安全更可靠，更方便，壽命也更長等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用價值。

附圖說明

下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述：

圖1為本實用新型所述的基于單片機的開水房計價裝置整體設(shè)計模塊圖；

圖2為本實用新型所述的單片機最小系統(tǒng)電路的電原理圖；

圖3為本實用新型所述的時鐘模塊電路的電原理圖；

圖4為本實用新型所述的水位測量電路的電原理圖；

圖5為本實用新型所述的液晶顯示模塊電路的電原理圖；

圖6為本實用新型所述的鍵盤模塊連接電路的電原理圖；

圖7為本實用新型所述的溫度測量模塊電路的電原理圖；

圖8為本實用新型所述的數(shù)據(jù)存儲模塊電路的電原理圖；

圖9為本實用新型所述的電磁閥控制模塊電路的電原理圖；

圖10為本實用新型所述的5V電源電路的電原理圖；

圖11為本實用新型所述的12V電源電路的電原理圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型所揭示的基于單片機的開水房計價裝置，系統(tǒng)的硬件部分主要包括水位測量、溫度測量、時鐘、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤輸入、電磁閥控制幾個部分。系統(tǒng)運用水位測量來計算流量從而實現(xiàn)合理計價，提高了測量精度。以AT89S52單片機為主控芯片，系統(tǒng)工作時，用DS18B20溫度傳感器采集水溫信息傳入單片機，并與設(shè)定的溫度值比較，當判斷水溫高于設(shè)定值時系統(tǒng)開始開啟電磁閥并測量水位，并以此計算當前流量得到消費費用。計算數(shù)據(jù)通過單片機輸出在液晶顯示屏上。

如圖2所示，單片機最小系統(tǒng)電路圖，開水房計價裝置中關(guān)于水位、溫度和時鐘芯片需要我們用單片機來控制，是整個開水房計價裝置的核心，對整個系統(tǒng)起著控制和樞紐作用。單片機的最小系統(tǒng)是由復(fù)位電路、時鐘電路和電源組成。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵復(fù)位和外部脈沖復(fù)位3種方法。本文采用的是上電復(fù)位它是通過系統(tǒng)外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。根據(jù)電路原理可知電容兩極板間的電壓不能突變當單片機電源接通電源的瞬間單片機的9管腳會產(chǎn)生一個階躍信號，所以RTS端維持高電平由于這個充電時間遠遠大于1ms，一般就可以實現(xiàn)對單片機的上電自動復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化。初始化是為了讓單片機從地址0000H開始執(zhí)行, 除此之外單片機要想正常工作還必須有時鐘電路，時鐘電路是產(chǎn)生時序的基礎(chǔ)，單片機每執(zhí)行一條指令都是建立在時序電路上的，為了能保證單片機執(zhí)行指令的同步，電路就要在唯一的時鐘信號控制下按時序的先后進行工作。它分為內(nèi)部時鐘電路和外部時鐘電路。本文采用的是內(nèi)部時鐘電路，在MCS—51單片機的內(nèi)部有一個高增益的反向放大器，其輸入端為引腳XTAL1，輸出端為XTAL2，只要在外部接上兩個電容和一個晶振，就能夠成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。

這里主要看一下電容和晶振的選擇，晶振的大小與單片機的振蕩頻率有關(guān)，電容的大小影響著振蕩器振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇10~30pF的瓷片電容。本系統(tǒng)電容選擇為30pF晶振為11.0592MHz，另外在設(shè)計電路時，晶振和電容應(yīng)盡可能的靠近芯片，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

如圖3所示，時鐘模塊電路圖，關(guān)于時鐘芯片的選擇問題有兩種方案可以實施，可以利用單片機內(nèi)部的定時器進行對時間的計算和計時，但是單片機的定時器計時不會很準確且對單片機的主芯片增加了額外的負擔(dān)還有就是對與軟件的編程也會非常復(fù)雜。另一種方案就是選擇實時時鐘芯片來進行對時間的控制和計算。X1 X2 32.768KHz 晶振管腳、GND地、RST復(fù)位腳、I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳、SCLK串行時鐘、VCC1,VCC2電源供電。

在DS1302芯片上的X1和X2管腳上需要加上一個振蕩頻率為32.768KHZ的晶振來提供給DS1302的工作時鐘，VCC2為主電源，VCC1為備用電源需要連接上一個備用的直流電池以防止停電時，電源的備用。RST、I/O、SCLK跟單片機的p1.1、p1.2和p1.3管教相連接，需要單片機向DS1302發(fā)送命令來讀取時間。

如圖4所示，水位測量電路圖，為了實現(xiàn)水流量測量以完成合理計價功能，在水箱內(nèi)不同水位位置放置導(dǎo)線，用于測量水位信息。通過水位的多少得知用水量而實現(xiàn)計價功能。如圖當水位到達一定閾值的時候，電極端就變?yōu)榈?。單片機檢測低電平并進行相應(yīng)的算法處理，實現(xiàn)計價功能。

如圖5所示，液晶顯示模塊電路連接圖，LCD（液晶顯示器）模塊是嵌入式設(shè)備中常用的顯示模塊，在此系統(tǒng)中采用了1602液晶顯示模塊，其主要技術(shù)參數(shù)如下：1.顯示容量：16×2 個字符 2.工作電壓：4.5-5.5V 3.工作電流：2.0mA(5.0V) 4.模塊最佳工作電壓：5.0V 5.字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm。單片機AT89C51是比較常用的入門級51單片機。用P0口和LCD1602的D口相連，P0口內(nèi)部沒上拉電阻所以連接上拉電阻。

如圖6所示，鍵盤硬件連接圖，本設(shè)計選擇的是普通的直接型鍵盤模式，直接型的鍵盤有編程容易、電路簡單。而矩陣型的雖然比較省I/O口，但是對于電路和編程都是比較復(fù)雜的。這兩種鍵盤模式成本都不會很高，而本設(shè)計中只用到了6個按鍵，數(shù)量比較少，所以選用直接型的按鍵模式。這樣在畫電路和進行c語言程序編寫時都會變得簡單和容易。直接型的要比矩陣型的電路更加簡單、方便、靈活。每行和每列各有一根信號線相連，當按鍵按下時，相應(yīng)的行和列導(dǎo)通。按鍵分別接到單片機AT89S52的P2.7到P2.4（25～28引腳）上，開始關(guān)閉按鍵接到單片機AT89S52的P3.0和P3.6上。系統(tǒng)通過鍵盤掃描算法，得到各按鍵對應(yīng)的值。

如圖7所示，溫度測量硬件連接圖，本設(shè)計溫度傳感器采用DS18B20，DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司最新推出的單總線數(shù)字溫度傳感器，測量溫度范圍是-55V~+125℃，在-10~+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃。現(xiàn)場溫度直接以單總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20支持3~5.5V的電壓范圍，使用十分靈活和方便。

DS18B20的工作方式有兩種方式作為供電，一種是采用電源式供電，此時DS18B20的1腳作為接地線使用，2腳作為信號線使用，3腳作為電源線使用。另外一種則是寄生電源供電方式，單片機的端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。在本設(shè)計中選用了電源式的供電方式，由于四個DS18B20以線與方式接在一起掛接在單片機的P1.3口上，實現(xiàn)了對四路溫度的采集，節(jié)省了單片機的口資源。這樣也使設(shè)計更加簡單明了。本設(shè)計選擇DS18B20是由于DS18B20本身就可以輸出數(shù)字信號，這樣就可以起到簡化電路的作用。采用單總線在簡單上拉的情況下，就可以遠距離的雙向傳輸數(shù)據(jù)。

如圖8所示，數(shù)據(jù)存儲模塊電路圖，存儲芯片采用AT24C02，AT24C02的是一個2K位串行CMOS E2PROM的，內(nèi)部包含256個字節(jié)的8位存儲單元，采用先進CMOS技術(shù)，有效地降低器件的功耗。AT24C02的存在是一個16字節(jié)頁寫緩沖。該器件通過I2C總線接口，一個特殊的寫保護功能。該芯片完全符合I2C總線的芯片的要求，因此可以節(jié)省單片機的I / O占用，可以使全省的其他I / O口來添加其他功能。也更好的硬件電路簡單。存儲模塊的設(shè)計是把WP引腳接到GND上因為要讓器件進行正常的讀/寫操作，把SDA串行數(shù)據(jù)/地址與單片機的P3.4引腳使AT24C02與單片機進行所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，把SCK串行時鐘引腳與單片機的P3.5引腳相連接，讓單片機產(chǎn)生一個AT24C02工作的時鐘，使其正常的工作。

如圖9所示，電磁閥控制原理圖，考慮到以下幾個原因，電磁閥不能與單片機直接相連接：

（1）相對于單片機來說，電磁閥需要較大的驅(qū)動電流，而單片機驅(qū)動能力有限。

（2）如果電磁閥直接與單片機相連接，電磁閥電流較大，只要發(fā)生短路或者尖峰脈沖就會燒毀單片機。

（3）電磁閥有較大的干擾信號，會對單片機等較弱的電流信號產(chǎn)生很大的干擾作用。

由于以上原因所帶來的問題是本課題中必須解決的，所以在本課題中，單片機控制電磁閥部分采用在單片機與電磁閥之間接一個光耦芯片來解決實際問題。

如圖10和11所示，電源電路，對于5V和12V電壓的選取是根據(jù)電路需求來選擇的。由于5V在單片機AT89S52中可以作為高電平使用，驅(qū)動電壓和外圍電路的電壓都使用的是5V。而在強弱隔離的光耦和繼電器中都用到12V的電壓，所以還需12V的電路圖。

通過變壓器把220V的交流電，分別轉(zhuǎn)化成9V和15V的交流電壓，在通過橋式整流電路把交流轉(zhuǎn)化為直流。在通過78系列穩(wěn)壓芯片7805和7812使輸出電壓為5V和12V的電壓。電容C1要考慮足夠的耐壓，一般越大越好，選用220uF。電容C2和C3選用無極電容104。電容CC4選用220uF就好。電容根據(jù)后面的負載大小決定。

上述實施例只為說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據(jù)本實用新型主要技術(shù)方案的精神實質(zhì)所做的修飾，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。