【正文】 es using the wireless meter reading system, but the prehensive building of the National bugle call is sounded. Many of the large and mediumsized cities have started full deployment. Electronic technology related enterprises are quick followup. Believe that within afew years, the traditional artificially reading data from the gas meter will be replaced by the wireless meter reading system. Key words： GSM wireless meter reading system。 Gas meter。 MCU 山東輕工業(yè)學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第一章 緒 論 課題意義 目前市場(chǎng)上銷售的煤氣表一般來說有機(jī)械式和數(shù)字式兩大類。機(jī)械式歷史悠久 ,技 術(shù)成熟 ,價(jià)格低廉 ,但功能單一 ,目前占有較大的市場(chǎng)份額 。數(shù)字式顯示直觀 ,功能多 ,價(jià)格高。機(jī)械式只能由人工抄表 ,這種落后的抄表方式 ,消耗大量的人力、物力 ,而且采集數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度大、采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度低。 抄煤氣表一向是燃?xì)獠块T一項(xiàng)復(fù)雜而重要的工作，而市民交費(fèi)同樣是件繁瑣的事情 ，給居民帶來很多的不便 。 因此 ,國(guó)家有關(guān)部門規(guī)定以后將逐步以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的人工抄表。自動(dòng)抄表系統(tǒng)目前主要采用有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)。要能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表 ,則要求煤氣表必須為數(shù)字式的 ,且需具備一定的通信功能。目前大部分?jǐn)?shù)字式煤 氣表一般只有記錄用氣量和一定通信的功能 ,隨著人們生活水平的逐步提高 ,對(duì)煤氣表功能的要求也越來越高 ,自動(dòng)抄表系統(tǒng)的逐步普及要求煤氣表具備一定的通信功能外 ,對(duì)安全方面的要求更為重要。為了適應(yīng)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的需要和用戶對(duì)煤氣表功能的需求 ,本設(shè)計(jì)特開發(fā)了一多功能數(shù)字式煤氣表。采用 GSM無線傳輸，具有安全檢測(cè)，無線通信，數(shù)字計(jì)量，計(jì)價(jià)等功能。 與現(xiàn)有的眾多智能抄表系統(tǒng)相比，本設(shè)計(jì)方案具有如下獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)：免去在住戶單元樓內(nèi)和室內(nèi)布置數(shù)據(jù)采集專用通信線路的麻煩，降低了成本，而且無線傳輸中干擾也比有線傳輸要少，即在一定程度上提 高了前端數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)目煽啃裕挥行Ю昧素S富的現(xiàn)有電力線網(wǎng)絡(luò)資源，符合創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)的要求，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本系統(tǒng)完成的功能 本設(shè)計(jì)完成了 用量計(jì)數(shù)、計(jì)價(jià)、用量查詢、 GSM 短信接收、 GSM 短信發(fā)送、打印、存儲(chǔ)、晶液顯示、紅外鍵盤控制、號(hào)碼更改、價(jià)格更改、鬧鐘設(shè)置、時(shí)間設(shè)置、手動(dòng)止鬧、漏氣檢測(cè)、開閥熄火檢測(cè)、報(bào)警等功能。最終完成一個(gè)多功能家庭煤氣表的成品。 第二章 各模塊方案選擇 電源模塊 方案一：采用 200W/5V 直流穩(wěn)壓電源供電。功率上可以滿足系統(tǒng)需要，不需要更換電源，但是，煤氣 表要求不能斷電，以保證數(shù)據(jù)的正常存儲(chǔ)和用戶的正常使用，這一點(diǎn)此方案不能滿足要求。 方案二：采用太陽能電池板和蓄電池供電，蓄電池采用 2A 型號(hào)，滿足系統(tǒng)山東輕工業(yè)學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 的要求，并且不會(huì)斷電，既方便用戶，又可以節(jié)能，并且安裝使用都非常便利。 分析比較后，我選擇方案二。 單片機(jī)控制模塊 方案一：采用 AT89S51。 51 單片機(jī)是 8 位單片機(jī)中應(yīng)用范圍比較廣的一類單片機(jī)。它采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，指令、數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并且采用集中指令集（ CISC）；程序指令比較多。執(zhí)行速度較慢且搞干擾能力不強(qiáng)。 方案二：采用 PIC16F877。 PIC 是數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線（ Harvard）結(jié)構(gòu) ,并且 使用精簡(jiǎn)指令集（ RISC） ，它具有尋址方式簡(jiǎn)單和代碼壓宿率高，功耗低，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，應(yīng)用平臺(tái)界面友好、開發(fā)方便，程序存儲(chǔ)器版本齊全等優(yōu)點(diǎn)并且內(nèi)部自帶有 256 字節(jié)的 EEPROM[1]。但它只有 8K的程序存儲(chǔ)空間。 方案三：采用 PIC 18F458。它具有方案二中介紹的 PIC 系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，并且具有 32K 的程序存儲(chǔ)空間和 1536 的 RAM。 總上，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)功能復(fù)雜。需要的 Flash 和 RAM 資源相對(duì)較多。因此采用方案三。 煤氣流量傳感器的 選擇 方案一：干簧管傳感型。干簧管由于不需要供電，它對(duì)一般的電磁干擾不敏感 ,，雖然干簧管的機(jī)械觸點(diǎn)有疲勞壽命的問題，但質(zhì)量較好的高性能觸點(diǎn)干簧管壽命可達(dá) 108 次。 方案二：霍爾傳感型?；魻栐m然靈敏度高而又無觸點(diǎn)，但都需要供電，這使得整個(gè)系統(tǒng)供電問題變得較為突出，不僅要考慮用交流電，還要考慮后備電源，所以在安裝后的運(yùn)行成本比較高。 方案三：光電轉(zhuǎn)換型。這種傳感形式一般是在在基表旋轉(zhuǎn)部件上加裝一面反射鏡面，在與反射鏡面相對(duì)應(yīng)的部位安裝一個(gè)光電傳感器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件上的鏡面轉(zhuǎn)至傳感器位置時(shí)，傳感器就產(chǎn)生 光電感應(yīng)，發(fā)出一次脈沖信號(hào)。但這種傳感形式有下面一些缺點(diǎn)：①傳感器本身要耗電，不利于后備電池的微耗供電。②反射面污染褪色后反射失靈③在反射面邊沿上顫動(dòng)產(chǎn)生誤信號(hào)。④需要 4 根引線。 通過比較以上三種方法，我們不難看出，采用干簧管傳感型是比較理想的傳感器。 鍵盤模塊 方案一：采用矩陣式鍵盤。采用矩陣式鍵盤可以減少對(duì) I/O 口的占用，一個(gè) 4*4 的矩陣鍵盤只占用 8 個(gè) I/O 口。但編程較復(fù)雜且需要實(shí)時(shí)掃描并且反應(yīng)較慢。而且應(yīng)用在廚房。操用不方便。 方案二：采用獨(dú)立式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤適用于鍵盤數(shù)目不多的情況，電路山東輕工業(yè)學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 連接簡(jiǎn)單，軟件編程也不復(fù)雜。但占用 I/O 口較多。 方案三：采用紅外鍵盤。紅外鍵盤只用一跟外部觸發(fā)引腳。而且鍵值判斷在中斷中進(jìn)行。不需實(shí)時(shí)掃描且反應(yīng)迅速。另外安裝在廚房用無線紅外鍵盤操作會(huì)比較方便。 總上，本設(shè)計(jì)采用方案三的紅外鍵盤。另外做了一個(gè)獨(dú)立按鍵作為開關(guān)閥鍵。 顯示模塊 顯示模塊是本設(shè)計(jì)中比較重要的的部分。 方案一： 共陰數(shù)碼管的發(fā)光二極管陰極共地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管加高電平，對(duì)應(yīng)的字段發(fā)光。而共陽極數(shù)碼管與共陰極相反，則陽極接在一起接高電平，通常的七段 LED 顯示器有 8 個(gè)發(fā)光二極管，其中七個(gè) 用于構(gòu)成七筆字形的 7個(gè)字段 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g，余下一個(gè)小構(gòu)成小數(shù)點(diǎn) h。最常用的顯示器是由發(fā)光二極管 LED 構(gòu)成的七段數(shù)碼顯示器。這種顯示器有共陰和共陽極兩種。這種顯示方式功能比較單一且顯示的內(nèi)容較少。 方案二：采用 LCD 顯示電路。液晶的基本結(jié)構(gòu)是由兩片玻璃組成的很薄的盒子。這種結(jié)構(gòu)使使用上方便、便于大規(guī)模生產(chǎn)。并且具有功耗低，壽命長(zhǎng)，顯示信息量大等優(yōu)點(diǎn)。 基于上述原因 , 我采用方案二。 數(shù)字時(shí)鐘電路 數(shù)字時(shí)鐘是本設(shè)計(jì)的重要的部分。根據(jù)需要，可利用兩種方案實(shí)現(xiàn)。 方案一：本方案完全用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí) 鐘。原理為：在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器設(shè)三個(gè)字節(jié)分別存放時(shí)鐘的時(shí)、分、秒信息。利用定時(shí)器與軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn) 1 秒定時(shí)中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲(chǔ)器內(nèi)相應(yīng)的秒值加 1；若秒值達(dá)到 60，則將其清零，并將相應(yīng)的分字節(jié)值加 1；若分值達(dá)到 60，則清零分字節(jié)，并將時(shí)字節(jié)值加 1；若時(shí)值達(dá)到 24，則將時(shí)字節(jié)清零。該方案具有硬件電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但當(dāng)單片機(jī)不上電，程序?qū)⒉粓?zhí)行。且由于每次執(zhí)行程序時(shí)，定時(shí)器都要重新賦初值，所以該時(shí)鐘精度不高，且程序代碼非常復(fù)雜，占用太多的系統(tǒng)資源。 方案二：本方案采用 Dallas 公司的專用時(shí)鐘芯片 DS1302。該 芯片內(nèi)部采用石英晶體振蕩器，其芯片精度不大于 10ms/年，因此，可直接對(duì)其以用于顯示或設(shè)置，使得軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單。為保證時(shí)鐘在電網(wǎng)電壓不足或突然掉電等突發(fā)情況下仍能正常工作，芯片內(nèi)部包含鋰電池。當(dāng)電網(wǎng)電壓不足或突然掉電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到內(nèi)部鋰電池供電系統(tǒng)。而且即使系統(tǒng)不上電，程序不執(zhí)行時(shí)，鋰電池也能保證芯片的正常運(yùn)行，以備隨時(shí)提供正確的時(shí)間。 基于時(shí)鐘芯片的上述優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用方案二完成數(shù)字時(shí)鐘的功能。 山東輕工業(yè)學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 串口解決方案 PIC18F458 單片機(jī)只 有一個(gè)全雙工的串行通訊口， 本設(shè)計(jì) GSM 和打印機(jī)分別各需要 一個(gè)串口。因此需要 I/O 口和定時(shí)器去模擬一個(gè)串口。 關(guān)于串口的分配： 方案一： GSM 用自帶串口，打印機(jī)用 I/0 模擬串口。 方案二：打印機(jī)用自帶串口， GSM 用 I/O 模擬串口。 因?yàn)?GSM 對(duì)串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求更高。因此采用方案一。 另外 進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件， GSM 模塊和打印機(jī)模塊的串 口是RS232 電平的， 而單片機(jī)的串行口采用的是 TTL 電平，因此必須的有電平轉(zhuǎn)換電路，可以選擇 1488， 1489， MAX232A。 方案一：采用專用串口和 I/0 采用 1488 或 1489 芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，但在使用中發(fā)現(xiàn)這 兩種芯片可靠性不高，且需要正負(fù) 12V 電源，使用麻煩。 方案二：采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 可以使電路變得簡(jiǎn)單，可靠。 基于以上分析，本設(shè)計(jì)采用方案二，選用芯片 MAX232。 GSM 模塊選擇 鑒于本系統(tǒng)可能工作在用戶端，距離控制中心比較遠(yuǎn)，采用普通的無線數(shù)據(jù)傳輸比較困難，而采用 GSM 模塊則可以很容易解決這方面問題。 GSM（ Global System for Mobile munication）系統(tǒng)是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通信體制中，比較成熟完善，且應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。目前已建成的覆蓋全國(guó)的 GSM 數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，是我國(guó)公眾移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式?；?GSM 的短信信息服務(wù)，是一種在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳送簡(jiǎn)短信息的無線應(yīng)用，是一種信息在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)寄的過程。由于公眾 GSM 網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，因此本系統(tǒng)不需再組建專用通信網(wǎng)絡(luò)，所以具有實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)功能的短信應(yīng)用將得到迅速普及。 本設(shè)計(jì)采用的是西門子公司產(chǎn)的 TC35T/TC35iT 的 GSM 模塊。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 本系統(tǒng)需要存儲(chǔ)一些重要數(shù)據(jù)。要求長(zhǎng)期存期存儲(chǔ)且掉電不能丟失，如：管理端手機(jī)號(hào)，用戶端手機(jī)號(hào)。煤氣表的用量存儲(chǔ) 等。 方案一：采用 24CXX 系列外部存儲(chǔ)器。它采用 IIC 協(xié)議通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。存儲(chǔ)量比較大。 方案二：采用單片機(jī)本身自帶的 256 字節(jié)的 EEPROM 進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)該存儲(chǔ)器的讀寫都比較簡(jiǎn)單。 PICC 中都有現(xiàn)成的讀寫函數(shù)。軟件上比較容易實(shí)現(xiàn)。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不大。因此采用方案二。 山東輕工業(yè)學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件總體結(jié)構(gòu) M C U 微 型 控 制器 P I C 1 8 F 4 5 8 G S M 短 信 接 收和 發(fā) 送 模 塊D S 1 3 0 2 實(shí) 時(shí) 時(shí)鐘 模 塊L C 7 4 6 1 紅 外 鍵盤 模 塊L C D 液 晶 顯 示模 塊手 動(dòng) 開 煤 氣 閥 模 塊 開 閥 熄 火 檢 測(cè) 模 塊 傳 感 器 脈 沖 計(jì) 數(shù) 模 塊自 動(dòng) 手 動(dòng) 開 閉 通 風(fēng) 扇 模 塊 打 印 機(jī) 模 塊室 內(nèi) 煤 氣 含 量超 標(biāo) 報(bào) 警 模 塊太 陽 能 蓄 電 池 供電 整 流 濾 波 模 塊E E P R O M 存 儲(chǔ)模 塊 圖 31 硬件總體結(jié)構(gòu)圖 PIC 18F458 單片機(jī)簡(jiǎn) 介 高性能 RISC CPU ? 高達(dá) 32K 的程序存儲(chǔ)器。 ? 高達(dá) 1536 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ? 高達(dá) 10MIPS 的執(zhí)行速度。 ? DC~40MHz 帶 PLL 鎖相環(huán)有源晶振 /時(shí)鐘輸入。 ? 16位寬指令， 8 位寬數(shù)據(jù)通道。 ? 帶優(yōu)先級(jí)的中斷。 ? 8*8 單周期硬件乘法器。 外圍功能模塊特性 ? 最大拉電流 /灌電流可達(dá) 25mA。 ? 3個(gè)外部中斷引腳。 ? 定時(shí)器 TMR0：帶有 8位可編程前分頻器的 8 位或 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 ? 定時(shí)器 TMR1： 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 山東輕工業(yè)學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 ? 定時(shí)器 TMR2：帶有 8位周期寄存器的 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （作為 PWM的時(shí)基）。 ? 定時(shí)器 TMR3： 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 ? 2種振蕩器時(shí)鐘選擇：定時(shí)器 TMR1/定時(shí)器 TMR3。 ? 捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制（ PWM）（ CCP）模塊。 CCP 引腳配置如下： 捕捉輸入： 16 位，最大分辨率為 ns。 比較單元： 16 位，最大分辨率為 100 ns（ Tcy）。 脈寬調(diào)制（ PWM）輸出：分辨率為 1~10 位。 最大 PWM 頻率：