【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (1) 傳感器由安裝在水表上的磁鋼和磁電式干簧管組成，完成水量到脈沖的轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作； (2) 集中器接收便攜式抄表器的指令，實(shí)現(xiàn)同抄表器的數(shù)據(jù)通信工作，進(jìn)而可對(duì)系統(tǒng)中的水表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集； (3) 抄表器是一種便攜式儀表，采用 LCD 點(diǎn)陣顯示，具有良好的人機(jī)對(duì)話界面，使抄表員使用方便，便于攜帶。它具有兩個(gè)數(shù)據(jù)傳遞接口，一個(gè)實(shí)現(xiàn)同集中器的數(shù)據(jù)通信，完成對(duì)每個(gè)水表的數(shù)據(jù)采集工作。另一個(gè)是 RS232 數(shù)據(jù)傳輸接口，可完成同計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信 ，將便攜式抄表器的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理； (4) 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集程序通過 RS232 接口，從抄表器讀取數(shù)據(jù)，自動(dòng)將數(shù)據(jù)存入已建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而完成整個(gè)水表抄收管哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ) 5 理工作 [5]。 抄表器總體設(shè)計(jì) 便攜式抄表器正面是一個(gè) 4x4 的鍵盤和一個(gè)液晶顯示器，在抄表器的 下 方有兩個(gè)插座，其中一個(gè)是 9 針插座，和計(jì)算機(jī)的 RS232 接口連接，另一個(gè)是 4 針插座，和水表柜的 RS485 總線相連。 讀水表的計(jì)量數(shù)據(jù)時(shí)，工作人員將抄表器通過 4 針插座與水表計(jì)費(fèi)柜內(nèi)的接口相連 接，給抄表器供電，通過對(duì)抄表器上小鍵盤的操作完成數(shù)據(jù)采集。當(dāng)和水表計(jì)費(fèi)拒連接時(shí)，通過鍵盤輸人啟動(dòng)終端機(jī)工作，并將其采集的計(jì)量表數(shù)據(jù)、表號(hào) （ 唯一 ） 、抄表時(shí)間存入抄表器的存貯器內(nèi)。一個(gè)抄表器可存入 32 戶型終端機(jī)的采集數(shù)據(jù)。 工作人員將抄表器通過 9 針 D 型插座和計(jì)算機(jī)連接，由抄表器將存貯的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)抄表器內(nèi)有時(shí)鐘記錄抄表的時(shí)間，可隨時(shí)查詢某指定水表的數(shù)據(jù)，進(jìn)行校對(duì)、添加和修改可疑數(shù)據(jù)等。 顯示是人機(jī)交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè)備。通常的顯示器件有液晶顯示器和數(shù)碼管顯示器，可以說(shuō)它 們各有利弊。 液晶顯示器在使用中的注意事項(xiàng)： (1) 不能對(duì)它長(zhǎng)期施加直流電，否則易造成顯示器的老化； (2) 使用時(shí)必須注意防潮，否則易造成顯示器的損壞； (3) 防止施加過大的壓力； (4) 對(duì)于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低； (5) 防止紫外線的直接照射； (6) 要特別注意防靜電，焊接顯示器時(shí)烙鐵要接地。 隨著顯示技術(shù)的發(fā)展的日新月異，液晶顯示器因其低功耗、重量輕而成為便攜式應(yīng)用中的主流顯示技術(shù)。它不僅可以顯示數(shù)字，漢字，而且還可以顯示圖形?？梢娨壕э@示器在使用中有眾多的優(yōu)勢(shì)，其 中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是 μA級(jí)的。 無(wú)論是數(shù)碼管顯示還是液晶顯示都有串行和并行兩種顯示方式。并行顯示方式占用硬件資源多，八個(gè)筆劃段和幾個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)控制端都要接到單片機(jī)的 I/O 引腳，但顯示刷新速度快；串行顯示方式占用硬件資源少，僅數(shù)據(jù)鎖存控制端、時(shí)鐘端、數(shù)據(jù)端三個(gè)端口要接到單片機(jī)的 I/O 引腳上，顯示刷新速度較并行顯示方式慢，但足夠滿足本設(shè)計(jì) 7s 時(shí)間顯示數(shù)據(jù)刷新一次的要求，因此本設(shè)計(jì)顯示部分選擇液晶顯示器串行顯示方式。 圖 22 是水表抄表器的硬件原理圖，主要包括單片機(jī)、掉電檢測(cè)電路、時(shí)鐘電路、哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ) 6 存儲(chǔ)器、 鍵盤控制電路、顯示電路和電源電路等。為了降低功耗，芯片 大都 選用 CMOS低功耗器件 [6]。 RS 232 轉(zhuǎn)換芯片4 * 4 鍵盤顯示模塊 單片機(jī)RS 485 轉(zhuǎn)換芯片時(shí)鐘芯片存儲(chǔ)芯片 圖 22 抄表器的組成框圖 哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ) 7 3 水表的改裝設(shè)計(jì) 普通水表計(jì)量原理 普通機(jī)械水表的工作原理是當(dāng)被測(cè)液體 （ 水 ） 以一定的流速流經(jīng)水表，液體的動(dòng)能作用于翼輪上，使它旋轉(zhuǎn)，翼輪的轉(zhuǎn)速與被測(cè)液體的流速或流量成比例，把翼輪的轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)軸上的齒輪傳送出去，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)再傳送至積算機(jī)構(gòu)，最后由指針在表盤上顯示出被測(cè)液體的總量。一股室內(nèi)住宅供 水量不算很大，最常見的是旋翼式水表計(jì)量，它主要由殼體、過濾件、葉輪盒、葉輪、轉(zhuǎn)軸、調(diào)整器和機(jī)械積算器組成。殼體通過管接頭或法蘭與管道連接：過濾件可以濾除水中的雜質(zhì)和泥沙，避免水表發(fā)生故障和損壞；葉輪盒的四周分上、下兩層并鉆有斜孔，屬多流式，液體由下層斜孔切向流入，經(jīng)上層斜孔流出；葉輪是將液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速，屬于水表敏感元件 ； 機(jī)械積算器將由轉(zhuǎn)軸傳送出來(lái)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行減速、積算并顯示液體總量 [8]。 改造后的水表的計(jì)量原理與傳統(tǒng)的機(jī)械式水表的計(jì)量原理相似。它直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)口徑的管道上，借助于水流的動(dòng)能進(jìn)行工作。水 表的殼體內(nèi)裝有一個(gè)可動(dòng)葉輪，當(dāng)水流動(dòng)的時(shí)候，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)速與水流的平均流速成正比，因此單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)水表的總水量與葉輪在這段時(shí)間內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)成正比。葉輪的旋轉(zhuǎn)經(jīng)齒輪傳動(dòng)以電信號(hào)形式輸出，就可以讀取水的總量。 流量測(cè)量計(jì)算中常用到的流體參數(shù)及其相應(yīng)的計(jì)算公式： (1) 流體密度：表示單位體積內(nèi)的液體的質(zhì)量，見式 (31) ? =vm (31) (2) 流體粘度：表示流體內(nèi)摩擦力的一個(gè)參數(shù)，見式 (32) dhdv??? (32) 式中 ?——單位面積上的內(nèi)摩擦力， Pa ?——流體流動(dòng)速度， m/s dhdv ——速度梯度， 1/m h——兩流體層間距離， m 動(dòng)力粘度是指絕對(duì)粘度或者粘性動(dòng)力系數(shù)，其物理意義為兩層流體間的速度梯 度為 1時(shí)候，接觸液層間單位面積上產(chǎn)生的剪切效應(yīng)力，也可以理解為兩個(gè)相距 1m2面積哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ) 8 各為 1m2的流體層以相對(duì)速度 1m/s移動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生的相互間的作用力，見式 (33) ??? (33) (3) 流量：流體在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于流速的橫截面上的流體數(shù)量， 見式 (34) AVQ ?? (34) 式 中 V——平均速度 A——流體通過的面積。 水表中常用的幾種流量值： 公稱流量 nQ ——水表在正常工作條件即穩(wěn)定或無(wú)間歇流動(dòng)下，最佳流量 過載流量 maxQ ——水表在短時(shí)間內(nèi)，且無(wú)損情況下，最大能夠測(cè)量的量 最小流量 minQ ——在最大允許誤差限內(nèi)要求水表給出示值的最低流量 流量范圍 ——由最小流量和過載流量所限定的范圍，在此范圍內(nèi)水表示值不得產(chǎn)生超過最大允許誤差的誤差 [7] 改裝水表的構(gòu)成 在 居民住宅內(nèi)的水表上安裝控制電路，使水表的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)不僅可以計(jì)量用水量，而且可轉(zhuǎn)變成為單片機(jī)接收的脈沖數(shù)，以便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。系統(tǒng)采用 485串行總線將信息傳至樓道內(nèi)的水表計(jì)費(fèi)柜。改裝水表的組成框圖如圖 31所示。 單片機(jī)485 轉(zhuǎn)換芯片存儲(chǔ)芯片水表改裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置水表計(jì)費(fèi)柜 圖 31 改裝水表的組成 該控制電路主要由單片機(jī)、 RS485 轉(zhuǎn)換芯片和 E2PROM 存儲(chǔ)芯片等三部分組成，并接有蜂鳴器和電 機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能和自動(dòng)關(guān)閥功能?？刂齐娐钒迳嫌袀溆秒娫础．?dāng)突然斷電時(shí)單片機(jī)仍能準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片中，并 通過單片機(jī)控制水表內(nèi)的電機(jī)閥關(guān)閉水表。水表的改裝電路以 AIS9C2051 為控制芯片，以 X5045 為存儲(chǔ)芯片，以 MAX485 為轉(zhuǎn)換芯片。居民住宅內(nèi)的水表通過 RS485 總線連接到水表哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ) 9 計(jì)費(fèi)柜內(nèi)，箱內(nèi)有電源給樓上的水表供電，同時(shí)也給抄表器 供電 [8]。 電輸出裝置即能量轉(zhuǎn)換裝置，是一種將水表的機(jī)械讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)常變換，做循環(huán)性運(yùn)動(dòng)的裝置。通常采用的電輸出裝置有三種： EV——磁電式干簧管輸出 EF——光電輸出 HE——霍爾效應(yīng)輸出 圖 32 磁電式干簧管原理圖 在三種能量轉(zhuǎn)換裝置中，靜態(tài)維持電流最小 的就是磁電式干簧管傳感器，磁電式干簧管的原理圖如圖 32 所示。在干簧管兩觸點(diǎn)不接觸時(shí)，靜態(tài)維持電流接近為零。僅在兩觸點(diǎn)接觸的瞬間有微小的消耗，可見在水表中選用磁電式干簧管傳感器將大大降低系統(tǒng)的功耗。 干簧管傳感器是一個(gè)很小的、封閉型真空狀態(tài)下的玻璃管內(nèi)進(jìn)行干式接觸工作的。整個(gè)傳感器被封裝在一個(gè)注滿了特制膠體的玻璃管內(nèi)，其使用壽命為 108次，開關(guān)時(shí)間為 1ms。在水表中，干簧管一端高電平，另一端接低電平。當(dāng)有水流過時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)上的小磁鋼，驅(qū)動(dòng)干簧管開閉。干簧管的開關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，響應(yīng)速度無(wú)法跟上 葉輪的轉(zhuǎn)速，因此葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)行星齒輪減速后傳遞給干簧管。單干簧管 （ 干簧管 A） 計(jì)數(shù)方式 ： A 閉合 ——A 斷開，計(jì)數(shù)加一 ； 當(dāng)干簧管 A 受到干擾或線路出現(xiàn)短路或斷路時(shí)，計(jì)數(shù)就會(huì)出錯(cuò)或無(wú)法正常進(jìn)行下去；兩個(gè)干簧管 （ 干簧管 A，干簧管 B） 計(jì)數(shù)方式： A 閉合 ——A 斷開 ——B 閉合 ——B 斷開，計(jì)數(shù)加一，無(wú)論干簧管 A 或 B 受到干擾或線路出現(xiàn)短路或斷路時(shí)，都可以通過狀態(tài)分析使計(jì)數(shù)正常進(jìn)行下去或及時(shí)報(bào)錯(cuò)。因此我選用的雙干簧管工作保證計(jì)數(shù)準(zhǔn)確 [9]。 哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ) 10 4 抄表器的硬件組成 CPU 的選擇 用單片機(jī)作為智能系統(tǒng)的核心部件，是目前作為智 能儀表的設(shè)計(jì)的一般方法，目前市場(chǎng)上的單片機(jī)從數(shù)據(jù)總線寬度上來(lái)分主要有 8位機(jī)、 16位機(jī)、 32位機(jī)，其中 32位單片機(jī)在語(yǔ)音處理、圖象數(shù)字處理等數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)用的范圍這幾年得到廣泛的運(yùn)用，但在工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)，占主導(dǎo)地位的還是 8位機(jī)和 16位機(jī)，對(duì)本課題涉及的帶有RS485模塊功能的抄表器的設(shè)計(jì)，運(yùn)用單片機(jī)的主要目的是構(gòu)成一個(gè)既能與 RS485模塊進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，又能與另外一個(gè)計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它所處理的信息量和復(fù)雜程度用 8位機(jī)已經(jīng)足夠了，對(duì)單片機(jī)主要的要求是帶有串行通信功能即可滿足要求，目前，無(wú)論 Intel、 Philips、 Microchip、 Motorola、 Atmel等著名的半導(dǎo)體企業(yè)，還是市場(chǎng)份額較小的半導(dǎo)體廠商，其生產(chǎn)的單片機(jī)都能滿足本課題的要求。在上述著名的半導(dǎo)體企業(yè)中，尤其在工業(yè)測(cè)控場(chǎng)合，運(yùn)用較多的為 Intel公司的 MCS51系列，Microchip公司的 PIC系列，近年來(lái)，隨著 Intel公司對(duì) 8031內(nèi)核的公開以及各半導(dǎo)體企業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)上的相互滲透，不僅 Intel公司，而且 Philips公司、 Atmel公司、 Winbond公司、公司等都生產(chǎn) MCS51系列的 CPU。這些公司生產(chǎn)的單片機(jī)產(chǎn)品不僅 在指令上，而且在管腳上都有兼容 Intel公司的 MCS51系列的第一代 CPU8031，并在片內(nèi) ROM、RAM容量、時(shí)鐘振蕩頻率、低功耗指標(biāo)、定時(shí)器資源數(shù)量、中斷資源等技術(shù)水平上均有很大程度的提高，使國(guó)內(nèi)的使用單片機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)者越來(lái)越感到使用和設(shè)計(jì)上的方便。本課題的抄表器是本課題的設(shè)計(jì)核心，抄表器要與 RS485模塊和 RS232模塊發(fā)生數(shù)據(jù)交換，接收上位管理微機(jī)的命令與數(shù)據(jù)，并且向管理微機(jī)傳送數(shù)據(jù)；還要與底層的智能采集器交換信息，因此抄表器的特點(diǎn)是要與兩個(gè)外設(shè)進(jìn)行串行通信用普通的帶 1個(gè)串口單片機(jī)也能達(dá)到 上述的要求，但構(gòu)成的系統(tǒng)由于串口的切換工作，因此，只能是構(gòu)成半雙工通信系統(tǒng)，而且，電路切換還要設(shè)計(jì)附加的硬件電路， 顯然，該種電路也在一定程度上影響著通信的實(shí)時(shí)性。近幾年，市場(chǎng)上出現(xiàn)了具有雙串口的 CPU，如 Winbond公司生產(chǎn)的 W77E5 Cygnal公司生產(chǎn)的 C8051F0 Freescale公司生產(chǎn)的S12系列單片機(jī)等，在本課題中，考慮對(duì) MCS51單片機(jī)系統(tǒng)的熟悉程度以及設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的原則，通信機(jī)和集中器均選用具有雙串口功能的 W77E58做 CPU。 W77E58是一個(gè)快速 8051兼容微控制器 ，它的內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，提高了時(shí)鐘速度和存儲(chǔ)器訪問周期速度，在相同的時(shí)鐘頻率下，整體速度比 8051快 ；在相同的吞吐量及低頻時(shí)鐘情況下，電源消耗也降低。 哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ) 11 下面簡(jiǎn)單地介紹一下 W77E58的一些其他特性： (1) 8位 CMOS微控制器 (2) 每 4個(gè)時(shí)鐘周期為 1個(gè)機(jī)器周期的高速結(jié)構(gòu)，最大外部時(shí)鐘頻率為 40MHz (3) 與標(biāo)準(zhǔn) 80C52管腳兼容，指令與 MCS51兼容 (4) 2個(gè)增強(qiáng)型全雙工串行口 (5) 3個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (6) 12個(gè)中斷源， 2級(jí)中斷能力 (7) 可編程的看門狗定時(shí)器 (8) 2個(gè) 16位數(shù)據(jù)指針 (9) 32KBFlash EPROM (10) 256字節(jié)片內(nèi)暫存 RAM，片內(nèi) 1KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （ 用 MOVX訪問 ） (11) 對(duì)外部 RAM及外設(shè)的訪問周期可以進(jìn)行軟件編程 (12) 4個(gè) 8位 I/O口 (13) 片上振蕩器及時(shí)鐘電路 它的管腳圖如圖 41管腳描述如表 41所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e