基于51單片機(jī)智能水表的設(shè)計(jì)與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1產(chǎn)品功能分析...........................................................................................................2

2設(shè)計(jì)方案遴選...........................................................................................................2

2.1單片機(jī)的選擇...............................................................................................2

2.2顯示器的選擇...............................................................................................2

2.3系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)...............................................................................................3

3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)...........................................................................................................4

3.1STC89C52RC單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)..................................................4

3.2LCD1602液晶顯示模塊電路........................................................................4

3.3水流量傳感器模塊電路...............................................................................6

3.4蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì)...................................................................................7

3.5按鍵電路設(shè)計(jì)...............................................................................................7

4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)...........................................................................................................8

4.1主程序流程圖...............................................................................................8

4.2程序軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境.......................................................................................9

4.3程序設(shè)計(jì)過(guò)程...............................................................................................9

5產(chǎn)品調(diào)試及使用說(shuō)明.............................................................................................10

6產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).................................................................................................11

參考文獻(xiàn).....................................................................................................................11

附錄1元器件清單............................................................................................12

附錄2電路原理圖............................................................................................13

附錄3PCB設(shè)計(jì)圖.............................................................................................14

附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖............................................................................................15

附錄5產(chǎn)品裝配圖............................................................................................16

附錄6程序代碼................................................................................................17

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湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)智能流水表的設(shè)計(jì)與制作

1產(chǎn)品功能分析

本產(chǎn)品是由水流傳感器檢測(cè)到水流的瞬時(shí)數(shù)據(jù)后不斷傳導(dǎo)到AT89C52單片

機(jī)中進(jìn)行處理，然后根據(jù)編譯設(shè)計(jì)的程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到LCD顯示器中顯示水流

傳感器所接收到的水流瞬時(shí)傳感速率和總的水流量，然后通過(guò)按鍵進(jìn)行閾值的

設(shè)置，當(dāng)總的水流量超過(guò)閾值將會(huì)打開(kāi)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

2設(shè)計(jì)方案遴選

2.1單片機(jī)的選擇

方案一

Arduinouno開(kāi)發(fā)板，可跨越多個(gè)方面平臺(tái)。開(kāi)發(fā)板使用清晰，Mind+里面也有

很多不同類型的開(kāi)發(fā)庫(kù)，源代碼開(kāi)放，啟動(dòng)速度快。并且具備類似Java語(yǔ)言、c語(yǔ)

言的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

方案二

使用STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)，STC89C52RC芯片集成了ISO閃存單

元和專用8位CPU內(nèi)核，具有系統(tǒng)可編程特性。最大工作頻率為35Hz，包含4KB

閃存程序存儲(chǔ)器，可擦除和寫入1000次。它是新一代高速低功耗單片機(jī)。

本次方案選擇方案二，雖然兩種芯片都能滿足試驗(yàn)要求都是相對(duì)于Arduino

uno開(kāi)發(fā)板，使用STC89C52芯片會(huì)更實(shí)惠。

2.2顯示器的選擇

方案一

LED點(diǎn)陣屏是一種由8×8LED構(gòu)成的屏幕，它可以用于展示文本、圖像、

動(dòng)畫、錄像等。發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示因其制作簡(jiǎn)單，安裝方便，在各類公眾場(chǎng)

所得到了廣泛的使用，例如：車輛的廣告屏幕、各類宣傳欄的展示等。但是，

對(duì)變換后的數(shù)碼顯示器的響應(yīng)比較弱。

方案二

LCD顯示，LCD1602顯示器是一種顯示設(shè)備，它包括了一個(gè)字符型的液晶

顯示屏（LCD)，一個(gè)控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780，一個(gè)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路是

HD44100，還有少量的電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等被組裝在PCB板上。

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本次方案選擇方案二，因?yàn)長(zhǎng)CD1602顯示器相比于點(diǎn)陣數(shù)碼管顯示用來(lái)顯

示數(shù)字方面更加實(shí)惠，且數(shù)值傳輸和表達(dá)設(shè)計(jì)跟為方便。

2.3系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

流水傳感器AT89C52根據(jù)閾值判斷

的檢測(cè)，發(fā)送是否打開(kāi)蜂鳴

瞬時(shí)數(shù)據(jù)單片機(jī)處理單元器

LCD1602顯示

按鍵進(jìn)行

器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示

閾值設(shè)計(jì)

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3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

3.1STC89C52RC單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

STC89C52它是一個(gè)低功耗、高性能的8位CMOS8比特單片機(jī)，其中8K

閃存可在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。STC89C52憑借其靈活的8位CPU以及可編程

的Flash功能，能為本項(xiàng)目的研究嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供一種新的、高

效的設(shè)計(jì)方法。

具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：

1、8k字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器。

2、512字節(jié)RAM。

3、32位輸入輸出接口，帶監(jiān)視器定時(shí)功能。

4、內(nèi)置EEPROM,4KB容量，MAX810重置電路.

5、具有3個(gè)16比特的定時(shí)/計(jì)數(shù)裝置及6矢量二階中斷架構(gòu)的全雙工串行

端口。

圖1STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

3.2LCD1602液晶顯示模塊電路

1、lcd顯示基本原理

假定液晶顯示器有64條線，每條線128條線，8條線代表一個(gè)字節(jié)，也就

是說(shuō)，每條線包含16條線；一共十六×八個(gè)點(diǎn)數(shù)，128個(gè)。在一個(gè)屏幕上有64x16

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個(gè)顯示器單位，它是一個(gè)1024個(gè)字節(jié)用來(lái)顯示RAM區(qū)域，每個(gè)字節(jié)的內(nèi)容都

是在屏幕上各個(gè)地方的亮度和亮度。比如，在RAM區(qū)域中，從000H到00FH

之間的16個(gè)字節(jié)中，確定了顯示器的第1排的亮度和亮度，如果（000H)=FFH，

則在畫面的左上方會(huì)顯示一條8個(gè)點(diǎn)的短亮線。如果（3FFH)=FFH，則在畫面

的右下方會(huì)出現(xiàn)一條短的明亮的線條。在（000H)=FFH,(001H)=00H,(002

H)=0H…，(00EH)+00H，以及（00FH)+0H時(shí)，在屏幕的上部會(huì)出現(xiàn)一條由8

條亮線和8條暗線構(gòu)成的虛線。

1、lcd參數(shù)

（1）顯示容量：16×2字符。

（2）工作電壓：4.5~5.5V。

（3）工作電流：2.0mA（5.0V情況下）。

（4）字符尺寸：2.95mm×4.35mm

3、引腳功能

·引腳1：VSS為地電源。

·引腳2：VDD接5V電源。

·引腳3：VL是LCD的反差調(diào)節(jié)端口，在供電狀態(tài)下，反差最小，在地面

狀態(tài)下，反差太大，會(huì)出現(xiàn)“鬼影”，需要10kQ電壓才能調(diào)節(jié)。

·引腳4：RS是寄存器的選擇管腳，在高電平的情況下可以選擇數(shù)據(jù)寄存器，

在低電平的情況下可以選擇命令寄存器。

·引腳5：R/W表示讀取/寫入信號(hào)線，其中，在高水平處執(zhí)行讀取動(dòng)作，在

低水平處執(zhí)行寫入動(dòng)作。在RS和R/W都是低的情況下，可以寫一個(gè)命令或者

一個(gè)地址。在RS值處于較低水平而R/W值處于較高水平時(shí)，可能會(huì)讀取忙碌

的訊號(hào)。在RS處于高電平而R/W處于低電平的情況下，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄。

·引腳6：E端子是啟動(dòng)端子，在該端子從高電平向低電平跳躍時(shí)，該液晶模

組就會(huì)發(fā)出指令。

·引腳7~14：D0到D7為8位的雙向數(shù)據(jù)線。

·引腳15：背光源正極。

·引腳16：背光源負(fù)極。

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圖2LCD1602液晶顯示電路

3.3水流量傳感器模塊電路

流量檢測(cè)傳感器選擇的是基于霍爾傳感器的流量傳感器。該水流測(cè)量系統(tǒng)

由一個(gè)閥體，一個(gè)水流旋轉(zhuǎn)總成以及一個(gè)霍爾換能器構(gòu)成。它主要安裝在熱水

器的進(jìn)水端，用來(lái)探測(cè)熱水所消耗的流量。在熱水經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)總成的時(shí)候，磁力

轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且速度會(huì)跟著水流的改變而改變；感測(cè)器會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的信

號(hào)。，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，進(jìn)行調(diào)控。

一、產(chǎn)品特點(diǎn):

（1）外觀輕巧靈，體積小，便于安裝。

（2）靈敏度高，測(cè)試更加精細(xì)。

（3）密封圈采用上、下受力，不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s導(dǎo)致漏水。

（4）所有原材料均有符合ROHS檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

二、使用注意事項(xiàng):

嚴(yán)禁拋擲或碰撞。

三、引出線方式：

（1）紅—IN—接正極

（2）黃—OUT—信號(hào)輸出線

（3）黑—GND—接負(fù)極

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四、流量計(jì)算（以1L流量計(jì)算）

（1）F=7.5*Q(L/Min)誤差：±2%電壓：3.5-24VDC,電流不能超過(guò)

10mA，流完一升水輸出450個(gè)脈沖即頻率計(jì)算=常數(shù)7.5*單位流量（L/min）*

時(shí)間（秒）

（2）流量范圍：1-30L/min

圖3水流量傳感器電路

3.4蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路采用9012三極管判斷是否給蜂鳴器通電進(jìn)行報(bào)警。

圖4蜂鳴器報(bào)警電路

3.5按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵電路通過(guò)改變高、低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的控制輸入，用于設(shè)置本產(chǎn)品的

總流量閾值。

圖5按鍵電路

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4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序流程圖

開(kāi)始

GPIO口初始化

定時(shí)器初始化

按鍵初始化

NO

按鍵是否按下

YES

設(shè)置水流量閾值

LCD閾值數(shù)據(jù)顯示

定時(shí)水流量計(jì)算NO

處理是否到時(shí)

YES

總水流量計(jì)算

LCD顯示

對(duì)比總流量NO

是否超出閾值

YES

蜂鳴器開(kāi)啟蜂鳴器關(guān)閉

圖6流程圖

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4.2程序軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

本產(chǎn)品的程序部分使用C語(yǔ)言在KEIL5軟件進(jìn)行編程

C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)：

（1）該語(yǔ)音更加方便簡(jiǎn)潔

（2）寄存器的分配和尋址方式由編譯器來(lái)管理。

（3）通過(guò)C語(yǔ)言可以更好的將已編寫好的程序加載到軟件中。

（4）C語(yǔ)言移植性好且十分普及，而且C語(yǔ)言編程幾乎適用于絕大部分系

統(tǒng)，讓完成的項(xiàng)目可以很方便的轉(zhuǎn)換到其它的處理器或環(huán)境中

KEIL5軟件的優(yōu)點(diǎn)：

KEIL軟件是單片機(jī)開(kāi)發(fā)者廣泛使用的開(kāi)發(fā)軟件，簡(jiǎn)單的單片內(nèi)形都是

使用這種開(kāi)發(fā)軟件的，可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而減少很多人力成本，因此

廣泛受到人們的歡迎和使用。在使用匯編語(yǔ)言,然后用KEIL軟件開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)

更深刻的。KEIL軟件提供了一個(gè)豐富的可以直接調(diào)用子程序，還有一個(gè)重

要因素就是，我們多看看編程器是如何生存程序序言的，使得使用者可以

體會(huì)到其中的樂(lè)趣的，感覺(jué)到此KEIL軟件會(huì)非常的好用的，越來(lái)越受到廣

大使用者的歡迎的。其中追要由它大多數(shù)代碼都是集成的，調(diào)用很方便的，

那些初學(xué)者也會(huì)感覺(jué)很好用的，起點(diǎn)水平不需要太高的。在開(kāi)發(fā)大型軟件,

以更好地反映高語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)

4.3程序設(shè)計(jì)過(guò)程

本程序的代碼是通過(guò)Keil5軟件編程生成.hex文件，然后通過(guò)xx軟件使用

51小車燒錄到STC89C52RC模塊進(jìn)行操作。

第一步：檢查元器件是否損壞。

第二步：整理好該程序所用到的文件（除主程序的.c者.h文件）

第三步：編寫主程序

具體程序見(jiàn)附錄6。

第四步：燒錄程序

第五步：將STC89C52RC模塊安裝回自己的板子連接電源開(kāi)啟開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢

查：

1、看LED燈是否點(diǎn)亮。

2、開(kāi)啟開(kāi)關(guān)時(shí)蜂鳴器是否發(fā)出聲音。

3、LCD是否顯示的水流量瞬時(shí)數(shù)值和總流量是否為0，初始閾值是否

顯示為1.5L。

4、查看按鍵2、3是否能設(shè)定閾值。

5、用力吹流水傳感器看LCD顯示數(shù)值是否發(fā)生變化。

6、查看按鍵1是否有復(fù)位效果。

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5產(chǎn)品調(diào)試及使用說(shuō)明

1、使用keil5將所需要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)編程

編程內(nèi)容包括按鍵定義初始化模塊、LCD顯示器定義初始化模塊、發(fā)光二極

管定義初始化模塊、外部中斷和主程序。保證通電情況下LCD顯示器顯示瞬時(shí)

水流速和總流水量為0，且初始總流水閾值為1.5。

2、將程序編譯好后使用51小車將程序下載到STC89C52RC模塊

圖7下載成功圖

3、將該產(chǎn)品所需要用到的零部件根據(jù)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品裝配圖焊接到板子上

4、將STC89C52RC芯片安裝回焊接好的板子上

5、連接電源開(kāi)啟開(kāi)關(guān)檢測(cè)LCD是否點(diǎn)亮、蜂鳴器是否可以啟動(dòng)、LCD屏

幕是否有初始設(shè)定的顯示，且傳感器經(jīng)過(guò)流水后LCD顯示器是否顯示瞬時(shí)流水

速度（SH）和總流水量（LJ）。

6、通過(guò)按鍵將總流量報(bào)警閾值調(diào)至0.4升，然后讓500ml水使用漏斗通過(guò)

水流量傳感器能使蜂鳴器報(bào)警來(lái)確保蜂鳴器是否能正常工作和總流水量是否正

確，并且通過(guò)倒水的快慢查看SH（瞬時(shí)流水速度）是否改變來(lái)確定試驗(yàn)是否成

功。

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6產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語(yǔ)；

[5]GB/T8566-2007信息技術(shù)軟件生存周期過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)；

[6]GB/T8567-2006計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范。

參考文獻(xiàn)

【1】[澳]JohnBOXALL著翁凱譯.動(dòng)手玩轉(zhuǎn)Arduino.北京：人民郵電出版社，2014年1月：2004-210

【2】開(kāi)源硬件知多少？.開(kāi)源中國(guó)網(wǎng)[引用日期2015-08-06]

【3】馬建國(guó).電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2004年1月

【4】張福學(xué).傳感器電子學(xué)及其應(yīng)用：國(guó)防工業(yè)出版社，1990

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附錄1元器件清單

基于51單片機(jī)智能流水表的設(shè)計(jì)與制作

序號(hào)元器件型號(hào)標(biāo)志符數(shù)量備注

1DC接口DC接口DC11

2水流量傳感器水流量傳感器J11

3LCD顯示LCD1602LCD11

451單片機(jī)STC89C52STC11

S1、S2、

5按鍵BUTTOM3

S3

6蜂鳴器BUZZERB11

7極性電容10uFEC11

8無(wú)極性電容30PC1、C22

9電阻10KR11

10電阻1KR2、R32

11LED燈LEDLED11

12電位器103PR11

13三極管9012Q11

14開(kāi)關(guān)SW-DPDTSW11

15晶振11.0592Y11

2.54間距3芯下載口、傳感器接

16JD1、J12

排針口

12

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2.54間距單排

1716pin-1

座

18單片機(jī)排座40pin-1

19萬(wàn)能板90mm*150mm-1

20元器件型號(hào)標(biāo)志符數(shù)量

21DC接口DC接口DC11

附錄2電路原理圖