基于單片機的水表遠程無線WIFI抄表設計7900字論文

1基于單片機的水表遠程無線WIFI抄表設計 2 21.1研究意義 21.2國內外研究現狀 21.2.1國內研究現狀 21.2.2國外研究現狀 21.3本課題的主要內容 32系統(tǒng)方案設計 42.1總體方案概述 42.2相關元器件型號選擇 42.2.1處理器的選擇 42.2.2顯示器的選擇 42.2.3數據傳輸模塊的選擇 52.2.4按鍵的選擇 52.2.5水流量傳感器的選擇 53系統(tǒng)硬件模塊設計 63.1STM32單片機 63.2LCD1602顯示器 73.3水流檢測模塊 83.4無線通信模塊 93.5按鍵模塊 3.6報警模塊 4軟件設計 4.2主程序設計 4.3子程序設計 4.3.1LCD顯示子程序 4.3.2Esp8266WiFi模塊子程序 5實物測試 5.1測試步驟 5.2功能測試 5.2.1WiFi通信設置 5.2.2水流測試 5.2.3報警測試 6系統(tǒng)仿真設計 21 附錄 2摘要：隨著時代的發(fā)展，我國以及進入了物聯(lián)網時代，在當前，家家戶戶都在使用物聯(lián)網的產品，很多公司對一些傳統(tǒng)的行業(yè)進行了二次研究，為了方便用水公司更好的管理水表，智能抄表系統(tǒng)也就因運而生了，本次的設計就是在此基礎上進行研究的，設計出一款基于Wi能夠讓用戶和管理員在遠程對水表進行實時監(jiān)控，控制器選擇了STM32F103C8T選擇了LCD1602,水流檢測使用了YF-S201來進行檢測當前的用水量，為了保證水費的合理性，還關鍵詞：水表；單片機；WiFi;水流檢測；階梯收費物聯(lián)網時代，萬物互聯(lián)，水表是較早進行物聯(lián)網應用的產品，是物聯(lián)網時代的寵兒。水表的最大使命就是計量，最關鍵的一點就是數據傳輸準確，這直接關系到千家萬戶的切身利益，隨著科技的進步和社會的發(fā)展，云計量已經成為一種潮流和趨勢，將給人民帶來更多智慧生活的新體驗，采然而，仍有大量的智能建筑和智能地面使用傳統(tǒng)的水表技術和水表讀數，這使得新的水表技術和水表讀數成為研發(fā)的熱點。本次研究課題正是為了更高效、準確的傳輸數據，所以決定采用無線1.2.1國內研究現狀近年來，圍繞著改善收費管理和提高抄表技術的自動化和智能技術方案一是一種傳統(tǒng)的抄表方式，這種方式通過電力載波來進行通信，采用集中器與采集器之間，以前大多數人們抄表時會采用這種方式，但經實踐證實可靠性差，已被很多電力局等單位否定；技術方案二通過RS485總線連接，通過485總線來進行通信，此種方式通信可靠性高，已有許多抄表系統(tǒng)采用這種抄表方式，但是必需布線是它的缺點，許方式不用布線，成本較低，但是有線網絡傳輸數據量較大是它的缺點，在電視收看高峰期對抄表有1.2.2國外研究現狀3大型外國公司和機構，如英特爾、湯普森、安塔姆，正在開發(fā)支持電波技術的設備和部件。電波技術的主要組成部分是在國外生產的電波芯片，它確保電表和控制之間的中央遠程組裝。除了傳統(tǒng)的數據收集、處理和儲存單位外，瑞典ABB開發(fā)的無線水表還安裝了無線信號接收器接收信號的無線發(fā)射機。這些儀表不需要鋪設和維護便于安裝的線路。然而，這些無線電水表需要固定的租金和管理費。經過認真的方案設計和推敲，最終可以實現如下功能：1.自動抄表：可以實時、定期和自動查閱水表數據，同時讓住戶了解其使用情況，從而管理計費和收費。2.階梯水價：在本次設計當中，1-50m3價格為1元m3,50-100m3價格為2元m3,100-以上用數量價格為3元m3,以此標準進行計價。(參考北京地區(qū)水價)3.收費信息管理：實現當前階梯式水費結算，超出設定用水量，會進行預警。4.遠程閥控：當預警無效后，可進行關閥和開閥。5.數據顯示：水表數據會TCP/IP協(xié)議傳輸給手機APP,方便用戶查看。4電源模塊水流檢測模塊顯示模塊報警模塊單片機2.2.1處理器的選擇具有40個引腳，其中包含了4個8位的并行口和一個附加的8位I/O口，其常用的封裝形式為PDIP2.2.2顯示器的選擇5僅在工業(yè)領域當中使用廣泛，在我們生活當中使用的也比較廣泛，其不僅能夠顯示字符，還能夠顯示圖像等信息，其優(yōu)點就是不需要占用單片機外部大量的I/O口，其型號一：使用型號為HC-05的藍牙串口模塊來充當本次設計的信息傳是一款短距離的數據傳輸模塊，在自動化、無線數據采集、智能家居、工業(yè)控制、遙控玩具當中被廣泛使用，并且其成本低、編程簡單、容易驅動的優(yōu)點被大部分電子設計師熱愛，是一款性價比極使用一個I/O口，一對一進行控制，這些鍵位都是獨立的，互相不產生對彼此的影響。這型號二：采用矩陣鍵盤電路。采用行列掃描法對按鍵進行掃描識別。這種電路結型號一：采用流速檢測傳感器，流速檢測傳感器就是對當前的水流速度進行檢測，當傳感器檢型號二：采用霍爾檢測檢測傳感器，霍爾檢測傳感器主要是通過內部的磁性轉子轉動來進行檢測當前通過的水流量，磁性轉子轉動的越快，其通過的水流量就越多，霍爾傳感器在運行的時候主63系統(tǒng)硬件模塊設計對于本次設計，我們選擇的單片機是STM32F103C8T6單片機。這款單片機和51系列的單片機相比豐富了很多的功能，51單片機相對此單片機運行的速度要慢得多，而且此單片機自帶2個AD轉換，STM32單片機同時也有著非常有效的通信功能和控制功能。這一點比51單片機要更加的適合。51單片機與STM32單片機相比，STM32單片機多了4個串口進行通信，所以對一些要求用串口進行通信的模塊而且就不需要通過CD4052等雙串口模塊來轉換，所以這一點被市場上廣泛的運用。32單片機因為本身可以進行多種不同的時鐘模數來進行工作，所以在功耗要求比較嚴格的產品中占有很大的地位。STM32單片機的電路圖如圖3-1所示。PA8/USART1_CK/TIM1_CPA13/JTMS/SWDIO_ NRST237 91658晶體振蕩器簡稱晶振，在電工學里這個網絡有兩個諧振點，晶振電路主要實現的功能就是給單片機發(fā)送時鐘信號，沒有時鐘信號的單片機是不能夠進行正常工作的，按照評率高低之分又將諧振方式分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，在本次設計當中使用的是并聯(lián)諧振，其主要使用了兩個22微法的電容和一個8M的晶振并聯(lián)在一起形成諧振電路，給單片機發(fā)送頻率比較穩(wěn)定的時鐘信號。圖3-2為晶振電路圖。7復位電路是將電路返回到其啟動狀態(tài)的電路裝置，要復位電路，就使用它將電路返回到開始狀23NRST2947圖3-3復位電路LCD1602顯示器是比較大眾的一種顯示器，其兼容性較分時候都能夠滿足工業(yè)設計的顯示要求。從字面的意思上面來理解LCD1602,其就是一塊LCD顯示器，能夠分兩行顯示，每一行能夠顯示16個字符，通過圖3-4觀測到，LCD1602顯示器外部一共十四個引腳，其中DO~D7引腳是和單片機進行連接的，來進行雙向收發(fā)數據，8和E使能引腳。LCD1602顯示器唯一的缺點就是不能夠顯示漢字和圖形等信息，因為其在出廠的時候內部沒有進行封裝文字庫，所以LCD1602只能夠顯示一些數字、字母等信息，在本次設計當中，LCD1602顯示器的DO~D7引腳分別和單片機的PA0~PA7引腳進行連接。RB4三水流量檢測按照檢測原理的不同，流量檢測方法也不一樣。常見的流量檢測方法有速度法，它是以流量測量管道內流體的平均流速，再乘以管道截面積求得流體的體積流量?；谶@種檢測方法的流量檢測儀有差壓式流量計，轉子流量計等。另一種方法是容積法，它是在單位時間以標準固定體積對流動介質連續(xù)不斷地進行測量，以排出流體固定容積數來計算流量?；谶@種檢測方法的流量檢測儀表有橢圓齒輪流量計、活塞式流量計等。本次設計使用的YF-S201水流量傳感器屬于磁敏類傳感器，它主要由塑料閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。它裝在進水端，用于檢測進水流量，當水通過水流轉子組件時，磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，控制器根據一個脈沖流過一個流量產生一個固定值，從而推算出累計流量，進行調控。其主要特點就是有流量控制準確，可循環(huán)設定參數還能夠進行流量累積計算，YF-S201水流檢測模塊如圖3-5所示。9V水流檢測1234圖3-5YF-S2013.4無線通信模塊ESP8266系列模組是由中國企業(yè)樂鑫科技所研發(fā)，如今這一款ESP8266芯片在全世界都獲得很大的成功，這是很值得驕傲的事情。雖然說ESP8266模塊是一個模塊，但本身也是單片機，我們可以直接對ESP8266模塊中的單片機進行操作，即使不使用51單片機或者STM32單片機，ESP8266模塊也可以獨立完成通信功能，此時需要使用軟件arduino來完成。在本次設計中，我們需要將ESP8266模塊與單片機通過串口進行通信。ESP8266芯片里面有一個出廠程序，這個程序我們稱之為固件，即固定到里面的一個程序，這個程序讓單片機可以通過串口來控制這個芯片，單片機使用AT指令與它進行操作，AT指令是一個官方的指令，這個指令使用串口發(fā)送一些命令，最終與WIFI模塊進行通訊。在使用過程中，通過單片機的RXD、TXD引腳把信息傳輸給WIFI模塊，WIFI再通過協(xié)議把數據傳輸給手機APP,實現傳輸通信。ESP8266WiFi模塊電路圖如圖3-6所示。3.5按鍵模塊單片機判斷到這三個引腳有低電平出現的時候，就代表這個按按鍵按鍵按鍵圖3-7按鍵模塊3.6報警模塊報警模塊使用的是已經封裝好的低電平觸發(fā)的蜂鳴器，其主要就是在當水流量超過設置的閾值單片機的PA0引腳進行連接的，其電路如圖3-8所示。4軟件設計Keil5是一個非常方便和強大的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，C語言在功能、結構、4.2主程序設計本次設計的WiFi水表抄表系統(tǒng)在編寫程序的時候使用了模塊化編程，將之前已經寫好的據發(fā)送到手機app端，主程序流程如圖4-1所示。WiFi模塊初始化YWiFi接收數據判斷是否連接WiFiNYLCD顯示數據YNN圖4-1主程序流程圖4.3子程序設計本次設計的顯示子程序主要是用來顯示當前用水量、水費、以及用水報警閾值這三個參數，能夠通過顯示器進行實時觀測到整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。LCD1602顯示子程序流程圖如圖4-2所示。開始開始NY圖4-2LCD1602顯示子程序流程圖Esp8266WiFi模塊主要是通過TCP/IP協(xié)議將信息發(fā)送到手機客戶端，其也是使用了單片機的串口進行收發(fā)信息的，在本次設計當中，主要是將當前用水量、水費、以及用水報警閾值這三個參數的數值發(fā)送到app端，能夠保證手機APP端實時的刷新數據，并且能夠讓用戶進行遠程監(jiān)測數據，Esp8266WiFi模塊子程序流程圖如圖4-3所示。NYYN5實物測試在進行測試的時候，先要對整個電路進行檢測，看電路是否有虛焊漏焊的現象，其次再進行檢測電路板的各個排針焊接點，看排針是否焊接成功，接下來再使用萬用表進行檢測其是否導通，在焊接的引腳和單片機的引腳焊接成功的情況下，萬用表會發(fā)出滴滴滴聲，證明電路焊繼電器蜂鳴器5.2功能測試5.2.1WiFi通信設置水流量超過閥值無關閉水閥無5.2.2水流測試然后進行測試水流，在本次設計當中，1-50m3價格為1元m3,50-100m3價格為2元m3,100-以上用數量價格為3元m3,分別測試了用水14m3,86m3和199立方用水價格，如圖5-4所示，手機app端數據如圖5-5所示。圖5-4用水階梯圖水流量金額超過閥值有關閉水閥無水流量金額超過閥值有關閉水閥開實時值水流量金額超過閥值無關閉水閥無圖5-5手機app數據圖5.2.3報警測試水流測試完成后，在進行測試報警模塊，通過按鍵將報警閾值設置為65,然后當水流量超過閾值的時候看系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實物結果如圖5-6所示，手機app如圖5-7所示。圖5-6實物報警圖有開圖5-7手機app數據圖通過圖5-6和圖5-7能夠觀測到當系系統(tǒng)檢測到用水超過報警閾值的時候，蜂鳴器會進行報警，本次仿真設計軟件使用的是Proteus8.12版本，Proteus是英國出產的仿真軟件，再結合Keil5輸進行對應引腳連線，并將程序調試完成，把所編寫的程序編譯鏈接生成hex文件拷入仿真中的單片平方米。按下計費開始按鍵后，水流量開始以每秒加一的形式進行模擬水流量系統(tǒng)仿真圖如圖6-1所示。本次設計的基于單片機的WiFi水表抄表系統(tǒng)使用了STM32F103C8T6來作為了控制器，并且使機，但是因為自己的編程能力不行，在網上學習編程學習了好久，才算是對32單片機有了一定的了解，再通過翻閱了相關的書籍并且寫了一些簡單的代碼來進行積攢經驗，因為C語言編程有很強的移植性，自己學習了STM32單片機如何驅動LCD1602和按鍵模塊，并進行編寫了相關的程序，然后將這些程序移植到了自己的設計當中，其中最難的就是驅動Esp8266WiFi模塊，因為自己對WiFi模塊了解的較少，通過網上下載了成品代碼，移植到自己的設計當中，經過了多次修改才能夠將代行編寫相關的代碼就能夠實現功能，程序編寫完成后，硬件焊接也是一個難點，因為自己的焊接經驗是非常少的，自己畫了一張AD電路圖，然后生成了PCB圖，通過代工廠生產了一張布線合適的PCB版，自己在PCB板子上面通過杜邦線將各個模塊進行連接起來。最后通過測試，本次設計的系統(tǒng)能夠滿足預期的設計要求，但是還是存在很多的不足之處。也[1]張在新，孔繁軍.基于nRF905的無線水表自動抄表系統(tǒng)設計[J].2022(8).[2]左瑞娟，武永華，王宇，等.基于ZigBee的戶用水表無線遠程抄表系統(tǒng)[J].物聯(lián)網技術，2020,[3]李帥.基于NB-IoT智能水表抄表系統(tǒng)設計與實現[J].信息與電腦，2021,33(11):3.[5]王君宇.基