一種水表節水控制系統

李素平，毛萬中，蔣厚芝

（巢湖學院　機械與電子工程學院，安徽　巢湖　238000）

1　引言

目前，由于市面上的水表功能單一，只能實現簡單的計量功能，在一些論文和專利文獻中，出現過溫度感應、信息遠程傳輸等功能，但是市場上這些功能并沒有普及，主要原因是上述功能的實現對技術要求相對較高，且成本高，不易普及[1-5].本設計易實現、成本低、性價比高，更易于普及.本設計中的水表節水系統，結構包括兩大模塊：水量檢測與控制系統及用水時間控制系統.通過水流量傳感器檢測水管中水量及水壓等基本信息，同時借助水量檢測與控制系統可以實現用戶用水量的控制，達到節約用水的目的[6-7].同時通過用水時間控制系統可以實現用水時長的控制.此外，本設計還包括水表無水自鎖功能，當水管中長時間無水流時，水表會控制表內電磁閥門關閉,需要用水時用戶可以通過終端開關打開電磁閥門.該創新型功能可以有效地解決人們在停水時誤開水龍頭忘記關閉造成的水資源浪費問題.

2　系統方案設計

圖1　系統架構框圖

如圖1所示，該系統組成框圖有三大模塊構成:A:總閘模塊，B：水表模塊，C：終端模塊.其中,總閘模塊包括手動總閥門，用戶可自行切斷水源.

當B、C模塊出現故障，用戶可關閉A模塊閥門，可、緊急止水.水表模塊包含水壓傳感器、計量器、單片機及電磁閥門.水壓傳感器可以測定水流信息，單向傳遞給單片機和計量器件，單片機接收到來自傳感器的信號后，對外輸出高電平號，可啟動定時計數功能，定時結束則電磁閥關閉.若水壓傳感器無信號輸出，單片機會自動計時，到達設定時間后單片機控制電磁閥關閉.

終端模塊包括壁掛式開關和水龍頭，壁掛式開關與B模塊的單片機進行信號傳輸，控制電磁閥門的打開（只能打開閥門，不具備關閉閥門的功能），終端模塊可多級并聯，提高設計的實用性，安裝位置可選，用來開啟水閥門，不具備關閉閥門作業.

3　硬件設計

本系統以STC89C52單片機為中央控制單元核心芯片，由流量傳感器、電子開關模塊、數碼管顯示電路、按鍵模塊、復位開關以及電磁閥等部分組成.系統電路組成框圖如圖2所示.

圖2　系統電路框圖

流量傳感器，其與單片機之間數據通訊，如果流量傳感器檢測到流量信號，則向單片機輸出高電平，反之，向單片機輸出低電平；按鍵模塊與單片機之間進行數據通訊，主要包括定時、定量和選擇按鍵；復位開關安裝在水龍頭終端，其與單片機之間數據通訊，能及時間接控制電磁閥的開啟（不能關閉電磁閥）；數碼管顯示電路與單片機之間進行數據通訊，能顯示用水量、定數量、定時時間等信息；電子開關模塊包括電子開關和電磁閥，電子開關與單片機之間進行數據通訊，與電磁閥之間進行電通訊，電子開關接收到單片機輸出的高電平，控制電磁閥關閉；電子開關接收到單片機輸出的低電平，則控制電磁閥打開.中央控制電源是整個節水控制系統的核心，STC89C52單片機是核心芯片.本設計中，STC89C52單片機接收三路信號，向外輸出兩路信號，信號之間以低電平通訊[8].

3.1　功能描述

定量停水功能：用戶自行在計量器設置用水量，系統通過水壓傳感器計算出水流量，并將信號傳遞給單片機，當水流量達到用戶設定值，單片機控制電磁閥門關閉.該功能適用于學校公寓、小區公寓等需對用水量進行控制的區域.

定時停水功能：用戶可設置停水時間，由系統內部單片機自動計時，到達時限電磁閥門自動關閉.該功能很好的應用與按時停水區域.

自鎖功能：用戶自行設置自鎖時限，當水壓傳感器接收到無水壓信號時，單片機自動計時，達到時限，單片機發送關閉指令給電磁閥門，閥門關閉.當超過時限用戶需要用水時，可按下C模塊的壁掛式開關，這時電磁閥門打開.該功能是本應用型設計的亮點之一，在日常生活中，有些人因停水時誤開水龍頭忘關而對生活造成困擾，浪費水資源，甚至水會淹沒地板、家具等.本功能可以很好地解決這個問題.

3.2　主控制器STC89C52

STC89C52單片機作為主控制芯片，STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節系統可編程Flash存儲器.8k字節Flash，512字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口.運行速度快、價格便宜、性價比高.

圖3　主控制器示意圖

3.3　傳感器電路

水流量及水壓的檢測擬采用渦輪流量傳感器，輸入3～24V，小于10mA的電流，輸出方波.傳感器電路組成如圖4所示.

圖4　傳感器電路組成示意圖

流量傳感器是由水閥體、葉輪組件和霍爾傳感器組成[9]，當有水流流過時向單片機發送脈沖，單片機通過測定一定脈沖數的水量，計算每個脈沖多少流量，對單個脈沖的流量進行標定，反復測試二十次取平均值，作為單個脈沖的流量數值.這樣水量定量的問題就轉化為對脈沖數的計數問題，從而簡化了設計.

3.4　復位開關電路

考慮到復位開關電路輸出的電平要作為單片機的輸入信號，故采用7805三態穩壓芯片將12V電壓轉化為5V.按鍵開關打開，電路接通，單片機將接收到來自復位電路的信號，完成設置的動作.具體復位電路組成如圖5所示.

圖5　復位電路組成示意圖

3.5　電磁閥及電子開關電路

采用MOS管MK522作為電子開關，其輸出端可以控制大功率設備，電機、燈泡、LED燈帶、電磁閥等.電磁閥的輸入電壓為12V，P1口接單片機的輸出信號，高電平觸發期間工作.具體示意圖如圖6.

圖6　電磁閥及電子開關電路組成示意圖

4　軟件設計

圖7　系統軟件流程圖

在軟件設計中充分利用了STC89C52單片機的優勢，根據水流量傳感器的特點，以及按鍵掃描、數碼管動態顯示的要求，利用單片機內部的定時計數器進行軟件設計.考慮到設計的實用性，設置檢測優先級依次為：是否有水流、是否定時、是否定量.

設備上電初始化后檢測是否有水流？無水流則開始計時30分鐘，計時結束則定時器溢出，輸出“1”；當有水流時，檢測有否定時？是的話就輸入定時時間，開始計時，到達定時時間定時器溢出，輸出“1”；當不需要定時時再檢測是否定量？用戶輸入水量，此時根據算法，將定量轉化為定時，開始計時，計時結束則定時器溢出.輸出“1”.設計中定時和定量功能只能二選一.

5　系統測試與結果分析

依據上述硬件及軟件要求，我們設計出該節水型水表的模型，為了驗證系統功能的正確性，對系統定量停水，定時停水及停水自鎖功能分別進行了測試.測試結果如下：

表1　水表定時功能測試結果

從實驗數據看出，用戶自定義定時時間為30min，未到達定時時間（25min）時，電磁開關處于打開狀態，復位開關關閉；到達定時時間及之后時間（30min和35min）時，電磁開關及復位開關均關閉狀態，此時停止供水；當復位開關打開時（36min），電磁開關隨之打開，正常供水，起到復位功能.

表2　水表定量功能測試結果

從實驗數據看出，用戶自定義水量為10L，且水量精度可達到1%.到達規定水量，電磁開關和復位開關均關閉，停止供水；未到達規定水量則正常供水.當復位開關打開時，電磁開關相應的打開，此時持續供水，起到復位功能.

停水自鎖功能是該實用新型的亮點.從實驗數據看出，用戶自定義計時時間為30min，流量傳感器自動檢測有無水流，當有水流時（實驗數據1），芯片不計時，整個供水系統正常工作.一旦檢測到無水流時，芯片自動計時，未到達規定時間（實驗數據2）時，電磁開關打開狀態，復位開關關閉狀態.到達規定時間及之后（實驗數據3、4），電磁開關及復位開關均關閉，此時電磁閥關閉.當復位開關打開(實驗數據5)，電磁開關隨之打開，電磁閥打開，此時流量傳感器自動檢測，有水流則正常供水，無水流則重新計時.

表3　水表停水自鎖功能測試結果

6　結束語

在社會水資源浪費現象嚴重的情況下，設計了一種智能控制節水系統.該系統能有效地節水、控水.特別針對現實生活中，人們因為停水導致忘關水龍頭造成的水資源浪費問題，本設計采用流量傳感器采集水管中水流量信息，可以及時關閉電磁閥門，達到節水的目的，給人們的日常生活帶來極大的便利.

參考文獻：

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