基于單片機的家庭天然氣用水流量監測系統

張瑋　黃凱

摘要：為了對家庭管道煤氣以及家庭用水的流量進行監測，方便用戶了解家庭管道煤氣與用水等流量形式資源的消耗量，本文設計了一種基于單片機，安裝使用方便的小型流量監測系統。本設計通過單片機采集流量計的脈沖數，通過換算得到相應的流量，將流量通過LCD屏顯示出來。該系統還有自動關斷功能，能及時使用電磁閥阻止資源的泄漏和浪費。

關鍵詞：流量監測 單片機 電磁閥 LCD顯示

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0001-02

隨著科技水平的發展，家庭生活越來越趨向智能化、可視化。目前市面上還沒有出現專門針對個人家庭的流量監測設備，因此本設計具有一定的創造性。本設計的特點是便于安裝、查看、維護，只需串聯到家用水管或者煤氣管道中就能進行監測和顯示，系統由不同的模塊組成，在故障時便于維修。同時設計本身具有拓展性，可增加短信提醒，遠程控制等功能。

1 系統總體設計

本項目將流量傳感器串聯入家庭流量管道中，流量傳感器可以在流體通過時產生脈沖，與流量傳感器連接的STC15F2K60S2單片機對產生脈沖進行記錄，通過運算轉換成相應的流量數值。單片機再使用LCD1602屏將流量數值顯示在LCD屏上，供用戶觀察。與流量傳感器一起串聯入管道的還有電磁閥，電磁閥的作用是在發生泄漏或者用戶忘記關閉閥門時自動關斷，切斷水源和煤氣這類流體，節省資源的同時提高了安全性，復位按鈕用于在電磁水閥切斷流體后復位電磁水閥，使得用戶能夠正常的使用水和煤氣。綜上可知，此系統主要由流量監測模塊、單片機控制模塊、LCD顯示模塊、電磁水閥模塊組成，系統整體框圖如圖1所示。

2 硬件設計和選型

硬件系統由單片機STC15F2K60S2芯片、霍爾流量傳感器、LCD1602顯示屏、常閉電磁閥、復位按鈕等部分組成。模塊直接通過杜邦線和管道連接，方便進行其他外圍模塊的添加（如短信提示模塊，以太網信息共享模塊等），為以后的開發和功能拓展創造了可能，系統實物如圖2所示。

2.1 STC15F2K60S2單片機芯片

該芯片作為整個系統的主控芯片，是連接和控制流量傳感器模塊、LCD顯示模塊和電磁閥模塊合理工作的關鍵。通過該芯片對脈沖的轉化可以得到相應的流量數據，同時得到的數據可以通過LCD屏將流量值實時、直觀的顯示在家庭用戶面前。該芯片通過計時的方式來判斷水閥或煤氣閥是否正常關閉。

2.2 霍爾流量傳感器

該傳感器使用簡單，將其串聯到流量管道中，傳感器一個信號口發送脈沖信號，該信號口與單片機端口相連，可以準確計數脈沖，它的供電可以通過單片機5V低壓供電。

2.3 LCD顯示模塊

顯示模塊選用了較為常見的LCD1602顯示屏，其編程較為方便，同時還具有背光效果，亮度可以通過滑動變阻器進行手動調節也可以通過光敏電阻進行控制，白天和夜晚都可以使用。

2.4 常閉電磁閥

常閉電磁閥的特點是不通電情況下處于關閉狀態，通電后打開，選擇這種電磁閥的主要原因是為了在斷電情況下也可以關閉水閥，這樣可以解決人長時間不在家時出現水閥或煤氣閥泄漏的情況。電磁閥通過一路繼電器來控制通斷，一路繼電器通過一個信號口來完成對繼電器com口和繼電器常閉口的控制。這種繼電器控制方便，為電磁閥提供不同的電源應對不通的環境提供可能。

2.5 復位按鈕

復位按鈕的作用是在用戶得知電磁閥自動關閉后，為了恢復正常供水供氣設置的按鈕。當電磁閥關閉后，按下復位按鈕重置繼電器控制口的狀態使得電磁閥重新打開。

3 軟件設計

本系統采用KEIL C51開發環境，對流量傳感器脈沖進行計數，進行LCD顯示控制以及電磁閥通斷的控制。實現了智能化動作無須人為干涉。

3.1 流量傳感器部分的脈沖計數

使用單片機外部中斷當接收到外部中斷信號就對變量n加1，直到外部中斷無信號出發。使用外部中斷方式，提高了脈沖計數的準確度。程序如圖3所示。

3.2 LCD1602屏的流量顯示

將流量傳感器處得到的脈沖數值按照一定的比例轉化為流量值，給配給a/b/c/d/e/f/g七個變量，然后通過數組將數值分配給LCD顯示屏，用作LCD的屏顯，從而實時的向家庭用戶顯示當前水流量或者煤氣流量。程序如圖4所示。

3.3 電磁閥的計時關斷和復位

當有流量通過時，單片機進行計時，一旦時間超過正常連續使用時間（這里為了方便實驗，定時為十秒）則會判斷為忘記關閉水閥、煤氣閥或者存在水或者管道煤氣泄漏的現象，這時候就會觸發標志位的變化，當變化數值符合關斷水閥的條件時自動關閉電磁閥，停止流體的供應。同時對復位的標志位進行監測。一旦收到復位信號，立刻復位，重新開啟電磁閥正常使用流體資源。程序如圖5所示。

4 結語

基于單片機的流量監測系統，結合了流量傳感器，LCD屏，電磁閥（一路繼電器控制）、復位按鈕等部分，通過51單片機芯片控制，進行家庭水流量、煤氣流量的監測和通斷控制，是當前還未出現過的針對家庭流量情況的小型監測系統。該系統可以通過增加其他模塊來完成更多的功能，比如短信提醒功能、遠程控制功能、信息共享功能等。

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