基于单片机的水表远程无线WIFI抄表设计7900字论文

1基于单片机的水表远程无线WIFI抄表设计 2 21.1研究意义 21.2国内外研究现状 21.2.1国内研究现状 21.2.2国外研究现状 21.3本课题的主要内容 32系统方案设计 42.1总体方案概述 42.2相关元器件型号选择 42.2.1处理器的选择 42.2.2显示器的选择 42.2.3数据传输模块的选择 52.2.4按键的选择 52.2.5水流量传感器的选择 53系统硬件模块设计 63.1STM32单片机 63.2LCD1602显示器 73.3水流检测模块 83.4无线通信模块 93.5按键模块 3.6报警模块 4软件设计 4.2主程序设计 4.3子程序设计 4.3.1LCD显示子程序 4.3.2Esp8266WiFi模块子程序 5实物测试 5.1测试步骤 5.2功能测试 5.2.1WiFi通信设置 5.2.2水流测试 5.2.3报警测试 6系统仿真设计 21 附录 2摘要：随着时代的发展，我国以及进入了物联网时代，在当前，家家户户都在使用物联网的产品，很多公司对一些传统的行业进行了二次研究，为了方便用水公司更好的管理水表，智能抄表系统也就因运而生了，本次的设计就是在此基础上进行研究的，设计出一款基于Wi能够让用户和管理员在远程对水表进行实时监控，控制器选择了STM32F103C8T选择了LCD1602,水流检测使用了YF-S201来进行检测当前的用水量，为了保证水费的合理性，还关键词：水表；单片机；WiFi;水流检测；阶梯收费物联网时代，万物互联，水表是较早进行物联网应用的产品，是物联网时代的宠儿。水表的最大使命就是计量，最关键的一点就是数据传输准确，这直接关系到千家万户的切身利益，随着科技的进步和社会的发展，云计量已经成为一种潮流和趋势，将给人民带来更多智慧生活的新体验，采然而，仍有大量的智能建筑和智能地面使用传统的水表技术和水表读数，这使得新的水表技术和水表读数成为研发的热点。本次研究课题正是为了更高效、准确的传输数据，所以决定采用无线1.2.1国内研究现状近年来，围绕着改善收费管理和提高抄表技术的自动化和智能技术方案一是一种传统的抄表方式，这种方式通过电力载波来进行通信，采用集中器与采集器之间，以前大多数人们抄表时会采用这种方式，但经实践证实可靠性差，已被很多电力局等单位否定；技术方案二通过RS485总线连接，通过485总线来进行通信，此种方式通信可靠性高，已有许多抄表系统采用这种抄表方式，但是必需布线是它的缺点，许方式不用布线，成本较低，但是有线网络传输数据量较大是它的缺点，在电视收看高峰期对抄表有1.2.2国外研究现状3大型外国公司和机构，如英特尔、汤普森、安塔姆，正在开发支持电波技术的设备和部件。电波技术的主要组成部分是在国外生产的电波芯片，它确保电表和控制之间的中央远程组装。除了传统的数据收集、处理和储存单位外，瑞典ABB开发的无线水表还安装了无线信号接收器接收信号的无线发射机。这些仪表不需要铺设和维护便于安装的线路。然而，这些无线电水表需要固定的租金和管理费。经过认真的方案设计和推敲，最终可以实现如下功能：1.自动抄表：可以实时、定期和自动查阅水表数据，同时让住户了解其使用情况，从而管理计费和收费。2.阶梯水价：在本次设计当中，1-50m³价格为1元m³,50-100m³价格为2元m³,100-以上用数量价格为3元m³,以此标准进行计价。(参考北京地区水价)3.收费信息管理：实现当前阶梯式水费结算，超出设定用水量，会进行预警。4.远程阀控：当预警无效后，可进行关阀和开阀。5.数据显示：水表数据会TCP/IP协议传输给手机APP,方便用户查看。4电源模块水流检测模块显示模块报警模块单片机2.2.1处理器的选择具有40个引脚，其中包含了4个8位的并行口和一个附加的8位I/O口，其常用的封装形式为PDIP2.2.2显示器的选择5仅在工业领域当中使用广泛，在我们生活当中使用的也比较广泛，其不仅能够显示字符，还能够显示图像等信息，其优点就是不需要占用单片机外部大量的I/O口，其型号一：使用型号为HC-05的蓝牙串口模块来充当本次设计的信息传是一款短距离的数据传输模块，在自动化、无线数据采集、智能家居、工业控制、遥控玩具当中被广泛使用，并且其成本低、编程简单、容易驱动的优点被大部分电子设计师热爱，是一款性价比极使用一个I/O口，一对一进行控制，这些键位都是独立的，互相不产生对彼此的影响。这型号二：采用矩阵键盘电路。采用行列扫描法对按键进行扫描识别。这种电路结型号一：采用流速检测传感器，流速检测传感器就是对当前的水流速度进行检测，当传感器检型号二：采用霍尔检测检测传感器，霍尔检测传感器主要是通过内部的磁性转子转动来进行检测当前通过的水流量，磁性转子转动的越快，其通过的水流量就越多，霍尔传感器在运行的时候主63系统硬件模块设计对于本次设计，我们选择的单片机是STM32F103C8T6单片机。这款单片机和51系列的单片机相比丰富了很多的功能，51单片机相对此单片机运行的速度要慢得多，而且此单片机自带2个AD转换，STM32单片机同时也有着非常有效的通信功能和控制功能。这一点比51单片机要更加的适合。51单片机与STM32单片机相比，STM32单片机多了4个串口进行通信，所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换，所以这一点被市场上广泛的运用。32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作，所以在功耗要求比较严格的产品中占有很大的地位。STM32单片机的电路图如图3-1所示。PA8/USART1_CK/TIM1_CPA13/JTMS/SWDIO_ NRST237 91658晶体振荡器简称晶振，在电工学里这个网络有两个谐振点，晶振电路主要实现的功能就是给单片机发送时钟信号，没有时钟信号的单片机是不能够进行正常工作的，按照评率高低之分又将谐振方式分为串联谐振和并联谐振，在本次设计当中使用的是并联谐振，其主要使用了两个22微法的电容和一个8M的晶振并联在一起形成谐振电路，给单片机发送频率比较稳定的时钟信号。图3-2为晶振电路图。7复位电路是将电路返回到其启动状态的电路装置，要复位电路，就使用它将电路返回到开始状23NRST2947图3-3复位电路LCD1602显示器是比较大众的一种显示器，其兼容性较分时候都能够满足工业设计的显示要求。从字面的意思上面来理解LCD1602,其就是一块LCD显示器，能够分两行显示，每一行能够显示16个字符，通过图3-4观测到，LCD1602显示器外部一共十四个引脚，其中DO~D7引脚是和单片机进行连接的，来进行双向收发数据，8和E使能引脚。LCD1602显示器唯一的缺点就是不能够显示汉字和图形等信息，因为其在出厂的时候内部没有进行封装文字库，所以LCD1602只能够显示一些数字、字母等信息，在本次设计当中，LCD1602显示器的DO~D7引脚分别和单片机的PA0~PA7引脚进行连接。RB4三水流量检测按照检测原理的不同，流量检测方法也不一样。常见的流量检测方法有速度法，它是以流量测量管道内流体的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量。基于这种检测方法的流量检测仪有差压式流量计，转子流量计等。另一种方法是容积法，它是在单位时间以标准固定体积对流动介质连续不断地进行测量，以排出流体固定容积数来计算流量。基于这种检测方法的流量检测仪表有椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。本次设计使用的YF-S201水流量传感器属于磁敏类传感器，它主要由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。它装在进水端，用于检测进水流量，当水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给控制器，控制器根据一个脉冲流过一个流量产生一个固定值，从而推算出累计流量，进行调控。其主要特点就是有流量控制准确，可循环设定参数还能够进行流量累积计算，YF-S201水流检测模块如图3-5所示。9V水流检测1234图3-5YF-S2013.4无线通信模块ESP8266系列模组是由中国企业乐鑫科技所研发，如今这一款ESP8266芯片在全世界都获得很大的成功，这是很值得骄傲的事情。虽然说ESP8266模块是一个模块，但本身也是单片机，我们可以直接对ESP8266模块中的单片机进行操作，即使不使用51单片机或者STM32单片机，ESP8266模块也可以独立完成通信功能，此时需要使用软件arduino来完成。在本次设计中，我们需要将ESP8266模块与单片机通过串口进行通信。ESP8266芯片里面有一个出厂程序，这个程序我们称之为固件，即固定到里面的一个程序，这个程序让单片机可以通过串口来控制这个芯片，单片机使用AT指令与它进行操作，AT指令是一个官方的指令，这个指令使用串口发送一些命令，最终与WIFI模块进行通讯。在使用过程中，通过单片机的RXD、TXD引脚把信息传输给WIFI模块，WIFI再通过协议把数据传输给手机APP,实现传输通信。ESP8266WiFi模块电路图如图3-6所示。3.5按键模块单片机判断到这三个引脚有低电平出现的时候，就代表这个按按键按键按键图3-7按键模块3.6报警模块报警模块使用的是已经封装好的低电平触发的蜂鸣器，其主要就是在当水流量超过设置的阈值单片机的PA0引脚进行连接的，其电路如图3-8所示。4软件设计Keil5是一个非常方便和强大的C语言软件开发系统，与汇编语言相比，C语言在功能、结构、4.2主程序设计本次设计的WiFi水表抄表系统在编写程序的时候使用了模块化编程，将之前已经写好的据发送到手机app端，主程序流程如图4-1所示。WiFi模块初始化YWiFi接收数据判断是否连接WiFiNYLCD显示数据YNN图4-1主程序流程图4.3子程序设计本次设计的显示子程序主要是用来显示当前用水量、水费、以及用水报警阈值这三个参数，能够通过显示器进行实时观测到整个系统的运行状态。LCD1602显示子程序流程图如图4-2所示。开始开始NY图4-2LCD1602显示子程序流程图Esp8266WiFi模块主要是通过TCP/IP协议将信息发送到手机客户端，其也是使用了单片机的串口进行收发信息的，在本次设计当中，主要是将当前用水量、水费、以及用水报警阈值这三个参数的数值发送到app端，能够保证手机APP端实时的刷新数据，并且能够让用户进行远程监测数据，Esp8266WiFi模块子程序流程图如图4-3所示。NYYN5实物测试在进行测试的时候，先要对整个电路进行检测，看电路是否有虚焊漏焊的现象，其次再进行检测电路板的各个排针焊接点，看排针是否焊接成功，接下来再使用万用表进行检测其是否导通，在焊接的引脚和单片机的引脚焊接成功的情况下，万用表会发出滴滴滴声，证明电路焊继电器蜂鸣器5.2功能测试5.2.1WiFi通信设置水流量超过阀值无关闭水阀无5.2.2水流测试然后进行测试水流，在本次设计当中，1-50m³价格为1元m³,50-100m³价格为2元m³,100-以上用数量价格为3元m³,分别测试了用水14m³,86m³和199立方用水价格，如图5-4所示，手机app端数据如图5-5所示。图5-4用水阶梯图水流量金额超过阀值有关闭水阀无水流量金额超过阀值有关闭水阀开实时值水流量金额超过阀值无关闭水阀无图5-5手机app数据图5.2.3报警测试水流测试完成后，在进行测试报警模块，通过按键将报警阈值设置为65,然后当水流量超过阈值的时候看系统的运行状态，实物结果如图5-6所示，手机app如图5-7所示。图5-6实物报警图有开图5-7手机app数据图通过图5-6和图5-7能够观测到当系系统检测到用水超过报警阈值的时候，蜂鸣器会进行报警，本次仿真设计软件使用的是Proteus8.12版本，Proteus是英国出产的仿真软件，再结合Keil5输进行对应引脚连线，并将程序调试完成，把所编写的程序编译链接生成hex文件拷入仿真中的单片平方米。按下计费开始按键后，水流量开始以每秒加一的形式进行模拟水流量系统仿真图如图6-1所示。本次设计的基于单片机的WiFi水表抄表系统使用了STM32F103C8T6来作为了控制器，并且使机，但是因为自己的编程能力不行，在网上学习编程学习了好久，才算是对32单片机有了一定的了解，再通过翻阅了相关的书籍并且写了一些简单的代码来进行积攒经验，因为C语言编程有很强的移植性，自己学习了STM32单片机如何驱动LCD1602和按键模块，并进行编写了相关的程序，然后将这些程序移植到了自己的设计当中，其中最难的就是驱动Esp8266WiFi模块，因为自己对WiFi模块了解的较少，通过网上下载了成品代码，移植到自己的设计当中，经过了多次修改才能够将代行编写相关的代码就能够实现功能，程序编写完成后，硬件焊接也是一个难点，因为自己的焊接经验是非常少的，自己画了一张AD电路图，然后生成了PCB图，通过代工厂生产了一张布线合适的PCB版，自己在PCB板子上面通过杜邦线将各个模块进行连接起来。最后通过测试，本次设计的系统能够满足预期的设计要求，但是还是存在很多的不足之处。也[1]张在新，孔繁军.基于nRF905的无线水表自动抄表系统设计[J].2022(8).[2]左瑞娟，武永华，王宇，等.基于ZigBee的户用水表无线远程抄表系统[J].物联网技术，2020,[3]李帅.基于NB-IoT智能水表抄表系统设计与实现[J].信息与电脑，2021,33(11):3.[5]王君宇.基