一种基于单片机智能水表

1.本实用新型属于智能水表的技术领域，用于提高智能水表的水量监测精确度，尤其是涉及一种基于单片机智能水表。


背景技术：

2.智能水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能ic卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表；与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是很大的进步。智能水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。现有的智能水表采用微处理器、阀门、流量传感器、ic卡读/写器、显示器、供电电源和集成在微处理器上的软件实现“先付费后用水”、持卡结算的理想管理模式，提供方便的统计查询功能，便于全面、及时地了解情况，为决策提供依据。但现有的智能水表在实际使用的过程中存在着功耗高、计量不精确的问题，在制造的过程中存在着成本高的问题，在特殊场合抗高温、抗振动能力较差的问题存在；尤其是所使用的流量传感器无法对逆流过水表的水流量进行有效监测。为了降低成本提高水表计量的准确性，本实用新型提供了一种基于单片机的智能水表。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种基于单片机智能水表，以解决现有技术存在的监测效果欠佳的问题。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于单片机智能水表，包括壳体，所述壳体的两端分别设置有进水管和出水管，所述进水管上设置有智能控制机构，所述壳体内设置有水量监测机构，所述水量监测机构包括两个相对设置的叶轮和分别设置在两个所述叶轮的转轴顶端的磁钢以及分别设置在两个磁钢上方的磁性开关传感器，所述磁性开关传感器与所述智能控制机构电连接。
5.所述壳体包括水表上盖和水表下盖，所述叶轮、进水管和出水管分别设置在所述水表下盖上，所述磁性开关传感器设置在所述水表上盖上。
6.所述水表上盖和水表下盖之间设置有水玻璃，所述磁性开关传感器位于所述水玻璃上表面。
7.所述转轴的顶端上设置磁钢槽，所述磁钢安装在所述磁钢槽内。
8.所述智能控制机构包括设置在所述进水管上的电磁阀、设置在电磁阀上方的控制单元，所述控制单元与所述电磁阀电连接。
9.所述控制单元包括pic单片机、电源模块、ic模块、门阀驱动模块和lcd显示模块并相互电连接，所述门阀驱动模块与所述电磁阀连接。
10.所述控制单元还包括nb-iot模块、远端服务器，所述nb-iot模块与pic单片机电连接，所述远端服务器与nb-iot模块网络连接。
11.本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
12.本实用新型通过在壳体内相对设置两个叶轮，并在两个叶轮转轴的顶端上分别设置磁钢，并在磁钢的上方分别设置磁性开关传感器，水流穿过壳体并带动叶轮转动，同时两个叶轮在壳体内各自转动形成圆相切，进而带动磁钢转动，位于磁钢上方的磁性开关传感器根据磁场的变化和交替产生的开关信号传输至pic单片机处理，当磁钢反转时，两个磁性开关传感器产生的脉冲信号的顺序会发生颠倒，pic单片机通过采集这些开关信号，实现正、反流计数，提高智能水表的监测效果。
附图说明
13.图1为本实用新型的智能水表示意图。
14.图2为本实用新型的水玻璃与水表下盖连接示意图。
15.图3为本实用新型的水表下盖与叶轮连接示意图。
16.图4为本实用新型智能水表的电连接示意图。
17.图5为本实施例中磁钢与磁性开关传感器的工作原理示意图。
18.图中：1pic单片机、2ic模块、3电源模块、4电池、5电磁阀、6磁钢、7叶轮、8水表腔体、9水玻璃、10磁钢槽、11磁性开关传感器、12天线、13主控制板、14nb-iot模块、15lcd显示模块、16水表上盖、17水表下盖。
具体实施方式
19.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
20.如图1和图2所示，一种基于单片机智能水表，包括壳体，所述壳体的两端分别设置有进水管和出水管，所述进水管上设置有智能控制机构，所述壳体内设置有水量监测机构，所述水量监测机构包括两个相对设置的叶轮7和分别设置在两个所述叶轮7转轴顶端的磁钢6以及分别设置在两个磁钢6上方的磁性开关传感器11，所述磁性开关传感器11与所述智能控制机构电连接；水流穿过壳体并带动叶轮7转动，同时两个叶轮7在壳体内各自转动形成圆相切，进而带动磁钢6转动，位于磁钢6上方的磁性开关传感器11根据磁场的变化和交替产生的开关信号传输至pic单片机1处理，当磁钢6反转时，两个磁性开关传感器11产生的脉冲信号的顺序会发生颠倒，pic单片机1采集这些开关信号，实现正、反流计数，提高智能水表的监测效果。
21.如图2-图5所示，本实施例中，pic单片机1采用microchip公司的dspic30f4011控制芯片，磁性开关传感器11为tmr传感器，lcd显示模块采用采用ipslcd，ic模块采用采用mf522-an非接触式ic卡读写模块，该芯片是nxp公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，广泛应用于智能仪表中；nb-iot模块采用ec-01的nb模组，并基于智能抄表控制管理系统实现远程抄表，电磁阀通过继电器来驱动实现启停，壳体采用金属件制成。具体安装时，壳体包括水表上盖16和水表下盖17，水表上盖16与水表下盖17通过密封圈和螺栓固定，其中水表下盖17的两端分别设置有进水管和出水管，进水管上设置智能控制机构，用于自动控制和检测水流量；水表下盖17的水表腔体8内并排设置有两个转轴，两个转轴的顶端分别设置有磁钢槽10，磁钢槽10与机构连接，两个磁钢槽10内分
别且反向设置有磁钢7，两个叶轮7在水表下盖17内各自转动形成圆相切，水流流过叶轮7带动转轴和磁钢6在水表下盖17转动；水表下盖17上设置有水玻璃9，水玻璃9的外边缘与水表下盖17相匹配，并通过密封胶圈连接，水表上盖16上设置有两个安装孔，两个安装孔内分别设置磁性开关传感器11，其中磁性开关传感器11与磁钢6垂直设置，磁性开关传感器11与智能控制机构电连接，用于采集两个磁钢7磁场的变化和交替产生的开关信号，并传输至智能控制机构处理显示。
22.如图3-图5所示，智能控制机构包括设置在进水管上的电磁阀5、设置在电磁阀5上方的控制单元，控制单元与电磁阀5电连接，控制单元控制电磁阀5开启或关闭进水管；控制单元包括pic单片机1主控模块、ic模块2、nb-iot模块14、lcd显示模块15、门阀驱动模块、磁性开关传感器11、电源模块4并相互电连接，其中的pic单片机1主控模块、ic模块2、nb-iot模块14、lcd显示模块15、门阀驱动模块、电源模块、nb-iot模块3、lcd显示模块15集成在主控制板13上，电池4与主控制板13电连接，并通过盒体安装在只能水表上，用于远程控制和检测水量；pic单片机1型号为dspic30f4011，采用改进的哈佛结构，具备灵活寻址模式的c编译器优化指令集架构，pic单片机由晶体振荡电路、电源滤波电路、复位电路构成，实现对外围电路的控制功能，使各模块电路能够正常有序工作；磁性开关传感器11采用tmr磁传感器，并采用双磁钢发讯指针配合两个tmr1208双极锁存型磁开关传感器计数方式，具有正反流计数功能，tmr1208系列磁开关芯片是集成了隧道磁通(tmr)传感器和cmos电路的双极锁存型磁开关芯片，将变化的磁场信号转化为数字电压信号，以实现位置的精确检测；当双磁钢7正转时，两个tmr1208双极锁存型磁开关传感器会根据磁场的变化交替产生开关信号，形成01、00、10、11的脉冲信号，当双磁钢7反转，两个tmr1208双极锁存型磁开关传感器产生脉冲信号的顺序会发生颠倒，pic单片及1通过采集这些脉冲信号实现正、反流计数；其中的两块tmr1208双极锁存型磁开关传感器信号输出引脚分别vout1和vout2分别接在pic单片机1的rb4和rb5引脚上，pic单片机1的rb4和rb5分别是adc采集通道an4和an5通过ad采样读取tmr1208双极锁存型磁开关传感器传回的开关信号，从而进行计数，进一步换算成水的流量，进而达到测量水流量的效果；其中智能抄表控制管理系统的信号输出点连接到nb-iot模块14，nb-iot14模块采用ec-01的nb模组实现远程数据传输，其中nb部分采用的主芯片方案为ec616s，具备超高集成度的nb-iotsoc，支持超低功耗，通过nb-iot模块将水流量信息、余额信息、故障信息传递到远端服务器，远端服务器集中管理范围内若干智能水表的管理、抄表、充值等操作；上述中的智能水表选用技术较为先进的mf522-an非接触式ic卡读写模块1，该芯片是nxp公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，智能水表的ic卡设计是为了不能远程操作的老年人设计的，该采用非接触式ic卡实现充值缴费功能；电磁阀5通过继电器来驱动，当水余额不足，pic单片机会控制继电器闭合电磁阀，从而达到停水效果，同时通过nb-iot模块将余额不足信息传递给远端服务器，远端服务器会将信息转发给用户，用户通过线上充值或ic充值的方式进行购水操作；显示部分采用ipslcd液晶屏显示，其中将st7735s作为驱动芯片，通过spi的方式与pic单片机进行通信，lcd的scl连接到单片机的sck1引脚，lcd的sda连接到单片机的sdo1引脚，lcd的cs连接到单片机的ss1引脚，采用电池供电4，为降低功耗终端pic单片机平时均处于睡眠模式，等待内部和外部中断事件进行唤醒，设定采集数据时间到后，pic单片机被唤醒后通过tmr磁传感器模块对数据进行采集；设定传输数据时间到后，pic单片机1唤醒激活nb-iot传输
模块开始通过nb-iot网络进行数据传输，并通过远端服务器显示；本产品提供的智能水表，选用精简指令集，具有数据线和指令线各自独立、代码效率高、抗振动、耐高温的dspic30f4011单片机模块，pic单片机模块是低功耗设计具有灵活的时钟设置功能，并且可以快速地从低功耗状态唤醒，可以分别在待机模式或者停机模式下运行，dspic30f4011单片机具有数据线和指令线各自独立、代码效率高等特点，pic单片机模块设置在智能水表内部，也就是水表上盖16内部；流量检测机构采用tmr传感器电路，tmr传感器电路通过pic单片机模块的an4接口和an5接口连接；主要是通过tmr磁传感器模块来实现的，通过双磁钢发讯指针配合两个tmr1208双极锁存型磁开关传感器计数方式可达到准确计数、正反计数的目的；液晶显示模块采用ipslcd分别连接到pic单片机的sck1、sdo1和ss1接口，实现对已用水量和剩余水量的显示功能，集成lcd控制器也能够满足智能水表在不同情况下的显示需求；智能水表通过nb-iot模块将水流量信息、余额信息、故障信息传递到远端服务器，远端服务器集中管理范围内若干智能水表的管理、抄表、充值等操作，nb-iot模块采用ec-01的nb模组，其中nb部分采用的主芯片方案为ec616s，ec-01与pic单片机电连接，智能水表选用技术较为先进的mf522-an非接触式ic卡读写模块，该芯片是nxp公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，广泛应用于智能仪表中；智能水表的ic卡设计是为了不能远程操作的老年人和特殊人群设计的，能采用非接触式ic卡实现充值缴费功能，非接触式ic卡读写模块与pic单片机电连接；本实施例中基于pic单片机的智能水表采用了抗震动、耐高温、运算速度快、代码效率高的dspic30f4011的主控芯片，采用双磁钢的tmr传感器精确采集用户用水量，并且具有统计逆流的功能，通过nb-iot上传已用水量、剩余水量信息上传至用户端；用户可通过远程充值和ic卡两种方式进行水费的缴纳。同时配备ipslcd液晶显示器对已用水量和余额进行显示；主控pic单片机平时均处于睡眠模式，等待内部和外部中断事件进行唤醒，在满足低功耗、低成本、抗震动、抗高温的技术要求。
23.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于单片机智能水表，其特征在于，包括壳体，所述壳体的两端分别设置有进水管和出水管，所述进水管上设置有智能控制机构，所述壳体内设置有水量监测机构，所述水量监测机构包括两个相对设置的叶轮和分别设置在两个所述叶轮转轴顶端的磁钢以及分别设置在两个磁钢上方的磁性开关传感器，所述磁性开关传感器与所述智能控制机构电连接。2.根据权利要求1所述的一种基于单片机智能水表，其特征在于：所述壳体包括水表上盖和水表下盖，所述叶轮、进水管和出水管分别设置在所述水表下盖上，所述磁性开关传感器设置在所述水表上盖上。3.根据权利要求2所述的一种基于单片机智能水表，其特征在于：所述水表上盖和水表下盖之间设置有水玻璃，所述磁性开关传感器位于所述水玻璃上表面。4.根据权利要求1所述的一种基于单片机智能水表，其特征在于：所述转轴的顶端上设置磁钢槽，所述磁钢安装在所述磁钢槽内。5.根据权利要求1所述的一种基于单片机智能水表，其特征在于：所述智能控制机构包括设置在所述进水管上的电磁阀、设置在电磁阀上方的控制单元，所述控制单元与所述电磁阀电连接。6.根据权利要求5所述的一种基于单片机智能水表，其特征在于：所述控制单元包括pic单片机、电源模块、ic模块、门阀驱动模块和lcd显示模块并相互电连接，所述门阀驱动模块与所述电磁阀连接。7.根据权利要求6所述的一种基于单片机智能水表，其特征在于：所述控制单元还包括nb-iot模块、远端服务器，所述nb-iot模块与pic单片机电连接，所述远端服务器与nb-iot模块网络连接。

技术总结
本实用新型公开了一种基于单片机智能水表，属于智能水表监测技术领域，用于提高智能水表的水量监测精确度，尤其是涉及一种基于单片机智能水表，本实用新型通过在壳体内相对设置两个叶轮，并在两个叶轮转轴的顶端上分别设置磁钢，并在磁钢的上方分别设置磁性开关传感器，水流穿过壳体并带动叶轮转动，同时两个叶轮在壳体内各自转动形成圆相切，进而带动磁钢转动，位于磁钢上方的磁性开关传感器根据磁场的变化和交替产生的开关信号传输至PIC单片机处理，当磁钢反转时，两个磁性开关传感器产生的脉冲信号的顺序会发生颠倒，PIC单片机通过采集这些开关信号，实现正、反流计数，提高智能水表的监测效果。水表的监测效果。水表的监测效果。


技术研发人员：李家源
受保护的技术使用者：西安石油大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/20