摘要：為了克服現有的水表在技術上不能區分冷熱水的不足，設計了一種新型實用的智能感溫水表。系統采用雙干簧管設計了流量傳感器，提高了測量精度。AT89C52單片機作為主控芯片，系統工作時，溫度傳感器DS18B20采集水溫信息傳入單片機，并與設定的溫度值比較，當判斷水溫高于設定值時，系統開始統計流量傳感器輸出的脈沖個數，并以此計算當前流量。流量數據通過單片機輸出在液晶顯示屏上，同時用E2PROM存儲，進行掉電保護。經過測試，系統對溫水計量，具有良好的穩定性，市場應用前景廣闊。
　　
　　引言
　　
　　現用的檢測熱水流量的方法是在熱水或暖氣管道的入戶端安裝一個水表，直接檢測流過的流量，根據記錄的流量來計費。但是，熱水不可能一直使用，閑置在管道中的熱水會逐漸冷卻，每一次間隔較長的使用，用戶都要事先放掉一些涼水。每一個采暖季開始前，都需要循環大量的冷水來試驗管道的可靠性，然后才會逐步提高水溫。而這些放掉或循環的冷水卻需要用戶按熱水的價格來承擔費用，這顯然不合理。為了解決現有技術上的缺陷，本文對傳統的水表做了改進，采用AT89C52單片機作為主控芯片，由溫度傳感器DS18B20實時采集管內液體溫度信息。當溫度超過設定閾值時，單片機啟動流量計算。同時，系統增加了顯示端口和存儲端口，可實現數據的實時顯示和數據保存。
　　
　　1、系統總體設計
　　
　　智能感溫水表由信號采集、信號處理、計算以及數據顯示、記錄3部分組成，系統框架圖如圖1所示。　　
　　水管中的溫度傳感器實時采集液體溫度信息，傳給AT89C52單片機。單片機判斷傳來的溫度值大于閾值時，啟動流熱水量計算。流量傳感器是由安裝在管道內的葉輪和一對干簧管實現的。當熱水流過葉輪時，葉輪轉動，通過干簧管形成電脈沖信號，單片機統計脈沖數即可計算出當前流量。計算的結果通過串口液晶顯示模塊顯示出來。同時，所得的數據采用I2C總線，存儲到E2PROM中，進行掉電保護。
　　
　　2、系統硬件設計
　　
　　硬件電路的搭建以AT89C52單片機為信號處理核心，P0口和P1口控制顯示電路（1602B），P2口控制溫度傳感器（DS18B20）和雙干簧管（MARR-5）的信號采集，P3口負責E2PROM（CAT24WC0X）存儲。系統的硬件電路示意圖如圖2所示。　　
　　2．1流量傳感器的設計
　　
　　水管中的液體流量信號的采集是通過雙干簧管傳感器實現的。系統采用了MARR-5干簧管，這是一種磁敏開關，其結構如圖3所示。包含2片軟磁性材料做成的磁簧片，被封裝在充有惰性氣體的玻璃管里，磁簧片間留有空隙，構成常開觸點。　　
　　當*磁鐵靠近干簧管時，簧片的接點就會感應出極性相反的磁極。由于磁極極性相反而相互吸引，當吸引的磁力超過簧片的抗力時，分開的接點便會吸合。
　　
　　在熱水管道中安裝一個可以自由轉動的葉輪，水的流動推動葉輪不斷旋轉，流量越大，葉輪的轉速越高。葉輪軸向安裝一個計數轉盤，一片永磁鐵固定轉盤上，干簧管固定安裝在計數轉盤附近。整個傳感器的組成示意圖如圖4所示。　　
　　轉盤每轉一圈，永磁鐵就經過干簧管一次，即在信號端產生一個計量脈沖，單片機計數器統計計量脈沖即可求出流量。但是使用單個干簧管易受水錘現象、人為電磁干擾等外界因素的影響，產生較大的計量誤差。所以，感溫水表在設計流量傳感器時采用了雙干簧管傳感器（見圖4）。當檢測到干簧管A吸合時，先記錄下來；再檢測干簧管B，只有檢測到干簧管B吸合后才認為此次采集的計數脈沖有效。
　　
　　2．2溫度傳感器
　　
　　水管溫度傳感器采用了Dallas公司的DS18B20傳感器，測量范圍：-55～+125℃，分辨率12位，滿足設計要求。DS18B20以計數器原理工作，可直接向單片機輸出數字量，不需要后加加A／D轉化模塊。它采用單總線方式，僅需一根信號線與單片機連接即可傳送串行數據，且不需要外部元件。測溫結果的數字量位數為9～12位，并可編程選擇。控制簡單，工作可靠。
　　
　　2．3液晶顯示電路和存儲電路
　　
　　感溫水表信息顯示模塊采用液晶顯示屏（LCD）顯示。由于該水表顯示的內容包括少量數字和字母，段式LCD1602B就可以滿足要求，且價格低廉。它內部集成有LCD控制器、LCD驅動器和RAM，因而可方便顯示數據的編程。設計中，1602B采用3～4線串行數據輸入，直接與單片機P0口相連。由于串行接口方式節省了所需的口線和系統資源，因而使系統具有較高的資源利用率。
　　
　　數據存儲電路采用I2C總線的E2PROM存儲器CAT24WC04。CAT24WC04是串行的E2PROM存儲器，其存儲容量為4KB。圖2中草SCL為時鐘線，SDA為數據線。當前時刻的流量數據會保存在CAT24WC04中，可保證掉電時，數據不丟失。
　　
　　3、系統軟件設計
　　
　　3．1軟件總體設計
　　
　　系統的軟件設計采用了模塊化的設計方法，主程序通過調用各子程序模塊來實現相應的功能，其程序流程如圖5所示。　　
　　系統初始化程序完成單片機端口的功能選擇及各寄存器、LCD顯示模塊的初始化。溫度傳感器模塊檢測當前水管中液體溫度，并與設定的閾值（85℃）相比較，當溫度高于閾值時，流量傳感器模塊計算當前流量。LCD顯示模塊程序完成流量顯示，存儲模塊存儲當前流量值。
　　
　　3．2流量信號的計算
　　
　　流量傳感器中的干簧管采用單計數脈沖輸入，2個100μF的電容用來消除雙干簧管閉合時產生的抖動。如圖4所示，轉盤每轉一圈，永磁鐵經過干簧管附近一次，即產生一個計量脈沖。雙干簧管的情況下這要計數脈沖有效就對流量進行計算。具體的程序流程如圖6所示。　　
　　當檢測到干簧管A的脈沖信號是并不直接開始計算，還要檢測干簧管B得脈沖信號。當干簧管B的脈沖信號也被檢測到的時候，認為此次計數脈沖有效，并記錄，與以前的檢測脈沖數求和。
　　
　　在室溫下進行20次測量實驗，傳感器管道直徑50mm。實驗數據得到該流量傳感器平均一次有效計數脈沖對應0．64L的液體流過設計管道。
　　
　　若當前記錄的總的脈沖數為N，則此時的流量Q=0．64N（單位：L）。
　　
　　3．3溫度測量
　　
　　感溫水表的溫度測量系統的溫度傳感器是DS18B20，硬件電路簡單、穩定。但是這是以犧牲軟件為代價的，在編程時必須嚴格遵守DS18B20工作時序的要求。基于DS18B20的溫度信號檢測流程如圖7所示。　　
　　先由主機給DS18B20發一個復位脈沖，在DS18B20發回響應脈沖給主機后，主機再發讀ROM命令（代碼33H），并發一個15μs左右的脈沖，接著再讀取DS18B20序列號的一位，并用同樣方法讀取序列號的每一位。
　　
　　4、結語
　　
　　本文所設計的感溫水表，以AT89C52單片機為核心控制芯片，加入了溫度傳感器、流量傳感器、外圍顯示電路和E2PROM存儲設備。
　　
　　設計提出的采用DS18B20傳感器采集溫度信號的設計方案，克服了普通水表不能分辨冷熱水的缺陷，適合用于我國各種不同的區域環境。同時，其計量準確度符合國家標準要求，有良好的實用價值，具有廣闊的市場前景。