1基于單片機(jī)的水表遠(yuǎn)程無(wú)線WIFI抄表設(shè)計(jì) 2 21.1研究意義 21.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 21.3本課題的主要內(nèi)容 32系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 42.1總體方案概述 42.2相關(guān)元器件型號(hào)選擇 42.2.1處理器的選擇 42.2.2顯示器的選擇 42.2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇 52.2.4按鍵的選擇 52.2.5水流量傳感器的選擇 53系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì) 63.1STM32單片機(jī) 63.2LCD1602顯示器 73.3水流檢測(cè)模塊 83.4無(wú)線通信模塊 93.5按鍵模塊 3.6報(bào)警模塊 4軟件設(shè)計(jì) 4.2主程序設(shè)計(jì) 4.3子程序設(shè)計(jì) 4.3.1LCD顯示子程序 4.3.2Esp8266WiFi模塊子程序 5實(shí)物測(cè)試 5.1測(cè)試步驟 5.2功能測(cè)試 5.2.1WiFi通信設(shè)置 5.2.2水流測(cè)試 5.2.3報(bào)警測(cè)試 6系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 21 附錄 2摘要：隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)以及進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，在當(dāng)前，家家戶戶都在使用物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品，很多公司對(duì)一些傳統(tǒng)的行業(yè)進(jìn)行了二次研究，為了方便用水公司更好的管理水表，智能抄表系統(tǒng)也就因運(yùn)而生了，本次的設(shè)計(jì)就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的，設(shè)計(jì)出一款基于Wi能夠讓用戶和管理員在遠(yuǎn)程對(duì)水表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制器選擇了STM32F103C8T選擇了LCD1602,水流檢測(cè)使用了YF-S201來(lái)進(jìn)行檢測(cè)當(dāng)前的用水量，為了保證水費(fèi)的合理性，還關(guān)鍵詞：水表；單片機(jī)；WiFi;水流檢測(cè)；階梯收費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，萬(wàn)物互聯(lián)，水表是較早進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的產(chǎn)品，是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的寵兒。水表的最大使命就是計(jì)量，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，這直接關(guān)系到千家萬(wàn)戶的切身利益，隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，云計(jì)量已經(jīng)成為一種潮流和趨勢(shì)，將給人民帶來(lái)更多智慧生活的新體驗(yàn)，采然而，仍有大量的智能建筑和智能地面使用傳統(tǒng)的水表技術(shù)和水表讀數(shù)，這使得新的水表技術(shù)和水表讀數(shù)成為研發(fā)的熱點(diǎn)。本次研究課題正是為了更高效、準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)，所以決定采用無(wú)線1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來(lái)，圍繞著改善收費(fèi)管理和提高抄表技術(shù)的自動(dòng)化和智能技術(shù)方案一是一種傳統(tǒng)的抄表方式，這種方式通過(guò)電力載波來(lái)進(jìn)行通信，采用集中器與采集器之間，以前大多數(shù)人們抄表時(shí)會(huì)采用這種方式，但經(jīng)實(shí)踐證實(shí)可靠性差，已被很多電力局等單位否定；技術(shù)方案二通過(guò)RS485總線連接，通過(guò)485總線來(lái)進(jìn)行通信，此種方式通信可靠性高，已有許多抄表系統(tǒng)采用這種抄表方式，但是必需布線是它的缺點(diǎn)，許方式不用布線，成本較低，但是有線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量較大是它的缺點(diǎn)，在電視收看高峰期對(duì)抄表有1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀3大型外國(guó)公司和機(jī)構(gòu)，如英特爾、湯普森、安塔姆，正在開(kāi)發(fā)支持電波技術(shù)的設(shè)備和部件。電波技術(shù)的主要組成部分是在國(guó)外生產(chǎn)的電波芯片，它確保電表和控制之間的中央遠(yuǎn)程組裝。除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理和儲(chǔ)存單位外，瑞典ABB開(kāi)發(fā)的無(wú)線水表還安裝了無(wú)線信號(hào)接收器接收信號(hào)的無(wú)線發(fā)射機(jī)。這些儀表不需要鋪設(shè)和維護(hù)便于安裝的線路。然而，這些無(wú)線電水表需要固定的租金和管理費(fèi)。經(jīng)過(guò)認(rèn)真的方案設(shè)計(jì)和推敲，最終可以實(shí)現(xiàn)如下功能：1.自動(dòng)抄表：可以實(shí)時(shí)、定期和自動(dòng)查閱水表數(shù)據(jù)，同時(shí)讓住戶了解其使用情況，從而管理計(jì)費(fèi)和收費(fèi)。2.階梯水價(jià)：在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，1-50m3價(jià)格為1元m3,50-100m3價(jià)格為2元m3,100-以上用數(shù)量?jī)r(jià)格為3元m3,以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)價(jià)。(參考北京地區(qū)水價(jià))3.收費(fèi)信息管理：實(shí)現(xiàn)當(dāng)前階梯式水費(fèi)結(jié)算，超出設(shè)定用水量，會(huì)進(jìn)行預(yù)警。4.遠(yuǎn)程閥控：當(dāng)預(yù)警無(wú)效后，可進(jìn)行關(guān)閥和開(kāi)閥。5.數(shù)據(jù)顯示：水表數(shù)據(jù)會(huì)TCP/IP協(xié)議傳輸給手機(jī)APP,方便用戶查看。4電源模塊水流檢測(cè)模塊顯示模塊報(bào)警模塊單片機(jī)2.2.1處理器的選擇具有40個(gè)引腳，其中包含了4個(gè)8位的并行口和一個(gè)附加的8位I/O口，其常用的封裝形式為PDIP2.2.2顯示器的選擇5僅在工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中使用廣泛，在我們生活當(dāng)中使用的也比較廣泛，其不僅能夠顯示字符，還能夠顯示圖像等信息，其優(yōu)點(diǎn)就是不需要占用單片機(jī)外部大量的I/O口，其型號(hào)一：使用型號(hào)為HC-05的藍(lán)牙串口模塊來(lái)充當(dāng)本次設(shè)計(jì)的信息傳是一款短距離的數(shù)據(jù)傳輸模塊，在自動(dòng)化、無(wú)線數(shù)據(jù)采集、智能家居、工業(yè)控制、遙控玩具當(dāng)中被廣泛使用，并且其成本低、編程簡(jiǎn)單、容易驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)被大部分電子設(shè)計(jì)師熱愛(ài)，是一款性價(jià)比極使用一個(gè)I/O口，一對(duì)一進(jìn)行控制，這些鍵位都是獨(dú)立的，互相不產(chǎn)生對(duì)彼此的影響。這型號(hào)二：采用矩陣鍵盤(pán)電路。采用行列掃描法對(duì)按鍵進(jìn)行掃描識(shí)別。這種電路結(jié)型號(hào)一：采用流速檢測(cè)傳感器，流速檢測(cè)傳感器就是對(duì)當(dāng)前的水流速度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)傳感器檢型號(hào)二：采用霍爾檢測(cè)檢測(cè)傳感器，霍爾檢測(cè)傳感器主要是通過(guò)內(nèi)部的磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)當(dāng)前通過(guò)的水流量，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的越快，其通過(guò)的水流量就越多，霍爾傳感器在運(yùn)行的時(shí)候主63系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)對(duì)于本次設(shè)計(jì)，我們選擇的單片機(jī)是STM32F103C8T6單片機(jī)。這款單片機(jī)和51系列的單片機(jī)相比豐富了很多的功能，51單片機(jī)相對(duì)此單片機(jī)運(yùn)行的速度要慢得多，而且此單片機(jī)自帶2個(gè)AD轉(zhuǎn)換，STM32單片機(jī)同時(shí)也有著非常有效的通信功能和控制功能。這一點(diǎn)比51單片機(jī)要更加的適合。51單片機(jī)與STM32單片機(jī)相比，STM32單片機(jī)多了4個(gè)串口進(jìn)行通信，所以對(duì)一些要求用串口進(jìn)行通信的模塊而且就不需要通過(guò)CD4052等雙串口模塊來(lái)轉(zhuǎn)換，所以這一點(diǎn)被市場(chǎng)上廣泛的運(yùn)用。32單片機(jī)因?yàn)楸旧砜梢赃M(jìn)行多種不同的時(shí)鐘模數(shù)來(lái)進(jìn)行工作，所以在功耗要求比較嚴(yán)格的產(chǎn)品中占有很大的地位。STM32單片機(jī)的電路圖如圖3-1所示。PA8/USART1_CK/TIM1_CPA13/JTMS/SWDIO_ NRST237 91658晶體振蕩器簡(jiǎn)稱晶振，在電工學(xué)里這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，晶振電路主要實(shí)現(xiàn)的功能就是給單片機(jī)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)的單片機(jī)是不能夠進(jìn)行正常工作的，按照評(píng)率高低之分又將諧振方式分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中使用的是并聯(lián)諧振，其主要使用了兩個(gè)22微法的電容和一個(gè)8M的晶振并聯(lián)在一起形成諧振電路，給單片機(jī)發(fā)送頻率比較穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。圖3-2為晶振電路圖。7復(fù)位電路是將電路返回到其啟動(dòng)狀態(tài)的電路裝置，要復(fù)位電路，就使用它將電路返回到開(kāi)始狀23NRST2947圖3-3復(fù)位電路LCD1602顯示器是比較大眾的一種顯示器，其兼容性較分時(shí)候都能夠滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的顯示要求。從字面的意思上面來(lái)理解LCD1602,其就是一塊LCD顯示器，能夠分兩行顯示，每一行能夠顯示16個(gè)字符，通過(guò)圖3-4觀測(cè)到，LCD1602顯示器外部一共十四個(gè)引腳，其中DO~D7引腳是和單片機(jī)進(jìn)行連接的，來(lái)進(jìn)行雙向收發(fā)數(shù)據(jù)，8和E使能引腳。LCD1602顯示器唯一的缺點(diǎn)就是不能夠顯示漢字和圖形等信息，因?yàn)槠湓诔鰪S的時(shí)候內(nèi)部沒(méi)有進(jìn)行封裝文字庫(kù)，所以LCD1602只能夠顯示一些數(shù)字、字母等信息，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，LCD1602顯示器的DO~D7引腳分別和單片機(jī)的PA0~PA7引腳進(jìn)行連接。RB4三水流量檢測(cè)按照檢測(cè)原理的不同，流量檢測(cè)方法也不一樣。常見(jiàn)的流量檢測(cè)方法有速度法，它是以流量測(cè)量管道內(nèi)流體的平均流速，再乘以管道截面積求得流體的體積流量?；谶@種檢測(cè)方法的流量檢測(cè)儀有差壓式流量計(jì)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。另一種方法是容積法，它是在單位時(shí)間以標(biāo)準(zhǔn)固定體積對(duì)流動(dòng)介質(zhì)連續(xù)不斷地進(jìn)行測(cè)量，以排出流體固定容積數(shù)來(lái)計(jì)算流量。基于這種檢測(cè)方法的流量檢測(cè)儀表有橢圓齒輪流量計(jì)、活塞式流量計(jì)等。本次設(shè)計(jì)使用的YF-S201水流量傳感器屬于磁敏類傳感器，它主要由塑料閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。它裝在進(jìn)水端，用于檢測(cè)進(jìn)水流量，當(dāng)水通過(guò)水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給控制器，控制器根據(jù)一個(gè)脈沖流過(guò)一個(gè)流量產(chǎn)生一個(gè)固定值，從而推算出累計(jì)流量，進(jìn)行調(diào)控。其主要特點(diǎn)就是有流量控制準(zhǔn)確，可循環(huán)設(shè)定參數(shù)還能夠進(jìn)行流量累積計(jì)算，YF-S201水流檢測(cè)模塊如圖3-5所示。9V水流檢測(cè)1234圖3-5YF-S2013.4無(wú)線通信模塊ESP8266系列模組是由中國(guó)企業(yè)樂(lè)鑫科技所研發(fā)，如今這一款ESP8266芯片在全世界都獲得很大的成功，這是很值得驕傲的事情。雖然說(shuō)ESP8266模塊是一個(gè)模塊，但本身也是單片機(jī)，我們可以直接對(duì)ESP8266模塊中的單片機(jī)進(jìn)行操作，即使不使用51單片機(jī)或者STM32單片機(jī)，ESP8266模塊也可以獨(dú)立完成通信功能，此時(shí)需要使用軟件arduino來(lái)完成。在本次設(shè)計(jì)中，我們需要將ESP8266模塊與單片機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通信。ESP8266芯片里面有一個(gè)出廠程序，這個(gè)程序我們稱之為固件，即固定到里面的一個(gè)程序，這個(gè)程序讓單片機(jī)可以通過(guò)串口來(lái)控制這個(gè)芯片，單片機(jī)使用AT指令與它進(jìn)行操作，AT指令是一個(gè)官方的指令，這個(gè)指令使用串口發(fā)送一些命令，最終與WIFI模塊進(jìn)行通訊。在使用過(guò)程中，通過(guò)單片機(jī)的RXD、TXD引腳把信息傳輸給WIFI模塊，WIFI再通過(guò)協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)APP,實(shí)現(xiàn)傳輸通信。ESP8266WiFi模塊電路圖如圖3-6所示。3.5按鍵模塊單片機(jī)判斷到這三個(gè)引腳有低電平出現(xiàn)的時(shí)候，就代表這個(gè)按按鍵按鍵按鍵圖3-7按鍵模塊3.6報(bào)警模塊報(bào)警模塊使用的是已經(jīng)封裝好的低電平觸發(fā)的蜂鳴器，其主要就是在當(dāng)水流量超過(guò)設(shè)置的閾值單片機(jī)的PA0引腳進(jìn)行連接的，其電路如圖3-8所示。4軟件設(shè)計(jì)Keil5是一個(gè)非常方便和強(qiáng)大的C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編語(yǔ)言相比，C語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)、4.2主程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的WiFi水表抄表系統(tǒng)在編寫(xiě)程序的時(shí)候使用了模塊化編程，將之前已經(jīng)寫(xiě)好的據(jù)發(fā)送到手機(jī)app端，主程序流程如圖4-1所示。WiFi模塊初始化YWiFi接收數(shù)據(jù)判斷是否連接WiFiNYLCD顯示數(shù)據(jù)YNN圖4-1主程序流程圖4.3子程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的顯示子程序主要是用來(lái)顯示當(dāng)前用水量、水費(fèi)、以及用水報(bào)警閾值這三個(gè)參數(shù)，能夠通過(guò)顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。LCD1602顯示子程序流程圖如圖4-2所示。開(kāi)始開(kāi)始NY圖4-2LCD1602顯示子程序流程圖Esp8266WiFi模塊主要是通過(guò)TCP/IP協(xié)議將信息發(fā)送到手機(jī)客戶端，其也是使用了單片機(jī)的串口進(jìn)行收發(fā)信息的，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要是將當(dāng)前用水量、水費(fèi)、以及用水報(bào)警閾值這三個(gè)參數(shù)的數(shù)值發(fā)送到app端，能夠保證手機(jī)APP端實(shí)時(shí)的刷新數(shù)據(jù)，并且能夠讓用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，Esp8266WiFi模塊子程序流程圖如圖4-3所示。NYYN5實(shí)物測(cè)試在進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行檢測(cè)，看電路是否有虛焊漏焊的現(xiàn)象，其次再進(jìn)行檢測(cè)電路板的各個(gè)排針焊接點(diǎn)，看排針是否焊接成功，接下來(lái)再使用萬(wàn)用表進(jìn)行檢測(cè)其是否導(dǎo)通，在焊接的引腳和單片機(jī)的引腳焊接成功的情況下，萬(wàn)用表會(huì)發(fā)出滴滴滴聲，證明電路焊繼電器蜂鳴器5.2功能測(cè)試5.2.1WiFi通信設(shè)置水流量超過(guò)閥值無(wú)關(guān)閉水閥無(wú)5.2.2水流測(cè)試然后進(jìn)行測(cè)試水流，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，1-50m3價(jià)格為1元m3,50-100m3價(jià)格為2元m3,100-以上用數(shù)量?jī)r(jià)格為3元m3,分別測(cè)試了用水14m3,86m3和199立方用水價(jià)格，如圖5-4所示，手機(jī)app端數(shù)據(jù)如圖5-5所示。圖5-4用水階梯圖水流量金額超過(guò)閥值有關(guān)閉水閥無(wú)水流量金額超過(guò)閥值有關(guān)閉水閥開(kāi)實(shí)時(shí)值水流量金額超過(guò)閥值無(wú)關(guān)閉水閥無(wú)圖5-5手機(jī)app數(shù)據(jù)圖5.2.3報(bào)警測(cè)試水流測(cè)試完成后，在進(jìn)行測(cè)試報(bào)警模塊，通過(guò)按鍵將報(bào)警閾值設(shè)置為65,然后當(dāng)水流量超過(guò)閾值的時(shí)候看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)物結(jié)果如圖5-6所示，手機(jī)app如圖5-7所示。圖5-6實(shí)物報(bào)警圖有開(kāi)圖5-7手機(jī)app數(shù)據(jù)圖通過(guò)圖5-6和圖5-7能夠觀測(cè)到當(dāng)系系統(tǒng)檢測(cè)到用水超過(guò)報(bào)警閾值的時(shí)候，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警，本次仿真設(shè)計(jì)軟件使用的是Proteus8.12版本，Proteus是英國(guó)出產(chǎn)的仿真軟件，再結(jié)合Keil5輸進(jìn)行對(duì)應(yīng)引腳連線，并將程序調(diào)試完成，把所編寫(xiě)的程序編譯鏈接生成hex文件拷入仿真中的單片平方米。按下計(jì)費(fèi)開(kāi)始按鍵后，水流量開(kāi)始以每秒加一的形式進(jìn)行模擬水流量系統(tǒng)仿真圖如圖6-1所示。本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的WiFi水表抄表系統(tǒng)使用了STM32F103C8T6來(lái)作為了控制器，并且使機(jī)，但是因?yàn)樽约旱木幊棠芰Σ恍?，在網(wǎng)上學(xué)習(xí)編程學(xué)習(xí)了好久，才算是對(duì)32單片機(jī)有了一定的了解，再通過(guò)翻閱了相關(guān)的書(shū)籍并且寫(xiě)了一些簡(jiǎn)單的代碼來(lái)進(jìn)行積攢經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)镃語(yǔ)言編程有很強(qiáng)的移植性，自己學(xué)習(xí)了STM32單片機(jī)如何驅(qū)動(dòng)LCD1602和按鍵模塊，并進(jìn)行編寫(xiě)了相關(guān)的程序，然后將這些程序移植到了自己的設(shè)計(jì)當(dāng)中，其中最難的就是驅(qū)動(dòng)Esp8266WiFi模塊，因?yàn)樽约簩?duì)WiFi模塊了解的較少，通過(guò)網(wǎng)上下載了成品代碼，移植到自己的設(shè)計(jì)當(dāng)中，經(jīng)過(guò)了多次修改才能夠?qū)⒋芯帉?xiě)相關(guān)的代碼就能夠?qū)崿F(xiàn)功能，程序編寫(xiě)完成后，硬件焊接也是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)樽约旱暮附咏?jīng)驗(yàn)是非常少的，自己畫(huà)了一張AD電路圖，然后生成了PCB圖，通過(guò)代工廠生產(chǎn)了一張布線合適的PCB版，自己在PCB板子上面通過(guò)杜邦線將各個(gè)模塊進(jìn)行連接起來(lái)。最后通過(guò)測(cè)試，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，但是還是存在很多的不足之處。也[1]張?jiān)谛?，孔繁?基于nRF905的無(wú)線水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2022(8).[2]左瑞娟，武永華，王宇，等.基于ZigBee的戶用水表無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020,[3]李帥.基于NB-IoT智能水表抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息與電腦，2021,33(11):3.[5]王君宇.基