多功能智能化水流量测控系统毕业设计说明书.docx

1、2.5本章结语22摘要11绪论21.1 研究背景21.2 国内外研究现状21.3 研究意义41.4 本课题研究的内容及方法42系统总体设计方案以及硬件电路的设计62.1总体方案设计62.2 系统源电路设计82.3 单片机最小系统的设计112.4系统各个功能模块的电路设计122.4.1流量传感器以及水温传感器的电路设计122.4.2电动阀门的电路设计152.4.3温湿度的测量电路的设计162.4.4时钟电路设计172.4.5外部SRAM的设计182. 4.6SD卡的设计182. 4.7WIFI的设计193硬件的设计233. 1阀门的背景以及意义233. 1.1球阀的类别233. 2球阀的设计以及

2、相关数据的计算253 .2.1球阀设计的主要内容254 .2.2球阀阀体的设计263. 2.3球阀阀体的内壁的确定263. 3法兰的设计和计算273.3.1 法兰的预紧力的计算273.3.2 法兰的力矩的计算273.4螺栓位置确定以及相关数据的计算283.4.1螺栓的间距的确定283.4.2螺栓的载荷的设计与计算293.4.3螺栓的面积的计算303. 4.4螺栓的载荷的设计与计算303.5零件的选取分析313.5.1阀体和阀盖313.5.2密封圈313.5.3阀杆螺母313.5.4填料压紧套314系统软件设计的与实现325.5物联网的功能测试734. 2系统总体设计的思路324. 3水流控制以

3、及流量监测的程序设计334.4电动阀门的控制程序的设计374. 5数据传输模块的程序设计384 .6Web端的检测平台的构建与设计395 .7GUI界面的程序设计454. 7.1主界面程序的设计454.7 .2功能界面的选择设计464.8 .3日期时间的界面功能474.7.4温度湿度的界面的设计484 .7.5水流信息的功能515 .7.6定量输出546 .7.7预约的功能控制557 .7.8系统的设置588 .8本章小结645系统调试和结果的分析669 .1系统的调试661.1.1 流体传感器的校准和测试665.2 流体速度闭环的测试705.3 定量输出的功能的调试715.6拓展其他领域的应

4、用735.7本章小结75参考文献77水流量测控是一种日常生活重要的一部分，其主要作用是用来测量液体的流速以及流量的一项技术，但由于液体的流体性质、流动状态、流动条件以及感测机理的复杂性，导致对液体流量的测控精度非常低，其中最为关键的就是对水流量测控的编程，所以，测控系统的的精度和准度，在于对系统软件的编译。经过几十年的发展，我国的测控技术日益完备，但对于智能化，多功能化还不够完备。究其原因是对软件的编辑以及对硬件的设计不够成熟，因此，除了对软件上的设计外，改变以往程序的编写，加入更多智能化，多功能化的程序，也要对硬件的设计。因此设计一款智能化，多功能化的水流量测控系统自关重要。本设计将从对水流

5、量测控系统进行全面细致的研究，将从水流量测控系统的硬件到软件全部进行系统的设计。本文在充分考虑目前市场存在的实际问题的基础上，选择了最合适的微处理器，针对本设计的软件进行模拟、调试以及仿真,针对本设计的硬件结合目前市面存在的多功能智能化水流量测控系统进行改进与完善，从而达到真正意义上的多功能化与智能化。关键词：水流量，多功能智能化，测控系统51多功能智能化水流量测控系统王廖旭2018660104221绪论1. 1研究背景在日常生活中，流量的测量是能否满足人们日常生活需求的重要组成部分，它不仅仅在农业，工业还是钢铁的制造行业等各个领域都有较为宽广的应用，而且在石油开采的行业甚至是对其的对外出售都

6、起着至关重要的作用，同时它也在电力的生产，钢铁的锻造以及包括农力和水利、以及气体的流速等各个方面都有它的身影。流量测控的重要的地位不单单表现在它的实际应用和是否安全的方面,更为重要的是，在当今处于一个能源较为枯竭以及环境急需整改的大条件下，它更是我们发展生产的关键因素。从目前来看，我国虽然是个能源大国，但是对能源的使用的效率较低，所以在这种大环境的背景下，大力发展流量测控的技术迫在眉睫。1.2国内外研究的现状进入新时代开始，我国对能源的开发，流量的测量以及对环境的保护等各个领域较为重视，因此大力发展流量测控技术至关重要。随着综合国力的提升，电子技术的大力发展，我们可以利用电子技术，尤其是对于微

7、型电子技术的使用以此来提升流量测控技术的升级，使其可以从较为机械化，较为传统化的，走向智能化，多功能化等。目前，微型电子技术的快速发展，使得流量测控技术能够具备智能化，可以完成远距离操控等各式各样的功能，使其具备更为高端的操作，从而开启流量测控的新篇章。流量测量离不开测试与控制技术,测试与控制技术是对现代化工业生产过程以及其设备参数进行测量控制的自动化技术，是电、计算机、自动控制与信息技术等多学科相互融合和渗透而形成的一门技术密集型综合学科。它是人类认识世界和改造世界的方式方法在科学技术上的体现。它的发展，促进了自然科学和现代化生产的进步。随着科学技术的不断发展，人工智能、智慧硬件、物联网和电

8、子微电子技术逐步普及,越来越多的智能化设备被设计制造并且投入到工业应用和日常生活中，人类对于基础设施和日常使用设备的过程测量和控制的需求急速增长，所以流量测控应运而生。流量测控是过程测量科学技术的一个重要组成部分，它在贸易销售、工业生产和国民基础建设等各个领域都有广泛的应用，例如油矿开采、物流贸易、水电工业生产、气象风速、农田水利等等，都离不开大量的过程流量测控。我国正处于一个资源与环境问题十分严峻的阶段，不仅是一个资源消耗大国，而且能源利用率很低，流量测控的重要性不仅在于它庞杂的应用范围，而且更是有效的节约了水、气等流动资源。结合当前发展的智能化硬件技术，特别是电子和微电子技术的高速演变，流

9、量测控仪器不断从传统机械产品向电子化、集成化、智能化等高精尖方向高速发展。当今时代由于微电子技术的快速迭代，印证了摩尔定律，也对大规模的微小型集成电路及适用于普适计算的通讯技术做了相当大的推广应用，集成智能的测控仪表成为了现代流量测控科学中的新的研究发展方向，引领了过程测量科学的新潮流和新趋势。但是关于测量技术，国内起步的较晚，技术发展落后于发达国家，但在智能测试仪表普及使用后，很好的解决了人工作业带来的诸多不便以及人工测盘不准确的问题。现阶段市场上采用的流量测控多数都是基于单片机或MSP的单片机作为核心处理器,它的主要结构和原理如下：单片机和FPGS的有效融合，融合方式就是将单片机集成在可编

10、程模块内，FPGA可以将每个模块的能力集成在一个模块内，让他和单片机进行合作处理。采用这种方式的好处就是可以让整个系统便捷化，微缩化。另一种就是采用ASIC将水表的测量方式进行标准化规定。运用相关硬件对逻辑进行表写制定以及对测量流程的各功能进行仿真处理。如此选择与逻辑芯片综合布局处理的完成所有相关流程的编写和制定。然后将设备给相关的企业进行市场化量产。采用这种方式的最大好处就是布局简单巧妙，通信距离长，一致性好，同时带来的设计成本和系统的消耗比较大。还有一种方式就是直接使用单片机，就像MSP430系列的单片机，本身就可以进行数据的采集和实时的处理，通过相应的代码将流量数据转换成水分数据同时将数

11、据保存在存储模块内。止匕外，代码模块还可以增加读写卡接口，通过接口直接读出水量的数据。通过以上三种方式的介绍和对比，结合实际操作，因此目前我们多数会采用第三种的方式进行远程的水流量测量。1. 3本课题研究的意义水流量测控是一种日常生活重要的一部分，其主要作用是用来测量液体的流速以及流量的一项技术，但由于液体的流体性质、流动状态、流动条件以及感测机理的复杂性，导致对液体流量的测控精度非常低，其中最为关键的就是对水流量测控的编程，所以，测控系统的的精度和准度，在于对系统软件的编译。经过几十年的发展，我国的测控技术日益完备，但对于智能化，多功能化还不够完备。究其原因是对软件的编辑以及对硬件的设计不够

12、成熟，因此，除了对软件上的设计外，改变以往程序的编写，加入更多智能化，多功能化的程序，也要对硬件的设计。因此设计一款智能化，多功能化的水流量测控系统自关重要。本设计将从对水流量测控系统进行全面细致的研究，将从水流量测控系统的硬件到软件全部进行系统的设计。本文在充分考虑目前市场存在的实际问题的基础上，选择了最合适的微处理器，针对本设计的软件进行模拟、调试以及仿真，针对本设计的硬件结合目前市面存在的多功能智能化水流量测控系统进行改进与完善，从而达到真正意义上的多功能化与智能化。1.4本课题研究的内容及方法本课题主要的是对多功能智能化水流量测控系统的研究与改进，目前市面上存在的水流量测控系统都是比较

13、单一而且应用到实际生活中比较受限制，本文结合市面上的系统外加上自己的改动，使得水流量控制系统实现真正意义上的多功能化智能化的应用，但是如何实现多功能化以及智能化，对于该问题本设计采用先对其硬件的设计，也就是对闸口的硬件设计，保证其在运作时能够满足正常的工作需求并且能够在较为恶劣的环境满足正常的工作需求。其次就是对软件的设计，软件的设计首先要对整体框架有个思路，其次在根据整体框架进行一一设计，主要是对系统源电路，单片机最小系统，系统各个功能模块的电路设计和流量传感器以及水温传感器的电路设计，电动阀门的电路设计，温湿度的测量电路的设计，时钟电路设计，外部SRAM的设计，SD卡的设计，WIFI的设计

14、以及其他电路的设计，其中系统源电路，系统各个功能模块的电路设计以及GUI的设计这几个环节较为重要，硬件的设计需要结合实际情况查阅相关的书籍进行设计，软件的设计则需要KeilC51以及protues等仿真软件的了解与使用，GUI界面的设计需要学习MATLAB这个软件，其中设计起来较为困难的是GUI界面的设计，GUI界面的设计是为了实现水流量控制系统智能化，使得人们能够更为方便的了解水流量的详细情况，比如了解当天的使用情况，以及水流量的流速以及使用的具体数值等等，想要完成上述的内容，需要结合相关的资料以及对软件进行仿真，只有能够完成GUI界面的设计，才能够使得人们更为直接观察的到使用情况，只有熟练

15、的掌握MATLAB这个软件的使用才能使得本设计完成。2系统总体设计方案以及硬件电路的设计2.1 总体方案设计图2T是本设计软件的整个系统框架，本章的设计的大体思路是对该系统软件的设计从而满足人们日常生活的各个需求，本节主要是从系统源电路，单片机最小系统，系统各个功能模块的电路设计和流量传感器以及水温传感器的电路设计，电动阀门的电路设计，温湿度的测量电路的设计，时钟电路设计，外部SRAM的设计，SD卡的设计，WIFI的设计以及其他电路的设计，从上述的这几个方面入手，大体的介绍了该设计的流程，对上述各个环节的设计保证了该系统可以在不同环境的条件下来进行工作，从而在真正的意义上达到多功能化，智能化的

16、系统，下文将结合本框架以及功能需求具体设计。图2-1多功能智能水流量测控系统总体设计流程图流量传感器用于检测水流的通过某一截面的速度和体积，水温传感器是用来检测某一时间段水流的温度。空气湿度传感器是用来检测当前环境下的湿度。电动阀门是用来控制管道内水流的大小，结合着流量传感器从而实现一个水流量测量的闭环控制。RTC模块可以用来观看当前日期以及系统时间。蜂鸣器是当系统的某一个环节或者部位出现了问题用来发出警报的。液晶触摸屏，是用来显示系统的各个信息，包括水温，湿度，流速，并能总结成实时曲线以及直方图等等，更加直观的显示数据，并便于用户操作。液晶触摸屏上显示的GUI界面可能要占有很大的存储空间，所

17、以系统需要对外扩展一个SRAM芯片。从而系统引出为处理器的USART接口用来信息交换和通信等等，引出的USB接口可以方便该系统直接与电脑连接用来交换信息和传输数据。EEPROM存储器在失去供电的情况下不会失去当前存储的数据。SD卡存储器可以保存数十几年甚至几十年的信息，为以后的数据分析和系统的升级提供了坚实的保障。WIFI模块是用来连接互联网，从而实现远程的监控和操作。这整个系统中WIFI模块，电动阀门，以及液晶触摸屏的消耗比较大，所以需要添加外部电源用来给整个系统持续供电，为了保障系统在突然断电的情况下的正常运转,系统应有内置的锂电池，并且可以循环使用，可以通过外部电源来实现对锂电池的充电。

18、图2-2是多功能智能水流量测控系统的样本机，如图所示，该设计将PCB板安装并固定到了电动阀门智商，使水流量传感器与电动阀门按照顺序连接，这样的目的在于减小系统的体积。液晶触摸屏置于最上端，并与电动阀门插接在一起，内置的锂电池安装在PCB控制板的和液晶屏幕之间，这样安装使得整个装置十分紧凑。锂电池液晶触摸屏图2-2多功能智能化水流量测控系统的样本机然后根据多功能智能化水流量测控系统的概念模型以及所需要的功能，分析整个系统的硬件电路设施并对每一部分的电路进行设计-，其中包括该系统的电源电路的设计，最小系统的设计和各个部分功能电路的设计2.2 系统电源电路的设计电源是整个系统最开始也是最关键的部分，

19、稳定的电源输出是确保系统稳定运行的的前提和基础。在该设计中，由于有消耗较大的设备，例如电动阀门，LCD液晶屏的存在，使得整个系统的消耗较大，在这种情况下，该系统需要连接外部电源给本系统供电，本系统中使用比较常见的5V直流电作为电源为该系统供电。系统内部含有锂电池，在短时间切断外界供电时也能使该系统正常的运行。当接通外部电源时，系统由外部的电源供电，并且此时也会给内部锂电池进行充电，当外部供电突然断开的情况下，该系统由内部的锂电池进行供电，来满足短时间的运作。图2-3所示，5V电源设计了以下两种接入方式，第一种就是通过DC的电源插座来直接连接5V的电源(图2-3(a)所示)，第二种就是使用USB

20、接口，可以通过该接口来进行对该系统的充电(图2-3(b)所示)。例如第一种方案，LEDD6是用来显示电源的接入状况，当外部电源介入室，LEDD6灯亮。S1是外部电源的总开关，S1闭合，外部电源接通，反之断开。第二种是带有USB接口的供电方式，可以通过该USB接口来对电脑进行连接通信，下图USB_D+和USB_D-分别接相应端口，其中10R电阻是保护电路的匹配电阻。GND图 2-3 (b)图2-3(a)图2-4是给锂电池充电的电路，外部电源为5V,输入到系统中，5V电源经过TP4056给锂电池和系统提供动力，TP4056可通过USB电源或者电源适配器来给锂电池进行充电，充电电流最大为1A。TP4

21、056充电过程中，可以用两个LED灯来显示充电过程，红色的LED灯亮表示锂电池正在充电，绿色的LED灯亮，则表示充电完成。图2-4锂电池充电电路本设计中，WIFI模块和芯片部分都需要3.3V的电源进行供电。本设计采用低压差稳压的芯片XC6206P332MR作为给系统供电的稳压电源，相较于1117系列的LDO,XC6206等电源，它更具备体积小，静态的能耗较低，电压更稳等优点，只要输入的电压能达到160mV,他就能正常的运行，如图2-5(a)所示。如图，开关S2控制系统是否运行，断开系统则停止运行，反之正常工作，系统通电后LED灯D10亮起。电源供电经过压阻R33、R34的分压之后连接到STM3

22、2ADC的输出引脚PC1上面，这是用来检测电源两端的电压从而大概的了解电池的使用情况。除此之外，WIFI模块由于消耗的功能比较大，所以需要单独为他供电，如图2-5(b)所示。(a)图2-5XC6206稳压电路。3.3V供电电路(b)图2-5XC6206稳压电路。WIFI供电电路2. 3单片机最小系统的设计STM32F103ZET6是意大利和法国半导体公司共同研发的中低端微小控制器,使用的是32为的SRMCortex-M3的芯片内核，最高的工作频率可以达到72MHzo在这个芯片内含有512K字节的FLASH以及64K字节的SRAM,可以进行嵌入式的系统操作。芯片内含有3个12位的A/D转换器和1

23、2位的D/A转换器，由这两部分可以保证实现较大的数据信号的采集以及处理分析的功能。芯片内含有12通道的DMA的控制器，可以通过ADC,DAC,定时器等来进行对其控制。11个定时器可以满足以下功能，例如定时，计数，数据捕捉，输入捕获，输出比较等控制的需求。除此之外STM32F103ZET6控制器内还包含的有13个通信接口；5个USART以及3个SPI等等这些多种多样的通信接口保证了设备与外界进行方便的通讯。单片机最小的系统设计其主要包括了以下部分，晶振电路，复位电路，模拟电源，JLINK电路以及BOOT电路等组成，如下图2-6所示。PA3二 IMS SWD-0 PAWK_6W2 KpsHBHIR

24、STosc_ourOSC.INBOOTOPB2BOOTJSTO2F103ZET6?C!4-OSC52 IN?C15-OSC32-OUTVrcfiVref-VDDAV5SANRST_ |OiiF uFVCC5V3ICR|)GND口唾 IllGND11叫111VCCJV3电传中络BlBurioij?-QO CGO 9QQA mQ Ec EQa EQRJ8ZZ1|VCC3V3SOKVCC3V3回 9k 2巾2卡22 心士 2JC25C对 37陵809VCC3V3VDD TEST W. TMS/SWDJO ICXAUX NC TDQ VO RESET NC赛就流NDNDXDND vggggggggg|

25、Q4 ao41o7u|：Q4|C4 04104 11H电源淬或图2-6单片机最小系统如上图2-6系统的晶振电路包含8MHz的高频晶振电路以及一个32.769KHz的低频晶振电路。其中8MHz高频晶振电路的作用是通过PLL倍频后，给系统提供稳定的时钟。32.768KMZ低频晶振电路的作用是为RTC提供时钟，或者在系统断电或低电量时来使用的。模拟电源采用3.3V的电压，STM32F103作为低电平复位，复位引脚经过电阻接到VCC,O.luF的下拉电容作用是单片机上电自动复位。当外界按下复位键是，复位引脚的电压降低，从而系统复位。2.4系统各个功能模块的电路设计2.4.1 流量传感器以及水温传感器的

26、电路设计在现实生活中，流量传感器多种多样，本设计采用霍尔流量传感器，因为其具有重复性好，抗干扰能力强以及测控范围宽，成本低等优点。图2-7(a)是本设计使用的霍尔流量传感器，但由于其内部结构较为复杂，因此本设计使用相似的流量传感器进行分析，图2-7(b)是塑料的霍尔流量传感器的内部结构。霍尔流量传感器是一种测量速度的流量仪器，流体经过传感器时转动叶片旋转，从而带有磁性的磁性元件也跟着转动，当带有磁性的元件靠近霍尔元件是，导通，离开时，断开，霍尔元件持续输出高低电平信号，其各占50%o因此霍尔元件输出的信号与流体的速度成正比，流体的速度越快，霍尔传感器的输出频率越高，相反流体的速度越慢，输出的频

27、率越低。(a)图2-7霍尔流量传感器外部图流入中心轴承流出(b)图2-7(b)塑料霍尔传感器的内部结构图如下是流体的速度与霍尔传感器输出的脉冲信号的数学关系设叶片的转速是w,叶片的直径为D,通道的横截面积是S。流体的速度是V,那么对应的流体流量Q是叶片转动一圈时，霍尔传感器输出的脉冲信号，设脉冲信号的频率为f,那么f=2n通过(1-1)和(1-2)；Q=SDf由于当确定流量传感器是，其管道的横截面积以及叶片的直径确定，所以可以吧SDf看作为一个定值K,即(2-3)可写成Q=Kf使用单片机来对脉冲进行测量一般有两种办法；第一种是测量一定时间内输出的脉冲个数，虽然这种比较简单，但是误差较大，第二种

28、就是测量脉冲的宽度，虽然测量较为复杂，但是精度较高。在本设计中，采用的是第二种测量脉冲宽度的方法，在一定时间段内捕获的脉冲宽度为T,即f=-T由上述式子可以得出流体速率Q,以及流体的体积VV=QxT=K-T(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)硬件设计时，传感器用3.3V的电压供电，把脉冲输出的引脚连到STM32的定时器的第一个通道上。除此之外，本设计也使用了USC-HS21TLT流体流量传感器，其管道内有温敏电阻，可以更精确的，更快捷的测量出流体的温度。如果水温发生了改变，其传感器内的电阻也随之改变，通过观察电阻的变化，可以计算出相应流体的温度。图1-8是霍尔传感器以及

29、流体温度测量的电路图，P6是传感器的接入口，P5是温敏电阻的接入口。CC3V3VCC3houi vcc GNDGNDHall Uchk nso：图2-8霍尔流量传感器以及水温测量电路2.4.2电动阀门的电路设计对于流体的测控系统中，主要采用电磁阀门或者电动阀的两种阀门，一般的电磁式阀门主要利用线圈的驱动，只能管控开始或者关闭，其时间的动作反应时间较短，通常应用于小流量或者压力小的状况下。不同于电磁式阀门来讲，电动式阀门采用直流的电机控制，它相对于电磁式阀门，它的开启或者关闭需要一定的时间，但它可以调节阀门开关的大小，耗能更小。综上所述本设计采用的是电动式阀门，它的功耗较大，其引脚的输出电流不能

30、使他直接转动，所以要配合一个阀门来驱动。另外，如图2-9(b)所示，电动式阀门内含有一个保护电路板以及两个保护开关，这两个保护开关分别安装在阀门的开启位或者关闭位。当直流的电机带动着阀门转动时，有正转或反转两种情况，这两种情况都会触发开关，会把开关的由常闭式改变为断开式，切断电流，从而保护电路。设计中使用L9110的芯片来驱动电动式阀门，将阀门安装在保护电路上并把他们安装在系统板上，其电路如图2-9所示。MAS I I2 31(收图2-9电动式阀门驱动电路图2-9中,Moter是电动式阀门的直流电机,P7是引出接口。在现实生活中，把PC2和PC3其中之一连接到高电平上，另一个连接到低电平上，从

31、而实现电动阀门的正转或反转。图2-9中的S3以及S4相对的电动大门内有两个保护开关。当阀门处于开或者关的位置时，相对应的开关被触发，从而把线路切断，以便保护电路。但由于二极管D8和D9的存在，电动式阀门可以反向转动。2. 4.3温湿度的测量电路的设计在某些现实生活中，要求需要了解到空气中的温湿度，本设计提出多功能智能水流量测控系统的设计中，加入了对温湿度的测量功能。测量温湿度采用的是DHT11温湿度传感器。其传感器内部含有一个高8位的单片机以及相连的感测湿度的元器件，以及测温元件，DHT111品质好，处理快，抗干扰的能力较强，等等优点。DHT111供电电压为3.3V-3.5V,在本设计中，采用

32、3.3V的电源供电，用PG11端口读取数据，电路图如2T0所示图2-10硬件电路2.4. 4时钟电路设计时钟电路设计（RTC）可以提供同步的时间信号，把他应用于本设计中，主要优点有可以显示时间，带有流体的相关信息，有预约控制阀门的功能。时钟电路采用外部32.768KHz晶振作为频率源，32768Hz=215HZ,即周期为IS,RTC内含有一个寄存器，如果寄存器的数值与系统时间的数值会产生一个中断，此时RTC持续工作，本设计中，我们采用锂电池为其供电，本文采用并联二极管和电容为供电电路。如图2-11所示VbatDI在IN4148RICZIKD2 A ZM472XSM32bQtFO.lulGND图

33、2-11时钟电路2.4.5外部SRAM的设计STM32F103ZET6内含有一个64K字节的内部存储的数据，但当计算要求较高时，内存可能比够用，所以在本系统中，需要外部拓展1M的SRAM字节，提高反应速度。1M字节的SRAM采用的是ISSI生产的芯片，其优点为反应速度块，能耗低，能静态操作的优点。其硬件电路如图2T2所示。FSMCAl1AO1015Al1011A21013A31012A41011A51010A6IO：A-IOSASIO-A9106A13105All104A12103A13102A141.01Al5LOOA16A17AIMLBVDDOFVDDWhGNDCFGND38FSXCD15

34、FSMCA223sFSMCD1436FSMCDI3FSXCAl13?bSMC_L?12rSACCA532ISMCDllFSW1118“FSfC_D1-fSMCA1019300KD,FSXCA92029FS、KD8FSMCAS2116FSMCD-FS、X.22215fSMCD6FS：CA62314FSXfCDctSMCAO21UbSMC_D4FSVCA152510FSMCD3FSMCAH269FSMCD2FSMCA1327SfSMCDIrSVCA16427FSVCD。FSVCAl43rSMCA1844FSMCAI228_1140FSMCNBL1FSXICNB1fl41FSMCNOEr3JJC32

35、3rISAKNWL126FSNFCNE3fV,4EWVI2I6VCC3V3图2-12外部SRAM电路2.4.6SD卡的设计SD存储卡，是一种具有记忆功能的存储设备，其具有体积小，传输快等等优点，被许多人们所认可，常应用于MP3,MP4,PSP以及手机上。设计SD卡主要是为了方便存储本地数据，方便以后的查询，包括流体的速度，流体的温度和体积等等，另外，上文也涉及了STM32携带的USB接口，可以把存储卡直接通过USB接口连接到电脑上来读取数据,其电路设计去2-13所示。VCC3V39CdDATIGROUNDDATO/DOGROUNDVSSGROUNDCLK/SCLKGROUNDvnnSDIOD!

36、813SDIODO7,2GNDI6IISDIOSCK5104RMeuSDIOCMDVuuCMD,DICD/DAT3/CSDAT2SDIOD32SDIOD2ISDCARD-MGND图2-13SD卡的设计2.4.7WIFI的设计上文提出的测控系统测试得出的数据，包含流体速度，温度，体积等等，一方面可以存储在SD卡上，另外可以通过设计的WIFI直接上传到云端，实现远距离多端口对流体流量的控制。WIFI采用ESP8266模块，该模块支持多种模式，可以作为一个WIFI连接也可以连接其他的WIFI,其可以通过AT指令集来实现与单片机的数据交换，在设计WIFI模块时，其耗能较大，需要外接稳压电源来给他单独供

37、电，如图2T4所示，此外ESP8266的单片机片选引脚有PA4控制的，其PA5为复位引脚具体电路如2-14。图2-14WIFI供电电路ESP8266VCCWiFi图2-15ESP8266电路2.4.8其他电路的设计本小节的设计主要包括LED电路，蜂鸣器电路，以及串口电路，将它们放到本小节中一并讲解。设计LED的电路主要通过两个LED灯的显示状态来反应当前系统的状态，两个LED灯经过保护电阻上拉后接入单片机，其电路图如2-16所示。VCC3V3R2D4LEDOIKLEDIR7cn1K图2-16LED指示灯设计蜂鸣器是为了在系统出现故障或者不确定的事件发生时，发出声音来警报。蜂鸣器主要通过一个三极

38、管来工作，三极管连接到单片机的端口上，在由PB8端口作为驱动蜂鸣器的电源，如图2T7所示串口电路的调试与设计主要通过串口调试程序和传输的数据来进行工作的。串口调试通过USART1进行，其引出三个接口，分别对应的是串口一接受PA10的数据，发送PA9、GND的数据，其电路如图2T8所示，P10是三线接口。图2-17蜂鸣器电路PA10RX1PA9IXIUSARIIGND图2-18串口电路2. 5本章结语本章节根据市场所需要的功能对该系统进行设计与升级，本设计上文给出了设计思路以及简单的设计方案，其系统主要包括微处理器，电动式阀门，RTC模块，SD存储卡，等等由上述的模块，可以实现该系统对流体速度，

39、温度，湿度等各方面信息的了解和控制。3硬件的设计3.1阀门的背景以及意义水流量测控系统的不止是软件的设计其中也包括其他硬件的设计，本设计就从球阀的设计来入手，阀门在我国的机械领域是重要的行业，球阀广泛应用在作为流体的控制当中，例如在电力，城市的建设，以及环保化工等重要的部门。近些年，国家的重视，阀门行业处在了发展的黄金的时代。其中球形阀门是重要的一环，其工作的原理是可以接通或切断传输管中的液体，调节系统中的流速，压力等相关的因素。球阀作为阀门中的一者，不仅在工业的生产方面还是在电力，医药，建设方面起着不可忽视作用，如下图3.1是外螺纹球阀的外观图，球阀的选择可以根据不同的应用场景来作出不同的选

40、择，以满足基本的传输要求。图3.1外螺纹球阀3. 1.1球阀的类别球阀的类别比较多，按照不同的功能又可以细分很多种。目前国内的球阀的种类很多，其主要有一下几种，例如电动式的球阀门，自动式的调节球阀，等等。以下是球阀当中比较常见的阀体分类。1 .按照阀芯的切口的形状进行分类，其分成两类一种0型球阀另一种是V型球阀。0型的球阀其主要采用的是浮动式的连接结构，它的阀芯是较为精密的铸件，精度要求较高，外表较为坚硬，阀座采用的是乙烯类的材料，其功能是流通性能极好，阻碍性小，当关闭阀门的时候，没有液体的漏跑，其一般作为开关阀体使用。而V型球阀则采用的是固定的结构，阀芯上有一个V字型的切口，可以实现调节流体

41、的速度，较为稳定。2 .根据不同的工作需求可选用启动或者电动的执行部分作为球阀的主要部分，其中电动式的球阀可以实现电动的执行结构，其气动的球阀可以实现按照所需比例来调节阀门。3 .根据不同的用途，可以把球阀分为以下五种，直通式球阀，三通式球阀，四通式球阀，以及保温和斜面球阀，等等4 .市面上也有其他的分法，例如一片式球阀，两片式，三片式球阀等等下面简单的列举了如图3.1(a),3.1(b),3.1(c)这三类一些市面上常见的球阀，以及它们的主要参数一片式球阀：型号：Q11F压力：1.6-6.4MPa如图3.1(a)二片式球阀：型号：Q11F：压力：1.6-6.4MPa如图3.1(b)三通式球阀

42、:型号：Q15F：压力2.5MPa如图3.1（c）3.2球阀的设计以及相关数据的计算3.2.1球阀设计的主要内容阀门在管道的传输系统中是一个较为重要的组成部分，其能否正常工作是水流量系统较为关键的一环。所以阀门的相关数据的计算与设计必须满足在当下的工作条件下的要求。其主要的数据必须了解。（1）阀门的分类以及工作位置（2）在介质中的工作的压力以及温度（3）在工作环境下的物理和化学的性能（4）阀门的直径，长度以及材料（5）和管道的连接方式以及其他的操作在球阀的设计中不仅要掌握上述的主要数据还要了解相关的技术。（1）球阀的流通的能力（2）球阀的阻碍系数(3)球阀的外形以及重量的限制(4)球阀如何保养

43、以及其他的要求3.2.2球阀阀体的设计球阀的阀体是其最重要的部分之一，他主要起着支撑保护作用，其重量占据总重量的70强左右，它的主要功能有以下几点：支撑球阀，承受外力的压力作为安装球阀的基础保护阀芯及相关内部组件球阀阀体的流通管道的设计(1)球阀阀体的入口处设计为圆形，为了保证流体进入，流道的设计为直线或者是流线的形状，最大程度的避免流体在管道内由于流动方向的变化而导致的对管道内壁的阻力以及冲击(2)设计为直通式的阀体，其在通道的喉部的设计面积最少也要是阀体的入口处的横截面积3. 2.3球阀阀体的内壁的确定阀体的壁厚的确定主要是查表或者计算得出来的。对于该设计的阀门，可根据阀门的设计标准可得。

44、对于铸钢的阀体，其要满足最小的允许的壁厚；因此在该球阀阀体的设计中，采用薄壁的计算方法SB=(6L-p)+C(3-1)公式中，D是阀体的最大内径，根据需要，D=50mmP是设计的压力，其大小为公称压力为1.6MPaS是磨损腐蚀后的剩余壁厚6是材料的允许的压力，其查表可得为45MPaC是在铸造中的偏差，是允许发生的由上述的式子得出=5.9mm由此可知，在考虑铸造的磨损后，因此壁厚选择6mm。3. 3法兰的设计和计算阀体和阀盖的连接的方式目前有五大类，其分别是螺纹连接，法兰练级以及焊接，夹箍，自紧式连接等等连接方式。本设计采用法兰连接，在计算中要考虑以下的相关问题：(1)法兰的强度会直接影响连接的

45、安全性以及可靠性。所以，在设计的时候不仅要满足法兰的尺寸要求也要考虑到流体的压力以及其他不确定因素所产生的应力。(2)螺栓的应力的确定以及密封圈的选用，为了确保整体连接的牢固性，螺栓必须拧紧，其产生的应力也要考虑。(3)由于阀体在工作环境中，在使用时温度以及湿度压力的变化所产生的应力，也应该注意到。在本设计当中，把法兰，螺栓以及密封圈和管道这上述的元件看做一个整体，这样方便计算分析和考虑。3.3.1法兰的预紧力的计算根据公式Ma=WxSG(3-2)上述的公式中，W是螺栓的设计载荷，下文3T1式子得到数据为川=54731.77NS是螺栓的中心到密封圈作用力的径向的距离，在本设计中是11.75mm

46、,所以，计算式3-2得出M=54731.77X11.75+1000=643.10N-mm3.3.2法兰的力矩的计算根据公式M=FdSd+FtSt+FGSG(3-3)计算式中SD=S+0.531(3-4)ST=+61+sg)(3-5)上述的计算式FD是作用在法兰内径的的轴向压力，FD=0.785Di2pDi是泛滥的内径，p是设计的压力，因此，FD=0.785X502x1.6=3140NFT=F-FD是流体在静态是的静压的总的轴向作用力和法兰的内径界面的轴向的压力的差。F=FD=0.785DG2P是流体的静态的静压的总的轴向压力。DG是密封圈压紧力作用的直径，其值为43mm,于是可以计算得出F=0.758X432x1.6=2242.4672N由上述可知FT=3140-2242.4672=897.5328NFG在工作的