CN1987180A - 隔膜智能阀门系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隔膜智能阀门系统，涉及一种利用液体本身压力的原理实现隔膜阀瓣开关的节能节水IC卡智能控制阀门装置。本发明包括上位计算机(100)、IC卡读写器(200)、智能阀(300)、用户IC卡(400)和管理员IC卡(500)；上位计算机(100)和IC卡读写器(200)连接，IC卡读写器(200)和若干智能阀(300)连接，每个智能阀(300)分别与若干用户IC卡(400)及一个管理员IC卡(500)连接。本发明采用了依靠水体本身压力为主动力的隔膜阀，具有节约能源、配水定量精确、计费准确、控制灵活、操作简单、维护方便的特点；不仅可以广泛用于农村灌区，而且还能用于工业等其它领域，拥有广阔的市场前景，具有很大的社会效益、环境效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种阀门装置，尤其涉及一种利用液体本身压力的原理实现隔膜阀瓣开关的节能节水IC卡智能控制阀门装置。
背景技术
我国是一个严重缺水的国家，是世界人均水资源极少的13个贫水国之一。人均水量少于2000立方米的，国际社会称之为严重缺水边缘。中国有9个省(市、区)的人均占有水量为500立方米。中国600个城市中缺水的近400个，严重缺水的有108个。我国水资源在地区分布上很不平衡：北方黄河、淮河、海河三大流域的水资源总量仅占全国的7.5％；特别是西北地区，水资源更加贫乏，平均水量仅占全国均值的1/4。而工、农业用水量都很大，用水效率低，浪费现象十分严重。在我国现有400多万眼机井中，大部分机井的地下水已被抽得严重超过警戒线以下了。所以节约用水、提高用水管理水平、保护水资源已成为我国当前的一项重大的战略任务。
目前，国内外节水灌溉的设备主要有低压管道输水灌溉、喷灌和微灌等装置，而针对农村节水灌溉的产品很少，可计量的供水控制器基本上采用电磁阀和由机械结构控制的隔膜阀，能耗过大，有的必须要用交流电源，实时控制与管理方面还比较落后，且造价偏高。
发明内容
本发明提供一种隔膜智能阀门系统，即利用液体本身压力的原理实现隔膜阀瓣开关的IC卡智能控制阀门系统，旨在克服现有技术存在的缺点和不足，满足实施灵活、节能节水的要求。
为了达到上述目的，本发明主要包括：
(1)设计和制造一种隔膜阀；
(2)设计和制造一种以单片机为核心的采集控制电路；
(4)编写系统应用软件。
本发明采用了IC卡读写技术，实现了“先购水、后用水、谁用水、谁付费”的要求；一套装置可多用户使用，其用水信息亦可通过专用IC卡传送到上位机进行处理和实现网络用水管理，充分体现了“掌握更轻松、管理更有效、操作更方便”人性化设计理念。
具体地说，如图1，本发明包括上位计算机100、IC卡读写器200、智能阀300、用户IC卡400和管理员IC卡500；
上位计算机100和IC卡读写器200连接，IC卡读写器200分别与N个智能阀300连接，每个智能阀300分别与N个用户IC卡和一个管理员IC卡连接；
如图2，智能阀300包括依次连接的发讯水表310、电控单元320和隔膜阀330；
所述的发讯水表310是一种可拆卸的水轮式水表；
所述的电控单元320是一种以单片机为核心的采集控制电路；
所述的隔膜阀330是一种通过隔膜阀瓣实现其阀门开关的供水阀门。
本发明的工作原理是：
用户IC卡400通过IC卡读写器200在上位计算机100上充值，在智能阀300上刷卡用水消费；管理员专用卡500可以为智能阀300设置相关系数以及将智能阀300中的用户用水信息上传到上位计算机100作进一步处理。一台上位计算机100可以管理数百个智能阀300，每个智能阀300可供多个用户400使用。
用户IC卡400刷卡后，电控单元320从卡上扣除用户所设置的购水量后打开隔膜阀330放水并通过发讯水表310开始计量，当达到其购水量时，将关闭隔膜阀330终止供水。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、采用了依靠水体本身压力为主动力的隔膜阀，具有节约能源、配水定量精确、计费准确、控制灵活、操作简单、维护方便的特点。
2、特别适用于无交流电源的有压管道处的供水控制，蓄电池充电一次可工作4年左右；如在有交流电源的无压管道处，可同时开启或关闭水泵机组和阀门来实现供水控制。
3、一个智能阀300可有多个用户IC卡400实现刷卡消费，其用户用水信息可通过管理员IC卡500传送到上位计算机100进一步管理。
4、本发明不仅可以广泛用于农村灌区(包括有电源或无电源的田间机井、有压输配水管网、给水栓等取水口)，而且还能用于工业等其它领域，拥有广阔的市场前景，具有很大的社会效益、环境效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明结构框图；
图2是智能阀结构框图；
图3是隔膜阀阀门关工作原理示意图；
图4是隔膜阀阀门开工作原理示意图；
图5是隔膜阀阀瓣结构图；
图6是电控单元电路原理图；
图7是智能阀工作流程图；
图8是智能阀管理工作流程图。
其中：
100-上位计算机；
200-IC卡读写器；
300-智能阀，
310-发讯水表，
320-电控单元，
321-单片机， 322-存储电路，
323-IC卡读写单元， 324-时钟/日历芯片，
325-液晶显示器， 326-功能键，
327-脉冲信号取样与处理电路，
328-电池电压监测器， 329-驱动电路；
330-隔膜阀，
331-第1先导电磁阀， 332-第2先导电磁阀，
333-细管道， 334-分流孔，
335-阀瓣腔， 336-阀瓣，
337-阀体， 338-阀瓣腔盖；
400-用户IC卡；
500-管理员IC卡。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、主要功能部件
1、隔膜阀330
如图3、图4、图5，隔膜阀330由第1先导电磁阀331、第2先导电磁阀332、细管道333、分流孔334、阀瓣腔335、阀瓣336、阀体337、阀瓣腔盖338组成；
其连接关系是：如图3或图4，阀体337是主流道，其出口端的阀瓣腔335即为阀门，阀瓣336固定在阀瓣腔335内；第1先导电磁阀331和第2先导电磁阀332分别通过细管道333接到阀体337和阀瓣腔盖338的两个分流孔334上，控制第1先导电磁阀331和第2先导电磁阀332开和关的状态即可进一步控制阀瓣336向上翻或向下复原的形状，从而实现阀门的开或关。
所述的第1先导电磁阀331是一种2位2通脉冲式自保持电磁阀，通过5V和300mA的脉冲信号即可使其阀门开关，是系统的关键部件。
所述的第2先导电磁阀332与第1先导电磁阀331结构相同。
所述的细管道333是一种标准的耐压塑料软管，通过配套的标准接头将第1先导电磁阀331、第2先导电磁阀332与分流孔334相连。
所述的分流孔334是一种开在阀体337和阀瓣腔盖338上带螺纹的孔，用细管道333和第1先导电磁阀331、第2先导电磁阀332相连，目的是通过对压力的分配来控制阀瓣336的开关状态。
所述的阀瓣腔335是阀瓣336的工作空间，阀瓣336在阀瓣腔335内的状态决定其阀门的开和关。
所述的阀瓣336是一种能使阀门开或关的橡胶瓣，在原始状态时关闭阀门，正面受力变形时开启阀门，是系统的关键部件。
工作原理：
如图3，当隔膜阀330内有水压时，在第1先导电磁阀331开和第2先导电磁阀332关的状态下，水压由分流孔334通过控制细管道333进入阀瓣腔335压迫阀瓣336的凹面，加上橡胶阀瓣336原来形状的弹力，其合力大于阀门体内水对阀瓣336凸面的压力，从而使阀瓣336向下关住阀门。
如图4，在第2先导电磁阀332开和第1先导电磁阀331关的状态下，阀门体内水的压力大于阀瓣腔335内的大气压力和阀瓣336变形力的合力，迫使阀瓣向上翻，阀瓣腔335内的水由分流孔334通过控制细管道333排出，阀门打开输水。
如图3、图4、图5，阀体337和阀瓣腔盖338为铸铁件；阀瓣336由橡胶制作。
2、电控单元320
如图2、图6，电控单元320包括单片机321及分别与单片机321连接的存储电路322、IC卡及读写单元323、时钟/日历芯片324、液晶显示器325、功能键326、脉冲信号取样与处理电路327、电池电压监测器328、先导阀门驱动电路329组成。
1)单片机321
单片机321是系统的核心，选用的PIC16F876，具有低功耗、低工作电压、抗干扰强、高性能、高速度、易编程、很强的引脚直接驱动能力等特点，设计芯片以I2C的形式与外围电路实现数据传输，当系统处于休眠状态时，功耗约3uA。
2)存储电路322
存储电路322选用24C16来存储IC卡的密码、用户名、购水量、用水量、累计用水量等相关数据。
3)IC卡及读写单元323
IC卡及读写单元323选用WM11T6型IC卡读写芯片，可对通用的PHILIPS的IC卡(1K字节，有唯一序列号)进行读和写。
4)时钟/日历芯片324
时钟/日历芯片324选用DS1302时钟/日历芯片作为系统的时钟源。
5)液晶显示电路325
液晶显示电路325选用QY204型专用液晶显示模块，可显示：购量、余量、累计、开关、卡错、请购水、时间等数据和提示信息。
6)功能键326
仅设置了3个功能键326即能满足使用需要。
7)脉冲信号取样与处理电路327
本阀用带发讯装置的水轮式水表310来计量用水量，脉冲信号取样与处理电路327接收发讯水表310发出的脉冲信号，经过2个施密特触发器40106滤波和软件处理并经换算后得出实时用水量。
8)电池电压监测器328
电池电压监测器328选用HT7044电压检测芯片对电池电压进行实时监测。当电池电压低于保护值时，该芯片向单片机321发送信号，单片机321会产生中断保存关键数据。
9)先导阀门驱动电路329
先导阀门驱动电路329通过AE2501驱动芯片改变第1先导电磁阀331和第2先导电磁阀332两个两位两通自保持电磁阀线圈上脉冲电压的极性来控制阀门同步动作，从而控制此先导阀中水的流向，利用管道中水本身的压力来开闭隔膜阀门。如图7，第1先导电磁阀331和第2先导电磁阀332线圈的极性是反相的，目的是使第1先导电磁阀331和第2先导电磁阀332阀门的开关状态正好相反。
10)水泵机组电机驱动电路
如靠水泵机组作为动力进行输水，取水点处有交流电源，本智能阀则可利用交流电作为工作电源。水泵机组电机驱动电路由施密特触发器40106(U4)、光电耦合器PC817(U13)和三极管2SC8050(Q4)和继电器HG4123(L1)及交直流稳压器等元部件组成，电路可控制三相交流接触器(L2)的通断来实现电机的开和停。在控制水泵机组的同时仍保留先导阀门的驱动功能。
11)仿真接口电路
本电路设计了仿真接口(J8)，使系统可以在线编程仿真调试，这将十分便于系统软件功能升级。
二、单片机321应用程序
单片机321采用C语言在PC机上编写，经单片机编程仿真器编辑后生存单片机PIC16F876可执行的汇编程序指令，PIC16F876可以插在编程仿真器上直接将程序写入，亦可通过智能阀电路的仿真接口将程序写入芯片内，这十分便于软件升级和现场调试。
三、智能阀工作流程
1、对用户IC卡
如图7，步骤01上电后，步骤02单片机初始化，步骤03通过自检后进入04节电休眠状态。自检有问题，步骤39故障显示。
步骤05如按【确认】键，步骤06唤醒单片机，本智能阀显示器显示“A0000”，“A”字闪烁；步骤07等待按键，步骤08如15秒无操作，步骤38计时器清零后程序进入步骤04单片机随即进入节电休眠状态。否则通过步骤11通过按【】和【▲】键，选择功能或设置所需购水量(【】键，可右循环进行位选择，【▲】键可对闪烁位进行数字设置)，步骤12判断是否选择了B功能，是，在步骤13提示清刷卡后将进行IC卡余额查询操作步骤；否则，系统仍处在设置状态，提示符显示“购量”；设置好用水量后，在步骤10按【确认】键，步骤14显示“购量”，光标停止闪烁，指示灯提示“请刷卡”。
步骤15在IC卡读写器敏感区刷卡，步骤16如15秒无操作，步骤38计时器清零后程序进入步骤04单片机随即进入节电休眠状态。刷卡，步骤17单片机读卡，步骤18单片机核实IC卡密码和卡号，步骤19不是系统IC卡，显示“错卡”并提示重新刷卡，程序步骤回到15。如是系统用户IC卡，步骤20单片机首先判断是否是查询余量操作的提示符“B”，是，步骤21读取卡上数据并显示所剩的水量，步骤22在15秒钟后单片机休眠。如不是查询功能，在步骤23则判断此卡是否有因事故停止供水的记录，有，步骤24则补偿所欠水量，然后进入步骤31；如无事故停止供水的记录，步骤25判断IC卡上的余量，不足1m3，步骤26提示“请购水”(充值)，步骤27计时器清0，步骤16如15秒内不再刷卡，程序在步骤04单片机将休眠。步骤28如卡上的余量大于1m3小于设置的购量，步骤29按卡上的余量计算供水，否则步骤30则按设置所需购水量供水30；步骤31在完成上述工作后，显示IC卡上扣除购水量后的余量值，片刻后再显示本次的购水量值，步骤32控制装置发出信号启动水泵装置(如无水泵装置，此信号无效)和启动先导电磁阀2开及先导电磁阀1关，隔膜阀打开放水，步骤33单片机采集水表信号，步骤34如水表5秒(可设置)无信号输出，步骤40作为故障，单片机将记录事件，关闭供水并由步骤38计时器清0后到步骤04进入单片机节电休眠状态。如水表有信号，步骤35单片机采集水表信号、计时、计算，步骤36单片机一直判断供水量，步骤37当水量值倒计数至“0m3”时，控制装置自动关闭水泵装置(如无水泵装置，此信号无效)及启动先导电磁阀1开和先导电磁阀2关，隔膜阀关闭，终止供水，经相关数据处理后，程序回到步骤04单片机随即进入节电休眠状态。
刷卡成功，蜂鸣器发出“嘟”声，刷卡失败，显示“错误”和“刷卡”。
智能阀还具有用户人为终止放水的功能，人为终止放水按事故停止供水向该用户IC卡补偿所欠水量。
2、对管理员专用IC卡
高权限管理员可在上位机上为所管辖的智能阀创建专用的IC卡，用此卡可以对智能阀设置相关参数和将智能阀的各用户用水信息(信息包括用户总的和最后5次的用水量及时间等)读出后再写入到上位计算机。
如图8，步骤01上电后，步骤02单片机初始化，步骤03通过自检后进入04节电休眠状态。自检有问题，步骤24故障显示。
步骤05如按【确认】键，步骤06唤醒单片机，显示器显示“A0000”，“A”字闪烁；步骤07等待按键，步骤08如15秒无操作，步骤23计时器清零后程序进入步骤04单片机随即进入节电休眠状态。15秒内有按键，步骤09按键扫描，，步骤10按键判断，如不是按了【确认】键，在步骤11中通过按【】和【▲】键，可选择功能或设置所需购水量。
如按了【确认】键，步骤12将提示刷卡，步骤13等待刷卡，步骤14如不刷卡达15秒钟，程序通过步骤23和步骤04单片机进入节电休眠状态。
在IC卡读写器敏感区刷卡后，步骤15单片机读卡，步骤16核实IC卡密码和卡号，不是系统IC卡，步骤17显示“错卡”并提示重新刷卡，程序回到步骤13；是系统IC卡，步骤18再判是否用户卡，是用户卡，步骤19执行用户卡功能；如是系统管理员专用IC卡，步骤20系统允许管理员用键盘进行时间、时钟、水表无脉冲信号输出允许最长时间等参数设置和读取用户用水信息、存储器清0以及挂失IC卡的操作。步骤22管理员按键后15秒再如无任何操作，程序通过步骤23和步骤04单片机进入节电休眠状态。
在步骤20中管理员用键盘进行具体操作的过程是：首先是显示年月日，按【】和【▲】键进行修改，按【确认】完成后显示时钟，按【】和【▲】键可修改时分秒，按【确认】完成后再显示水表无脉冲信号输出允许最长时间(秒)，可根据实际情况按【▲】键调整，按【确认】完成后显示“read”，按【确认】后刷卡，即将本智能阀内用户用水信息读入IC卡里，如按【】键则跳过读取信息，然后显示“clr”，按【确认】将本智能阀内用户用水信息清零，如按【】键则跳过清零操作；最后进入挂失操作，显示“del”，按【▲】键选择用户编号，按【确认】后该用户丢失的IC卡将不能再有效使用，如按【】键则跳过操作，如无任何操作达15秒，单片机进入节电休眠状态。
完成每步操作，智能阀的蜂鸣器发出“嘟”声。刷卡读取信息失败，显示“错误”和“刷卡”，提示重新操作。
四、上位机管理系统的功能
1、建立用户档案(开户)
每发放一张用户卡，需要建立与该卡用户有关的档案，内容包括：用户名、所在地、联系方式、发卡时间、供水点智能阀编号、阀内排号、售水限额等。
2、售水收费(充值)的管理
自动实行梯形购水管理，交费后向用户卡中充入所购水量，信息录入数据库。
3、用水情况的管理
管理员用专用IC卡可将各智能阀的各用户用水情况通过上位机的IC卡读写器写入本系统的数据库，以实现统一管理。
4、统计和查询
可随时查询用户的购水情况、用水情况、剩余水量等数据，并将其统计成表。报表和购水凭证可以打印输出。
5、用户卡挂失
当用户不慎将IC卡丢失时，可进行挂失操作。本管理软件所记录的数据可将丢失IC卡中的剩余水量以最小损失返还给此用户，同时可让挂失卡使用失效。
Claims (3)
1、一种隔膜智能阀门系统，其特征在于：
包括上位计算机(100)、IC卡读写器(200)、智能阀(300)、用户IC卡(400)和管理员IC卡(500)；上位计算机(100)和IC卡读写器(200)连接，IC卡读写器(200)和若干智能阀(300)连接，每个智能阀(300)分别与若干用户IC卡(400)及一个管理员IC卡(500)连接；
智能阀(300)包括发讯水表(310)、电控单元(320)和隔膜阀(330)；
所述的发讯水表(310)是一种可拆卸的水轮式水表；
所述的电控单元(320)是一种以单片机为核心的采集控制电路；
所述的隔膜阀(330)是一种通过隔膜阀瓣实现其阀门开关的供水阀门；
用户IC卡(400)刷卡后，电控单元(320)从卡上扣除用户所设置的购水量后打开隔膜阀(330)放水并通过发讯水表(310)开始计量，当达到其购水量时，关闭隔膜阀(330)终止供水。
2、按权利要求1所述的一种隔膜智能阀门系统，其特征在于：
隔膜阀(330)由第1先导电磁阀(331)、第2先导电磁阀(332)、细管道(333)、分流孔(334)、阀瓣腔(335)、阀瓣(336)、阀体(337)、阀瓣腔盖(338)组成；
阀体(337)是主流道，其出口端的阀瓣腔(335)即为阀门，阀瓣(336)固定在阀瓣腔(335)内；第1先导电磁阀(331)和第2先导电磁阀(332)分别通过细管道(333)接到阀体(337)和阀瓣腔盖(338)的两个分流孔(334)上；
所述的第1、第2先导电磁阀(331、332)是一种2位2通脉冲式自保持电磁阀；
所述的细管道(333)是一种标准的耐压塑料软管，通过配套的标准接头将第1、第2先导电磁阀(331、332)与分流孔(334)相连；
所述的分流孔(334)是一种开在阀体(337)和阀瓣腔盖(338)上带螺纹的孔；
所述的阀瓣腔(335)是阀瓣(336)的工作空间；
所述的阀瓣(336)是一种能使阀门开或关的橡胶瓣。
3、按权利要求1所述的一种隔膜智能阀门系统，其特征在于：
电控单元(320)包括单片机(321)及分别与单片机(321)连接的存储电路(322)、IC卡及读写单元(323)、时钟/日历芯片(324)、液晶显示电路(325)、功能键(326)、脉冲信号取样与处理电路(327)、电池电压检测电路(328)、先导阀门驱动电路(329)组成。
Priority Applications (1)
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