【正文】 完 成 日 期 2021 年 06 月 13 日 接受任務(wù)書學(xué)生（簽字） 李四 ：基于單片機(jī)的流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 工業(yè)生產(chǎn)中過程控制是流量測(cè)量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù)，人們通過這些參數(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視與控制。流量計(jì)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、水利建設(shè)、生物工程、管道輸送、航天航空、軍事領(lǐng)域等也都有廣泛的應(yīng)用 。流量檢測(cè)的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)，古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測(cè)量居民的飲用水水量；公元前 1000 年左右古埃及用堰法測(cè)量古尼羅河的流量；我國著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀察水量大小等等。 20 世紀(jì)隨著各領(lǐng)域?qū)α髁繙y(cè)量需求的牽引，使得流量計(jì)得到快速發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為流量計(jì)的制造技術(shù)提供各種新型的元器件，進(jìn)一步推動(dòng)了流量計(jì)從機(jī)械式向智能化、模塊化發(fā)展。 某某 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 1章 緒論 選題的背景和意義 流量就是在單位時(shí)間內(nèi)流體通過一定截面積的量。流量測(cè)量的流體是多樣化的，如測(cè)量對(duì)象有氣體、液體、混合流體；流體的溫度、壓力、流量均有較大的差異，要求的測(cè)量準(zhǔn)確度也各不相同。充分利用單片機(jī)豐富的硬件資源，配以適當(dāng)?shù)臋z測(cè)接口電路，可精確測(cè)量由渦街流量傳感器或電磁流量傳感器輸出的代表流量大小的脈沖信號(hào)，以及氣體在當(dāng)?shù)貭顟B(tài)下的壓力、溫度等模擬電壓信號(hào)。 通過對(duì)本課題的研究，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已學(xué)課程的基本知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)工作，掌握單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和應(yīng)用電路設(shè)計(jì)、分析及調(diào)試檢測(cè)。于是數(shù)以百萬計(jì)的煙氣排放點(diǎn)和污水排放口都成了流量測(cè)量對(duì)象。 20 世紀(jì)由于過程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對(duì)流量測(cè)量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動(dòng)儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。到改革開放前，經(jīng)歷了仿制、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、自行研究開發(fā)過程，目前已近初具規(guī)模，基本上能滿足中等水平流量儀表的需要。自從單片機(jī)出現(xiàn)后，各種各樣的智能流量顯示儀不斷出現(xiàn)，取代了原有的傳統(tǒng)的機(jī)械式或者純模擬、數(shù)字電路構(gòu)成的流量顯示儀。智能流量顯示儀正朝著低功耗、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能方向發(fā)展。 本文詳細(xì)論述了該設(shè)計(jì)的具體方案，主要解決系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，硬件電路的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中的遇到的每個(gè)難點(diǎn)都得一一克服，而本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)簡單易行的流量傳感器，各芯片的如何應(yīng)用與合理搭接，而軟件的編寫如何簡潔無誤也是一個(gè)難點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中不斷克服改進(jìn)，力求方案的可行性。 這 60 多種流量儀表 ,每種產(chǎn)品都有它特定的適用性 ,也都有它的局限性。因此 ,以嚴(yán)格意義來分流量計(jì)和總量表已無實(shí)際意義。 渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱為流量計(jì)中三類重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品 , 作為十大類型流量計(jì)之一 , 其產(chǎn)品己發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。 電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體的儀表。 浮予流量計(jì) , 又 稱轉(zhuǎn)予流量計(jì) , 是變面積式流量計(jì)的一種 , 在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中 , 圓形橫截面的浮子的重力是 , 由液體動(dòng)力承受的 , 從而使浮子可在錐管內(nèi)自由地上升和下降。容積式流量計(jì)按其測(cè)量元件分類 , 可分為橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、圓盤流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、濕式氣量計(jì)及膜式氣量計(jì)等。 渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與原理 渦輪流量計(jì)：氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，如圖 21所示。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。 圖 21 渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)圖 某某 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 渦輪流量計(jì)的特點(diǎn) 在各種流量計(jì)中渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)是可以得到最佳重復(fù)性的少數(shù)儀表。因此渦輪流量計(jì)在工業(yè)上應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最迅速。而且由于有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，會(huì)帶來軸承的磨損，使儀表的使用年限受到影響。 李四 ：基于單片機(jī)的流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第三章 系統(tǒng)工作原理 總體設(shè)計(jì) 由流量傳感器采集流量信息，然后經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號(hào)離散化后傳給單片機(jī)。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，子程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的具體功能。該脈沖信號(hào)經(jīng)放大器放大后送至二次儀表進(jìn)行流量和總量的顯示或積算。即 q=f/K。這類單片機(jī)具有集成度高，性能價(jià)格比優(yōu)越的特點(diǎn)，在上業(yè) 某某 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 測(cè)量控制領(lǐng)域內(nèi)獲得極為廣泛的應(yīng)用。 AT89C51是一種帶 4K宇節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 (PEROM)的低功耗、高性能CMOS8位微控制器。 AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。由于每個(gè)端口的結(jié)構(gòu)各不相同，因此它們?cè)诠δ芎陀猛旧系牟顒e頗大。這時(shí)，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性。 ③ —：這組引腳的第一功能和上述兩組 引腳的第一功能相同，即它可以作為通用 I/O 使用。 表 31 P3 口各位的第二功能 P3 口的位 第二功能 注釋 RXD TXD T0 T1 串行數(shù)據(jù)接收口 串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 外中斷 0 輸入 外中斷 1 輸入 計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)輸入 計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)輸入 外部 RAM 寫選通信號(hào) 外部 RAM 讀選通信號(hào) 2．電源線（ 2 條） VCC 為 +5V 電源線， VSS 為接地線。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， 8051 自動(dòng)在 ALE/ 線上輸出頻率為 fOSC/6 的脈沖序列。 ② /VPP：允許訪問片外存儲(chǔ)器 /編程電源線，可以控制 8051 使用片內(nèi) ROM 還是使用片外 ROM。其他情況下， 線均為高電平封鎖狀態(tài)。當(dāng)主電源 VCC 發(fā)生故障而降低到規(guī)定低電平時(shí)， RST/VPD線上的備用電源自動(dòng)投入使用，以保證片內(nèi) RAM 中信息不丟失。通常， fOSC 的輸出時(shí)鐘頻率 fOSC 為—16MHz，典型值為 12MHz 或 。 A/D轉(zhuǎn)換元件 ADC 有兩大類：一類在電子線路中使用，不帶 使能控制端；另一類帶有使能控制端，可和微機(jī)直接接口。(1/2)LSB,ADC 0809 為 177。 （ 5）模擬輸入電壓范圍： 單極性 0～ 5V；雙極性 177。 （ 7）啟動(dòng)轉(zhuǎn) 換控制為脈沖式 (正脈沖 )，上升沿使所有內(nèi)部寄存器清零，下降沿使A/D 轉(zhuǎn)換開始。地址鎖存和譯碼器在 ALE 信號(hào)控制下可以鎖存 ADDA、 ADDB 和 ADDC 上地址信息，經(jīng)譯碼后控制 IN0—IN7上哪一路模擬電壓送入比較器。 SAR 中高位 D1控制左邊兩只樹狀電子開關(guān)，低位 D0控制右邊四只樹狀開關(guān)。 表 32 VST 和 D1D0 的關(guān)系 D1 D0 VST 0 0 0V 0 1 1 0 1 1 對(duì)于 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器， SAR 為八位，電阻階梯、樹狀開關(guān)和上述情況類似。 A/D 轉(zhuǎn)移前， SAR 為全 0。此后，控制電路在保持最高位不變下，依次對(duì)次高位、次次高位 …… 最低位重復(fù)上述過程，就可在 SAR 中得到 A/D 轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。 3．引腳功能 ADC0809 采用雙列直插式封裝，共有 28 條引腳，如圖 34 所示，分為四組簡述如下： 圖 34 ADC0809 引腳圖 （ 1） IN0～ IN7——8 路模擬輸入，通過 3 根地址譯碼線 ADDA、 ADDB、 ADDC 選通一路。地址信號(hào)與選中通道對(duì)應(yīng)關(guān)系如 表 33 所示。當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)， A、 B、 C 三位李四 ：基于單片機(jī)的流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 地址信號(hào)被鎖存，譯碼選通對(duì)應(yīng)模擬通道。如正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)又接到新的啟動(dòng)脈沖，則原來的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中止，重新從頭開始轉(zhuǎn)換。在需要對(duì)某個(gè)模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下， EOC 也可作為啟動(dòng)信號(hào)反饋接到 START 端，但在剛加電時(shí)需由外電路第一次啟動(dòng)。 4．工作時(shí)序與使用說明 ADC 0808/0809 的工作時(shí)序如 圖 35 所示。 模擬輸入通道的選擇可以相對(duì)于轉(zhuǎn)換開始操作獨(dú)立地進(jìn)行 (當(dāng)然，不能在轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行 )，然而通常是把通道選 擇和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)合起來完成 (因?yàn)?ADC0808/0809 的時(shí)間特性允許這樣做 )。為此，最好利用 EOC 上升沿產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，而不是靠高電平產(chǎn)生中斷請(qǐng)求 。七段 LED 顯示管比八段 LED 少一只發(fā)光二極管 SP，其他的和八段 LED 相同。因此， LED 上所顯示字形不同，相應(yīng)字形碼也不一樣。 LED 數(shù)碼顯示管分為共陰和共陽兩種。正常顯示時(shí) G 腳接 +5V，各發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮取決于 a—SP 各引腳上是否是低電平 0 伏。 李四 ：基于單片機(jī)的流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 表 34 八段 LED 數(shù)碼顯示管字型碼表 地址偏移量 共陰字形碼 共陽字形碼 所顯字符 SGTB+0H 3FH C0H 0 +1H 06H F9H 1 +2H 5BH A4H 2 +3H 4FH B0H 3 +4H 66H 99H 4 +5H 6DH 92H 5 +6H 7DH 82H 6 +7H 07H F8H 7 +8H 7FH 80H 8 +9H 6FH 90H 9 +AH 77H 88H A +BH 7CH 83H b +CH 39H C6H C +DH 5EH A1H d +EH 79H 86H E +FH 71H 8EH F +10H 00H FFH 空格 +11H F3H 0CH P +12H 76H 89H H +13H 80H 7FH 由此可見，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系。 瞬時(shí)流量： q=Km=Kf 其中， q 為瞬時(shí)流量 (L/s)， m 為轉(zhuǎn)體角速度 (r/s)， f 為脈沖頻率 (Hz)。差動(dòng)放大器的優(yōu)點(diǎn)是能抑制零點(diǎn)漂移，差動(dòng)放大器是一個(gè)對(duì)稱電路， 可使漂移信號(hào)相互抵消，從而使電路穩(wěn)定。即使單輸出電路，由于共模電阻取值較大，產(chǎn)生較大的反饋電壓，把放大倍數(shù)壓的很低，也能很好的抑制共模信號(hào)，因此穩(wěn)定了工作點(diǎn)，抑制了零點(diǎn)漂移，對(duì)共模放大信數(shù)抑制作用越強(qiáng)，表明放大器的性能越好。電源電壓一般可取 177。 圖 43 放大器原理圖 某某 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 單片機(jī)硬件電路及其外圍電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 單片機(jī)內(nèi)部具有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。 單片機(jī)小系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作。上電自動(dòng)復(fù)位通過電容 C3 充電來實(shí)現(xiàn)。 采用查詢法傳送數(shù)據(jù)時(shí)， MCS51 應(yīng)對(duì) EOC 線查詢它的狀態(tài)：若它為低電平，表示A/D 轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，則 MCS51 應(yīng)當(dāng)繼續(xù)查詢；若查詢到 EOC 變?yōu)楦唠娖?，則就給 OE線一個(gè)高電平，以便 21—26線上提取 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。采用 74LS373 作為地址鎖存器使用 ，其中輸入端1D～ 8D 接至單片機(jī)的 PO 口，輸出端提供的是低 8 位地址， G 端接至單片機(jī)的地址鎖存允許信號(hào) ALE。 MC14495 芯片是由 4 位鎖存器、地址譯碼器和筆段 ROM 陣列以及帶有限流電阻的驅(qū)動(dòng)電路（輸出電流為 10mA）等三部分 電路組成。 (2)動(dòng)態(tài)顯示 為了減少硬件開鎖，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，單片機(jī)控制系統(tǒng)通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。 顯示緩沖區(qū)中每個(gè)存儲(chǔ)單元用于存放相應(yīng) LED 顯示器欲顯 示的字形碼地址偏移量，故 CPU 可以根據(jù)這個(gè)地址偏移量通過查字形碼表來找出所需顯示字符的字形碼，以便送到字形口顯示。 P3 口控制數(shù)碼管的點(diǎn)亮情況。 李四 ：基于單片機(jī)的流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 47 LED 接口電路 報(bào)警電路 報(bào)警電路中加一 PNP 三極管驅(qū)動(dòng)，基極接單片機(jī) 口，當(dāng)端口變成低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，可使蜂鳴器發(fā)生、報(bào)警發(fā)光二極管亮，如圖 48。 C 語言有功能豐富的庫函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。用 C 語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)，用 C 語言進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。主程序完成系統(tǒng)的地址分配、系統(tǒng)初始化；各子程序完成相應(yīng)的各功能。 //信號(hào)采集， A/D 轉(zhuǎn)換 LED_display()。 //初始化，啟動(dòng) sclk=0。i8。 sclk=0。i5。 } 李四 ：基于單片機(jī)的流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)