【正文】 引腳使用前 ， 先向 P3 口鎖存器寫入 1，使 P3 口引腳被上拉為高電平。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。另外，該引腳被略微拉高。當 EA /VPP 引腳接地（即低電平）時，將從外部程序存儲器讀取指令碼；當 EA /VPP 引腳接高電平時，將從內部程序存儲器讀取指令 ； XTAL1： 片內晶振電路 反 相 放大器 輸入 端； XTAL2： 片內晶振電路 反 相 放大器 輸 出端 。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 計數電路原理概述 單片機晶振頻率取為 12MHz,通過 、 通斷 ,進而控制超聲波順流發(fā)射或逆流發(fā)射 ,而 則對各計數器清零 , 發(fā)出啟動信號。由于需要分辨 10ns 左右的微小時間差 ,所以高頻方波發(fā)生器選用 100MHz、頻率穩(wěn)定度為 1 108/日的溫度補償晶振。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 主單片機的作用及選擇 主單片機選用另一片 AT89C51，主要實現對數據的處理和整個流量計的控制。 十六進制數及空白字符與 P 的顯示段碼如表 所示： 表 顯示段碼 字型 共陽極段碼 共陰極段碼 字型 共陽極段碼 共陰極段碼 0 C0H 3FH 9 90H 6FH 1 F9H 06H A 88H 77H 2 A4H 5BH b 83H 7CH 3 B0H 4FH C C6H 39H 4 99H 66H d A1H 5EH 5 92H 6DH E 86H 79H 6 82H 7DH F 84H 71H 7 F8H 07H 空白 FFH 00H 8 80H 7FH P 8CH 73H 共陰極 LED 結構及靜態(tài)顯示原理 在單片機系統(tǒng)中 ， 通常用 LED 數碼管來顯示各種數字或符號 。對于這種接口電路來說 ， 其顯示方法有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。為此 ， 一般采用查表的方法 ， 由待顯示的字符通過查表得到其對應的顯示段碼。 它的優(yōu)點是軟件不必動態(tài)掃描，送出段碼后可鎖存，直到需更改顯示字符，軟件簡單， 占用 單片機 時間較少，工作可靠 ， 同時由于始終保持顯 示所以亮度較好 。 看門狗電路 由于程序在運行過程中會因為受到干擾導致失控，引起程序亂飛，或陷入“死循環(huán)”，此時最直接的抗干擾方法是采用硬件“看門狗”電路。 本設計的接口連接方式是主從串行通信連接方式。當 SBUF 內的8 位數據發(fā)送完成后，串行口將置位 TI，申請串行口中斷，并且只有在 TI 被軟件清除后才能夠進行下一個字節(jié)的發(fā)送。 連接方式如圖 所示： P1.INT0P1.TXDTXDRRINT0主單片機從單片機 圖 主從單片機 串行 通信示意圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書。當外部數據引腳 TXD 上的時鐘信號到達后，串行口在該內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 機器周期的第 5 節(jié)拍的后半段對 RXD 上的數據進行一次采集，并且將該數據送入接收緩沖寄存器。這種工作方式導致速度比較慢，但是在數據傳輸不太多的情況下，串行通信是非常方便的，通信速率可達 1MB/s。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 主單片機與從單片機 的通信接口 主從單片機通信的作用 主從單片機進行通信主要有兩個作用，一是主單片機要把鍵盤中輸入的參數傳遞給從單片機用于傳播時間的計算；二是主單片機從從單片機中讀出傳播時間的數據，用于計算流速、流量 和 顯示等。 本設計顯示電路部分如圖 所示 : 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 顯示電路部分電路圖 鍵盤電路 鍵盤是人機對話的重要組成部分 ， 本設計中 使 用了 10 個數字鍵和 6 個 功能 鍵： 選擇修改管道直徑、選擇修改夾角 、 增一 鍵、 減一 鍵、 確認開始 鍵 和修改鍵 。 靜態(tài)顯示： 所謂靜態(tài)顯示 ， 就是在同一時刻只顯示 1 種字符 ， 或者說被顯示的字符在同一時刻是穩(wěn)定不變的。因此只能利用人眼對視覺的殘留效應 ， 采用動態(tài)掃描顯示的方法 ， 逐個地循環(huán)點亮各位數碼管 ， 每位顯示 1ms 左右，使人看起來就好像 在同時顯示不同的字符一樣。 對于多位數碼 管 來說 ，為了簡化線路、降低成本 ， 往往采用以軟件為主的接口方法 ， 即不使用專門的硬件譯碼器 ， 而采用軟件程序進行譯碼。發(fā)光二極管通常需要十幾到幾十毫安的驅動電流才能正常發(fā)光，因此，由微型機發(fā)出的顯示信號必須經過驅動電路才能使顯示器正常工作。 圖 計數電路 從單片機的作用及選擇 從單片機是信號采集及控制電路的核心，它既要接收主單片機發(fā)來的命令，使測量模塊的各部分協(xié)調工作，同時又要向主單片機回送測量數據和該部分的狀態(tài)信息。單片機通過 和 別使能兩片 74LS245,從 P0口讀入其中的計數值。最上方接換能器 T1及 T2，下方接發(fā)射和接收電路，通過控制 K2 和 K3 來控制 T1及 T2 哪個為發(fā)射，哪個為接收。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。 高電平有效 ； ALE：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的 低 位字節(jié)。 如圖 所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 15 Jun 20 08 S h e e t of F il e : C : \ D oc um e n t s a nd S e t ti ng s \ l e no vo \桌面 \ gg gg \主機部分 .D D BD r a w n B y:E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U?80 51 圖 AT89C51 它的引腳功能如下： VCC：供電電壓 ； GND：接地 ； P0 口： 作為 I/O 口 使用時， P0 口 是 漏級開路雙向口 ， 向口鎖存器 寫 入 1， I/O 引腳內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 將懸空，可作高阻輸入引腳；在讀寫外部存儲器時， P0 口作為“低 8 位地址 /數據”總線使用； P1 口：內部 帶 有弱上 拉電阻的雙向 I/O 口，作 為 輸入 引腳使用前 ， 先向 P1 口鎖存器寫入 1，使 P1 口引腳被上拉為高電平。 單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次 以上 。 當 “ /LDA” 為高電平時，在 時鐘端 CLK1和 CLK2脈沖 下降沿作用下進行計數操作。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 芯片資料 總線收發(fā)器 74LS245 74LS245 為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器 。當聲循環(huán)次數 N 足夠大 ,由于統(tǒng)計作用 ,上述兩次聲循環(huán)的固有電聲延遲 (包括超聲波經過換能器透聲斜楔、管壁等所需的時間以及電信號滯后的時間 )之和相等 ,所以可得單次正逆發(fā)射傳播時間差 。具體工作過程是 :單片機先對各計數器請零 ,使開關 K1閉合 ,K2合向下邊 ,然后控制同步電路發(fā)出一同步啟動脈沖 ,觸發(fā)超聲波換能器 T1發(fā)射第一個超聲脈沖波 ,同時使計數電路開始對頻率為 f 的高頻方波進行計數。 帶通濾波電路 MAX275 帶通濾波器電路如圖 所示： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 MAX275 帶通濾波器電路 二級放大電路 超聲接收換能 器 接收到的信號經過一級放大器后，信號還比較小，再經過帶通濾波器，信號又有一定程度的衰減，因此，還需要再進行放大。因此，對接收信號的調理是非常必要和重要的。至此，從硬件邏輯角度完成了一次發(fā)射到接收的過程。在完成 N 次聲循環(huán)后循環(huán)停止，假設這 N 次順流聲循環(huán)所需的時間為 3t ，它包括 N 次固有延遲時間 )(i? ，（ i= 3… N）之和以及 N個超聲波在水中單次順流傳播時間 1t 之和，即： 113 )( NtitNi ???? ? (211) dvT1T2?dvT1T2?啟 動 啟 動放 大放 大 圖 雙換能器交替發(fā)射接收示意圖 接著使超聲波換能器 T2作發(fā)射探頭， T1作接收探頭，如圖 b 所示，將觸發(fā)信號施加內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 在發(fā)射探頭 T2 上使之開始發(fā)射超聲波，接收探頭 T1 接收到超聲波后，經放大、整形處理，觸發(fā) T2第二次發(fā)射超聲波，這樣就形成了逆流超聲波聲循環(huán)，同樣可知超聲波完成N 次逆流聲循環(huán)后所需的時間 4t 包含 N 次固有延遲 )(i?? 之和以及 N 個超聲波在水中單次逆流傳播時間 2t 之和，即： ?? ???Ni Ntit 1 24 )(? (212) 當圖 a 和圖 b 中的發(fā)射電路、放大電路等采用完全相同的電路而且超聲波換能器的發(fā)射接收性能穩(wěn)定一致時，只要 N 足夠大，由于統(tǒng)計效應的出現，上述兩次聲循環(huán)的延時總和是相等的，即： ???? ??NiNi ii 11 )()( ?? (213) 于是： Nttttt 3412 ????? (214) 由此可見，時間差 t? 不用再去測量難以準確計量的微小時間 1t 和 2t 。本設計結合微內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 處理器的特點， 對超聲波時差流量測量的多脈沖測量方法進行了較深入的研究。另外，超聲波換能器的性能，主機中對信號的采集和處理是另一個測量的重要因素。 設超聲波信號在被測流體中的聲速為 C ， 聲射線與管軸之間的夾角為 ? ，管道內徑為 d ， 由于換能器布置在管道外，超聲波在換能器和管壁中傳播需要時間，而且電路也有延遲，總稱為延遲時間 0? ， 0? 遠小于超聲波在流體中的傳播時間，則有： 01 s inc o s ??? ??? vCdt (21) 02 s inc o s ??? ??? vCdt (22) ?? 22212 s int a n2 vC dvttt ????? (23) 在一般工業(yè)測量 中，超聲波在液體中傳播速度比液體的流速大得多，即 2C 遠大于?22sinv ，所以順逆流時間差 12 ttt ??? 可以簡化為： ?t a n2212 Cdvttt ???? (24) 因此，時差法超聲波流量計的基本方程可以寫為： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） tdCv ?? ?tan2 2 (25) vdQ 42?? (26) 由于 C 、 ? 和 d 均已知 ,只要測出 t? 就可計算出 v 和 Q 來。 本設計中選用了 V 型安裝方式，在管道同一側安裝了兩個相同的超聲波換能器，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，而且單通道形式可以消除由于雙通道換能器參數不對稱等引起的一切附加溫度誤差，特別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側，讓超聲波在管壁對側反射一次的方法還可以減少流速斷面分布不均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射引起的對測量的干擾。 在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。一般電子市場上出售的超聲波 換能器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。 本設計中，選用了中心頻率為 1MHz 的探頭，入射角為 45176。