【正文】 當(dāng)然該系統(tǒng)設(shè)計方案還有許多不完 善的地方，需要修改以及改進(jìn)。在加上水資源以及其他資源的珍貴和不可再生的特性，通過研究對水流量的監(jiān)測并應(yīng)用在其他流量監(jiān)測上成為當(dāng)下研究任務(wù)。將程序文件下載到單片機中后，打開單片機開關(guān)，單片機電源白燈亮起，按下復(fù)位鍵，單片機正中綠色 LED 燈亮起，下位機系統(tǒng)如圖 61 進(jìn)入正常工作待命階段。 記錄退出部分：將流量大小以數(shù)字信號形式儲存，便于提取、對比、修改、復(fù)查等工作，以減少人力修正。如圖 52： 圖 52 上位機 CVI 用戶操作界面 系統(tǒng)開關(guān)部分：計算機通過無線模塊將上位機程序和下位機即單片機連接。其開發(fā)工具提供的庫函數(shù)可以創(chuàng)建自己的儀器驅(qū)動程序，并且使用用戶界面編輯器，方便用戶自定義自己的軟件界面。 圖 46 霍爾效應(yīng)原理圖 該系統(tǒng)設(shè)計方案所選用的水流量傳感器的核心部分就是霍爾傳感器。 表 41 脈沖型常閉進(jìn)水電磁閥 技術(shù)參數(shù) 額定電壓 DC6V 線圈電阻 177。 21~28 腳 ~： P2 口 8位準(zhǔn)雙向通用 I/O 引腳，也可作片外儲存器高 8位地址總線。當(dāng)該引腳保持兩個機器周期高電平后，就能是單片機完成復(fù)位操作。有 1 個串行 I/O 口，用于數(shù)據(jù)的串行輸入輸出。控制電路主要是完成指揮控制工作以及協(xié)調(diào)單片機各部分的正常工作。 R AM 地址寄存器 寄存器 R AM 128B RAM 程序地址 寄存器 P0 驅(qū)動器 P 2 鎖存器 P 2 驅(qū)動器 P 1 鎖存器 暫存器 2 B 寄存器 4KB ROM 暫存器 1 AC C SP P 0 鎖存器 P C P C 增 1 緩沖器 P 3 鎖存器 OSC 中斷、串行口及定時器 P SW AL U DPT R P 1 驅(qū)動器 P 3 驅(qū)動器 XT AL 1 XT AL 2 ～ ～ ～ ～ R ST AL E VCC VSS 定時控制 指令譯碼器 指令寄存器 PSE N EA 圖 42 80C51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) CPU 80C51 單片機的核心： 8 位中央處理單元即 CPU，由運算器和控制器兩部分組成，是計算機的控制指揮中心。創(chuàng)新的采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高， 最大可以糾 24 bits 連續(xù)突發(fā)錯誤。 紅外傳輸：紅外傳輸因為其高速點對點數(shù)據(jù)傳輸方式，使其傳輸速度較高，但也因為該傳輸方式的限制，需要保證發(fā)送模塊與接收模塊一直處于可視范圍內(nèi)，且發(fā)送模塊與接收模塊不能有阻礙紅外線通過的介質(zhì)，對應(yīng)用環(huán)境要求太高，不符合系統(tǒng)設(shè)計方案理念。 無線通信模塊方案選擇 無限通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信。使用圖形編程，能充分利用空間和色彩，能直觀反映用 LabVIEW替代的傳統(tǒng)儀器硬件，可以采集到實際信號，并能對其進(jìn)行分析得出有用信息。 上位機方案 上位機簡單說明 下位機是直接控制設(shè)備并獲取設(shè)備狀況的計算機，一般是 PLC/單片機之類，其作用是用來監(jiān)測和執(zhí)行上位機發(fā)出的操作指令，下位機根據(jù)上位機命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。因此，考慮成本和開發(fā)難度的因素，本設(shè)計選取的是方案二，采用 51 系列單片機和虛擬儀器軟件結(jié)合。相對計算機，單片機具有體積小、質(zhì)量輕、價格低廉等計算機不具備的特點，為學(xué)習(xí)、開發(fā)和應(yīng)用提供了便利。其擴展性和兼容性都是傳統(tǒng)儀器無法做到的，也證明了虛擬儀器是未來儀器發(fā)展的主流方向。使人機交互也因此而變得簡單快捷，能輕松的配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改系統(tǒng)設(shè)計方案； 無縫集成，該技術(shù)本質(zhì)上是一個 集成的軟硬件概念，因此可以支持多種的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。同時引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的大變革，使計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在儀器領(lǐng)域中的地位變得不可撼動。因此，本文研究的主要 目標(biāo) 如下： （ 1） 選擇合適的 流量計對流量大小進(jìn)行測量、采集和保存； （ 2） 選擇合適的電磁閥對流量進(jìn)行實時的控制； （ 3） 選擇合適的單片機將功能整合，并與上位機建立關(guān)聯(lián)； （ 4） 選擇合適的虛擬儀器設(shè)計界面，控制系統(tǒng)工作。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，隨著社會高度信息化，我國農(nóng)業(yè)也從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，因此對于水資源的使用也從傳統(tǒng)人力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化控 制。但因龐大的人口基數(shù)，我國人均水資源只有 2300 立方米，僅為世界平均水平的 1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一[1]。在工業(yè)方面，例如大型化工企業(yè)中，控制工藝過程和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一便是流量。設(shè)計更加智能、自動化的流量監(jiān)測系統(tǒng)成為當(dāng)下重要的研究目標(biāo)。 在工業(yè)方面，流量是控制工藝過程和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。如被發(fā)現(xiàn)設(shè)計（論文）中存在抄襲、造假等學(xué)術(shù)不端行為，本人愿承擔(dān)一切后果。 通過本畢業(yè)設(shè)計，提高學(xué)生的動手和獨立思考的能力，對學(xué)生的搜索資料、撰寫文章、理論研究等能力有所提升，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定一定的基礎(chǔ)。通過更改電磁閥、流量計等儀器儀表，修改虛擬儀器界面中流 量數(shù)值便能做到對其他流量的監(jiān)測。為了更加貼近生活，直觀的了解監(jiān)測的重要性，本文的流量監(jiān)測系統(tǒng)主要是針對水流量的監(jiān)測。 除開平時生活用水，生產(chǎn)過程中對水的消耗和依賴也是巨大的。其中流量計 量的最廣泛的應(yīng)用便是在對水流量的監(jiān)測。提供各種工具以滿足各種系統(tǒng)設(shè)計需求。由于計算機技術(shù)的特點，能在不改變 I/O 部件的條件下提高系統(tǒng)靈活性的同時，做到最大兼容。 傳統(tǒng)儀器在測量測試領(lǐng)域有著重要的作用，但存在著許多問題，例如靈活度不高、精度較低、再利用率低等。根據(jù)設(shè)計的主要內(nèi)容，現(xiàn)有以下兩種系統(tǒng)單片機的選擇方案： （ 1）方案一：采用 STM32 單片機、測量儀器和虛擬儀器軟件結(jié)合的方式。 結(jié)合所學(xué)到的有關(guān)單片機的知識和實踐運用積累的經(jīng)驗，決定使用最為簡單實用，但功能完善的 80C51單片機作為該系統(tǒng)設(shè)計方案的控制元件。 當(dāng)前水流流量的測量的自動化已普遍實現(xiàn)、而霍爾流量計作為其中應(yīng)用量最大最為廣泛的流量測量傳感器，也是該系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇。通常支持?jǐn)?shù)種高級語言，是系統(tǒng)的控制者和提供服務(wù)者。 結(jié)合以上特點， 通過把功能強大、高效 靈活的 C 語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和現(xiàn)實的測控儀器結(jié)合，為 C 語言開發(fā)提供了十分理想的環(huán)境，囊括了檢測系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等各個方面。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 無線傳輸技術(shù) 目前普遍應(yīng)用的無線通信模塊有 ZigBee 技術(shù)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、紅外傳輸和無線數(shù)傳模塊等。 無線數(shù)傳模塊傳輸：無限數(shù)傳模塊成本低廉，適應(yīng)性高，擴展性好，維修方便簡單。 80C51 單片機的基本組成 80C51 單片機的基本組成如圖 41 所示。其運算結(jié)果的狀態(tài)由程序狀態(tài)寄存器（ PSW）保存。 3．輸入 /輸出（ I/O）口 有 4 個 8 位并行 I/O 口 P0～ P3，均可并行輸入輸出 8 位數(shù)據(jù)。 18 腳 XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端。 31 腳 /VPP：內(nèi)外存儲器 選擇引腳 /片內(nèi) EPROM（或 Flash ROM）編程電壓輸入引腳。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等 [5]。霍爾效應(yīng)原理為：如圖 46，將長 L,寬b，厚度為 d 的一塊半導(dǎo)體薄片，放置在磁感應(yīng)強度為 B 的均勻磁場中。連接電源后，系統(tǒng)開始工作，繼電器控制電磁閥打開，水流通過流量計，流量計將所測數(shù)據(jù)傳輸給單片機，經(jīng)與設(shè)定流量值對比后改變或保持電磁閥狀態(tài)，以實現(xiàn)對系統(tǒng)流量的監(jiān)測。整體 系統(tǒng)設(shè)計方案 原理圖如圖 51，上位機打開系統(tǒng)并預(yù)設(shè)定管道中流速，單片機通過控制繼電器來將電磁閥開 啟，水經(jīng)過流量計，流量計測量通過自身的水流大小并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給單片機后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機通過比較水流量大小與預(yù)設(shè)定流量大小，判斷流量是否超出預(yù)設(shè)定限定，并通過該判定決定是否控制蜂鳴器及報警燈報警和通過繼電器改變電磁閥的閉合狀態(tài)。 管道狀態(tài)顯示：顯示帶流量計的管道工作狀態(tài)，以判定流量計是否正常工作。并將流量計 2 所測流量大小與預(yù)設(shè)量比較，若與預(yù)設(shè)量差值超過誤差范圍則考慮是否因為系統(tǒng)出現(xiàn)故障，當(dāng)流量計 2 所測流量大小與預(yù)設(shè)量大小差值超過誤差范圍，則說明電磁閥出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，則蜂鳴器報警，報警燈閃爍，電磁閥關(guān)閉，停止工作。通過運用自動控制理論、傳感器理論、虛擬儀器技術(shù)、單片機原理等相關(guān)知識，實時監(jiān)測流量這三大工程控制量之一。伴隨的技術(shù)發(fā)展的高速，以計算機為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器、虛擬儀器、單片機等電子技術(shù)，設(shè)計智能、自動、遠(yuǎn)程的監(jiān)測系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展的重點。雖然該系統(tǒng)設(shè)計方案相對現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢并不明顯，但是有很高的發(fā)展空間，是一個良好的開始。 在生活、生產(chǎn)方面，該系統(tǒng)設(shè)計方案具有極廣的應(yīng)用范圍。 圖 64 流量計 1 正常報警效果圖 驗證單片機報警功能正常，但由于程序設(shè)定問題，未能實現(xiàn)電磁閥與流量計的共同工作，只能外加繼電器信號來控制電磁閥在正常工作和故障情況下的開關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉 N 由 1 變?yōu)?0，則電磁閥關(guān)閉。計算機與下位機的通信，必須要進(jìn)行串口通信的定義。該思路是基于自動控制理論，將傳感器技術(shù)、電子測量技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)等結(jié)合，將傳統(tǒng)基于人 力的監(jiān)測方式，用以計算機為基礎(chǔ)的自動化設(shè)備的監(jiān)測方式來代替。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 表 42 水流流量計技術(shù)參數(shù) 基本參數(shù) 最低額定工作電壓 5V24V 最大工作電流 15 mA（ DC 5V） 工作電壓范圍 DC 5～ 18 V 負(fù)載能力 ≤ 10 mA（ DC 5V） 使用溫度范圍 ≤ 80℃ 使用濕度范圍 35%～ 90%RH（無結(jié)霜狀態(tài)） 允許耐壓 水壓 以下 電路圖設(shè)計 該系統(tǒng)設(shè)計方案采用模塊化設(shè)計如圖 47 所示。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 圖 45 霍爾式水流流量計 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)化的一種傳感器 [6]。 進(jìn)水電磁閥 用電磁控制來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件即電磁閥（ Electromagic valve），屬于執(zhí)行器。 30 腳 ALE/ ：地址鎖存允許信號輸出引腳 /編程脈沖輸入引腳。 圖 2 3 8 0 5 1 單片機引腳圖 P1 . 0 X T A L 2 P1 . 2 P1 . 3 P1 . 4 P1 . 5 P1 . 6 P1 . 7