【文章內(nèi)容簡介】 P2 端口（ ～ ， 21～ 28 引腳）： P2 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻 的 8 位雙向 I/O 端口。 P2 的輸出緩沖器可以驅(qū)動 4 個 TTL 輸入。對端口寫入 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。 P2 作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器和 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2送出高 8位地址。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口引腳上的內(nèi)容，在整個訪問期間不會改變。在對 Flash ROM編程和程序校驗期間， P2也接收高位地址和一些控制信號。 P3 端口（ ～ ， 10～ 17 引腳）： P3 是一個帶內(nèi)部 上拉電阻的 8 位雙向I/O端口。 P3的輸出緩沖器可驅(qū)動 4個 TTL輸入。對端口寫入 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。 P3 做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。在對 Flash ROM編程或程序校驗時， P3 還接收一些控制信號。 P3 口除作為一般 I/O 口外，還有其他一些復用功能， 如 表 。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁 共 44 頁 表 P3口引腳復用功能 引腳號 復用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時器 0的外部輸入） T1（定時器 1的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） RST（ 9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作。 ALE/PROG（ 30引腳）：地址鎖存控制信號 ， 是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在 Flash編程時，此引腳也用作編程輸入脈沖。 PSEN（ 29 引腳）：是外部程序存儲器選通信號。當 STC89C52RC 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， PSEN 在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN將不被激活。 EA/VPP（ 31 引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從 0000H 到 FFFFH的外部程序存儲器讀取指令， EA必須接 GND。加密方式 1時， EA將內(nèi)部鎖定位 RESET。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。在 Flash 編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP電壓。 XTAL1（ 19 引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（ 18 引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。 根據(jù) 上述引腳介紹和前面 的總體方案設(shè)計 ，可以對單片機 I/O 接口引腳進行分配， P0 口 作為數(shù)據(jù)輸出口連接數(shù)碼管的段碼， 傳輸顯示數(shù)據(jù)， P1 口作為矩陣鍵盤行列線 的 數(shù)據(jù) 輸入接口， 用來連接步進電機驅(qū)動電路， 控制步進電機 轉(zhuǎn)動 ， ，另外 腳即定時 /計數(shù)器 0 的外部輸入引腳，與流量傳感器的數(shù)據(jù)輸出口連接，用來接收流量數(shù)據(jù)。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 共 44 頁 流量傳感器的選擇 根據(jù)本課題設(shè)計要求， 數(shù)字流量閥的額定壓 力為 ，工作溫度 0~50℃ ，所以選擇的流量傳感器 要滿足這些工作條件，同時 選取 流量傳感器也要滿足測量精度高 ，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高等原則。 常用流量傳感器的介紹 流量測量方法和儀表的種類繁多 , 分類方法也很多。至今為止 , 可供工業(yè)用的流量儀表種類達 數(shù)種之多， 品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表 。 按照目前最流行、最廣泛的分類法 ,常用的流量傳感器有容積式、渦輪式、差壓式、電磁式等 。下面對各種流量傳感器的優(yōu)缺點進行簡單介 紹： 容積式 ： 優(yōu)點 是 計量精度高 ， 安裝管道條件對計量精度沒有影響 ， 可用于高粘度液體 的 測量 ，測量 范圍度寬 ， 無需外部能源可直接獲得累計總量 , 操作簡便 ； 缺點 是 結(jié)果復雜 , 體積龐大 ， 被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大 ， 不適用于高、低溫場合 ， 大部分儀表只適用于潔凈單相流體 ， 產(chǎn)生噪聲及振動。 渦輪 式： 優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，流通能力大，可適應(yīng)高溫、高壓和低溫的測量需要，測量精確度較高， 測量范圍 寬，動態(tài)響應(yīng)好，壓力損失較??；其缺點是對被測介質(zhì)清潔度要求較高 , 不能長期保持校準特性，流體的溫度、黏度、密度對測量精確 度有較大影響，適宜測量比較潔凈的低黏度液體。 差壓式 ： 優(yōu)點 是 結(jié)構(gòu)簡單、牢固，性能穩(wěn)定可靠 ， 使用壽命長，應(yīng)用范圍廣泛；缺點為 ： 測量精度普遍偏低，測量范圍窄，一般僅 3∶ 1～ 4∶ 1，現(xiàn)場安裝條件要求高 ( 上下游需有足夠長的直管段長度等 )，壓力損失大 ( 指孔板、噴嘴等 )。 電磁 式 ： 優(yōu)點是適用于測量含固體顆粒的液固二相流體 (如紙漿、泥漿、污水等 )，沒有壓力損失，所測體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率的影響，測量范圍大，口徑范圍寬，測量精度比較高，可測量瞬時脈動流量；缺點是：它不能測量電導率很低的液體 (如石 油制品 )，不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體，不能用于測量較高溫度的介質(zhì)，易受外界電磁干擾 [12][16]。 綜上所述，渦輪式的流量傳感器可以很好的滿足本課題的流量測量要求，與其他種類的流量傳感器相比結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，而且價格便宜， 所以本課題選擇渦輪式流量傳感器 。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 44 頁 ZLFE4 流量計 基本參數(shù) ZLFE4流量計 的流量參數(shù)和電氣參數(shù)如表 。 表 ZLFE4流量參數(shù) 介質(zhì) 水 介質(zhì)溫度 0 ～ 120℃ 流量范圍 1～ 25L/M 最佳流量范圍 2～ 15L/M 流量計算（脈沖數(shù) /升） 420～ 450PCS/L 精度 177。 5% 使用溫度范圍 0～ 120℃ 使用壓力范圍 ≦ 表 ZLFE4電氣參數(shù) 使用電壓 ～ 12VDC 額定電流 10mA 最大輸出控制電壓 24VDC 最大輸出控制電流 15mA 根據(jù)上表的參數(shù)可以看出，此流量傳感器可以滿足設(shè)計的要求 ，而且其輸出信號是 脈沖信號（方波，高電平大于 4V，低電平小于 ） ，不需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換即可直接輸入到單片機， 它 主要應(yīng)用 于 水控機、凈水機、自動流量控制機械等 領(lǐng)域，所以 本 課題數(shù)字流量控制閥的流量 傳感器選擇的是 ZLFE4型渦輪流量計。 步進電機的選擇 步進電機概述 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱為 “ 步距角 ”) ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制 ， 在非超載中北大學 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 44 頁 的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點 ， 使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 現(xiàn)在比較常用的步進電機 有四種，包括反應(yīng)式步進電機（ VR）、永磁式步進電機（ PM）、混合式步進電機（ HB）和單相式步進電機等 [17][19]。 永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 或 15度； 反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 ，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 ， 目前 這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛 [20]。 28BYJ48 型步進電機簡介 28BYJ48 型步進電機是永磁式減速步進電機 ， 電壓為 DC5V～ DC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷 的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 一個步距角 。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA ），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB ），八拍（ AABBBCCCDDDAA ） ，其 四相八拍驅(qū)動方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖 。 圖 28BYJ48型步進電機四相八拍驅(qū)動方式 原理圖 中北大學 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 共 44 頁 28BYJ48型步進電機 主要參數(shù)如表 所示。 表 28BYJ48型步進電機主要技術(shù)參數(shù) 電壓 V 步距角度 減速比 起動轉(zhuǎn)矩 起動頻率 定位轉(zhuǎn)矩 噪聲 dB 12V :64 ≧ 300 ≧ 550 ≧ 300 ≦ 35 根據(jù)流量計的尺寸大小以及設(shè)計條件，選擇這一型號的步進電機可以滿足控制閥門的 要求。 本章小結(jié) 本章闡述了 數(shù)字流量閥的總體設(shè)計思路與模塊，對單片機相關(guān)知識的了解和各引腳功能的 熟悉 有助于接下來的硬件電路和軟件程序的設(shè)計， 選擇適合的單片機、流量傳感器和步進電機，對于整個數(shù)字流量閥的設(shè)計至關(guān)重要 ，是進一步研究和設(shè)計的基礎(chǔ)。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁 共 44 頁 3 數(shù)字流量閥的硬件電路設(shè)計 單片機的復位和時鐘電路 由 ， 完成單片機的復位初始化需要在單片機 RST（ 9引腳）輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平 ， 而單片機的時鐘信號是由晶振提供的， 他結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供 的時鐘頻率。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。 在本設(shè)計中，單片機的晶振頻率選擇的是 。 時鐘振蕩信號的輸入端口是 XTAL1（ 19引腳）和 XTAL2（ 18引腳）。 單片機的復位和時鐘電路如圖 。 圖 單片機的復位和時鐘電路 矩陣鍵盤電路 采用矩陣鍵盤完成 預(yù)設(shè)流量值的 輸入，矩陣鍵盤占用接口較少，結(jié)合 本設(shè)計 要求， 需要 0～ 9十個數(shù)字鍵和“確定”、“返回”兩個功能鍵， 輸入按鍵數(shù)比較多，因此 采 用 4*3矩陣鍵盤，占用 I/O接口較少，只需要 一個端口（如 P1口）就可以構(gòu)成 輸入系統(tǒng) 。 如圖 ，采用 4條 I/O線作為行線， 3條 I/O線作為列線組中北大學 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 44 頁 成的鍵盤 陣列 ，按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點上，這樣就構(gòu)成了矩陣式鍵盤。單片機通過讀取鍵盤狀態(tài)由鍵盤處理程序得到不同按鍵的特征編碼，根據(jù)設(shè)定的鍵號和鍵值對應(yīng)關(guān)系，得到輸入值。 圖 矩陣鍵盤電路 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管工作原理簡介 在單片機系統(tǒng)中，常用 LED數(shù)碼管來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有價錢低廉，性能穩(wěn)定，顯示清晰，亮度高，使用電壓低，壽命長等特點，所以應(yīng)用非常廣泛。 LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)簡單，分為七 段和八段兩種形式，也有共陽和共陰之分。以八段共陰管為例，它有 8個發(fā)光二極管 (比七段多一個發(fā)光二極管，用來顯示 “ ” )，每個發(fā)光二極管的陰極連在一起，如圖 。這樣，一個 LED 數(shù)碼管就有 1根位選線和 8根段選線，要想顯示一個數(shù)值，就要分別對它們的高低電平來加以控制。一般的顯示電路由多個數(shù)碼管構(gòu)成， N 個數(shù)碼管可以構(gòu)成 N位 LED 顯示器，共有 N根位選線和 8N根段選線。 依據(jù)位選線和段選線的連接方式的不同， MCS51系列單片機對 LED顯示管的顯示主要有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式 。 所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示 器的各筆畫段都要獨占具有鎖存功能的輸出口， CPU把要顯示的字形碼送到輸出口上，就中北大學 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 44 頁 可以使顯示器顯示出所需要的字符，直到下一次送出另外一個字形碼之前，顯示的內(nèi)容不會消失。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定、亮度大，節(jié)約 CPU 時間，但占有 I／ O 口線較多，硬件成本高。動態(tài)掃描顯示法是把所有顯示器的 8 個筆畫段 a～ h的各個相同端互相連接在一起，接到一個輸出口上，而顯示器的公共端 COM分別接在另外的輸出口上，通過這兩個輸出口的兩組信號相互作用來產(chǎn)生顯示效果 ， 即讓各位數(shù)碼管按照一定順序輪流顯