【導(dǎo)讀】測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計(jì)或流量表，流量計(jì)是工業(yè)測量中重要的儀表之一。如何提高系統(tǒng)的精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性問題進(jìn)行了深入的理論研究。波換能器的特性及安裝選擇進(jìn)行了深入研究；

　　

【正文】 P 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(shí)， P0 口 是 漏級(jí)開路雙向口 ， 向口鎖存器 寫 入 1， I/O 引腳 將懸空，可作高阻輸入引腳；在讀寫外部存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口作為“低 8 位地址 /數(shù)據(jù)”總線使用； P1 口：內(nèi)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。 、 引腳除了作為一般 I/O 引腳使用外，還具有第二輸入 /輸出功能； T2()： 定時(shí)器 T2 的計(jì)數(shù)輸入端或定時(shí)器 T2 的時(shí)鐘輸出端； T2EX（ ） ： 定時(shí)器 T2 外部觸發(fā)輸入 端； P2 口：內(nèi)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 P2 口鎖存器寫入 1，使 P2 口引腳被上拉為高電平。在讀寫外部存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出高 8 位地址A15～ A8； P3 口： 內(nèi) 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 P3 口鎖存器寫入 1，使 P3 口引腳被上拉為高電平。 P3 口除了可作為一般 I/O 引腳使用外，還具有 第二輸入輸出功能； RXD： 串行 數(shù)據(jù)接收（輸入）端； TXD： 串行 數(shù)據(jù)發(fā)送（ 輸出 ）端 ； 0INT ： 外 部中斷 0 輸入端 ； 1INT ： 外部中斷 1 輸出端； T0： 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 的 外部輸入 端 ； T1： 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T1 的 外部輸入 端 ； WR ： 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ，低電平有效 ； RD ： 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ，低電平有效 ； RST：復(fù)位 信號(hào) 輸入 端 。 高電平有效 ； ALE：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的 低 位字節(jié)。在 FLASH 編程期間 ，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE 禁止，置位無效 ； PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn) ； EA /VPP： 外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，低電平有效。當(dāng) EA /VPP 引腳接地（即低電平）時(shí)，將從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼；當(dāng) EA /VPP 引腳接高電平時(shí)，將從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀取指令 ； XTAL1： 片內(nèi)晶振電路 反 相 放大器 輸入 端； XTAL2： 片內(nèi)晶振電路 反 相 放大器 輸 出端 。 超聲波順流逆流發(fā)射接收 控制電路 如圖 所示，由下向上的開關(guān)名稱依次為 K1 、 K2 、 K3， K1 為總開關(guān)，若 K1 斷開，換能器無法與超聲波驅(qū)動(dòng)電路連接，無法發(fā)射超聲波；若 K1 導(dǎo)通，換能器順流和逆流將由 K2 和 K3 的是否導(dǎo)通決定。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(gè)為發(fā)射，哪個(gè)為接收。而三個(gè)開關(guān)的通斷則通過MC1413 與單片機(jī)相連，由單片機(jī)程序進(jìn)行控制。 圖 計(jì)數(shù)電路原理概述 單片機(jī)晶振頻率取為 12MHz,通過 、 通斷 ,進(jìn)而控制超聲波順流發(fā)射或逆流發(fā)射 ,而 則對(duì)各計(jì)數(shù)器清零 , 發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。分頻計(jì)數(shù)器4040 滿 ,將在 INT1端產(chǎn)生一個(gè)下降沿 ,向單片機(jī)申請(qǐng)外部中斷。單片機(jī)通過 和 別使能兩片 74LS245,從 P0口讀入其中的計(jì)數(shù)值。 計(jì)數(shù)電路對(duì)已知頻率的方波計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)時(shí)間差的測量 ,方波的頻率越高 ,測量的精度 越高。由于需要分辨 10ns 左右的微小時(shí)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(bǔ)償晶振。實(shí)際上因?yàn)橹魂P(guān)心 N1與 N2之差 ,而 N N2高位相同 ,低位不同 ,故計(jì)數(shù)電路選用 4 片 74S196 芯片串接就可滿足需要。 圖 計(jì)數(shù)電路 從單片機(jī)的作用及選擇 從單片機(jī)是信號(hào)采集及控制電路的核心，它既要接收主單片機(jī)發(fā)來的命令，使測量模塊的各部分協(xié)調(diào)工作，同時(shí)又要向主單片機(jī)回送測量數(shù)據(jù)和該部分的狀態(tài)信息。本設(shè)計(jì)從單片機(jī)選用 AT89C51，它的功能主要有三項(xiàng)： （ 1） 控制超聲波換能器的切換并觸發(fā)換能器的第一次超聲波發(fā)射； （ 2） 接收電路范圍門的控制； （ 3） 控制計(jì)數(shù)電路的工作時(shí)序并從鎖存單元讀取計(jì)數(shù)值。 主單片機(jī)的作用及選擇 主單片機(jī)選用另一片 AT89C51，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和整個(gè)流量計(jì)的控制。 顯示電路 LED 顯示器的結(jié)構(gòu)和原理 LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成的，根據(jù)顯示塊內(nèi)發(fā)光二極管的連接方式不同，可分為共陰極和共陽極兩種形式。發(fā)光二極管通常需要十幾到幾十毫安的驅(qū)動(dòng)電流才能正常發(fā)光，因此，由微型機(jī)發(fā)出的顯示信號(hào)必須經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路才能使顯示器正常工作。使不同“段”的二極管發(fā)光即可構(gòu)成不同的字母和數(shù)字。 十六進(jìn)制數(shù)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(jié)構(gòu)及靜態(tài)顯示原理 在單片機(jī)系統(tǒng)中 ， 通常用 LED 數(shù)碼管來顯示各種數(shù)字或符號(hào) 。 由于它具有顯示清 晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點(diǎn)，因 此使用非常廣泛。 對(duì)于多位數(shù)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(jìn)行譯碼。由于各位數(shù)碼管的顯示段碼是互相并聯(lián)的 ， 因此在同一時(shí)刻只能顯示同一種字符。對(duì)于這種接口電路來說 ， 其顯示方法有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。 動(dòng)態(tài)顯示： 如果要在同一時(shí)刻顯示不同的字符 ， 從電路上看 ， 這是辦不到的。因此只能利用人眼對(duì)視覺的殘留效應(yīng) ， 采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法 ， 逐個(gè)地循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管 ， 每位顯示 1ms 左右，使人看起來就好像 在同時(shí)顯示不同的字符一樣。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí) ， 往 往事先并不知道應(yīng)顯示什么內(nèi)容 ， 這樣也就無從選擇被顯示字符的顯示段碼。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(duì)應(yīng)的顯示段碼。 這種方式耗電少、硬件成本低，但需占用較多的 單片機(jī) 時(shí)間，故在工業(yè)控制中應(yīng)用較少。 靜態(tài)顯示： 所謂靜態(tài)顯示 ， 就是在同一時(shí)刻只顯示 1 種字符 ， 或者說被顯示的字符在同一時(shí)刻是穩(wěn)定不變的。其顯示方法比較簡單 ，就是 利用鎖存器將各顯示單元鎖定，直到更新顯示內(nèi)容為止。 它的優(yōu)點(diǎn)是軟件不必動(dòng)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(jī) 時(shí)間較少，工作可靠 ， 同時(shí)由于始終保持顯 示所以亮度較好 。由于本系統(tǒng)需要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，故采用靜態(tài)顯示方式以減少 單片機(jī) 的負(fù)擔(dān)。 本設(shè)計(jì)顯示電路部分如圖 所示 : 圖 顯示電路部分電路圖 鍵盤電路 鍵盤是人機(jī)對(duì)話的重要組成部分 ， 本設(shè)計(jì)中 使 用了 10 個(gè)數(shù)字鍵和 6 個(gè) 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(rèn)開始 鍵 和修改鍵 。 鍵位設(shè)計(jì)如圖 所示， 鍵盤的電路圖如圖 所示： 1 2 3 459C6 7 80 A BD E F 圖 鍵盤 鍵盤電路圖 把 主 單片機(jī)的 － 端口用 8 芯排線連接到 “ 4*4 行列式鍵盤 ” 區(qū)域中的C1－ C4 及 R1－ R4 端口上 。 看門狗電路 由于程序在運(yùn)行過程中會(huì)因?yàn)槭艿礁蓴_導(dǎo)致失控，引起程序亂飛，或陷入“死循環(huán)”，此時(shí)最直接的抗干擾方法是采用硬件“看門狗”電路。 本設(shè)計(jì)選用了 X25045 來實(shí)現(xiàn)看門狗功能。 主單片機(jī)與從單片機(jī) 的通信接口 主從單片機(jī)通信的作用 主從單片機(jī)進(jìn)行通信主要有兩個(gè)作用，一是主單片機(jī)要把鍵盤中輸入的參數(shù)傳遞給從單片機(jī)用于傳播時(shí)間的計(jì)算；二是主單片機(jī)從從單片機(jī)中讀出傳播時(shí)間的數(shù)據(jù)，用于計(jì)算流速、流量 和 顯示等。 主從單片機(jī)的連接方法 本設(shè)計(jì)中，為了使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，采用了主從單片機(jī)協(xié)同工作的方式。 本設(shè)計(jì)的接口連接方式是主從串行通信連接方式。串行口在工作方式 0 下工作時(shí)，本質(zhì)上是一個(gè)移位寄存器， SBUF 為移位寄存器的輸入、輸出寄存器，外部引腳 RXD 為數(shù)據(jù)的輸入 /輸出端，外部引腳 TXD 用來 提供數(shù)據(jù)的同步脈沖，移位脈沖為外部晶體頻率的1/ 0 不支持雙工的工作方式，因此在同一時(shí)刻只能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收操作。這種工作方式導(dǎo)致速度比較慢，但是在數(shù)據(jù)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(dá) 1MB/s。 （ 1） 數(shù)據(jù)發(fā)送 當(dāng)向 SBUF 寫入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后，串行口在下一個(gè)機(jī)器周期開始時(shí)把數(shù)據(jù)串行發(fā)送到外部引腳 RXD 上，首先發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)的最低位，同時(shí)，外部引腳 TXD 上會(huì)給出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)頻率為單片機(jī)工作頻率的 1/12,在機(jī)器周期的第 6 節(jié)拍起始時(shí)變高，在第 3 節(jié)拍到來時(shí)變 低，在第 6節(jié)拍的后半段進(jìn)行一次數(shù)據(jù)移位操作。當(dāng) SBUF 內(nèi)的8 位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，串行口將置位 TI，申請(qǐng)串行口中斷，并且只有在 TI 被軟件清除后才能夠進(jìn)行下一個(gè)字節(jié)的發(fā)送。 （ 2） 數(shù)據(jù)接收 在 REN 標(biāo)志位和 RI 標(biāo)志同時(shí)為零后的下一個(gè)機(jī)器周期，串行口將 1010 1010 寫入接收緩沖寄存器，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)外部數(shù)據(jù)引腳 TXD 上的時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)后，串行口在該 機(jī)器周期的第 5 節(jié)拍的后半段對(duì) RXD 上的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集，并且將該數(shù)據(jù)送入接收緩沖寄存器。當(dāng)完成一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)接收后，置位 RI 并且申請(qǐng)一個(gè)串行中斷，只有在 RI被清除之后才能夠 進(jìn)行下一次接收。 連接方式如圖 所示： P1.INT0P1.TXDTXDRRINT0主單片機(jī)從單片機(jī) 圖 主從單片機(jī) 串行 通信示意圖 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總述 整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的， 當(dāng)硬件基本定型 后，軟件的功能也就基本上確定下來了。 超聲波流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)包括主從單片機(jī)兩部分，主單片機(jī)部分主要完成參數(shù)的設(shè)定、流量的計(jì)算 、測量結(jié)果的顯示 ；從單片機(jī)部分主要完成測量電路的控制、傳播時(shí)間的測量、檢驗(yàn)和傳輸?shù)取? 主單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 主單片機(jī)軟件部分主要由以下幾個(gè)功能模 塊組成： 參數(shù)處理程序、 、計(jì)算子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序、串行通信子程序等。 流量計(jì)開啟后主單片機(jī)先執(zhí)行系統(tǒng)初始化子程序，包括初始化單片機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)、程序運(yùn)行中所需的常數(shù)等，并自動(dòng)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)，然后向從單片機(jī)發(fā)送命令；設(shè)置完參數(shù)后，進(jìn)入主單片機(jī)程序的測量及參數(shù)顯示狀態(tài)，并在這一狀態(tài)中程序不斷掃描鍵盤，根據(jù)鍵入的命令跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程 序模 塊。 開始初始化調(diào)鍵盤子程序 ， 參數(shù)設(shè)置調(diào)主從單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送子程序向從單片機(jī)發(fā)開始測量指令是否有中斷調(diào)數(shù)據(jù)處理子程序調(diào)顯示子程序NY 圖 主單片機(jī)主程序流程 圖 從單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 從單片機(jī)的軟件流程圖 從單片機(jī)部分是完成流量測量電路的控制、測量數(shù)據(jù)的采集、檢驗(yàn)和傳輸，其軟件流程圖如圖： 開始初始化是否有中斷開始測量調(diào)主從單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送子程序向主單片機(jī)發(fā)送測量數(shù)據(jù)NY 圖 從單片機(jī)主程序流程圖 系統(tǒng)進(jìn)行測量前，先要進(jìn)行自檢，檢查系統(tǒng)各部分工作是否正常，接著與主單片機(jī)進(jìn)行通訊，接收主單片機(jī)傳送來的參數(shù)，并將參數(shù)存放在存儲(chǔ)器中，以便測量時(shí)使用。當(dāng)接收到主單片機(jī)的測量命令后，從單片機(jī)開始進(jìn)行傳播時(shí)間的測量，檢驗(yàn)傳播時(shí)間的可靠性，并將這些數(shù)據(jù)通過串口送到主單片機(jī)進(jìn)行 計(jì)算。主從單片機(jī)之間的通訊采用中斷方式，在從單片機(jī)接到停止測量命令后結(jié)束測量過程，等待主單片機(jī)發(fā)送新的命令。 主從單片機(jī) 數(shù)據(jù)發(fā)送子 程序流程 主從單片機(jī)之間需要進(jìn)行通信，發(fā)送接收數(shù)據(jù)的過程中采用中斷方式，發(fā)送數(shù)據(jù)