毕业设计（论文）-基于虚拟仪器的流量监测系统设计.docx

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于虚拟仪器的流量监测系统设计 DESIGN OF FLOW MONITORING SYSTEM BASED ON VIRTUAL INSTRUMENT年级 姓名 专业 指导老师 2015年 6月承 诺本人郑重承诺：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行设计（研究）所取得的成果，除文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的设计（研究）成果。对本设计（研究）做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计（论文）中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担一切后果。学生签名： 年 月 日西南交通大学本科毕业设计（论文） 第VII页院 系 专 业 年 级 二一一级 姓 名 题 目 基于虚拟仪器的流量监测系统设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语评 阅 人 (签章)成 绩答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 学生姓名 学 号 发题日期：2015年3月 9日 完成日期：2015年 6月 18日题 目 基于虚拟仪器的流量监测系统设计 1、本论文的目的、意义流量作为重要的过程控制量之一，流量计量广泛应用于工业农业生产、国防建设、科学研究对外贸易以及人民生活各个领域之中。随着科技的飞速发展，对流量监测在国民经济中的地位与作用更加的明显。 在工业方面，流量是控制工艺过程和保证产品质量的关键因素。保证工业化生产在最佳参数下产生最大的经济利益和确保工业化生产过程安全的运行，对流量的监测可谓重中之重。在农业方面，流量是控制植物生长环境和保证植物健康的关键因素。特别是对调整植物的生产季节，流量的监测更是其中的关键。对于生产自动化愈来愈高的今天，准确的监测不仅是确保良好的经济效益和安全的工作环境，更是对资源的科学、高效的利用。 通过本毕业设计，提高学生的动手和独立思考的能力，对学生的搜索资料、撰写文章、理论研究等能力有所提升，为今后的学习和工作奠定一定的基础。 2、学生应完成的任务（1）查阅并掌握单片机和传感器等仪器的工作原理； （2）完成系统硬件设计并将硬件组装； （3）编写系统软件程序； （4）调试并修改软硬件设计，完成系统方案设计； （5）根据设计题目完成毕业论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）第一部分查阅资料 (2周)第二部分系统结构设计 (4周)第三部分系统程序设计 (3周)第四部分调试 (2周)第五部分撰写毕业设计资料 (3周)评阅及答辩(1周)论文整改(1周)备 注：答辩前应向指导老师交毕业设计（论文）说明书（书面文档应不少于1万2千个汉字）和电子文档（含毕业设计（论文）说明书及应用软件） 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘 要流量作为三大工业过程控制量之一，随着时代发展，科技的不断进步，对流量的监测要求不断的提高，对资源的节约和保护。设计更加智能、自动化的流量监测系统成为当下重要的研究目标。基于虚拟仪器的流量监测系统，其关键便是传统仪器仪表与计算机技术的结合、提升，以虚拟仪器技术创建虚拟的仪器来替代部分仪器，使由于人力操作传统仪器测量带来的误差尽可能的减小。计算机精确的控制相对人力有更加高效、迅速、智能的优点。该系统设计方案采用80C51单片机做下位机采集并分析数据，LabWindows/CVI为方案提供用户自定义界面以实现人机交互，采用无线数传模块使系统能够远程实时监控。且该系统设计方案具有很高的扩展性和良好的兼容性，适用流量对象广泛。通过更改电磁阀、流量计等仪器仪表，修改虚拟仪器界面中流量数值便能做到对其他流量的监测。不仅适用于工农业的生产，亦可以生活用水起到重要的作用，为节约资源实现重要意义。 关键词 流量；监测；虚拟仪器；单片机AbstractFlow ,as one of three controlled quantities in industrial process, has a vital position towards resources protection with the development of times and technology.Therefore, how to design a more intelligent flow measurement system has become a hot research area.The key point of flow measurement system based on a virtual instrument is to combine the traditional instrument and advanced computer technology,and replace part of instruments with virtual instrument,which is designed by virtual instrument technology.Compared with personal operation,computer takes advantages on efficiency and intelligence.The designing scheme of the system has great expansibility and compatibility,which is suitable for extensive flow subjective.Using 80C51 as lower computer to collect and analyze data,Labwindows/CVI provide custom solutions in order to realize the human-computer interaction interface,with unlimited digital module enables system to the remote real-time monitoring.The monitor can be realized by changing instruments,such as solenoid valve,flow meter,or modify the value of flow in virtual instrument.This method can not only realize resource saving by applyingpetroleum transportation,but also has an important role in life.Keywords flow, measurement ,virtual instrument, SCM目录第1章 绪论11.1 设计的背景及意义11.2 本论文的主要内容及研究目标21.3 本论文的结构安排2第2章 系统设计理论基础32.1 虚拟仪器技术32.1.1 虚拟仪器相关介绍32.1.2 虚拟仪器优势32.2 虚拟仪器技术发展现状4第3章 系统方案设计53.1 系统整体方案设计53.1.1 单片机处理器的选择53.2 水流量测量方案选择63.3 上位机方案63.3.1 上下位机简单说明63.3.2 虚拟仪器软件选择73.4 无线通信模块方案选择73.4.1 无线传输技术83.4.2APC230多通道微功率嵌入式无线数传模块8第4章 硬件介绍与设计94.1 80C51单片机94.1.1 80C51单片机的基本组成94.1.2 80C51的内部结构104.1.3 定时器/计数器114.1.4 引脚功能114.2 进水电磁阀124.3流量传感器134.4电路图设计16第5章 软件介绍与设计165.1 LabWindows/CVI165.2 系统整体软件结构175.3 上位机控制系统175.4 流量计监测设计17第6章 系统调试结果196.1 系统调试19结 论21致 谢22参考文献23西南交通大学本科毕业设计（论文） 第22页第1章 绪论1.1 设计的背景及意义流量是压力、温度、流量三大工业过程控制量之一，从对自来水、灌溉、污水处理到石油、天然气、化工原料等流体的计量，流量计量直接关系到国计民生和国家利益。在工业方面，例如大型化工企业中，控制工艺过程和保证产品质量的关键因素之一便是流量。而且对流量的准确监测不仅是保证工业化生产在最佳参数下产生最大的经济利益，也是确保工业化生产过程安全运行的重要环节。在农业方面，例如大棚种植中，流量是控制植物生长环境和保证植物健康的关键因素。特别是对调整植物的生产季节，流量的监测更是其中的关键。对于生产自动化愈来愈高的今天，准确的监测不仅是确保良好的经济效益和安全的工作环境，更是对资源的科学、高效的利用。为了更加贴近生活，直观的了解监测的重要性，本文的流量监测系统主要是针对水流量的监测。我国是一个干旱缺水严重的国家，是世界上13个最缺水国家之一。虽然以淡水资源总量28000亿立方米，占全球水资源6%名列世界第四。但因庞大的人口基数，我国人均水资源只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一1。水作为维系生命与健康的基本需求，是人们每天不可或缺的资源。水在生活中的地位不可撼动，无论是工作、生产、生活都离不开水。由于人们真正能够利用的淡水资源仅占地球总水量0.26%，所以水资源并不是取之不尽，用之不竭的。况且生活中人们对水的需求量又是极大的，因此节约用水迫在眉睫。除开平时生活用水，生产过程中对水的消耗和依赖也是巨大的。无论是工业还是农业，水都是生产过程不可缺少的一部分。对于工业生产来说，由于水资源相对其他资源的成本较为低廉，且生产者对水的使用控制并不严格，造成大量水资源的浪费。对于农业生产，随着社会高度信息化，我国农业也从传统农业逐步转化为现代农业，因此对于水资源的使用也从传统人力逐步转变为现代化控制。所以节约用水不仅要成为每个人都要努力做到的，科学、合理、有计划的用水，提高水利用率，避免水资源浪费更成了大家研究的方向。本文设计的流量监测系统用于需要长期或定期使用水进行劳作、工作、加工统工程等方面的实时监测。能设定对应需要的水的流量大小，使用中超过设定流量会反馈给工作人员，以及时得到修正，确保不会浪费水资源以及不必要的经济损失，具有重要的现实意义。1.2 本论文的主要内容及研究目标流量作为重要的过程控制量之一，流量计量广泛应用于工业农业生产、国防建设、科学研究对外贸易以及人民生活各个领域之中。其中流量计量的最广泛的应用便是在对水流量的监测。随着科技的飞速发展，对流量监测在国民经济中的地位与作用更加的明显。设计该流量监测系统的目的就是通过检测通过流量计中的水流大小，与设定水流的流量大小进行对比，起到对水流大小的实时监测。因此，本文研究的主要目标如下：（1） 选择合适的流量计对流量大小进行测量、采集和保存；（2） 选择合适的电磁阀对流量进行实时的控制；（3） 选择合适的单片机将功能整合，并与上位机建立关联；（4） 选择合适的虚拟仪器设计界面，控制系统工作。1.3 本论文的结构安排本篇设计论文由绪论与正文组成，绪论部分介绍论文基于虚拟仪器的流量监测系统设计的选题背景及现实意义。正文分章节介绍系统设计的理论、软硬件的原理资料介绍、设计所采用的软硬件的选择、方案调试结果以及结论。第2章 系统设计理论基础2.1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用2。通过完全由用户自定义的界面，使用集成化的虚拟仪器环境与实时信号进行通信，获取并分析其中实用信息，高效、快速、直观的在虚拟界面中显示并调整。提供各种工具以满足各种系统设计需求。2.1.1 虚拟仪器相关介绍由国家仪器公司（NI）在上世纪80年代最早提出虚拟仪器（VI）的概念。彻底颠覆用户无法根据自身需求调整仪器，而只能由生产厂家来定义其功能的传统观念。同时引发了传统仪器领域的大变革，使计算机和网络技术在仪器领域中的地位变得不可撼动。计算机技术和仪器技术的结合，掀开仪器领域的新篇章“软件即仪器”。所谓虚拟仪器，就是基于计算机或工作站、软件和I/O部件来构建，通过在计算机或工作站平台上，用户自行设计、定义含有虚拟可视化界面，由测试软件处理I/O部件（独立仪器、模块化仪器、数据采集板或传感器等）中数据的计算机仪器系统。至此用户便能结合自身需求通过利用虚拟仪器高度自由的组建适合自己的自动检测系统。2.1.2 虚拟仪器优势 虚拟仪器与传统测试仪器系统相比，其优点显而易见：1、性能高，虚拟仪器是以计算机技术为基础发展而来，完全“继承”以计算机技术为主导的最新现代技术，成功将计算机的软件与硬件资源结合，不仅提升了传统仪器在数据显示、处理、存储等方面的能力，更具备传统仪器没有的更强大更丰富的功能；2、扩展、兼容性强，将部分硬件通过用计算机技术以软件的方式在计算机或工作站代替。由于计算机技术的特点，能在不改变I/O部件的条件下提高系统灵活性的同时，做到最大兼容。且新技术出现后，只需要通过更新计算机或升级硬件，便能以最少的投资和极少的软件升级即能改进整体系统。在信息化时代高速发展的今天，能通过现有设备做到最快的改进和更新达到系统设备的再利用；3、节约时间，在驱动与应用的两个方面，通过高效的软件构架与计算机，仪器仪表和通信设备的最新技术结合，就可以实现对测试数据进行迅速、高效、实时的采集、分析与处理。使人机交互也因此而变得简单快捷，能轻松的配置、创建、发布、维护和修改系统设计方案；4、无缝集成，该技术本质上是一个集成的软硬件概念，因此可以支持多种的工业总线标准。随着需要测量对象和难度的增加，仪器仪表产品在功能上不断的趋于复杂，通常需要连接和集成大量的不同设备以及耗费大量时间。而虚拟仪器软件为所有的I/O设备提供了标准借口，用户利用VI技术就可方便地将多测量设备集成到单个系统，使测量、控制过程实现智能化、网络化，也减少了系统设计的复杂性3。2.2 虚拟仪器技术发展现状随着时代的发展，将生产、生活中的检测和控制朝着高度信息化发展已经是世界信息化的体现。目前虚拟仪器技术已经普遍被应用于各个需要测量的行业，甚至自动化控制和机器控制等领域。传统仪器在测量测试领域有着重要的作用，但存在着许多问题，例如灵活度不高、精度较低、再利用率低等。虚拟仪器的出现解决了这些问题，在具有高度灵活性的基础上，同时让性能和精度进一步的提升。强化了传统仪器仪表的测量，甚至解决了传统仪器无法实现的测量。其扩展性和兼容性都是传统仪器无法做到的，也证明了虚拟仪器是未来仪器发展的主流方向。第3章 系统方案设计3.1 系统整体方案设计在系统设计之前，需要对要解决的问题进行调查研究以及分析论证。在此基础上，还要根据所需解决的实际问题所对应的要求，确定系统设计方案所需要完成的任务和技术指标，确定系统的实现方案。此外所设计的系统方案，在保证其性能指标的前提下，尽量选择性价比高的元器件以便使所设计的系统设计具有较高的实现价值。3.1.1 单片机处理器的选择该监测系统涉及数据采集、运算、保存、串口通信、总线控制、存储器扩展、显示等内容。根据设计的主要内容，现有以下两种系统单片机的选择方案：（1）方案一：采用STM32单片机、测量仪器和虚拟仪器软件结合的方式。（2）方案二：采用51系列单片机、测量仪器和虚拟仪器软件结合的方式。单片微控制器简称单片机（Microcontrollers），与包含中央处理器（CUP）、随机存储器（RAM）、只读储存器（ROM）和输入输出设备（I/O设备）的计算机一样，通过采用超大规模集成电路技术将具有数据处理功能的CPU、具有储存和读取功能的RAM和ROM、具有扩展功能的多种I/O口和中断系统、定时/计数器等功能集成到一块硅片上，因此单片机就是一个完善的微型计算机系统。相对计算机，单片机具有体积小、质量轻、价格低廉等计算机不具备的特点，为学习、开发和应用提供了便利。虽然缺少I/O设备，但学习是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的使用领域已十分广泛，通常产品在和单片机组合后，就能起到使产品升级换代的功效。是现代控制系统中不可缺少的核心硬件。具有多种特点：（1）体积小、成本低、便于工厂化生产，具有极高的性价比；（2）集成度高、稳定性高、能适应恶劣极端的环境且便于更换；（3）低功耗、低电压、便于开发，具有极高的实用价值；（4）功能强大、控制简单、扩展性强。结合所学到的有关单片机的知识和实践运用积累的经验，决定使用最为简单实用，但功能完善的80C51单片机作为该系统设计方案的控制元件。该系统控制处理功能并不复杂，且一般来说，51单片机能够完成的功能，STM32单片都能完成，但是STM32较51系列而言，价格稍高、开发周期长、制作成本高，不易快速开发。相反，51系列单片机价格便宜又简单，而且对于本文设计系统51系列单片机功能足够且开发较为简单，完全能够满足本设计所需要的控制要求。因此，考虑成本和开发难度的因素，本设计选取的是方案二，采用51系列单片机和虚拟仪器软件结合。3.2 水流量测量方案选择该系统设计方案中，水流流量测量是实时监测系统功能的关键。流量计（Flowmete）是指示被测流量和在选定的时间间隔内流体总量的仪表。容积式流量计简称PD流量计，是流量仪表中精度最高的一类。其中霍尔式流量传感器即霍尔流量计，是一种基于位移传感的流量计，叶轮在流体推动下旋转，带动螺杆旋动，使磁系统产生上下偏移量，流速大小则与位移量成正比。当前水流流量的测量的自动化已普遍实现、而霍尔流量计作为其中应用量最大最为广泛的流量测量传感器，也是该系统设计方案的选择。该流量计使用简便，且具有可靠性高、准确度高、结构简单、成本低廉、功耗较小等优点。在系统设计方案中，将霍尔流量计装在进水电磁阀的出水口，其作用为检测使用水时水管中水流通过的速度，并将采集到的信息发送到51单片机中，单片机通过与预设流量大小对比，判断是否需要改变电磁阀状态，同时传送给上位机作监控记录。3.3 上位机方案3.3.1 上位机简单说明下位机是直接控制设备并获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类，其作用是用来监测和执行上位机发出的操作指令，下位机根据上位机命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。并不时读取设备状态数据，转换为数字信号反馈给上位机。依据所选用的单片机编写需要功能，通常采用汇编语言进行编写。是系统的被控制者和被服务者。上位机是特指可以直接发出操作命令的计算机或工作站，其作用是用来集中显示数据和发出操作指令，显示各种信号变化，一般配合下位机同时使用，其程序的编写一般用BASICH或C语言等高级程序语言。通常支持数种高级语言，是系统的控制者和提供服务者。3.3.2 虚拟仪器软件选择同为NI公司研发的虚拟仪器软件LabVIEW和LabWindows/CVI，是目前虚拟仪器系统选择最多，亦是功能最为广泛的虚拟仪器软件。作为都是面向虚拟仪器技术的产品其区别如下：1、 LabVIEWLabVIEW是一种图形化编程语言即G语言，用于快速创建灵活和可升级的测量、测试和控制应用程序4。使用图形编程，能充分利用空间和色彩，能直观反映用LabVIEW替代的传统仪器硬件，可以采集到实际信号，并能对其进行分析得出有用信息。因此能快速便捷的开发测量程序，但高度封装，使很多底层编程无法涉及和体现。2、 LabWindows/CVI LabWindows/CVI是完全标准的C开发环境，被广泛用于开发虚拟仪器应用程序。不仅提供用于完成数据采集、分析和显示任务的内置式库函数，还有简单的拖放式用户界面编辑器以及自动代码生成工具。通过利用这些功能，在将代码加入某项目之前便可以进行测试，是开发多线程应用必不可少的软件。结合以上特点，通过把功能强大、高效灵活的C语言与用于数据采集分析和现实的测控仪器结合，为C语言开发提供了十分理想的环境，囊括了检测系统、自动测试系统、数据采集系统、过程监控系统等各个方面。相对传统测控仪器不仅更加灵活，而且通过与计算机的结合使各方面功能更加丰富。所以选择LabWindows/CVI作为上位机的虚拟仪器软件，其优越的数据显示、分析、存储和控制功能以及良好的界面功能，能该系统设计方案变得更好。3.4 无线通信模块方案选择 无限通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，其传输距离一般只有几千米，但具有宽频带的微波其特点是有很大的通信容量。无线通信技术从上世纪便已深入人们生活和工作的各个方面，因此远程、智能、自动化的控制不仅离不开无限通信技术，也是未来高度信息化生产所必需的。将单片机从传感器中接收并处理好的信号传送到LabWindows/CVI上位机系统，就需要添加一个无线模块。通过无线通信手段，便能成功实现用LabWindows/CVI上位机系统对水流流量的远程监测。3.4.1 无线传输技术 目前普遍应用的无线通信模块有ZigBee技术、无线局域网、蓝牙、红外传输和无线数传模块等。而短距离无线通信技术最为集中的便是：蓝牙技术、Wi-Fi技术、ZigBee技术。 蓝牙传输：蓝牙传输作为移动设备例如手机之间的近距离无线通信手段，是一种全球开放性的通信协议，其短距离传输速度较快，但价格比较高。 红外传输：红外传输因为其高速点对点数据传输方式，使其传输速度较高，但也因为该传输方式的限制，需要保证发送模块与接收模块一直处于可视范围内，且发送模块与接收模块不能有阻碍红外线通过的介质，对应用环境要求太高，不符合系统设计方案理念。Wi-Fi传输：Wi-Fi是当今使用最广的一种无线网络传输技术，实际上就是把有线网络信号转换成无线信号。但由无限保真技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能较蓝牙要差些，且成本较高。ZigBee传输：ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。具有低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率的特点。无线数传模块传输：无限数传模块成本低廉，适应性高，扩展性好，维修方便简单。所以适用于该系统设计方案。3.4.2 APC230多通道微功率嵌入式无线数传模块APC230模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24bits连续突发错误。APC230模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数。APC230模块能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，同时小体积宽电压运行，较远传输距离，丰富便捷的软件编程设置功能，使之能够应用与非常广泛的领域。第4章 硬件介绍与设计4.1 80C51单片机单片微控制器简称单片机（Microcontrollers），指在同一块芯片上通过采用超大规模集成电路技术将CPU、RAM、ROM、I/O口和中断系统、定时/计数器A/D转换器等集成的电路系统。因其体积小、功耗低、高可靠性、稳定性高、可扩展性强、功能强等特点而被应用在各个控制领域。4.1.1 80C51单片机的基本组成80C51单片机的基本组成如图4-1所示。图4-1 80C51单片机的基本组成由图中可以看出，其组成基本为：1、8位微处理器（CPU）； 2、4KB片内程序存储器（ROM/EPROM/Flash），片外可扩展到64KB； 3、128B数据存储器（RAM），片外可扩展到64KB； 4、21个128B的特殊功能寄存器SFR； 5、4个8位可编程的I/O并行接口（P0口、P1口、P2口、P3口）； 6、1个全双工的异步串行口（UART），用于数据的串行通信； 7、2个16位定时/计数器（T0、T1），可以对外部事件进行计数；8、5个中断源的中断控制系统（X1、T0、X1、T1、S）；9、一个时钟电路。4.1.2 80C51的内部结构80C51单片机的内部结构如图4-2所示。图4-2 80C51单片机的内部结构1.中央处理器CPU80C51单片机的核心：8位中央处理单元即CPU，由运算器和控制器两部分组成，是计算机的控制指挥中心。 运算器电路以算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）为核心，由累加器ACC（Accumulator）、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、寄存器B、8位暂存器 TMP1和TMP2及布尔处理机共同组成。可以完成算术运算例如加、减、乘、除、BCD数十进制调整、比较等。可以完成逻辑运算例如与、或、非、异或等。还能完成位运算以及数据传送等操作。其运算结果的状态由程序状态寄存器（PSW）保存。控制器电路包括程序计数器PC、PC增1寄存器、指令译码器（ID）、指令寄存器（IR）、定时控制电路、堆栈指针（SP）、数据指针（DPTR）等。根据接收到的不同的指令，产生相应操作时序和控制信号来控制单片机。控制电路主要是完成指挥控制工作以及协调单片机各部分的正常工作。2.存储器物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器4个存储空间。但从用户使用的角度看，8051的存储器分为3个逻辑空间。程序储存器ROM：用来存放程序、常数或表格等。数据储存器RAM：用来存放运算的中间结果和数据等。3输入/输出（I/O）口有4个8位并行I/O口P0P3，均可并行输入输出8位数据。每个端口都各有8条I/O口线，且都能独立作输入或输出。在有片外扩展器系统中，P2口输出高8位地址，P0口分时输出低8位地址和8位数据。有1个串行I/O口，用于数据的串行输入输出。4.1.3 定时器/计数器（1）生成定时脉冲，实现定时控制；（2）计数方式用于记录外部事件的脉冲个数。4.1.4 引脚功能 采用双列直插封装（DIP）的80C51系列单片机引脚分配如图4-3所示。 图4-3 80C51系列单片机引脚分配图 各引脚功能如下：（1）电源引脚（2根）40脚VCC：电源端，接+5V电源20脚VSS：接地端（2） 外接晶体引脚（2根）19脚XTAL1：接外部晶振和微调电容一端。采用外部时钟电路时，对HMOS型单片机，此引脚接GND；对CHMOS型单片机，此引脚接外部时钟输入端。18脚XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端。采用外部时钟电路时，对HMOS型单片机，此引脚接外部时钟输入端；对CHMOS型单片机，此引脚悬空。（3） 控制引脚（4根）9脚RST/VPD：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。当该引脚保持两个机器周期高电平后，就能是单片机完成复位操作。该引脚第二功能VPD即备用电源输入端，具有掉电保护功能。29脚/：片外程序存储器读选通信号端，为低电平时，实现对片外ROM的读操作。30脚ALE/：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。CPU访问片外储存器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出低8位地址，实现P0口的分时复用。31脚/VPP：内外存储器选择引脚/片内EPROM（或Flash ROM）编程电压输入引脚。（4） 并行输入输出引脚（32根，分成4个8位口）18脚P1.0P1.7：P1口的8位准双向通用I/O引脚。1017脚P3.0P3.7：P3口的8位准双向通用I/O引脚，且引脚均具有第二功能。2128脚P2.0P2.7：P2口8位准双向通用I/O引脚，也可作片外储存器高8位地址总线。3932脚P0.0P0.7：P0口的8位双向通用I/O引脚，也可作数据/地址总线复用引脚。但CPU访问片外储存器时，P0口不可作I/O引脚。4.2 进水电磁阀用电磁控制来控制流体的自动化基础元件即电磁阀（Electromagnetic valve），属于执行器。由电路来实现的控制相比传统人力操作阀门更加精确，因而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等5。该系统设计方案采用的电磁阀（图4-4）是脉冲型常闭进水电磁阀。图4-4 直角脉冲型常闭进水电磁阀其技术参数如下表所示。表4-1 脉冲型常闭进水电磁阀技术参数额定电压DC6V线圈电阻16.50.35 (20时)开关型式直流脉冲式脉冲宽度25ms工作压力0.02Mpa-0.8Mpa介质温度1-75响应时间开0.15s关0.5s流量特性0.02Mpa3 L/min0.1Mpa16 L/min0.8Mpa40 L/min使用寿命100万次4.3 流量传感器该系统设计方案中，流量计的作用是通过检测管道中水流大小，并与设定水流大小比较，判断流量大小是否正常，电磁阀状态是否需要改变。设计方案中流量计（图4-5）主要由塑料阀体 、霍尔传感器和水流转子组件组成。图4-5 霍尔式水流流量计霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转化的一种传感器6。霍尔效应是由霍尔（A.H.Hall)在1879年研究金属导电机构发现的。霍尔效应原理为：如图4-6，将长L,宽b，厚度为d的一块半导体薄片，放置在磁感应强度为B的均匀磁场中。在半导体薄片的两端通加上电流I,并使电流方向与磁场方向垂直。此时半导体的另外两端将产生一个正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积的电势UH，即UH=KHIB，该霍尔元件（导体薄片）的灵敏度即为KH，而UH称为霍尔电势。图4-6 霍尔效应原理图该系统设计方案所选用的水流量传感器的核心部分就是霍尔传感器。它的工作方式为：当水流过磁性转子组件时转子转动，其转速与水流速呈线性关系，霍尔元件输出相应的电平信号发送给控制器，以此反馈电磁阀是否处在正常工作的状态。技术参数见表4-2。表4-2 水流流量计技术参数基本参数最低额定工作电压DC4.5 5V-24V最大工作电流15 mA（DC 5V）工作电压范围DC 518 V负载能力10 mA（DC 5V）使用温度范围80使用湿度范围35%90%RH（无结霜状态）允许耐压水压1.75Mpa以下4.4 电路图设计 该系统设计方案采用模块化设计如图4-7所示。图4-7 电路设计图 图中流量计1、2输出端分别接引脚P0.3、P0.4，继电器和电磁阀模块接引脚P0.5，无线数传模块接引脚P2.1。连接电源后，系统开始工作，继电器控制电磁阀打开，水流通过流量计，流量计将所测数据传输给单片机，经与设定流量值对比后改变或保持电磁阀状态，以实现对系统流量的监测。第5章 软件介绍与设计5.1 LabWindows/CVI由NI公司推出的交互式C语言开发平台。用于制造测试、军事/航天、通讯、设计验证等领域。其开发工具提供的库函数可以创建自己的仪器驱动程序，并且使用用户界面编辑器，方便用户自定义自己的软件界面。利用软件提供的控件可以设计出专业的测控程序界面。5.2 系统整体软件结构 按照整体方案设计，并参考传统模式下对于流量的监测方式，在传统人力流量监测的基础上加入单片机以及其他设备，实现对流量监测的自动化。该思路是基于自动控制理论，将传感器技术、电子测量技术以及虚拟仪器技术等结合，将传统基于人力的监测方式，用以计算机为基础的自动化设备的监测方式来代替。减少因人力在其中带来的误差、经济损失以及不安全因素。整体系统设计方案原理图如图5-1，上位机打开系统并预设定管道中流速，单片机通过控制继电器来将电磁阀开启，水经过流量计，流量计测量通过自身的水流大小并将其转化为电信号传输给单片机后进行模数转换，单片机通过比较水流量大小与预设定流量大小，判断流量是否超出预设定限定，并通过该判定决定是否控制蜂鸣器及报警灯报警和通过继电器改变电磁阀的闭合状态。单片机将流量大小通过无限模块传输至上位机，上位机将流量显示在界面上并记录流量大小。 图5-1 整体系统设计方案原理框图5.3 上位机控制系统系统界面由6个部分组成，其中包括系统开关，串口、波特率等选择，流量计状态显示，电磁阀状态显示，水流流量显示和采集，数据采集及退出部分。如图5-2： 图5-2 上位机CVI用户操作界面1、 系统开关部分：计算机通过无线模块将上位机程序和下位机即单片机连接。打开开关后，上位机进入工作状态。2、 串口配置部分：串口配置即波特率、奇偶校验位等选择。计算机与下位机的通信，必须要进行串口通信的定义。在该系统设计方案中，设定波特率为9600，数据位为8，停止位为1。3、 管道状态显示：显示带流量计的管道工作状态，以判定流量计是否正常工作。4、 系统状态显示：显示系统工作状态，红色代表系统打开进入正常状态。5、 水流流量显示部分：显示通过流量计的流量大小，直观监测流量大小。6、 记录退出部分：将流量大小以数字信号形式储存，便于提取、对比、修改、复查等工作，以减少人力修正。5.4 流量计监测设计两个霍尔流量计、80C51单片机、脉冲型常闭进水电磁阀、蜂鸣器报警灯组成下位机，通过组合编程实现监测功能。其流程图如图5-3：图5-3 下位机监测流程图如图5-3中所示，N=1表示系统开启，电磁阀在继电器脉冲信号的控制下打开。当系统关闭N由1变为0，则电磁阀关闭。其中两个霍尔流量计1、2分别位于电磁阀前管道结束位和电磁阀后管道结束位，当系统工作时，霍尔流量计均正常工作，并向单片机输送流水信号，单片机将流量计2输送的高低电平与电磁阀工作状态的高低电平对比，相同则维持电磁阀工作状态。并将流量计2所测流量大小与预设量比较，若与预设量差值超过误差范围则考虑是否因为系统出现故障，当流量计2所测流量大小与预设量大小差值超过误差范围，则说明电磁阀出现故障或者出现漏水现象，则蜂鸣器报警，报警灯闪烁，电磁阀关闭，停止工作。而流量计1所测流量大小则为核对系统是否出现故障，当流量计2所测流量大小与预设量差值并未超过误差范围，