（测试计量技术及仪器专业论文）基于微机的水力实验测试与管理系统的研制.pdf

摘要 基于微机的水力实验测试 与管理系统的研制 学科领域 作者姓名 导师姓名 导师职称 答辩日期 测试计量技术及仪器 卢丽平签名： 高宗海李大成签名： 副教授高工 2 0 0 2 3 摘要 本文分析了传统测量仪器的缺点和局限性，提出了一种新的解决办法，详细论 述了作者采用单片机技术、串行通讯技术和数据库技术成功研制出的个操作简 便、功能完备的水力实验测试与管理系统，介绍了该系统的优越性，阐述了该系统 的设计方案和实现原理，并展示和评析了该系统的实验效果。 该系统的研制具有重要的现实意义和创新意义。该系统是根据西安理工大学水 力学院的实际需要研制而成，对实验教学条件的改善、实验教学质量的提高，有重 要的推动和促进作用。同时也反映了现代仪器的发展方向和趋势，为国内各水力实 验室的改良和优化提供了借鉴。 在该系统中，设计并完成了2 5 台测量仪器，分别完成5 个水力学实验，他们 分别是：流动型态的雷诺实验、管道沿程阻力系数测定、文丘里流量计 系数测定实验、孔口出流实验和管咀出流实验；设计并完成了串行通讯 网络，将2 5 台测量仪器测得的实验数据传输到计算机；设计并完成了数据库系 统，对传输过来的实验数据进行存储和管理；设计并完成了操作界面，按实验要求 处理实验数据并实现图形及数据的打印。 实验效果评析表明，该系统可以很好地完成数据测量、数据传输、数据处理、 数据管理和报表打印等各项任务，性能稳定，效果良好，能很好地满足水力实验教 西安理工大学硕士学位论文 学要求。由此，我们相信：基于微机的现代仪器有着传统仪器不可比拟的优势，将 在未来仪器领域占主导和潮流的地位。 关键词：单片机；串行通讯；数据库 s u b j e c t ：t h ed e v e l o p m e n to f b a s e d0 nc o m p u t e r s s p e c i a l i t y ：t e s t i n g a n d i n s t r u m e n ts c a n d i d a t e ：l ul i p i n g s u p e r v is o r ：g a oz o n g h a i l id a c h e n g t e s t i n ga n dm a n a g i n gs y s t e m o fh y d r a u l i c se x p e r i m e n t s m e a s u r i n gt e c h n o l o g y a n d ( s i g n a t u r e ( s i g n a t u r e ( s i g n a t u r e a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h es h o r t c o m i n g sa n dt h ei i m i t a tj o n so ft r a d i t i o n a l m e a s u r i n g i n s t r u m e n t sa r ea n a l y z e d ，a f l e wr e a m l v e n ti s a d v a n c e d ，t h e t e s t i n ga n dm a n a g i n gs y s t e mo fh y d r a u li c se x p e r i m e n t s w i t hc o n v e n i e n t o p e r a t i o na n dc o m p l e t e f u n c t i o n s d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yb y t h ea u t h o r u s i n gs i n g l e c h i pt e c h n o l o g y 、s e r i a le o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s e t e c h n o l o g yi sp a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d ，t h ea d v a n t a g e so f t h es y s t e m a r e i n t r o d u c e d t h ed e s i g n s c h e m ea n dt h ei m p l e m e n t a t i o np r i n c i p l ea r e e x p o u n d e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t o ft h es y s t e mi sr e v e a l e da n d v a l u e d t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e miso fv e r yi m p o r t a n c eo f r e a lis ma n d i n n o v a t i o n t h es y s t e md e v e l o p e d a c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d so f i n s t i t u t eo f h y d r a u l i c si nx i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y w i l ld r i v ea n dp r o m o t e g r e a t l yt h ei m p r o v e m e n to fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s a n dq u a l i t y a tt h e s a i l l e t i m e ，i t r e v e a l s t h ed i r e c t i o na n dt r e n do ft h em o d e r n i n s t r u m e n t s ，p r o v i d i n g r e f e r e n c ef o r t h ea m e n d m e n ta n do p t i m i z a t i o no f e a c hh y d r a u l i c sl a ba th o m e i nt h es y s t e m , 2 5m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa r ed e s i g n e da n dc o m p l e t e d a c c o m d l i s h i n g5h y d r a u l i c se x p e r i m e n t ss e p a r a t e l y ：t h er e n a u l te x p e r i m e n t 里主墨三垄堂堡主茎堡垒查 o ff l o w i n gm o d a l i t y 、t h em e a s u r a t i o no f d r a gi n d e xa l o n gt h ep i p e l i n e 、 t h em e a s u r a t i o no ff l o w m e t e ri n d e x 、 o r i f i c eo u t f l o w e x p e r i m e n t 、n o z z l e o u t f l o we x p e r i m e n t ；t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i sd e s i g n e da n d c o m p l e t e d t r a n s m i t t i n g t h e e x p e r i m e n t a ld a t a sf r o m 2 5 m e a s u r i n g i n s t r u m e n t st ot h ec o m p u t e r ；t h ed a t a b a s es y s t e mi s d e s i g n e da n dc o m p l e t e d s t o r i n ga n dm a n a g i n gt h et r a n s m i t t e d e x p e r i m e n t a ld a t a s ：t h eo d e r a t i o n i n t e r f a c ei sd e s i g n e da n d c o m p l e t e dp r o c e s s i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a s a c c o r d i n gr e q u i r e m e n t sa n dp r i n t i n gt h eg r a p h sa n dd a t a s t h ee v a l u a t i o no f e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mc a n c o m p l e t ee a c ht a s ks u c ha sd a t a s m e a s u r i n g ，d a t a st r a n s m i t t i n g ，d a t a s p r o c e s s i n g ，d a t a sm a n a g i n ga n dr e p o r tp r i n t i n g ，w i t hs t e a d yp e r f o r m a n c ea n d g o o dr e s u l t ，a n d c a n s a t i s f y t h en e e d so f h y d r a u l i c se x p e r i m e n t s t e a c h i n g s ow e c a nb e l i e v et b a t t h em o d e r ni n s t r u m e n t sb a s e do nc o m p u t e r s h a v i n gi n c o m p a r a b l es u p e r o r i t yt ot h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sw i l lb e i n t h el e a d i n gf l i g h ti nf u t u r ei n s t r u m e n t sw o r l d k e y w o r d s ：s i n g l e c h i p ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ：d a t a b a s e 4 前言 日 j 舌 目前，大多数水力学实验室中，实验仪器比较笨重，且功能单一，完成一个需 要测量多个参数的实验通常需要好几种测量仪器才能完成，且操作比较繁琐，尤其 对于需要多次测量的实验来说，工作量的确比较大，同时实验数据的读取都是通过 人眼完成的，长时间读数致使眼睛疲劳不说，还会带来读数误差，影响实验的精 度，而且，实验数据的存储、管理和处理也都是人：亡完成的，尤其是对于学生人数 上百、实验种类较多的情况，数据量很大，因而工作量就很大，既费时费力义容易 出错。因而设计一个操作简便、功能完备的基于微机的水力实验测试与管理系统是 非常必要的。 本系统中，单片机系统构成的测量仪器完成实验数据的获取和存储，一对多的 串行通讯网络完成实验数据的传输，将测量仪器中的实验数据传输到上位计算机 中，数据库完成实验数据的存储和管理，高级语言编制的操作界面完成各种实验数 据的处理。采用单片机获取实验数据，减小了实验者的工作量，缩短了实验时间， 很大程度上实现了实验的自动化，减小了实验的读数误差，提高了实验的精度，同 时也实现了实验仪器的小型化和功能集成化。便于仪器的携带和转移。数据库技术 是数据管理的最新技术，当前各种信息管理系统和应用系统都是建立在数据库之上 的。采用数据库存储和管理数据，迅速，准确，高效，不会有遗漏。用操作界面可 按照实验要求处理数据，避免了繁琐的计算，提高了效率。 总之，本系统具有重要的创新意义、现实意义和实用价值，操作简便，功能完 备，涉及到单片机、串行通讯、数据库、界面设计等知识领域，覆盖面较广，并具 有相当大的工作量和一定的难度。 目前，该系统已顺利通过各级领导的验收并已投入到实际应用中，性能稳定， 效果良好，深受广大师生的推崇和好评。 第1 章综述 第1 章综述 1 1 课题来源、内容及意义 本课题是根据西安理工大学水力学院的实际需要研制的一个基于微 机的水力实验测试与管理系统，具有重要的实用价值和现实意义。 本系统是要设计出2 5 台测量仪器，分别完成5 个水力学实验，他们 分别是： 流动型态的雷诺实验、管道沿程阻力系数测定、文 丘里流量计系数测定实验、孔口出流实验和管咀出流实验； 设计出串行通讯网络，将2 5 台测量仪器测得的实验数据传输到计算机： 设计出数据库系统，对传输过来的实验数据进行存储和管理；设计出操 作界面，按实验要求处理实验数据，并实现图形及数据的打印。 本系统涉及到单片机、串行通讯、数据库、界面设计等知识领域， 覆盖面较广，并具有相当大的工作量和一定的难度 与传统的水力实验仪器相比，本系统具有极大的优越性和相当的创 新意义，从一定程度上反映了现代仪器发展的方向和趋势，现将本系统 与传统仪器的特点比较如下： 1 、 传统的水力实验仪器庞大、笨重，携带与移动困难：而本系统 研制的实验仪器体积小、灵巧，携带方便，移动容易，能更好 地满足各种实际需要。 2 、 传统的水力实验仪器功能单一，完成一个需要测量多个参数的 实验通常需要好几种测量仪器才能完成；而本系统研制的实验 仪器功能集成度高，一台仪器就可完成一个完整的实验。 3 、 传统的水力实验仪器操作比较繁琐，尤其对于需要多次测量的 实验来说，工作量的确比较大：而本系统研制的实验仪器操作 简便，大大地减小了实验者的工作量，缩短了实验时间，提高 了实验效率，较大程度上实现了操作自动化。 西安理工大学硕士学位论文 4 、传统的水力实验仪器实验数据的读取都是通过人眼完成的，长时 间读数致使眼睛疲劳不说，还会带来读数误差，影响实验的精 度；而本系统研制的实验仪器可通过单片机系统自动获取并显示 实验数据，减小了实验的读数误差，提高了实验的精度。 5 、传统的水力实验仪器实验数据的存储、管理和处理也都是人工完 成的，尤其是对于学生人数上百、实验种类较多的情况，数据量 很大，因而工作量就很大，既费时费力又容易出错；而本系统研 制的实验仪器采用数据库技术对数据进行存储和管理，利用高级 语言编制的操作界面完成各种实验数据的处理，省时、省力、准 确、高效。 综上所述，本系统是一个功能完备、操作简便的测试与管理系统， 具有重要的实用价值和创新意义。 1 2 课题要求 本系统要完成的五个水力学实验都需要测量差压、重量和时间这三 个参数。其中差压的量程是o o c m 水柱9 9 9 c m 水柱，精度要求是o 1 c m 水柱；重量的量程是o g - 9 9 9 9 9 ，精度要求是2 0 9 ：时间的量程是o - 9 9 9 s ， 精度要求是0 0 5 s 。要求整个系统包括2 5 台测量仪器、串行通讯网络及 数据管理系统于2 0 0 2 年1 月通过验收。 2 第2 章测量内容分析与系统构成 第2 章测量内容分析与系统构成 本章先介绍了各实验及实验装置，并分析了测量内容，然后论述了 系统的构成。 2 1 实验介绍及测量内容分析 本系统要完成的五个实验分别是： 流动型态的雷诺实验、管 道沿程阻力系数测定、 文丘里流量计系数测定实验、孔口出流 实验和管咀出流实验，下面将一一进行简要的介绍。 2 1 1 流动型态的雷诺实验和管道沿程阻力实验 流动型态的雷诺实验和管道沿程阻力实验这两个实验的实验装置相 同，故放在一起进行介绍。 a 流动型态的雷诺实验 首先介绍( 的实验原理。水流运动有两种不 同的型态，即层流和紊流。当流速较小时，粘滞力起主导作用，液体的 质点有条不紊地按平行的轨迹运动，并保持定的相对位置，这种型态 流动叫做层流。当流速较大时，和惯性力相比较，粘性力居次要地位， 惯性力起主导作用，液体的质点将是杂乱无章的运动，质点互相碰撞、 混掺，产生漩涡等，这种型态的流动叫紊流。介于两者之间的是过渡状 态流动。 是要测出水头损失h f 和雷诺数r e 的关系 曲线，从而证实在层流和紊流时沿程水头损失h f 随流速v 变化规律的不 同。 两断面间的沿程水头损失h f 即两断面的测压管高度差。 西安理工大学硕士学位论文 雷诺数r e 的计算： r e = i v d ( 2 - 1 ) v ：垒 ( 2 2 ) q：一v(2-3) v = 一? 1 ( 2 4 ) p 爿：盟 ( 2 5 ) 4 、 u=雨蕊i00面1775丽(cm00 3 3 7 t00 0 0 2 2 2 声) ( 2 - 6 ) 1 + + 17 1 r e 雷诺数 v 一断面平均流速 q 一流量 a 一管的横截面积 m 一水的质量 t 一一时间 d 管径 。一水的密度( 1 9 c m 3 ) 1 3 一一运动粘滞系数 v 一一一水的体积 t 一水的温度 由以上六个式子可得 re：4m(1+00337t+0000221t2)f 2 7 1 0 0 1 7 7 5 x p d t 、 式中j i ，p 为常数，d 已知，因此只要量出温度t ，并测出i l l 和t ，即可 计算出r e 由以上分析，该实验的待测参数是差压h f 、温度t 、质量1 1 1 和时间 第2 章测量内容分析与系统构成 b 管道沿程阻力实验 管道沿程阻力实验是要测出管道沿程阻力系数 ，并绘出沿程阻力 系数 与雷诺数r e 的关系曲线。 沿程阻力系数凡与雷诺数r e 的测定： 旯= 衫吉+ 蓦( 达西魏斯巴赫( 。a r c 卜w i s b a c h ) 公式 r e = 了v d q a 矿 f ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) 矿= 罢 ( 2 _ 1 2 ) p a ：掣 ( 2 - 1 3 ) 4 u = 而面万0 0 而1 7 7 5 00 3 3o0 0 0 2 丽2 。c 朋2 声) ( 2 1 4 )1 + 7 丁+ 17 1 r e 雷诺数 v 一断面平均流速 q 一流量 a 一管的横截面积 m 一水的质量 t 一时间 d 管径 p 一水的密度( 1 9 c m 3 u 一一运动粘滞系数 v 一一水的体积 t 一一水的温度 西安理工大学硕士学位论文 l 一一管道长度 h f 一一差压 g 一一一重力加速度 由以上七个式子可得 re：4m(1+00337t+000022 1t 2 ) ( 2 15 1 = 一 f 2 一i ，1 0 ，0 17 7 5 z p d t 五：g z 2 p d 。s t 一2 h f ( 2 一1 6 ) 8 上珑 式中n ，p ，g 为常数，d ，l 已知，因此只要量出温度t ，并测出h f ，m 和 t ，即可计算出r e 和九，从而可绘出入和r e 和曲线图。 c 流动型态的雷诺实验和管道沿程阻力实验的实验装置 实验装置示意图如图( 2 1 ) 所示： 图( 2 1 ) 流动型态韵雷诺试验和管道沿程阻力试验的试验装置示意图 打开供水泵，使水箱充满水，并保持稳定的水位( 使箱内有少量水 溢出) 。调节调节阀至一定位置，拉开抽屉，将水导入容器中，经过一 第2 章测量内容分析与系统构成 段时间后，将抽屉推进，水流入连体容器中，测量仪器将测出这一段时 间t 以及这一段时间内流入容器中的水的质量m 和差压h f 。容器中的水 可用小水泵抽到连体容器中进入水循环。实验结果可自动存入测量仪器 中。重复以上操作多次，完成实验。另外，水温的测量是用温度计完成 的。 2 1 2 孔口出流实验和管咀出流实验 孔口出流实验和管咀出流实验这两个实验的实验装置相同，故放在 一起进行介绍。 a 孔口出流实验和管咀出流实验 由水力学公式可推出，孔口流量系数为o 6 2 。 孔口出流实验的目的是要测出孔口流量系数，验证一下是否与理论 计算相符。 = ( 2 1 7 ) q 实= ( 2 1 8 ) 矿2 i ( 2 一1 9 ) 口 、， 鳊= a 4 2 9 h f ( 2 - 2 0 ) 一= 蒯么( 2 - 2 1 ) 式中，u 孔1 ：3 流量系数，是一个无量纲数 qt 实验测得的流量 q 计- 一计算出的流量 a 一一管的横截面积 i n 一水的质量 t 一时间 d 管径 西安理工大学硕士学位论文 。一一水的密度( 1 9 c 垅3 ) v 水的体积 h f - - 一一差压 g 一一一重力加速度 由以上公式可得： 2 面丐4 丽m ( 2 - 2 2 ) 2 面习丽 2 2 其中n ，p ，g 为常数，d 为已知参数，则待测参数为m ，t ，h f 。 管咀出流实验同孔口出流实验，只是流量系数为o 8 2 。 b 孔口出流实验和管咀出流实验的实验装置 孔口出流实验和管咀出流实验的实验装置示意图如图( 2 2 ) 所示： 图( 2 - - 2 ) 孔口出菥裔黼管咀出稿黼的诫鞲籍示意图 ( 没渭管咀的是孑l 口出商3 ；验) 调节调节杆至一定位置，打开供水泵，使水箱保持稳定的水位( 使 箱内有少量水溢出) 。拉开抽屉，将水导入容器中，经过一段时问后， 第2 章测量内容分析与系统构成 将抽屉推进，水流入连体容器中，测量仪器将测出这一段时间t 以及这一 段时间内流入容器中的水的质量m 和差压h f o 容器中的水可用小水泵抽 到连体容器中进入水循环。实验结果可自动存入测量仪器中。调节调节 杆，重复以上操作多次，完成实验。 2 1 3 文丘里流量计系数测定实验 a 文丘里流量计系数测定实验 流量计种类很多，文丘里管属于截流式流量计，就文丘里管本身， 又分为圆锥形、喷咀形两种，而每一种又分为长管型和短管型。这里仅 介绍圆锥形文丘里管。 u 图( 2 - - - 3 ) 圆锥形妊里管 圆锥形文丘里管由入口圆筒部a 、入口圆锥管段b 、喉管c 及出口 圆锥管段e 组成，见图( 2 - - - 3 ) 。与同孔径比的孔板、喷咀流量计相 比，其压强损失较小。因此，被广泛地应用在管道上测量流量。 文丘里实验的目的是测定文丘里流量计系数u ，并绘出文丘里流量 计系数u 与q 女的关系曲线。 = q 宴o 计 q 霍= v | t 矿：! p ( 2 - 2 3 ) r 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 g l = 足矽 ( 2 2 6 ) k = z a z 么4 4 f 2 2 7 ) 式中， 一文丘里流量计系数，是一个无量纲数 qt 实验测得的流量 q * 计算出的流量 k 一系数 m 一水的质量 t 时间 d r 一入口圆筒部a 段管径 d 2 喉管c 段管径 p 一水的密度( 1 9 c m 3 ) v 一一水的体积 h f 差压 g 一重力加速度 其中，p ，g 为常数，d l ，d 2 为已知参数，则待测参数为n 3 ，t ，h f 。 b 、文丘里流量计系数测定实验的实验装置 1 0 文丘里流量计系数测定实验的实验装置如图( 2 _ 4 ) 所示 第2 章测量内容分析与系统构成 图( 2 - - 4 ) 文丘里毓置计系熬测定试验的试验缳蛋两铡 调节调节阀至一定位置，打开供水泵。拉开抽屉，将水导入容器 中，经过一段时间后，将抽屉推进，水流入连体容器中，测量仪器将测 出这一段时间t 以及这一段时间内流入容器中的水的质量r n 和差压h f 。 容器中的水可用小水泵抽到连体容器中进入水循环。实验结果可自动存 入测量仪器中。调节调节阀，重复以上操作多次，完成实验。 综合以上五个实验介绍可知，待测参数为差压h f 、质量m 和时间 t 。 2 2系统构成 该系统由2 5 台测量仪器、串行通讯线路、计算机三部分组成。系统 构成框图如图( 2 - - 5 ) 所示： 通讯网络 图( 2 - - 5 ) 系统结构框图 西安理工大学硕士学位论文 测量仪器部分完成测量任务，负责测量差压h f , 质量m 和时间t ， 获得实验数据。每台仪器都采用单片机实现。通讯网络完成实验数据的 传输任务，负责将实验数据从测量仪器传送到上位计算机中。微机完成 数据存储、管理和处理任务，将从各测量仪器传输来的实验数据储存到 数据库中，并按照各实验的实际要求对实验数据进行处理。本书将在第 三章、第四章和第五章对测量仪器、串行通信网络、实验管理系统等各 部分分别进行详细介绍。 第3 章单片机测量系统设计 第3 章单片机测量系统设计 在本系统中，测量仪器由单片机系统构成，负责测量差压h f ，质量m 和时间t ，并且差压的量程是0 o c m 水柱棚9 9 c m 水柱，精度要求是0 i c m 水柱；重量的量程是o g 一9 9 9 9 9 ，精度要求是2 0 9 ；时间的量程是0 9 9 9 s ， 精度要求是0 o s s 。 单片机测量系统包括硬件设计和软件设计。 3 1测量仪器硬件设计 3 1 1测量仪器硬件结构设计 测量仪器结构框图如图( 3 - - 1 ) 所示： l 单 慰器一放大r模 a 片 拟 ， 机 开 d + 称重传ll 差分l 关 转 感器h 放大t - - 换 计 时 i 1 器 i 捧水泵i + l i 曼淹棒制l 控制信号 i 图( 3 - i ) 测量仪器结构框图 差压传感器、重量传感器分别将差压信号和重量信号转换成电信号， 经过差分放大电路，通过模拟开关进行通道切换，模拟开关的切换由单片 机控制，信号被a d 转换器转换为数字信号，进入单片机后，进行简单处 理( 如计算等) 后，进行显示和存储，并可通过串行接口电路传输到上位 西安理工大学硕士学位论文 计算机中进行复杂处理。时间是用单片机中的计数器定时器t o 来测量 的，控制信号由对抽屉的推拉操作产生。实验者使用键盘可进行各种操作 如复位、测量、参数输入、数据发送、数据浏览、数据删除、开泵放水等 等。 3 1 2 测量仪器硬件设计分析 a 、电源设计 本系统中设计了两套独立的直流稳压电源，分别提供给模拟电路和数 字电路，电源电压为5 v ，地和+ 5 v ，地。电源电路参见附录3 电源板。 2 2 0 v 交流电源电压经过变压器降为9 v 交流电压，经过单相桥式整流电路 变换为9 v 单型脉动直流电压，然后经过电容滤波电路滤去其中的交流成 分，并通过集成稳压器7 8 0 5 和7 9 0 5 生成5 v 稳定的直流电压。 b 、称重传感器转换电路设计 本系统中使用的称重传感器为应变式传感器，采用直流电桥电路将重 量信号转换为电信号。电路图如图( 3 - - 2 ) 所示( r 为r ，e 为电源，u 为 输出) 。为了提高电桥灵敏度，抑制干扰信号，并进行温度补偿，本系统 采用四等臂电桥。采用直流电桥的优点是高稳定度直流电源易与获得，电 1 4 图( 3 2 ) 称重传感器转换电路 第3 章单片机测量系统设计 桥调节平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线的分布参数影响小 等。 c 、差压传感罱 差压传感器采用美国霍尼韦尔公司生产的4 e f 6 d 型号的差压传感器 测量精度为0 5 。性能良好，能很好地满足测量要求。 d 、差分放大电路设计 差压传感器和称重传感器出来的信号很小，需要进行电压放大，本系 统采用高共模抑制比的差动放大器。电路参见附录i 主板。调节电位器， 可改变电压放大倍数。选用的0 p a 2 2 7 7 运算放大器具有高精度、低噪声、 高共模抑制比等优点。 e 、模拟开关的选择 本系统采用双四路模拟开关c c 4 0 5 2 ，将差压放大信号和称重放大信号 分别接到) ( o 和x ，i n h 控制端接地，b 端接地，a 端接到单片机的一条i o 线上。具体电路参见附录l 主板。当a = o 时，x 0 接通；当a = i 时，x 接 通。 f 、时钟电路设计 时钟电路是给c p u 和a d c 提供时钟信号。为得到频率稳定度较高的时 钟脉冲，本系统设计了石英晶体振荡器。晶振频率为1 2 m h z 。产生的 1 2 m h z 的时钟信号提供给c p u ，经过计数器6 4 分频为1 8 7 5 k h z ，提供给 a d c 。电路参见附录1 主板。 西安理工大学硕士学位论文 g 、a d g 的选择 a d 转换器按工作方式可分为积分型、逐次逼近型和多次比较型等。 双积分型转换精度较高，对共模干扰抑制能力强，故选择双积分型a d 转 换器。双积分a d 转换器的工作原理是将电压量转换成与其平均值成正比 的时间间隔，然后用脉冲发生器和计数器测量该时间间隔，从而反应出电 压量的数值。t c l 7 1 3 5 是目前国内市场上广泛流行的单片集成4 位半双积 分a d 变换器，具有自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位 扫描b c d 码输出、自动量程控制信号输出、价格低等特点，广泛应用于微 控制器的应用系统和各种精度较高的数字仪器等领域。i c l 7 1 3 5 分辨率 高，为4 位半。因此，本系统选用i c l 7 1 3 5 。电路连接参见附录i 主板。 h 、单片机的选择 本系统采用目前国内市场上广泛流行的8 位单片机8 9 c 5 1 ，基本特性 如下： 8 位c p u ，片内振荡器；4 k 的e e p r o m ，1 2 8 b 的片内r a m ；2 1 个特殊功 能寄存器：3 2 根i o 线：可寻址各6 4 k 的外部数据、程序存储器空间；2 个1 6 位的定时器计数器；中断结构：具有两个优先级、五个中断源；一 个全双工串行口；有位寻址功能，适于布尔处理的位处理机。电路连接参 见附录1 主板。 、实验时间的测量 利用8 9 c 5 1 中的t 。定时器计数器测量实验时间。拉出抽屉作为时间 测量的起点，推进抽屉作为时间测量的终点。采用方式l ，即把t 。作为1 6 位计数器。当工作处于定时状态时，定时计数器是计数机器周期，每个 机器周期包括1 2 个振荡周期，本系统中采用1 2 m h z 的晶振频率，所以有 l 机器周期= 1 2 晶振频率= 1 2 ( 1 2 1 0 6 ) = i g s 第3 章单片机测量系统设计 有 设计数器位数为n ，定时时间为t 。，机器周期为t 。计数初值为x ，则 t 。= t ，术( 2 0 x ) 本系统中，计数器位数为1 6 ，定时时间为0 0 5 s ，则计数初值 x = 2 “一t 。t p _ 2 ”- 0 0 5 s i 肛s = 1 5 5 3 6 = 3 c b o h 所以l 计数器高8 位t = 3 c h ，低8 位t l 。= o b o h 。 j 、1 2 c 存储器 在单片机系统中广泛使用e 2 p r o m 作为数据存储器。本系统采用了i2 c 总线器件a t 2 4 c 0 2 ，来存储实验结果。i 总线是一种结构简单的串行总 线，一条数据线，一条时钟线。在1 2 c 总线上传送的一个数据字节由八位 组成。总线对每次传送的字节数没有限制，但每个字节后必须跟一位应答 位。数据传送首先传送最高位( m s b ) 。首先由主机发出启动信号，然后由 主机发送一个字节的数据。启动信号后的第一个字节数据具有特殊含义： 高七位是从机的地址，第八位是传送方向位，0 表示主机发送数据( 写) ，l 表示主机接收数据( 读) 。被寻址到的从机设备按传送方向位设置为对应工 作方式。标准1 2 c 总线的设备都有一个七位地址，所有连接在i 总线上 的设备都接收启动信号后的第一个字节，并将接收到的地址与自己的地址 进行比较，如果地址相符则为主机要寻访的从机，应发出应答。第一字节 是通用呼叫地址，第二字节开始即数据字节。数据传送完毕，由主机发出 停止信号。a t 2 4 c 0 2 存储容量为2 5 6 8 b 。电路连接参见附录l 主板。 k 、键盘设计 键盘是实验者和仪器的操作接口。键盘的电路设计参见附录2 显示 板。有两条信号线，一条时钟线和一条数据线。只有当键按下时，该键所 在的数据位为低电平。7 4 l s l 6 5 是并行输入、串行输出的8 位移位寄存 7 西安理工大学硕士学位论文 器，将各键的高低电平传送给8 9 c 5 1 ，8 9 c 5 1 通过读键程序判断按下的是 哪个键，然后进行与键的定义相一致的操作。本系统中，要求有测量( 测 量切换键) 、浏览( 浏览切换键、上键、下键、确定键、删除键) 、数据 发送( 数据发送切换键、数据输入上键、下键、左键、右键、确定键) 、 放水( 放水键) 、复位( 复位键) 、记录清除( 清除键) 等功能，设计了 8 个键实现以上功能。 i 、显示设计 本系统中要显示的基本内容为差压、流量和时间。重量的量程是 0 9 9 9 9 9 9 ，再加上一个符号位，共需5 个数码管。差压的量程是0 0 c m 水 柱9 9 9 c m 水柱，再加上一个符号位，共需4 个数码管。时间的量程是 0 胡9 9 s ，无符号位，共需3 个数码管。所以，总共需要1 2 个数码管。显 示部分的电路参见附录2 显示板，也是两条信号线，一条时钟线和一条数 据线。在时钟的作用下，8 9 c 5 1 将显示缓冲区中待显示的数据通过数据线 传送给7 4 l s l 6 4 ，7 4 l s l 6 4 是串行输入、并行输出的8 位移位寄存器，将 数据向高位传输，驱动数码管显示。 m 、串口设计 串口用以实现单片机与上位机的数据通信。8 9 c 5 1 芯片的内部有一个 全双工的串行口，输入输出均为r r l 电平，抗干扰性差，传输距离短。为 了提高串行通讯的可靠性，增大通讯距离，本系统采用r s 一2 3 2 c 标准串行 接口。由于t t l 电平和r s - 2 3 2 c 电平互不兼容，所以两者接口时，必须 进行电平转换。r s - 2 3 2 c 和t t l 的电平转换最常用的芯片是m a x 2 3 2 。接 口电路参见附录1 主板。 第3 章单片机测量系统设计 3 2 测量仪器软件设计 测量仪器软件使用汇编语言编写，流程图如图( 3 - - 3 ) 示。 开机或按复位键后，单片机将按以下流程执行程序。首先进行初始 化，包括堆栈的设置，标志位的初始化，初始显示的设置等。然后读键， 判断按下的是哪个键，并执行相应操作，操作结束后继续读键：如没有键 按下则继续读键。测量仪器面板上，设计了八个键：a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，h 。 功能定义如下： a 一一复位键。在任何情况下按该键都可执行复位功能。 b 一浏览左键。发送实验数据时，需要输入实验仪器号、实验类型 号、学号、零差压和温度等参数，使用该键可使输入焦点向左移， 从而逐位确定数值：不发送实验数据时，按该键可进入浏览实验数 据状态。 c - - - 放水右键。发送实验数据时，需要输入实验仪器号、实验类型 号、学号、零差压和温度等参数，使用该键可使输入焦点向右 移，从而逐位确定数值；不发送实验数据时，按该键可排放容器中 的水。 d 清除确定键。发送实验数据时，需要实验仪器号、实验类型号、 学号、零差压和温度等参数，每一项输入完毕后，按该键可切换到 下一项的输入，所有项都输入完毕，按该键即可进行数据发送；浏 览实验数据时，按该键可显示与实验记录号对应的实验记录数据： 既不发送实验数据又不浏览实验数据时，按该键可清除1 2 c 中所有 实验数据。 西安理工大学硕士学位论文 e 一一上键。在浏览实验数据时，按该键可显示上一记录号；发送实验数 据时，按该键可使正输入的数据位上的数据数值减一。 f 一下键。在浏览实验数据时，按该键可显示下一记录号；发送实验数 据时，按该键可使正输入的数据位上的数据数值加。 g 一删除发送键。浏览实验数据时，按该键可删除当前记录号对应的 记录；不浏览实验数据时，按该键可切换到发送数据，进行数据输 入。 h 一测量键。按该键可切换到测量状态。 苎主曼韭量型兰堂坚一 i 黼t m * 女m & 目 第3 章单片机测量系统设计 c 清除，确定键功能实现流程图 图( 3 - 6 ) 清礴，随定键功能实现流程图 墨堕苎型堕堕墨苎墅l 一 o t t 自* $ 月* s 目 苎! 里! ! ! ! 主! 些! 主一 f i n * i t n 女目 曼坚兰塑堕墨篓堂生一 口1 1 1 i 3 * 女& 目 第4 章串行通信网络设计 第4 章串行通信网络设计 本系统中设计串行通信网络来实现2 5 台测量仪器和上位计算机之间 的数据传输。 4 1串行通信硬件设计。 图( 4 1 ) p c 机与多单片机串行通讯硬件系统图 西安理工大学硕士学位论文 串行通讯最常用的接口标准是r s 一2 3 2 c 和r s - 4 8 5 。r s - 2 3 2 c 与r s - 4 8 5 相比，控制简单，调试容易，因此我们采用r s 一2 3 2 c 。但r s 一2 3 2 c 只适用 于一对一( 即一个驱动器，一个接受器) 的情况，因此我们采用通道切换 的方法来实现一对多的通讯。硬件系统如图( 4 - - 1 ) 所示： 4 0 5 2 是双四选一模拟开关，当其控制信号及8 2 5 5 的两条i o 线为0 0 时，选择通道o ；当其控制信号为0 1 时，选择通道1 ：当其控制信号为l o 时，选择通道2 ；当其控制信号为儿时，选择通道3 。4 0 9 7 是双八选一模 拟开关，有三条控制信号，由8 2 5 5 的三条i o 线提供，连接8 个单片机 串口，当控制信号为0 0 0 时，选择第一个单片机；当控制信号为1 1 l 时， 选择第八个单片机：其余以此类推。第2 5 台单片机直接连在4 0 5 2 的一个 通道上。要选择一台单片机进行通讯，首先要确定4 0 5 2 的控制信号，然 后确定4 0 9 7 的控制信号。 a 串行接口芯片8 2 5 0 串行传送数据是一位一位依次顺序传送的，而计算机处理数据是并行 的。所以当数据由计算机送至数据终端时，首先将并行数据转换为串行数 据再传送；而在计算机接收由终端送来的数据时，要先把串行数据转换为 并行数据才能送入计算机处理。通用异步收发器8 2 5 0 就是用来完成这种 串并转换的芯片。 。 b 可编程并行接口芯片8 2 5 5 本系统中用8 2 5 5 中的几条i o 线作为模拟开关4 0 5 2 的控制线，具体 电路参见附图。8 2 5 5 采用简单的输入输出方式即0 方式。 c 地址译码电路的设计 地址译码电路产生8 2 5 0 ，8 2 5 5 的选通信号。用户可用的地址范围为 3 0 0 h 一3 1 f h ，设8 2 5 0 的地址为3 0 0 h 一3 0 7 b ，8 2 5 5 的地址为3 0 8 h 一3 0 b h 。本 第4 章串行通信网络设计 系统中，采用可编程逻辑器件g a l l 6 v 8 来设计地址译码电路。g a l 器件具 有如下特点： ( 1 )实现多种逻辑功能，经过编程可以构成多种门电路触发器、 寄存器、计数器、比较器、译码器、多路开关或控制器等。据 统计，一个g a l 器件在功能上可以代替4 - 1 2 个中小规模集成 芯片，从而使系统缩小体积，提高可靠性，并简化了印刷电路 板的设计。 ( 2 )采用高速电擦电写工艺，因而器件的逻辑功能可以重新配置， 使产品开发研制的理想工具。 首先，根据g a l 应实现的逻辑功能，写出“与一或”形式的逻辑方 程，并按照设计说明文件的格式，编写输入文件，然后使用冈汇编程序 生成相应的编程代码文件，然后用编程器将编程代码文件写入6 a l 。地址 译码电路参见附图。 4 2串行通信软件设计 串行通讯中，通讯协议很关键。所谓通信协议是指通信双方的一种约 定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式 以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此， 也叫做通信控制规程，或称传输控制规程。需要根据实际情况制定出详 细、正确、可靠的通讯约定。当p c 机通过8 2 5 5 将通道切换给某一单片机 时，p c 机与该单片机之间开始通讯。本系统中p c 机和单片机均采用查询 的方式，数据格式为1 位起始位，9 位数据位，1 位停止位，每帧为1 1 位，异步传送，波特率为3 0 0 b p s 。t b 8 和r b 8 用来表示第九位数据，作为 地址帧数据帧的标志位，当t b s r b s - - 1 时，表示要发送的或接收到的是 地址：当t b 8 r b 8 = o 时，表示要发送的或接收到的是数据。 首先进行通讯测试，单片机向p c 机发送本机地址，若p c 机在规定时 间内收到地址信号，则回发给单片机。若单片机在规定时间内未接收到p c 3 0 西安理工大学硕士学位论文 机回发给单片机的地址，或与本机地址比较不相同，则单片机重复两次发 送本机地址，若仍未在规定时间内收到与本机地址相同的地址，则单片机 显示错误提示信息，并退出程序。若p c 机在规定时间内未收到地址信 号，则对8 2 5 5 写值，切换到下一通道。若单片机在规定时间内收到的地 址信号与本机地址比较相同，则表明握手成功，两者之间可进行正