智能流量控制器设计与制作

本科生课程设计 论文 摘 要 本次课设设计了一款智能流量控制器 本产品主要是用AT89S51进行控制 流量传感器采用涡轮式传感器 其输出的脉冲信号经过滤波整形电路后进入单片 机 再送入LED显示 通过两个独立按键分别控制瞬时流量显示和总流量显示 电磁阀的开度是通过PWM电路控制 用两个独立按键控制电磁阀的开关档位 关键词 单片机 智能流量 显示 本科生课程设计 论文 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2 1 设计任务及要求 2 2 2 系统的方案论证 2 2 2 1 单片机芯片型号选择 2 2 2 2 显示模块选择 3 2 2 3 传感器的选择 3 2 3 系统总框图 3 2 4 按键示意图 4 第 3 章 硬件设计 5 3 1 单片机的时钟电路 5 3 2 单片机的复位电路 5 3 3 LED 显示系统电路 6 3 4 流量传感器的选择 7 3 5 滤波整形电路 7 3 6 PWM 驱动电路 8 3 7 电磁阀的选型 8 3 8 系统原理图 9 第 4 章 软件设计 10 4 1 系统总流程图 10 4 2 系统程序 11 4 3 端口分配说明 11 第 5 章 课程设计总结 12 参考文献 13 附录 14 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 城镇供水流量控制系统是极其重要系统 确保其安全可靠地运行和正确有效 地管理具有重大意义 在保证供水水质和水量安全可靠的前提下 准确的检测供 水流量和控制自来水流量的大小尤其重要 为了检测自来水流量系统的社会效益 和经济效益 采用现代化的技术手段 先进的控制理论来提检测技术 运用计算 机技术对城市用户供水流量检测系统进行管理 监控和优化调度势在必行 我国家用自来水流量自动化控制系统的发展过程可分为三个阶段 第一阶段 是分散控制阶段 该时期自来水流量各部分分别进行自动控制 各独立系统互不 相关 第二阶段是自来水流量综合自动化阶段 在该时期整个自来水流量控制作 为一个综合自动化控制系统进行生产 同时各个独立子系统又可以独立工作 该 系统共享整个水厂的信息 同时又有分散控制的可靠性 现阶段大部分流量控制 处于此阶段 第三阶段是供水系统的综合自动化阶段 该阶段要求在一个区域的 供水企业共享信息 实现整个城市或地区供水系统的自动控制 目前我国的中小 型水厂大部分处于第一或第二阶段 只有很少大型水厂达到了第三阶段 在国外 如加拿大 美国等发达国家基本实现了供水系统的全自动化 而且开始进行分质 供水 同时对水厂内部的自控系统也在不断地进行改进和提高 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 课程设计的方案 2 1 设计任务及要求 通过流量传感器和单片机实现家用自来水流量的自动计量 显示和阀门的 自动控制 按下显示按键 可显示用户的瞬时流量和天 周 月 年的累积流 量 显示 10 秒后 自动消隐 按下流量控制键 用户通过输入流量等级 共 分为 10 级 等级越高 阀门开度越大 控制自来水的流量 技术参数 1 管道通径 DN10 50 流速范围 0 1 15m s 2 流量检测误差 1 3 瞬时流量显示 4 位有效数字 最大 累积流量显示 8 位有效数字 4 阀门 电磁阀 输入信号 DC 4 20mA 2 2 系统的方案论证 2 2 1 单片机芯片型号选择 在多数电子设计当中 基于性价比的考虑 8 位单片机仍是首选 目前 8 位 单片机在国内外仍占有重要地位 在 8 位单片机中又以 MCS 51 系列单片机及 其兼容机所占的份额最大 MCS 51 的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化 设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型 他们只需将重点放 在芯片内部资源的比较上 在以前的电子设计中 应用比较广泛的单片机是 AT89C51 单片机了 但是 该单片机最致命的缺陷在于不支持 ISP 功能 Atmel 公司目前已经停止了 AT89C 51 生产 51 单片机必须加上 ISP 功能才能更好延续 MCS 51 的传奇 AT89S51 就是在这样的背景下诞生的 目前 AT89S51 已经成为了实际应用市场上的新宠儿 89S51 在工艺上进行了改进 它采用 0 35 mm 新工艺 不但降低成本了 而且 增加了功能 提升了单片机性能 提高了市场竞争力 AT89S51 新增了许多功能 性能也有了较大的提升 但是价格仍旧与 AT89C 51 的价格一致 新增的功能之中最具有影响力的就是 ISP 在线编程功能 这个功 能的优势在于 改写单片机 Flash 存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥 离 是一个强大易用的功能 本科生课程设计 论文 3 显然 AT89S51 在性能上比 AT89C51 要优良得多 因为它不但在 AT89C51 的基础上增加了许多功能 而且价格基本没有提高 所以在器件选择的时候首先 排除 AT89C51 对于市场上的另外一种比较流行的单片机 C8051F 尽管它在性 能 功能上都要比 AT89S51 优良很多 但是它的价格是 S51 的数倍 本系统使 用 S51 已经完全能够实现所需要的功能 基于成本的考虑 放弃 C8051F 选择 AT89S51 作为本系统的主控单元 2 2 2 显示模块选择 本设计要求显示 8 位数字 可由以下方案完成 方案一 采用 LCD 液晶显示屏 液晶显示屏的显示功能强大 可显示大量文字 图形 显 示多样 清晰可见 但是价格昂贵 需要的接口线多 所以在此设计中不采用 LCD 液 晶显示屏 方案二 采用点阵式数码管显示 点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成 对 于显示文字比较适合 如采用在显示数字显得太浪费 且价格也相对较高 所以也不 用此种作为显示 方案三 采用 LED 数码管动态扫描 LED 数码管价格适中 对于显示数字最合适 而且采 用动态扫描法与单片机连接时 占用的单片机口线少 所以采用了 8 位 LED 数码管作为显示 2 2 3 传感器的选择 本次课设选择的流量传感器是涡轮传感器 涡轮流量传感器是精密流量测量 工具之一 基本误差小 量程比宽 动态特性好 时间常数小 可测量脉动流量 耐高压及压力损失小 使用温度范围宽 可输出数字信号 便于与微机或数字电 路接口 有较强的抗干扰能力 广泛应用于测量液体瞬时流量或总量 由于其他 流量传感器输出信号大多为电信号 还需经滤波放大进入 AD 转换 花费高 精 度差 所以选择涡轮传感器来进行本次课设的流量检测 2 3 系统总框图 该系统从涡轮传感器检测水的流量 其输出脉冲信号经过滤波整形电路进入 单片机进行换算并累计 转换后的信号送入 LED 数码管上显示流量值 并通过 本科生课程设计 论文 4 控制 PWM 电路来控制电磁阀门的开度档位变换 用四个独立按键来控制瞬时流 量 总流量 阀门开大和阀门开小四个功能 系统总框图如图 3 1 所示 涡 轮 传 感 器 滤波 与整 形电 路 AT89s 51 8 位 数码 显示 电路 PWM 电路 电 磁 阀 按 键 图 2 1 系统总框图 2 4 按键示意图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 7 Jan 2011 Sheet of File C PROG RAM FILE S PROT EL 99SE 一一一 EXAM PLES BACKUP 16 DDBDrawn By 一一一一一一 一一一一一 一一一一一一 一一一一一一 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 图 2 2 按键示意图 本科生课程设计 论文 5 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date 5 Jan 2011 Sheet of File C PROG RAM FILE S PROT EL 99SE 一一一 EXAM PLES BACKUP 11 DDBDrawn By R1 200 R2 1K 22uF VCC RESER0 第 3 章 硬件设计 3 1 单片机的时钟电路 AT89S51 单片机内部的振荡电路是一个高增益反向放大器 引线 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入端和输出端 单片机内部虽然有振荡电路 但要形成 时钟 外部还需附加电路 AT89S51 的时钟产生方式有两种 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 5 Jan 2011 Sheet of File C PROG RAM FILE S PROT EL 99SE 一一一 EXAMPLES BACKUP 11 DDBDrawn By 30pF 30pF12MHz 图 3 1 片内振荡电路的时钟电路 内部时钟电方式和外部时钟方式 由于外部时钟方式用于多片单片机组成的系统 中 所以此处选用内部时钟方式 即利用其内部的振荡电路在 XTAL1 和 XTAL2 引线上外接定时元件 内部振荡电路产生自激振荡 最常用的是在 XTAL1 和 XTAL2 之间接晶体振荡器与电路构成稳定的自激振荡器 如图 3 电路所示为单片 机最常用的时钟振荡电路的接法 其中晶振可选用振荡频率为 12MHz 的石英晶 体 两个电容器一般选择 30PF 左右 3 2 单片机的复位电路 图 3 2 AT89C51 的复位电路 本科生课程设计 论文 6 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 7 Jan 2011 Sheet of File C PROGRAM FILES PROTEL 99SE一一一 EXAMPLES BACKUP 16 DDBDrawn By OC 1 C 11 1D 2 2D 3 3D 4 4D 5 5D 6 6D 7 7D 8 8D 9 1Q 19 2Q 18 3Q 17 4Q 16 5Q 15 6Q 14 7Q 13 8Q 12 U1 74HC573 OC 1 C 11 1D 2 2D 3 3D 4 4D 5 5D 6 6D 7 7D 8 8D 9 1Q 19 2Q 18 3Q 17 4Q 16 5Q 15 6Q 14 7Q 13 8Q 12 U2 74HC573 a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp P2 6 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P2 7 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 本设计中 AT89S51 是采用上电自动复位和按键复位两种方式 最简单的复位 电路如图 3 2 所示 上电瞬间 RC 电路充电 RST 引线端出现正脉冲 只要 RST 端保持 10ms 以上的高电平 就能使单片机有效地复位 其中 R1 和 R2 分别 选择 200 和 1K 的电阻 电容器一般选择 22 F 3 3 LED 显示系统电路 由于系统要显示的内容比较简单 显示量不多 所以选用数码管既方便又经 济 一位显示器由 8 个发光二极管组成 其中 7 个发光二极管构成字型 8 的各个 笔划 段 a g 另一个小数点为 dp 发光二极管 当在某段发光二极管施加一 定的正向电压时 该段笔划即亮 不加电压则暗 为了保护各段 LED 不被损坏 需外加限流电阻 各发光二极管是否点亮取决于 a dp 各引脚上是否是高电平 图 3 3 8 位数码显示 驱动 LED 的是 74HC573 锁存器 U1 用来控制位选信号 U2 用来控制段选信 号 通过控制两个芯片的片选为来实现数码管的动态扫描显示方式 本科生课程设计 论文 7 3 4 流量传感器的选择 LWGY系列涡轮流量传感器基于力矩平衡原理 属于速度式流量仪表 传感 器为硬质合金轴承止推式 不仅精度高 复现性好 反应灵敏 耐磨性能高 而 且具有结构简单 牢固以及安装维护使用方便等特点 广泛用于供水 造纸等行 业 是流量计量和节能的理想仪表 在测量范围内 传感器输出的脉冲频率信号与流体的体积流量成正比 这个 比值即为仪表系数用K表示 K f Q 式中 f 脉冲频率 Q 体积流量 m 3 h或L h 每台传感器的仪表系数由制造厂填写在检定证书中 k 值设入配套的显示仪 表中 便可显示出瞬时流量和累积总量 主要技术参数 1 基本参数 见表3 1 2 介质温度 20 120 3 环境温度 20 50 4 传输距离 传感器至显示仪表的距离可达500m 5 防爆等级 Exib BT4 7 供电电源 直流 12V 24V 6 精确度 0 5 1 表3 1 基本参数 产品型号公称通径 mm 流量范围 m3 h 最大工作压力 MPa 仪表系数 K 1 L 参考值 LWGY 25251 106 3210 0 3 5 滤波整形电路 涡轮流量仪的关键在于频率量的获取 频率信号电容 C1 滤波 再通过 电阻 R1 引入电压比较器 电压比较器 LM258 的主要特点是 输入阻抗高输 出阻抗低 其输出信号经 74LS14 整形送入单片机 T0 端口 电路原理图如图 3 4 所示 本科生课程设计 论文 8 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 1 Nov 2010 Sheet of File C PROGRAM FILES DESIGN EX PLORE R 99 SE EXAMPL ES MyDesign ddbDrawn By M VCC Ub1 Ub3 Ub2 Ub4 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 5 Jan 2011 Sheet of File C Documents and Settings Administrator 一一 Sheet1 DDBDrawn By 0 1uF C1 100k R1 10K 10K LM258 VCC 100K 74LS14 IN T0 图 3 4 滤波整形电路 3 6 PWM 驱动电路 图 3 5 为 H 形双极式 PWM 驱动电路 它由四个大功率晶体管和四个续 流二极管组成 从单片机中输出恒定占空比的脉冲来控制电动机匀速的正反 转 从而控制电磁阀的开度增大或减小 图 3 5 PWM 驱动电路 3 7 电磁阀的选型 电磁阀我选择余姚市永创二位二通直动式电磁阀 编号 YCSM32 本科生课程设计 论文 9 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 5 Jan 2011 Sheet of File C PROGRAM FILES PROTEL 99SE一一一 EXAMPLES BACKUP 11 DDBDrawn By 0 1uF C1 100k R1 10K 10K LM258 VCC 100K 74LS14 T0 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RESET 9 RXD 10 TXD 11 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 WR 16 RD 17 X2 18 X1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 AT89S51 30pF 30pF12MHz R1 200 R2 1K 22uF VCC RESER0 RESET0 一一一一一一一一一 T0 a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp OC 1 C 11 1D 2 2D 3 3D 4 4D 5 5D 6 6D 7 7D 8 8D 9 1Q 19 2Q 18 3Q 17 4Q 16 5Q 15 6Q 14 7Q 13 8Q 12 U1 74ALS573 OC 1 C 11 1D 2 2D 3 3D 4 4D 5 5D 6 6D 7 7D 8 8D 9 1Q 19 2Q 18 3Q 17 4Q 16 5Q 15 6Q 14 7Q 13 8Q 12 U2 74ALS573 a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp a bf c g d e DPY a b c d e f g dp dp P2 7 P2 6 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 VCC M VCC U1 U2 U3 U4 100K 5V P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P2 6 P2 7 10K 10K 10K 10K VCC 产品特性 直动式结构 开闭可靠 速度快 长寿命 使用介质 空气 水 蒸汽 热水 真空及其它气体等 工作压力 0 0 1 20MPa 阀体材料 黄铜或不锈钢 sus304 可提供 sus316 材质 连接尺寸 1 8 1 4 3 8 G 螺纹 NPT 螺纹 通径 mm DN 16 25 30 25 30 35 40 选用电压 DC 12V 24V AC 220V 110V 24V 50HZ 线圈类型 S21B H 22VA AC 15W DC IP65 100 ED 3 8 系统原理图 系统原理图如图 3 6 所示 图 3 6 系统原理图 本科生课程设计 论文 10 第 4 章 软件设计 4 1 系统总流程图 图 4 1 为系统总流程图 涡轮传感器检测 流量 输出脉冲 滤波整形电路 单片机执行流量瞬 时值与总值统计 并存入内存单元 8 位 LED 数码显示PWM 电路控 制阀门开度 显示按键 是否按下 控制阀门开度按 键是否按下 等待按键控制 是 是 否 否 开始 图 4 1 系统总流程图 本科生课程设计 论文 11 4 2 系统程序 由 Q f K 得到流量值 则瞬时流量 QL0 等于 INT0 口检测到的脉冲频率除以 210 每段时间的总流 QL1 量等于瞬时流量相加 系统分为两部分显示 当按键 1 按下时显示的是瞬时流量值 4 位有效数字 保留 1 位小数 当按键 2 按下时 显示的总流量值 8 位有效数字 保留 2 位小数 由单片机的 P2 5 口输出一频率 恒定的脉冲 则所控制的电动机转速 正传或反转 一定 通过测试 当电动机 在此频率下转 10s 时 电磁阀由全关到全开 所以根据课设要求将阀门开度分为 10 档 电动机每转 1s 电磁阀开度相对变化一档 按键 3 按下时是使阀门开大一 档 按键 4 按下时是使阀门关小一档 4 3 端口分配说明 表 4 1 端口分配说明 单片机端口名称作用说明 P1 0 口瞬时流量显示按键 P1 1 口总流量显示按键 P1 2 口电磁阀开大按键 P1 3 口电磁阀开小按键 P0 口数码管显示 P2 6 口数码管段选信号 P2 7 口数码管位选信号 P2 5 口PWM 输入信号 P3 4 口流量脉冲输入端口 本科生课程设计 论文 12 第 5 章 课程设计总结 本次课设设计了一种基于单片机控制的低成本 高可靠性流量统计式智能 流量控制器 通过使用涡轮流量传感器 将用户实际用水量转化为电脉冲 送 入单片机 再送入显示单元 实现可观察 并通过单片机控制电磁阀的开度来调 节流量的大小 从而实现智能流量控制 该系统集成度高 可靠性强 功耗低 结构简单 可较长期工作而需检验 但安装复杂 计算繁琐 随着测量对象的日 益增多 对流量的测量和控制也提出了更多更具体的要求 许多流量测量的疑难 问题需要解决 本科生课程设计 论文 13 参考文献 1 刘勇 数字电路 北京 电子工业出版 M 2004 2 陈正振 电子电路设计与制作 广西交通职业技术学院信息工程系 M 2007 3 杨子文 单片机原理及应用 西安电子科技大学出版社 M 2006 4 王法能 单片机原理及应用 科学出版 M 2004 5 何立民 单片机高级教程 北京 北京航空航天大学出版社 M 2000 6 张齐 杜群贵 单片机应用系统设计技术 北京 电子工业出版社 M 2004 本科生课程设计 论文 14 附录 总程序如下所示 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar code table1 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f uchar count1 count2 count3 flag aa bb cc dd ee ff gg hh aa1 bb1 cc1 dd1 float QL0 QL1 sbit zkb P2 5 sbit duan P2 6 sbit wei P2 7 sbit key1 P1 0 sbit key2 P1 1 sbit key3 P1 2 sbit key4 P1 3 void init TMOD 0 x11 TH0 0 x3C TL0 0 xB0 TH1 65536 50000 256 TL1 65536 50000 256 EA 1 IE0 1 IT0 1 TR0 1 TR1 1 本科生课程设计 论文 15 void delay uint z int x y for x 100 x 0 x for y z y 0 y void zkb zkb 1 delay 80 zkb 0 delay 20 void zkb1 zkb 1 delay 20 zkb 0 delay 80 void display1 uchar aa1 uchar bb1 uchar cc1 uchar dd1 duan 1 P0 table1 aa1 duan 0 wei 1 P0 0 xfe wei 0 delay 1 本科生课程设计 论文 16 duan 1 P0 table1 bb1 duan 0 wei 1 P0 0 xfd wei 0 delay 1 duan 1 P0 table1 cc1 duan 0 wei 1 P0 0 xfb wei 0 delay 1 duan 1 P0 table1 dd1 duan 0 wei 1 P0 0 xf7 wei 0 delay 1 void display uchar aa uchar bb uchar cc uchar dd uchar ee uchar ff uchar gg uchar hh duan 1 P0 table1 aa duan 0 wei 1 P0 0 xfe wei 0 delay 1 本科生课程设计 论文 17 dua