毕业设计(基于单片机的流量检测系统)

李四：基于单片机的流量检测系统的设计 毕业设计（论文）材料之二（1） 某工程大学本科某工程大学本科 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 专专 业：业： 电子信息工程电子信息工程 题题 目：目： 基于单片机的流量检测基于单片机的流量检测 系统的设计系统的设计 作作 者者 姓姓 名名： 导导师师及及职职称称 ： 导师所在单位：导师所在单位： 电气工程学院电气工程学院 20122012 年年 6 6 月月 1313 日日 某某学毕业设计（论文） 某工程大学某工程大学 本科毕业设计（论文）任务书本科毕业设计（论文）任务书 20122012 届届 电气工程电气工程 学院学院 电子信息工程电子信息工程 专业专业 学生姓名：学生姓名： 毕业设计（论文）题目毕业设计（论文）题目 中文：中文： 基于单片机的流量检测系统的设计基于单片机的流量检测系统的设计 英文：英文： The Design of Flow Detection System Based On MCU 原始资料原始资料 1 谢维成、杨加国.单片机原理与应用及 C51 程序设计M.北京：清华大 学出版社，2006. 2 梁国伟、蔡武昌.流量测量技术及仪表M.北京：机械工业出版社， 2002. 3 徐晓光、潘伟;、徐康.基于单片机的涡轮流量检测仪设计J.工业控制 计算机，2008,08. 4 魏颖.基于单片机的流量检测表设计J.太原科技，2007,10. 5 苏贝、周常柱、胡松.单片机在流量测量中的应用J.微计算机信息杂志， 2005,5. 6 王玉巧、蔡晓艳.基于单片机的流量控制J.科技信息，2010,9X. 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 毕业设计（论文）任务内容毕业设计（论文）任务内容 1、课题研究的意义 流量的测量在工业领域具有广泛的应用，随着传感器技术，微电子技术、单片机 技术的发展，为流量的精确测量提供了新的手段，对流量检测技术的研究具有现实意 义。对本课题的研究与设计，训练综合运用已学课程的基本知识，独立进行单片机应 用技术和开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测的 能力。 2、本课题研究的主要内容： 由流量传感器采集流量信息，然后经过 AD 转换器将连续的模拟信号离散化后传 给单片机。单片机在系统软件的控制作用下，对输入的数据进行分析，向外部输出控 制信号，实现 LED 显示。LED 数码管显示动态的流量，同时，若流量超过上下限范围， 报警电路产生声光报警信号，提醒流量不在正常范围内，需采取相应控制。系统软件 主要包括主程序，显示程序等供主程序调用的子程序。 3、提交的成果： （1）毕业设计（论文）正文； （2）硬件电路图； （3）程序源代码； （4）一篇引用的外文文献及其译文； （5）主要参考文献的题录及摘要。 指导教师（签字） 教研室主任（签字） 批 准 日 期2012 年 01 月 0 日 接 受 任 务 书 日 期2012 年 01 月 10 日 完 成 日 期2012 年 06 月 13 日 接受任务书学生（签字） 某某学毕业设计（论文） 基于单片机的流量检测系统的设计基于单片机的流量检测系统的设计 摘摘 要要 工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物 位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。 对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低 物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。 流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。在天然气工 业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了人们的特别关注，因为在天然气的采集、处 理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中有些流量计涉及到的 结算金额数字巨大，对测量和控制准确度和可靠性要求特别高。流量计在现代农业、 水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。 本文从经济实用的角度出发，采用美国 Atmel 公司的单片机 AT89C51 作为主控芯 片与数据存储器单元，结合涡轮流量传感器，AD 转换器，四位 LED 显示，声光报警 器等，采用 C 语音编程，设计了一款可对流量进行实时检测，并具有上下限报警功能 的涡轮流量计，可实现对管道内天然气的流量的实时检测。本文详细论述了基于单片 机的流量检测系统的设计方案，主要解决系统的总体设计，硬件电路的设计以及系统 软件的设计。 关键词：关键词：AT89C51；ADC0809；流量检测；涡轮流量传感器 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 The Design of Flow Detection System Based on MCU Abstract Process control is a big field of the flow measurement and instrumentation in industrial production. Flow and temperature, pressure and thing location are together collectively referred to the four big parameters of the process control. Through these parameters ,the production process are monitoring and controlled. The accurate measurement and adjustment for fluid flow are is to guarantee the safe and economic operation, improve product quality and reduce the material consumption, to improve the economic benefit, and the scientific management foundation in the production process. The detection and control of flow is widely applied in the chemical, electrical energy, metallurgy, petroleum and other fields. As the gas industry booming now, natural gas measurement caused the people of particular concern. Because it needs millions of flow-meter in collection, treatment, storage, transportation and distribution process of natural gas, and some of these flow meter relates to the huge number of settlement amount , the measurement and control accuracy and reliability requirements are particularly high. Flow-meter have also been widely used in modern agriculture and water conservancy of flow construction, biological engineering, pipes, aerospace, military field. This article is from the economical and practical point of view, using of the United States Atmel Corporation AT89C51 microcontroller as a master chip and the data memory unit, combined with Vortex flow sensor, AD converter, four LED digital display, sound and light alarm and so on. Dominated by the C programming language, it describe a design of a turbine flow-meter which has a real-time detection of flow and the alarm function. This flow meter can realize the detection the natural gas in the pipeline. This article discusses the of flow based on SCM, mainly to solve the design of the whole system, the hardware circuit design and the design of the system software. Keywords：AT89C51,；ADC0809,；Flow Detecting；Vortex Flow Sensor 某某学毕业设计（论文） 目目 录录 引言引言1 第第 1 章章 绪绪 论论2 1.1 选题的背景和意义2 1.2 国内外研究现状及发展趋势2 1.3 研究内容及需解决的问题3 第第 2 章章 流量传感流量传感 器器4 2.1 流量计分类及优缺点4 2.2 涡轮流量计的结构与原理5 2.3 涡轮流量计的特点6 第第 3 章章 系统工作原系统工作原 理理7 3.1 总体设计7 3.2 工作原理7 3.3 元器件的选择7 3.3.1 单片机7 3.3.2 A/D转换器10 3.3.3 LED数码管14 第第4章章 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计16 4.1 传感器的设计与信号的采集16 4.2 放大电路的设计17 4.3 单片机硬件电路及其外围电路的设计18 4.3.1 系统时钟电路18 4.3.2 复位电路18 4.3.3 单片机与A/D接口19 4.3.4 单片机与LED显示的接口20 4.3.5 报警电路21 第第 5 章章 系统软件设计系统软件设计22 5.1 单片机 C 语言特 点22 5.2 主程序及流程图23 5.3 A/D 转换程序及流程图24 5.4 显示程序及流程图 25 5.5 报警程序及流程图26 第第 6 章章 抗干扰技术抗干扰技术27 6.1 干扰的来源27 6.2 硬件措施27 6.2.2 模拟量输入回路抗干扰措施27 6.2.2 长线传输的抗千扰措施27 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 6.3 软件措施27 6.3.1 插入 NOP 指 令28 6.3.2 设置软件陷阱28 6.3.3 设置看门狗28 结论与展望结论与展望29 致致谢谢30 参考文献参考文献31 附录附录 A 硬件电路图硬件电路图32 附录附录 B 程序源代码程序源代码33 附录附录 C 外文文献外文文献36 附录附录 D 外文文献中文翻译外文文献中文翻译40 附录附录 E 主要参考文献的题录及摘要主要参考文献的题录及摘要43 某某学毕业设计（论文） 插图清单插图清单 图 2-1 涡轮流量传感器结构图5 图 3-1 系统硬件结构图7 图 3-2 AT89C51 引脚图8 图 3-3 ADC0809 内部结构11 图 3-4 ADC0809 引脚图12 图 3-5 ADC0808/0809 工作时序14 图 3-6 共阴极数码管原理图与实物图15 图 4-1 霍尔元件的基本电路16 图 4-2 旋转传感器磁体设置16 图 4-3 放大器原理图17 图 4-4 系统时钟电路18 图 4-5 复位电路18 图 4-6 A/D接口电路19 图 4-7 LED接口电路21 图 4-8 报警电路21 图 5-1 程序结构图22 图 5-2 主程序流程图23 图 5-3 A/D 转换程序及流程图 24 图 5-4 显示程序及流程图25 图 5-5 报警程序及流程图26 图 6-1 RC 滤波电路27 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 表格清单表格清单 表 3-1 P3 口各位的第二功能9 表 3-2 VST和 D1D0的关系11 表 3-3 地址信号与选中通道的关系13 表 3-4 八段 LED 数码显示管字型码表15 某某学毕业设计（论文） 引言引言 流量是现代工业测量过程中的一个重要参数，人类对流体的测量具有悠久的历史。 流量检测的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统，古罗马凯撒时代已采用孔 板测量居民的饮用水水量；公元前 1000 年左右古埃及用堰法测量古尼罗河的流量；我 国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观察水量大小等等。流量仪表应用范围很 广，在工业生产、能源计量、环境保护工程、交通运输、生物技术、科学实验领域都 有涉及。 为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世，投入使用的类型有上百种。根据 其测量方法和结构原理大致分为差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、电磁流 量计、涡街流量计、科里奥利质量流量计、超声流量计、插入式流量计等。 20 世纪随着各领域对流量测量需求的牵引，使得流量计得到快速发展，尤其是微 电子技术的迅速发展，为流量计的制造技术提供各种新型的元器件，进一步推动了流 量计从机械式向智能化、模块化发展。新技术、新器件、新材料和新工艺及新软件的 开发应用，使得流量计的测量准确度越来越高，流量的测量范围越来越广。同时流量 计对测量介质的要求在降低，适用范围也越来越宽，智能化程度及可靠性得到了很大 的提高。 本设计中，将基于单片机的技术，进行一款可对流量进行实时检测，并具有上下 限报警功能的涡轮流量计的设计，该产品可实现对管道内天然气的流量的实时检测。 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 选题的背景和意义选题的背景和意义 流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。这个量用流体的体积来表示， 称为瞬时体积流量，简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质量流量，简称质 量流量。这一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值称为累积流量。 对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。流量测量的流体是 多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大 的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据测量目的， 被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保 证流量量值的正确传递。 流量的测量在热电生产、石油化工、食品卫生等工业领域具有广泛的应用。随着 传感器技术，微电子技术、单片机技术的发展，为气体流量的精确测量提供了新的手 段。充分利用单片机丰富的硬件资源，配以适当的检测接口电路，可精确测量由涡街 流量传感器或电磁流量传感器输出的代表流量大小的脉冲信号，以及气体在当地状态 下的压力、温度等模拟电压信号。由软件计算出流量，以简单的硬件结构实现了一个 高可靠性、高精度、多功能的气体流量检测系统。工业生产中过程控制是流量测量与 仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数， 人们通过这些参数对生产过程进行监视和控制。对流体流量进行正确测量和调节是保 证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学 管理的基础。 通过对本课题的研究，训练综合运用已学课程的基本知识，独立进行单片机应用 技术和开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。对 流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物 质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量的检测和控制在化工、能源电力、 冶金、石油等领域应用广泛。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其 他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染， 人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。于是数以百万计的烟气排放点 和污水排放口都成了流量测量对象。同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系统 进行仿真与试验。 1.2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 17 世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以 后，18、19 世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、 文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。20 世纪由于过程工业、能量计量、城市公用 事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的 飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称 已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。 某某学毕业设计（论文） 我国近代流量测量技术发展比较晚，早起所需的流量仪表均从国外进口。中国流 量仪表制造业从上世纪30年代中期以仪表修配开始，到解放前后在上海、天津等沿海 地区形成了现代流量仪表的民族工业。到改革开放前，经历了仿制、统一设计、自行 研究开发过程，目前已近初具规模，基本上能满足中等水平流量仪表的需要。改革开 放以来又经历了技术引进，与国际先进技术企业合资、合作，仪表性能和水平有了很 大提高。近年国际主流企业纷纷在中国建立生产基地，既增强了研发能力也增添了竞 争因素，现在我国流量计产品已很全面，基本覆盖所有行业，满足各行业产生需要， 技术革新较快，但在产品生产工艺上仍然有很大提高的空间。 流量显示仪表的发展经过了机械运算记录图表式，模拟运算机械计数式，简单逻 辑运算数显示和微处理器运算及多功能数字显示四个过程。自从单片机出现后，各种 各样的智能流量显示仪不断出现，取代了原有的传统的机械式或者纯模拟、数字电路 构成的流量显示仪。智能流里显示仪以单片机为核心可以进行各种流最计算、累加、 显示等功能。流量显示仪具有使用方便、工作可靠、可进行补偿计算等优点。从上世 纪80年代以来，各种智能流量显示仪就不断出现，功能也不断拓展、完善。智能流量 显示仪正朝着低功耗、智能化、网络化、多功能方向发展。具体来说，智能流量显示 仪可以实现流量及其它信号的采集、流量计算累加及补偿计算、数据示、数据远程传 愉及打印等功能。根据用户的不同需要，开发人员可以设计出具有不同功能的智能流 量显示仪，软件编程非常灵活。 1.3 研究内容及需解决的问题研究内容及需解决的问题 本文主要研究的是基于单片机的流量检测系统的设计，实现对管道内天然气的流 量的检测，并将流量值实时显示在 LED 数码管上，且如果流量值超过上下限范围，即 调用报警系统，实现声光报警。 本文详细论述了该设计的具体方案，主要解决系统的总体设计，硬件电路的设计 以及系统软件的设计。其中硬件电路设计包括单片机最小系统、流量传感器的设计、 放大器的设计、AD 转换器接口设计、LED 显示接口设计、报警器设计等，软件设计 包括主程序、信号采集与 AD 转换程序、显示程序及报警程序。由于实际应用中传感 器输出的信号比较微弱，易受到内部干扰及外部干扰的影响，所以在设计结尾描述了 一些抗干扰措施。 一个产品的具体设计是复杂与艰巨的，设计的好坏直接影响到工业生产的效率和 安全。在设计过程中的遇到的每个难点都得一一克服，而本设计的难点在于如何设计 简单易行的流量传感器，各芯片的如何应用与合理搭接，而软件的编写如何简洁无误 也是一个难点，在实际设计中不断克服改进，力求方案的可行性。 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 第第 2 章章 流量传感器流量传感器 2.1 流量计分类流量计分类 流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。至今为止,可供工业用的流量仪 表种类达 60 种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何 量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。 这 60 多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。按测量对 象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分 别称作总量表和流量计。 总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的 商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发 讯装置。因此,以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。 按照目前最流行、最广泛的分类法,即分为:容积式流量计、差压式流量计、浮子流 量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插 入式流量计、探针式流量计，以下分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国 内外的发展情况。 1.涡轮流量计 涡轮流量计, 是速度式流量计中的主要种类, 它采用多叶片的转子(涡轮) 感受流体 平均流速, 从而推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两部分组成, 也可 做成整体式。 涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精 度最佳的产品, 作为十大类型流量计之一, 其产品己发展为多品种、多系列批量生产的 规模。 2.涡街流量计 涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体, 流体在发生体两侧交替地分 离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。涡街流量计按频率检出方式可分为: 应力 式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。 涡街流量计是属于最年轻的一类流量计, 但其发展迅速, 目前成为通用的一类流量计。 3.电磁流量计 电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。电磁 流量计有一系列优良特性, 可以解决其它流量计不易应用的问题, 如脏污流、腐蚀流的 测量。70、80 年代电磁流量在技术上有重大突破, 使它成为应用广泛的一类流量计, 在流量仪表中其使用量百分数不断上升。 4.差压式流量计 差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压, 已知的流体条件和检测 件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。 5.浮子流量计 某某学毕业设计（论文） 浮予流量计, 又称转予流量计, 是变面积式流量计的一种, 在一根由下向上扩大的 垂直锥管中, 圆形横截面的浮子的重力是, 由液体动力承受的, 从而使浮子可在锥管内 自由地上升和下降。浮予流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计, 特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。 6.容积式流量计 容积式流量计, 又称定排量流量计, 简称PD 流量计, 在流量仪表中是精度最高的 一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分, 根据测量室 逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按 其测量元件分类, 可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量 计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。 7.超声流量计 超声流量计是通过检测流体流动对超声束( 或超声脉冲) 的作用以测量流量的仪表。 根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法( 直接时差法、时差法、相位 差法和频差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流 量计和电磁流量计一样, 因仪表流通通道未设置任何阻碍件, 均属无阻碍流量计, 是适 于解决流量测量困难问题的一类流量计, 特别在大口径流量测量方面有较突出的优点, 近年来它是发展迅速的一类流量计之一。 2.2 涡轮流量计的结构与原理涡轮流量计的结构与原理 涡轮流量计：气体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图2-1所示。它是由涡轮、 轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转 速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转 速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示， 根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。涡轮变送器的 工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有kQ = f ，其中： Q 是流经变送器的流量（L/s）；f 是电脉冲频率（Hz）；k 是仪表系数（次/升）。管 道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割 电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉 动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k 是涡轮变送器的重要 特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪 表有不同的k。涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就 可以实现流量的测量。根据单位时间内的脉冲数和累积脉冲数即可求出瞬时流量和累 积流量。 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 图2-1 涡轮流量传感器结构图 2.3 涡轮流量计的特点涡轮流量计的特点 在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。 二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维 修方便、成本低的特点。涡轮流量计还具有测量准确度高、测量范围广、压力损失小、 惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。像这样的技术参数其他流量计则是难以 达到的。因此涡轮流量计在工业上应用最广泛，发展最迅速。除了在石油、化工、电 力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外， 由于其兼有测量准确度高和重复性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。 涡轮流量计虽有很多优点，但由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体的洁 净度要求高。流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。而且由于有转动 部件，会带来轴承的磨损，使仪表的使用年限受到影响。因此，必须注意根据被测流 体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。 应该指出，随着新材料、新工艺的发展，仪表转动部分的耐磨性、变送器的维修性能 和寿命正在不断提高；随着对涡轮流量计粘度修正问题研究的不断深入以及测量线路 的完善和微的应用，涡轮流量计可以方便和准确得进行各种参数的修正，显示仪表的 性能也将更臻完善目前生产的双涡轮流量计，由于变送器内串联两个涡轮，可以互相 校核，从而提高了仪表使用的可靠性，受到好评。可以预言，随着涡轮流量计结构和 性能的不断完善，以及高性价比，它将在各个领域中越来越广泛的得到应用，在流量 测量和标准传递中发挥更大作用。 某某学毕业设计（论文） 第三章第三章 系统工作原理系统工作原理 3.1 总体设计总体设计 由流量传感器采集流量信息，然后经过 AD 转换器将连续的模拟信号离散化后传 给单片机。单片机在系统软件的控制作用下，对输入的数据进行分析，向外部输出控 制信号，实现 LED 显示。LED 数码管显示动态的流量，同时，若流量超过上下限范围， 报警电路产生声光报警信号，提醒流量不在正常范围内，需采取相应控制。系统软件 主要包括主程序，显示程序等供主程序调用的子程序。主程序实现系统的总体功能， 子程序实现相应的具体功能。系统硬件结构图如图 3-1 所示。 图 3-1 系统硬件结构图 3.2 工作原理工作原理 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 被测流体流经涡轮流量传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转， 周期性的改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性的发生变化 而产生电脉冲信号。在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数 量与流量成正比。该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流量和总量的显示或 积算。 在测量范围内，传感器输出的脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值 称为仪表常数，以K (次/L)表示。每台传感器都经过实际标定测得仪表常数值。当测出 脉冲信号的频率f 除以仪表常数K便可求得瞬进流量q(L/s)。即q=f/K。流量传感器采集 到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号， 传给单片机。单片机将信号以数字形式在LED数码管上显示。 3.3 元器件的选择元器件的选择 3.3.1 单片机单片机 目前在市场常见的有PHILIPS、SIEMENS、INTEL、ATMEL等公司生产的100多种 型号的80C51系列单片机。这类单片机具有集成度高，性能价格比优越的特点，在上业 测量控制领域内获得极为广泛的应用。 AT89C51属于MCS-51系列单片机，在MCS-51系列中，各类单片机是相互兼容的， 只是引脚功能略有差异。T89C51采用INTEL内核技术，结合ATMEL公司闪存技术制造， 性能稳定可靠，在程序不太复杂的情况下，无需扩展外部存储器，因此，对于追求可 靠性，追求体积轻巧灵便的产品而言，则显得尤为重要。这也是在课题中采用此产品， 而没有采用16位或准16位单片视的一个主要原因。 AT89C51是一种带4K宇节闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM)的低功耗、高性 能CMOS8位微控制器。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，AT她L 的 89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高而价廉的方案。 AT89C51有4个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口， 3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。其引脚排列图如图 3-2所示。AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理 器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 某某学毕业设计（论文） 图 3- 2 AT89C51 引脚图 AT89C51 的 40 个引脚共分为端口线、电源线和控制线三类。 1端口线（48=32 条） 8051 共有四个并行 I/O 端口，每个端口都有八条端口线，用于传送数据/地址。由 于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别颇大。现对它们综述如 下： P0.7P0.0：这组引脚共有八条，为 P0口所专用，其中 P0.7为最高位，P0.0为最低 位。这八条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况之下。第一种情况 是 AT89C51 不带片外存储器，P0口可以作为通用 I/O 口使用，P0.7P0.0用于传送 CPU 的输入/输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据 可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。第二种情况是AT89C51带片外存储器， P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送 CPU 对片外存储器的读写数据。 P1.7P1.0：这八条引脚和 P0口的八条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。 当 P1口作为通用 I/O 使用时，P1.7P1.0 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于传送 用户的输入输出数据。 P2.7P2.0：这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作 为通用 I/O 使用。它的第二功能和 P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器 的高 8 位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像 P0 口那样还可以传送存储器的 读写数据。 P3.7P3.0：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。第二功能作 控制用，每个引脚并不完全相同，如表 3-1 所示。 表 3-1 P3 口各位的第二功能 P3 口的位第二功能 注释 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD TXD T0 T1 串行数据接收口 串行数据发送口 外中断 0 输入 外中断 1 输入 计数器 0 计数输入 计数器 1 计数输入 外部 RAM 写选通信号 外部 RAM 读选通信号 2电源线（2 条） VCC 为+5V 电源线，VSS 为接地线。 3控制线（6 条） ALE/：地址锁存允许/编程线，配合 P0 口引脚的第二功能使用。在访问 片外存储器时，8051CPU 在 P0.7P0.0引脚线上输出片外存储器低 8 位地址的同时还在 ALE/线上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低 8 位地址锁存到外部 专用地址锁存器。以便空出 P0.7P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。 在不访问片外存储器时，8051 自动在 ALE/线上输出频率为 fOSC/6 的脉冲序列。 该脉冲序列可用作外部时钟电源或作为定时脉冲源使用。 对于 8751，ALE/线还具有第二功能。它可以在对 8751 片内 EPROM 编程/ 校验时传送 52ms 宽的负脉冲。 /VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制 8051 使用片内 ROM 还 是使用片外 ROM。若=1，则允许使用片内 ROM；若=0，则允许使用片外 ROM。 对 8751，/VPP用于在片内 EPROM 编程/校验时输入 21V 编程电源。 ：片外 ROM 选通线，在执行访问片外 ROM 的指令 MOVC 时，8051 自 动在线上产生一个负脉冲，用于为片外 ROM 芯片的选通。其他情况下， 线均为高电平封锁状态。 RST/VPD：复位/备用电源线，可以时 8051 处于复位（即初始化）工作状态。通 常，8051 的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种。 RST/VPD的第二功能是作为备用电源输入端。当主电源 VCC发生故障而降低到规 定低电平时，RST/VPD线上的备用电源自动投入使用，以保证片内 RAM 中信息不丢失。 某某学毕业设计（论文） 在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展 I/O 接口电路等也 需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。 XTAL1和 XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调 电容，即用来连接 8051 片内 OSC 的定时反馈回路。 石英晶振起振后要能在 XTAL2线上输出一个 3V 左右的正弦波，以便使 MCS-51 片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，fOSC的输出时钟频率 fOSC为 0.5MHz16MHz，典型值为 12MHz 或 11.059MHz。电容 C01和 C02可以帮助起振，典 型值为 30pf，调节它们可以达到微调 fOSC的目的。 MCS-51 所需的时钟也可以由外部振荡器提供。外部时钟源应是方波发生器，频率 应根据所用 MCS-51 中的具体机型确定。 3.3.2 A/D转换元件转换元件 ADC 有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能控制 端，可和微机直接接口。ADC0809 是一种 8 位逐次逼近式 A/D 转换器，可以和微机直 接接口。 1.主要技术指标和特性 （1）分辨率： 8 位。 （2）总的不可调误差： ADC0808 为(1/2)LSB,ADC 0809 为1LSB。 （3）转换时间： 取决于芯片时钟频率，如 CLK=500kHz 时，TCONV=128s。 （4）单一电源： +5V。 （5）模拟输入电压范围： 单极性 05V；双极性5V,10V(需外加一定电路)。 （6）具有可控三态输出缓存器。 （7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使 A/D 转换开始。 （8）使用时不需进行零点和满刻度调节。 2内部结构 ADC0809 由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256 电阻阶梯、树状开 关、逐次逼近式寄存器 SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。 李四：基于单片机的流量检测系统的设计 图 3-3 ADC0809 内部结构 （1）八路模拟开关及地址锁存与译码器 八路模拟开关用于输入 IN0IN7上八路模拟电压。地址锁存和译码器在 ALE 信号 控制下可以锁存 ADDA、ADDB 和 ADDC 上地址信息，经译码后控制 IN0IN7上哪一 路模拟电压送入比较器。例如：当 ADDA、ADDB 和 ADDC 上均为低电平 0 以及 ALE 为高电平时，地址锁存和译码器输出使 IN0 上模拟电压送到比较器输入端 VIN。 （2）256 电阻阶梯和树状开关 为了简化问题起见，现以二位电阻阶梯和树状开关为例加以说明。其中，四个分 压电阻使 A、B、C 和 D 四点分压成 2.5V、1.5V、0.5V 和 0V。SAR 中高位 D1控制左 边两只树状电子开关，低位 D0控制右边四只树状开关。各开关旁的 0 和 1 表示树状开 关闭合条件，由 D1D0状态决定。例如：D1=1，则上面开关闭合而下面开关断开，D1=0 时的情况正好与此相反。树状开关输出电压 VST和 D1D0关系列出于表 3-2。 表 3-2 VST和 D1D0的关系 D1 D0VST 0 00V 0 10.5V 1 01.5V 1 12.5V 对于 8 位 A/D 转换器，SAR 为八位，电阻阶梯、树状开关和上述情况类似。只是 要有 28=256 个分压电阻，形成 256 个标准电压供给树状开关使用。VST送给比较器输 入端。 （3）逐次逼近寄存器和比较器 逐次逼近寄存器(SAR)在 A/D 转换过程中存放暂态数字量，在 A/D 转换完成后存 某某学毕业设计（论文） 放数字量，并可送到“三态输出锁存器”。 A/D 转移前，SAR 为全 0。A/D 转换开始时，控制电路使 SAR 最高位为 1，并控 制树状开关的闭合和断开，由此产生 VST送给比较器。比较器对输入模拟电压 VIN和 VST进行比较。若 VINVST，则比较器输出逻辑 0 而使 SAR 最高位由 1 变为 0；若 VINVST，则比较器输出使 SAR 最高位保留 1。此后，控制电路在保持最高位不变下， 依次对次高位、次次高位最低位重复上述过程，就可在 SAR 中得到 A/D 转换完成 后的数字量。 （4）三态输出锁存器和控制电路 三态输出锁存器用于锁存 A/D 转换完成后的数字量。CPU 使 OE 引脚变为高电平 就可以从“