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： DN1050 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 420mA 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 MCS51 系列单片机及 其兼容机所占的份额最大。MCS51 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 SPROT EL 99SE 一一一EXAM PLESBACKUP16.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 SPROT EL 99SE 一一一EXAM PLESBACKUP11.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 SPROT EL 99SE 一一一EXAMPLESBACKUP11.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 FILESPROTEL 99SE一一一EXAMPLESBACKUP16.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 22F。 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）ag，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Lh) 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：20120 3 环境温度：2050 4 传输距离：传感器至显示仪表的距离可达500m 5 防爆等级：ExibBT4 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） LWGY25251106.3210.0 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 FILESDESIGN EX PLORE R 99 SEEXAMPL ESMyDesign.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 SettingsAdministrator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 FILESPROTEL 99SE一一一EXAMPLESBACKUP11.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、3/8G 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=P25; sbit duan=P26; sbit wei=P27; sbit key1=P10; sbit key2=P11; sbit key3=P12; sbit key4=P13; 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;x0;x-) for(y=z;y0;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=table1aa1; duan=0; wei=1; P0=0 xfe; wei=0; delay(1); 本科生课程设计（论文） 16 duan=1; P0=table1bb1; duan=0; wei=1; P0=0 xfd; wei=0; delay(1); duan=1; P0=table1cc1; duan=0; wei=1; P0=0 xfb; wei=0; delay(1); duan=1; P0=table1dd1; 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=table1aa; duan=0; wei=1; P0=0 xfe; wei=0; delay(1); 本科生课程设计（论文） 17 duan=1; P0=table1bb; duan=0; wei=1; P0=0 xfd; wei=0; delay(1); duan=1; P0=table1cc; duan=0; wei=1; P0=0 xfb;