计算机控制技术课程设计--流速自动采集及显示器设计

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1、计计 算算 机机 控控 制制 技技 术术课课 程程 设设 计计设计题目：设计题目： 流速自动采集及显示器设计 设计人姓名：设计人姓名： 设计人学号：设计人学号： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 20142014 年年 6 6 月份月份1 流速自动采集及显示器设计流速自动采集及显示器设计摘要摘要在工程实践中，经常会遇到各种需要测量速度的场合，测量速度的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器，传感元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，流速测量很多采用以单片机为

2、核心的数字式测量方法本设计主要是一种基于 AT89S51 单片机平台，采用光电传感器与螺旋浆结合测量液体的流速的方法，实现数据采集和显示。硬件系统包括脉冲信号的产生，光电信号的转换和处理，把处理后得到的信息送往三片 CD4511，再由CD4511 驱动阴极 LED 显示器进行数字显示屏显示。并采用汇编语言进行编程。其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。关键词：关键词：流速，光电转换，单片机，按键控制，LED 显示。2 目目 录录一一 任务简介任务简介41.1 设计任务及要求41.2 应用领域4二二 设计分析设计分析42.1 模拟测量电路分析1三

3、三 硬件设计硬件设计73.1 硬件结构框图73.2 转速测量与脉冲产生原理73.3 各模块电路原理7四四 软件设计软件设计93.1 程序流程图93.2 各模块代码10五五 结语结语13六六 参考文献参考文献143 一、任务简介一、任务简介1.11.1 设计任务及要求设计任务及要求 用 51 系列单片机作主控制器结合流速传感器、脉冲整形电路组成一个 低流速采集、显示系统，采用三位 LED 显示器。可增加上、下限温报警功能， 当实测流速超过其限定值，发出警报。1.21.2 应用领域应用领域 流速自动采集及显示器可应用于对河水流速的监测，水电站水流速度的监 控，还有污水处理厂水流速度的监控等。对多个

4、流速自动采集及显示器采集到 的数据进行分析可以大致了解各区域水流速度的大小，进而达到预防紧急事件 的发生及保障人民的生命安全。二、设计分析二、设计分析2.12.1 模拟量测量电路分析模拟量测量电路分析图 2-1 模拟测量电路结构图 1-1 是整体设计的一个信号传输和转化的框图，从图中我们可以看出对 信号要进行的一些处理，以及信号的走向。但是，光从图 1-1 中我们无法知道 信号具体是怎样经过加工和转变的，下面我们就每一个模块进行分析。图 2-2 模拟信号产生电路图 2-3 模拟信号放大电路模模拟拟信信号号 产产生生电电路路 模模拟拟信信号号 放放大大电电路路 A/D 转转换换 显显示示电电路路

5、 复复位位电电路路 单单片片机机核核心心电电路路 4 图 1-2 中的传感器采集到模拟信号，信号传输到图 1-3 中的模拟信号放大 电路把微弱的电信号进行放大，保证信号的质量。再进行 A/D 转换。CS1RD2WR3INTR5DB711DB612DB513DB414DB315DB216DB117DB018VCC20IN+6IN -7AGND8REF/29DGND10CLK IN4CLKOUT19U4ADC0804CNGND+5v+5v1K100pFC?GNDP2.5INTR1WR RD入入入入放大之后的信号，依然是模拟信号，而我们要后面要进行处理的信号是数 字信号，所以接下来我们要把图 1-3

6、 模拟信号放大电路放大的模拟信号经过图1-4A/D 转换电路转换成数字信号，最后传送到 AT89S51 单片机中进行信号处理。图 2-4 A/D 转换电路图 2-5 AT89S51 单片机的引脚图5 除了信号的产生电路，还有信号的显示电路，下面就是信号的显示电路的 输出端。要想显示所测量的流速的大小，光有数码管是不行的，每一个数码管 还需要一个 CD4511 译码器来驱动，CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED（数码 管）显示器的 BCD 码七段码译码器，有了 CD4511 译码器，从单片机 P0 口 和 P2 口输出的数据就会编译成数码管显示数字所对应的码。最后，还要一个复位按钮，其电路

7、图如下：图 2-6 数码管显示电路+5V+5VRST图 2-7 复位电路6 三、硬件设计三、硬件设计3.13.1 硬件结构框图硬件结构框图 流速的测量的硬件系统包括单片机系统，数据采集系统和显示系统。其硬 件系统框图如下：3.23.2 转速测量与脉冲产生原理转速测量与脉冲产生原理 在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传 感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为 Tc（min） ，计 数器计取的脉冲个数 m，假定脉冲发生器每转输出 p 个脉冲，对应被测转速为 N（r/min） ，则 f=pN/60Hz；另在测量时间 Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个 数

8、 m 应为 m=Tcf ，所以，当测得 m 值时，就可算出实际转速值： N=60m/pTc (r/min) 而脉冲产生电路的设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。当有 物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输 出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。 系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在 这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心 位置。每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。把这些 脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的 TTL 电平，即可算出轮子即时

9、 的转速。3.23.2 各模块电路原理各模块电路原理 1.A/D1.A/D 转换电路转换电路 A/D0804 此种电路接法，测量量程为 0-10V,电压输入对应 0-255 的数字量 输出。转换结束可以以中断方式读取结果，只需将电路中的 INTR1 接 89C51 的 INT0 引脚就可。 ADC0804 是八位分辨率的 A/D 转换器，完成一次转换时间为 100s，转换 精度为LSB. ADC0804 主要的硬件特性如下： （1）/CS 和/WR 有效时，即启动转换。 （2）片内有可控制的三态输出们，由/RD 信号控制三态门的开启，当/CS 和/RD 同时有效时，即可读出转换结果。 （3）转

10、换结束时，/INTR 端输出低电平，CPU 读取数据时，/INTR 端复位， 即为高电平。脉冲产生与接收放大整形晶振CPUAT89S51数码管显示复位7 （4）VCC 接 5V 电源。 （5）VIN(+)接模拟输入电压。 （6）VIN(-)、AGND、DGND 接模拟地和数字地。 （7）D0-D7 接数据总线。2.LED2.LED 显示显示电路电路 （1）数码管结构 数码管由 8 个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来 显示数字 0 9、字符 A F、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“” 。数 码管的外型结构如图（a） ， （b） ， （c）所示。DD+5V（2）数码管

11、工作原理 共阳极数码管的 8 个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常， 公共阳极接高电平（一般接电源） ，其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动 电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的 不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导 通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。 共阴极数码管的 8 个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常， 公共阴极接低电平（一般接地） ，其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电 路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不 同组合可显示出各种数字或

12、字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通 电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。符号形状 要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。 对照附录二，字型码各位定义如下： 数据线 D0 与 a 字段对应，D1 字段与 b 字段对应，依此类推。如使用共阳 极数码管，数据为 0 表示对应字段亮，数据为 1 表示对应字段暗；如使用共阴 极数码管，数据为 0 表示对应字段暗，数据为 1 表示对应字段亮。如要显示图 3-1 数码管结构图（a） 外型结构（b）共阴极（c）共阳极8 “0” ，共阳极数码管的字型编码应为：B（即 C0H） ；共阴极数码管的字型编码

13、 应为：B（即 3FH） 。(数码管字型编码表见附录二) LED 按外形尺寸分大型和小型之分，小型 LED 数码管一般采用双列直插式， 大型 LED 数码显示器采用印制板插入式。根据显示位数划分，可分为一位、双 位、多位 LED 显示器。一位 LED 显示器 LED 数码管分共阳极和共阴极两种，对于共阳极 LED 数码管，要使某段亮， 则加上低电平，而对于共阴极 LED 数码管，要使某段亮加上高电平。显然要使 某段亮，共阳极和共阴极数码管上的电平相反 ，与这两种数码管相对应，也有 两种译码/驱动电路，所以在选择 LED 数码管时，一定要使用译码/驱动电路与 之相匹配。LED 的驱动方式有静态驱动和动态驱动两种方法。就是通常说的 LED 数码管，两位以上的一般称作显示器。 双位 LED 数码管是将两只数码管封装成一体，其特点是结构紧凑、成本较 低（与两只一位 LED 数码管相比） 。LED 数码管的主要特点是:1、能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与 CMOS、TT