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1、苏州市职业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文）基于单片机的流量检测系统的设计目 次1 绪论111背景11.2 现状11.3 课题内容22 硬件电路设计32.1 总体方案设计32.2 工作原理32.3 单元电路设计42.3.1 单片机最小系统42.3.2 显示单元62.3.3 流量传感器92.4 总体电路133 软件设计153.1 软件端口定义153.2 程序流程153.2.1 主程序及流程图163.2.2 显示程序及流程图173.2.3 报警程序及流程图183.3 软件调试184 硬件电路焊接与调试2041 焊接方法、注意事项204.2 电路焊接与装配214.3 电路调试22结 论25致 谢
2、26参考文献27附录A程序清单28附录B 电路总图33第1 页 共 34 页1 绪论11背景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
3、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
4、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。1.2 现状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。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
5、。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
6、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。
7、1.3 课题内容本文从经济实用的角度出发，采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机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。2 硬件电路设计2.1 总体方案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
8、，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2-1所示。图2-1 系统硬件结构图2.2 工作原理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
9、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。2.3 单元电路设计2.3.1 单片机最小系统(1)单片机选型单片机种类有很多种如89C51、89C52等，但是本设计系统中我选择STC12C5A60S2作为核心单片机，与89C51或者89C52相比，STC
10、12C5A60S2内部有内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，特别是其内部有PWM脉冲宽度调制功能，则不需要在外电路设计脉宽调制电路，减少了制作电路时的工作量也使得的电路更加的简单化，所以STC12C5A60S2单片机更适合本设计。(2)STC12C5A60S2单片机介绍STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/ 机器周期(1T)的单片机，是高速/ 低功耗超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路,2 路PWM,8 路高速10 位A/D 转换(250
11、K/S),针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60S2单片机内部PWM脉冲宽度调制介绍它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF
12、)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。STC12C5A60S2单片机封装有三种形式：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48。根据设计电路要尽可能简便和设计电路所用的电路板为孔板的实际情况，我们选择PDIP-40型封装单片机，其优点是便于合理的安排电路的走向和各个模块的大体位置，其封装图如图2.2所示图2-2 单片机PDIP-40型封装图本设计采用STC12C5A60S2的一个重要原因是其具有高速A/D转换功能。STC12C5A60S2单片机的A/D转换口在P1口（P1
13、.0-P1.7）有10位8路高速A/D转换器，A/D是电压输入型，转换速度25万次每秒，复位后P1口为弱上拉型I/O口，通过软件可设置将P1口中的任何一位为A/D转换位，不用A/D转换的位可继续作普通的I/O口使用。STC12C5A60S2单片机的ADC由多路选择开关，比较器，逐次比较寄存器，10位DAC,转换结果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC-CONTR构成。STC12C5A60S2单片机的ADC是逐次比较型ADC.逐次比较型ADC是由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高为开始，顺序的对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，是转换所
14、得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值，逐次比较型A/D转换器具有速度高，耗能低等优点。(3)单片机最小系统在设计单片机最小系统时，我们可以发现STC12C5A60S2中有两个复位引脚，所以我们要正确认识引脚功能后才能设计单片机的最小系统，STC12C5A60S2系统中的第二复位引脚RST2的主要功能是让用户可以用控制单片机当供电电压低于一定值时产生复位，如果电压恢复后重新启动程序运行，可以设置成为低电压中断或者复。如图2-3单片机最小系统图图2-3单片机最小系统图2.3.2 显示单元（1）选型本设计采用七段4位共阴数码管（7SEG-MPX4-CC）。因为这种数码管具有发光强、可视性好和成本低，耗
15、能低等优点，数码管显示电路较为简单， 所以本设计采用此种数码管。1）LED数码显示管原理LED数码管结构简单，价格便宜。七段LED显示管有七只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别和同名管脚相连。七段LED数码显示管原理很简单，是通过同名管脚是所加电平高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同字形的。共阴LED管的SP、g、f、e、d、c、b、a管脚上分别加上7FH控制电平（即：SP上为0伏，不亮；其余为TTL高电平，全亮），则LED显示管显示字形为“8”。7FH是按SP、g、f、e、d、c、b、a顺序排列后的十六进制编码（0为TTL低电平，1为TTL高电平），常称为字形码。因此，LED上所显示字形不同，相应字形码也不一样。八段共阴能显示的字形及相应字形码如表3-2所列。该表常放在内存，SGTB为表的起始地址，各地址骗移量为相应字形码对表始址的项数。由于“B”和“8”、“D”和“0”字形相同，故“B”和“D”均以小写字母“b”和“d”显示。LED数码显示管分为共阴和共阳两种。为共阴七段LED管时，所有发光二极管阴极共连后接到引脚G，G脚为控制端，用于控制LED是否点亮。若G脚接地，则 LED被点亮；若G脚TTL高电平，则它被熄灭。图2-4 共阴极数码管数码管原理图与实物图。图2-4 共阴极数码管数码管原理图与实物图2）单片机
