流速自动采集及显示器设计

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1、流速自动采集及显示器设计中文摘要: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核心的数字式测量方法本文便是运用AT89C51单片机控制的智能化转速测量仪。对生活中很多液 体的流量需要对其进行监控和测量，流速是一个必不可少的一个参数。本系统就 是对流速进行数据采集和测量，并可以和PC机进行通信，显示液体的流量，并 观察液体的基本状况本设计主要

2、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：流速，光电转换，单片机，信号转换，LED显示。前言1课题的意义1在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，从而可以对对象进 行操控和监视，让我们更好地了解和利用这些速度，所以对一些数的的研究对我 生活越来越重要。随

3、着科技的发展进步，在物理的速度测量中，有了很多先进的 方法。作为我们以水利为主的学校，所以对我们来说研究液体的速度是很重要的， 本次我们课程设计的目的就是为了让我们熟悉和了解掌握一些简单的测量手段， 有利于我们以后的工作和生活。2有利于我们学习和掌握单片机在实际生活的应用，怎样对数据进行采集， 以及显示部分等各个模块的通信和调节，进一步锻炼了我们在信号采集，处理和 显示方面的实际工作能力。2：当前国内外相关研究的现状2新工作原理流量仪表的研究和开发A2.1静电流量计(electrostatic flowmeter) A日本东京技术学院研制适用于石油输送管线低导电液体流量测量的静电流量计。A 静

4、电流量计的金属 测量管绝缘地与管系连接，测量电容器上静电荷便可知道测量管内的电荷。他们 分别作了内径48mm铜、不锈钢等金属和塑料测量管仪表的实流试验，试验表明 流量与电荷之间接近于线性。A2.2复合效应流量仪表(combined effects meter) A 该仪表的工作原理是 基于流体的动量和压力作用于仪表腔体产生的变形,测量复合效应的变形求取流 量。本仪表由美国GMI工程和管理学院开发，已申请两项专利。A2.3转速表式流量传感器(tachmetric flowrate sensor) A 它是由俄罗斯科 学工程中心工业仪表公司开发，是基于悬浮效应理论研制的。该仪表已在若干现 场成功的

5、应用(例如在核电站安装2000余台测量热水流量，连续使用8年)，且还 在改进以扩大应用领域。A3几种流量仪表应用和发展动向A3.1科里奥利质量流量计(CMF) A 国外CMF已发展30余系列，各系列 开发在技术上着眼点在于:流量检测测量管结构上设计创新;提高仪表零点稳定性 和精确度等性能；增加测量管挠度,提高灵敏度；改善测量管应力分布，降低疲劳损 坏，加强抗振动干扰能力等。A3.2电磁流量计(EMF) A EMF从50年代初进入工业应用以来，使用领域 日益扩展，80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占16%20%。A 我 国近年发展迅速，1994年销售估计为65007500台。国内已生产最大

6、口径为26m 的ENF，并有实流校验口径3m的设备能力。A3.3涡街流量计(USF) A USF在60年代后期进入工业应用，80年代后期 起在各国流量仪表销售金额中已占4%6%。1992年世界范围估计销售量为3.54.8 万台,同期国内产品估计在80009000台。A4结论A由上述可知,流量计发展到今天虽然已日趋成熟，但其种类仍然极其繁多，至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。每种流量计都有其适 用范围，也都有局限性。这就要求我们：入(1)在选择仪表时，一定要熟悉仪表和被测 对象两方面的情况，并要兼顾考虑其它因素，这样测量才会准确；入(2)努力研制新 型仪表，使其在现有的基础上更加完善。一、

7、 课题任务分析1. 1设计方案对流速进行采集，我们要用到传感器进行信号采集，然后用单片机进行 v=k*n/T+c数据转换，在经过显示器把流速显示出来。首先，我们要把所用到的 硬件进行选型。1)传感器选型光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化 转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传 感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。对于系统的分析综合后选定了该本书的红外光电检测与应用的红外数字计 数器，因为从根本来说叶片的旋转形成的脉冲也是进行计数处理的，所以可以借 助红外计数器的部分设计。红外计数器可分为对射式和反射式两种。对射式红外 线

8、是一个发射头和一个接收头，在中间若有物体通过就遮挡一下光线，输出脉冲 信号触发计数电路；反射式红外线是吧发射头和接收头做在一起成为一个红外探 头，当探头前有物体出现时就会把发射头的红外线反射给接收头探头输出一个脉 冲给计数器计数。(2) 单片机选型AT89S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单 片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内的Flash可允许 在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。他将通用CPU和在线可编程Flash 集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制 TO 方器。图1.2 AT89S51

9、单片机的实体图AT89S51/LS51具有如下特性：片内程序存储器含有4KB的Flash存储器，允许在线编程，檫写周期可达 1000 次；片内数据存储器内含128字节的RAM；-I/O 口具有32根可编程I/O线；具有两个16位I/O线；中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；串行口是一个全双工的串行通信口；具有两个数据指针DPTRO和DPTR1；-低功耗节电模式有节电模式和掉电模式；-包含3级程序锁定位；-AT89S51的电源电压为4.0-5.5V，AT89LS51的电源电压为2.7-4.0V；-振荡器频率 0-33MHz（AT89S51），0-16MHz（AT89L

10、S51）;-具有片内看门狗定时器；灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）；具有断电标志模式POF；89S51相对于89C51增加的新功能包括：新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更 低！ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不 需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M,就 是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 具有双工UART串行通道。内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单 元电路。-双数据指示器。电源关闭标识。-全新

11、的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性 大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等 等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科 书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可 以照常运行，这就是所谓的向下兼容。选用AT89S51单片机进行数据转换。图1.2 AT89S51单片机的实体图iT2) P1.0C (T2EXi F1.1 匚二P1.2LP1.3FP1.4CP1.&LP1.6CP1.7ERSTL tRXDj P3.0IT

12、 (TXD) P3.1 匚 i：INT0j P3.2L ilNTi. P3.3F g P3.4 匚 卫 P3.5L (WRj P3.6E i；RDi P3.7CXTAL2LXTAL1 匚GND匚21402393334373663&734833932103111301229132S14271E26162S1724182319222021 VCC PO.O (ADO) P0.1 (ADV，1PO.2，：AD2)二I P0.3iAD3)J P0.4iAD4) PO.E (ADS) F0.6iAD6. P0.7，：AD7i EA-VPP ALE.PROG FSEN Pa7(A1S) P2.6iA14)

13、JF2.5，：A13) F2.4(A12) F2.3i：A11) F2.2，AW) P2.1 (A9j P2.0i：A8j近函話id:J图1.3 AT89S51单片机的引脚图(3) 显示模块选型B.图1.4 LED显示器方案一、LED静态显示器静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示字 形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这 种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。方案二、LED动态显示器动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪 一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大 地

14、简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向 各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用， 使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一 些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。方案三、用液晶显示器LCD显示信息LCD显示器工作原理就是利用液晶的物理特性；通电时排列变得有序，使光 线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般 地阻隔或让光线穿透。LCD的好处有：与CRT显示器相比，LCD的优点主要包括 零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。显示模块有三个方案，介

15、于我们对流速测量时，10s对数据进行转换一次， 而在这10s中，显示屏的数据是应该不变的，故我们选用LED静态显示器。总之，我们选用光电传感器对信号进行采集，然后把信号通过整形电路，既 两个非门把信号调整成标准的脉冲形式，前一个非门是对脉冲调整，后一个是把 调整后的信号反过来，使其与信号高低电平一致。信号处理好之后，直接把它送 给AT89S51系列单片机进行数据处理，在此，单片机会定时、计数，计算出水流 的速度，并以二进制的形式表示出来。因为我们测量的范围是1000，所以用三 片LED显示管来显示速度值。在数据显示之前，我们用CD4511来进行BCD码的 转换，转换之后把数据传送给显示屏显示。

16、（4）发送模块根据系统功能要求，要使单片机测量的转速能够向上位机发送数据，硬件电 路中必须要考虑到单片机的发送部分，由于单片机通过串口发送出来的是TTL 逻辑电平（0V和5V），而计算机RS-232总线上输入、输出数据和控制信号为+12V 左右的电压，单片机要和PC的上位机通信就必须是电平一致，所以发送部分关 键的部分是电平转换和串口发送，电平转换可以用模拟器件进行转换，但是为了 方便起见，本次设计采用的是集成芯片，一个芯片加上它的外围电路即可完成电 平的转换的工作。结构简单、方便容易，精确度高。本次所采用的是HIN232CP， 我们要对其外围电路进行设计，下面我们将详细的叙述。数据的传输：当

17、电路工作于发送数据状态时，PC机的RTS端输出高电平，经IC1电平转 换打开IC3（74LS08）的与门B1，使PC机TXD端输出的数据经红外发射电路发 射出去；RTS信号IC1反相后作为CTS信号送入计算机，同时还关闭与门B2；使 计算机不接收其它数据信号。该必发器的数据传输速率最好设在9600b/s为宜，以确保数据传输的可靠 性。器件的介绍：1、 RS-232CRS-232C是美国电气工业协会推广使用的一种串行通信总路线标准，是 DCE（数据通信设备，如微机）和DTE（数据终端设备，如CRT）间传输串行数据的接 口总线。RS-232C最大传输距离为15m，最高传输速率约20kbps，信号的

18、逻辑0电平 为+3 V+15V。逻辑1电平为-3 V-15V。电气特性：EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定; 在 TxD 和 RxD 上：逻辑 1(MARK) =-3V-15V逻辑 0(SPACE)=+3 + 15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效(接通，ON状态，正电压)=+3V+15V信号无效(断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V2、RS-232 连接器 DB-9DB-9是RS-232信号线的连接器，其连接器的机械特性见图(4 9)，表4-1 所示RS-232信号线名称、符号以及对应在DB-9上的针脚号。DSRRTSCTS

19、RDCDTX1)EiXD)TRGND图4-9连接器的机械特性表4-1 RS-232信号线和DB-9引脚关系Tab.4-1 RS-232 signal lines and DB-9-pin relations符号名称引脚DCD接收信号载波检测1RXD数据接收线2TXD数据发送线3DTRDTE装置数据就绪4GND公共地5DSRDCE装置就绪6RTS请求发送7CTS清除发送8RIO.luf振铃指示图410电平转换电路原理图3、电平转换器HIN232CPE由于RS-232C总线上传输的信号逻辑电平与TTL逻辑电平差异很大，所以就 存在这两种电平的转换问题，下面就介绍一下电平转换器HIN232CPE。H

20、IN232CPE能将RS-232C电平转换成TTL电平，也能将TTL电平转换成 RS-232C电平，只需单+5V供电，由内部升高电路产生10V12V。内部有两个 发送器（TTL电平转换为RS-232C电平）和两个接收器（RS-232电平转换为TTL电 平）。HIN232CPE芯片引脚排列和外部元件连接线路如图411所示。+5V16+5VTe14RS-233电平UOGE X-MZOnzoONelIrilrlrrHItr31qdMcoO pl rj rrj Tf VT| MO I计呵山百厂：吨巾+ rri rj i Q2富滸汕呂创些罰s!曲駁囲尺民呂UVIXHYIX-& wrjrndEd IH 寸

21、出.01. FEd IEI o.mft.ASd d dsi r h i* ii呂?r-Tddm厂rrii!sfKH sfrww旺品 ；商在R4RR5SPR5DK25R4OT已；加法(R4R5)+#2-(R4R5)MC?V#2ADE帚R5MCJVR5rACLBAA2DC ftr#0ADE 鮎E4MOV R4rAIEiLC18ID匡| Fries审.殖 E.K建造目标H0V SMOV幼CLR目标l1SETB OV ;商溢出DV30:MOV R2,#10H;求 R3R4R5 / RO - R4R5DM23:CLR CMOV A,R5RLC AMOV R5,AMOV A,R4RLC AMOV R4,A

22、MOV A,R3RLC AMOV R3,AMOV FO,CCLR CSUBB A,R0ANL C,/F0JC DM24MOV R3,AINC R5DM24:DJNZ R2,DM23MOV A,R3 ;四舍五入ADD A,R3JC DM25SUBB A,R0JC DM26DM25:INC R5MOV A,R5JNZ DM26INC R4四、结语以单片机为核心的流速测量与数据显示课程设计的完成，经过对流速的测量 和理解设计软件的编程与系统的调试，电路达到了所要求的技术指标。通过设 计电路和撰写论文，对所选的课题有了很深刻的理解，为了实现流速自动采集及 显示器设计，我们去翻阅了很多资料，正是经过了这

23、种过程，我们从中学会了很 多，不但对单片机的应用有了更深的理解，也熟悉了各种的传感器，知道了怎么 样去采集数据，和实现数据的光电转换。流速的测量和数据采集在工业生产，水 利工程以及科学实验生产生活中都是必不可少的，随着电子科技的飞速发展，测 量仪器的高科技化和机构简单化与系列化，进一步要向人性化发展，不但具有价 格优势，还要求具有较高的精度，这需要设计人员不断地吸取新的知识，不断地 应用新的高科技，不断开拓新思路，才能有更多的创新的符合人们需要的测量仪TO方器。于此同时也得非常感谢曾竺老师的支持与帮助，由于我对这次课程设计的 不熟悉，以及没有没有把单片机理论应用到实际生活的经验，开始以为是一项

24、不 可完成的任务。但她的指导和帮助下我们才找到了方向，得以顺利的完成此次的 课程设计，知道我们在那些方面的不足及应该怎样改进，同时也是我们明白了不 论以后我做什么，都得虚心向别人学习，多向团队进行交流讨论，加强团队的合 作，努力提高自己的各方面的能力。作为一个机械电子工程专业的学生，此次的 设计也让我们掌握了 pro tel及CAD等软件的使用。两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识， 也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在 设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会 了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会

25、了理解，也学会了做人与处世。A 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职 业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深 体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈 开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础参考文献1 .何立民单片机应用技术选编北京：北京航空航天大学出版社，1997, 102 .张有德单片微机原理、应用与实验上海:复旦大学出版社，1997, 83 .李朝青单片机&DSP外围数字IC技术手册北京:北京航空航天大学出版社，1998， 44 .梁廷贵、王裕琛现代集成电路实用手册北京:

26、科学技术文献出版社，1999, 65 .于海生微型计算机控制技术选编北京：清华大学出版社，1999.36 .周兴华手把手教你学单片机北京：北京航空航天大学出版社，1996, 77 .神龙工作室.Protel 2004实用培训教程北京：人民邮电出版社，1995，18 .光电传感与检测技术江晓军主编第四章红外传感与检测技术，page、879 传感器应用电路400例王煜东编著附录一：总体电路图5VCCR3300R42KC422FR11k22pFR21k12526二282910n1213141516-17.187?20U1 p1.0Vcc p1.1P0.0 p1.2P0.1p13AT89S51P0.2

27、 p1.4P0.3 p1.6P0.5 p1.7_P0.6RSTP0.7 RXD/P3.0EA/Vpp TXD/P3.1 INT0/P3.2PSENINT1/P3.3P2.7 T0/P3.4P2.6 T1/P3.5P2.5 WR/P3.6P2.4RD/P3.7P2.3 XTAL2P2.2 XTAL1P2.1GNDP2.0AT89S5139138237336435vCC 534633Lj408323130292822625242322U312HzC130pFC230pFDCB_ALTBILE1513121110-1II 71234VC56781234VCCI. 56U4DaCbB_cAdLTeBI

28、fLEyvssCD4511U5DaCbBc丁dLTeBIfLEyVssVssCD4511131211151411CD45111091514131210Vaab4 卜cd5e1a2b4 卜51fg LEDgn dpGNDfg LEDgn dpGNDe e dg LEDgn dpGND_3_-467.3467附录二：总程序ORG 0000HRESET: AJMP MAINORG 000BHAJMP IT0PORG 0100HMAIN:MOV SP,#60HMOV B,#64HMOV TMOD,#OD1HMOV TL0,#0B0HMOV TH,#3CHSETB ET0SETB EASETB TR0M

29、OV TL1, #0FFHMOV TH1, #0FFHSETB TR1RETHERE:SJMP HEREIT0P:MOV TL0, #0B0HMOV TH0,#3CHDJNZ B,RTURNCLR TR1MOV R6,TL1MOV R7,TH1CLR TR0SETB F0JMPRTURN RETI;乘法(R3R4R5)=(R7R6)*#2MOV R6,#23HMOV R7,#01HMOV B,R6MOV A,#2MUL ABMOV R5,AMOV R4,BMOV R3,#0MOV A,R7MOV B,#2MUL ABADD A,R4MOV R4,AMOV A,R3ADDC A,BMOV R3,

30、A;除法(R4R5) =(R3R4R5)/#5DV31:CLR CMOV A,R3MOV R0,#5SUBB A,R0JC DV30SETB OV商溢出RETDV30:MOV R2,#10H求 R3R4R5 / R0R4R5DM23:CLR CMOV A,R5RLC AMOV R5,AMOV A,R4RLC AMOV R4,AMOV A,R3RLC AMOV R3,AMOV F0,CCLR CSUBB A,R0ANL C,/F0JC DM24MOV R3,AINC R5DM24:DJNZ R2,DM23MOV A,R3四舍五入ADD A,R3JC DM25SUBB A,R0JC DM26DM2

31、5:INC R5MOV A,R5JNZ DM26INC R4DM26:CLR OV;商在R4R5中;加法(R4R5)+#2 - (R4R5)MOV A,#2ADD A,R5MOV R5,ACLR AADDC A,#0ADD A,R4MOV R4,AORG 0000HAJMP MAINORG 0030HMAIN:除法(R4R5) =(R3R4R5)/#5DV31:CLR CMOV A,R3MOV R0,#5SUBB A,R0JC DV30SETB OV商溢出DV30:MOV R2,#10H求 R3R4R5 / R0R4R5DM23:CLR CMOV A,R5RLC AMOV R5,AMOV A,R4RLC AMOV R4,AMOV A,R3RLC AMOV R3,AMOV F0,CCLR CSUBB A,R0ANL C,/F0JC DM24MOV R3,AINC R5DM24:DJNZ R2,DM23MOV A,R3四舍五入ADD A,R3JC DM25SUBB A,R0JC DM26DM25:INC R5MOV A,R5JNZ DM26INC R4