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1、流速自动化采集及显示器设计摘要：流速自动化采集器及显示器能有效的测得流体的速度，并准确的显示出来。本文通过对流速采集传感器激光脉冲计数的方法，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 动数码管，并显示出来。采用汇编语言进行编程。具有电路简单，精确度高，可靠性强，价格便宜的特点。关键词：at89c51、流速采集、单片机、信号转换前言：1、随着当前科学技术的进步，以及各工程单位对流体速度检测的需求，让
2、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。该课程设计的目的就是为了让我们熟悉和运用单片机的一些简单的测量手段。以及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、当前国内外流速自动化采集仪器发展状况：l 旋桨式高流速仪：测速范围：0.0515m/s l旋桨回转直径：120mm l旋桨水力螺距：200mm l 输出信号频率：2个信号/转 l 检定公式相对误差：VVK时，1.5%；VVK时,5%l 直读式流速仪：涡轮式流速计，用于现场测量平均流速l 数字显示，单位：英尺/秒 或 米/秒，记录30
3、个数据组，包括平均值、最大值、最小值等，防雨数字式电脑，高精度，便利的流速监测，涡轮式，自动脱碎屑功能，轻便、结实、可靠，折叠式手柄,带长度尺，便携箱,易于储存l 打印式流速流量仪：可广泛用于工业废水排放计量，环保监测，农田排灌计量和水文测量。 l 便携式超声波流量计：HS便携式水文流速流量仪，符合国家明渠测量标准， 专为水文测量和农田灌溉工作者做流速流量测量研制的。可作为l 各类明渠流速、流量和泵站流量的测量计算l 超声波明渠流量计：采用MD型超声波明渠流量计是采用国内外最先进技术研制开发的全智能型明渠流量计，产品具有结构简单，安装方便，测量精度和可靠性好，量程比宽等优点，既可用于污废水排放
4、的测量，又适用于农田水利灌溉的用水计量以及城区的排水改造工程。一、课题任务分析1 1设计方案方案一：本方案是一个对一点的流速的采集，以AT89C51单片机为核心，利用一个光电传感器、一个整形电路、三个CD4511对应三个数码显示管构成的流速自动采集，当微型螺旋桨开始工作时，根据螺旋桨三个面的反光的强弱，当反的光信号传到光敏二极管送给三极管，根据光信号的强弱三极管输出电信号1或0，再送到由两个反相器构成的整形电路进行对之前的电信号进行整形输出方波的脉冲的电信号，将电信号传给定时计数器P3.4口，利用晶振电路规定晶振周期，再利用单片机汇编程序对10s内的电信号进行计数脉冲数，对脉冲数的处理流速V=
5、4*n/10+2，利用单片机程序对数据进行按照这公式处理，将处理后的数据百位的数送给P0.0P0.3口，十位的数送给P1.0P1.3口，各位的数送给P2.0P2.3口进行显示，这些数据经过BCD译码，送到数码显示管。单片机有一个复位电路，当复位电路上电或者按键进行复位时，显示管显示的数据复位，进行下一次测到的流速显示，复位一次显示一次数据。方案二：系统以 89C52单片机为核心，其外部和外围设备有红外流速传感器、输入电路、报警电路、键盘和液晶显示器等组成。工作过程为：从红外流速传感器输出的微弱的脉冲信号， 经输入电路滤波、放大和整形后变为标准脉冲信号，进入 Ari89C52单片机的定时计数端T
6、l。在启测键按下后，单片机接收信息，启动单片机计数，得到脉冲个数n，先设定的K值、c值及测速历时 计算得到流速值：V=4*n/10+2 。随后，将流速值送至存储区进行存储，液晶显示屏同时显示 当前流速，报警电路在这里主要完成电池电压监测报警功能。CPU选用AT89C52，内置8 KB EPROMCPU的F10口通过锁存器7413373作数据地址线复用，对外扩展8 KB的SRAM作数据存储器，以确保测量数据不因掉电而丢失；P1口线作键盘的列线及一些使能信号线使用；P2口的部分口线作静态2764的高位地址线使用；P3口线均作其第二功能使用，如RXD、TXD 引脚通过外接芯片TC232作本机的外接串
7、行通信端口使用。12 设计框图二、硬件设计原理分析*21 输入电路2.1.1光电传感电路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。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量方法可分为透射式,漫反射式,遮光式三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过
8、被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关. 光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
9、在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+）Icbo，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，
10、使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。*2.1.2整形电路本设计由光电传感器将光信号转换成的电信号送给由两个反相器构成的整形电路，两个反相器对电信号进行整形，当输入的电信号时低于某一个值时，通过整形电路输出0；当输入的电信号高于某一个值时，通过整形电路输出1。这样就通过两个反相器输出了一个规则的方波脉冲信号送给中心单片机。22中控电路中控电路实现对整形电路传送过来的电信号进行规定时间内的脉冲计数和数据计算等处理功能，将数据传给显示管显示出来。2.2.1复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电
11、路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。本设计的按键脉冲复位电路由两个22F的电容和两个1K电阻构成的，该电路可以实现按键复位和电平复位。上电自动复位是通过外部复位电路给电容C2充电加至RST引脚一个短的高电平信号，此时信号随着Vcc对电容C2的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续取决于电容C2的充电时间。因此为保证系统能可靠地复位，R
12、ST引脚上的高电平必须维持足够长的时间；按键手动电平复位时通过RST端经电阻与电阻Vcc接通来实现。*2.2.2晶振电路晶振电路由两个30pF电容和一个12MHZ晶振构成，两个电容串联中间接地，两个晶振电路输出到AT89C51的XTAL1和XTAL2引脚，为51单片机提供晶振频率。这种电路时单片机内部时钟方式，AT89C51内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，这两个引脚跨接石英晶体和微调电容构成一个稳定的自激振荡器。电路中电容C1和C2的典型值通常为30pF。该电容的大小影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性，晶体振荡
13、频率范围通常是在1.212MHZ。晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快。2.2.3 AT89C51单片机AT89C51是一个4k字节Flash 闪速存储器，总共40个引脚，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。总共的40个一脚，32个I/O接口，还有一些控制引脚，电源引脚，I/O接口有P0口、P1口、P2口、P3口.P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，当AT89C51扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总线及数据总线的分时复用端口。P0口也可以作为通用的I/O
14、口使用，但是必须加上拉电阻，这时为准双向口。当作为通用的I/O输入时，应先向端口输出锁存器写入1。 P0口可驱动8个LS型TTL负载。P1口是专为用户使用的准双向I/O口，当作为通用的I/O口输入时，应先向端口锁存器写入1。 P1口可驱动4个LS型TTL负载。P1口内部有一个上拉电阻，所以不需要外部上拉电阻。P1口可作为数据输入口也可作为数据输出口用。当AT89C51扩展外部存储器级I/O时，P2口作为高8位地址总线用，输出高8位地址。P2口也可作为普通的I/O口使用，当作为通用的I/O口输入时，应先端口输出锁存器写入1。P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流
15、。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。 2.3显示电路2.3.1CD4511芯片CD4511是一个用于驱动共阴极 LED显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图3-2所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检
16、查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d 段消隐，所以显示 6、9 这两个数时，字形不太美观。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300的限流电阻。1、引脚功脚BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=
17、0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。2、CD4511真值表输 入输 出LEBILIDCBAabcde
18、fg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐0111111000000消隐111XXXX锁 存锁存3、CD4511
19、功能（1）锁存功能译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。（2）译码CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。（3）消隐BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐输出J的电平为 J=（C+B）D+BI，如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的
20、字形消隐。2.3.2数码显示管我们最常用的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。本实验用的是共阴极显示管，如下图是LED数码显示器七段代码表，LED显示方式可分为静态显示和动态显示。静态显示采用每一个7段LED显示器由一个显示接口集成电路直接锁存与驱动。动态LED显示则采用扫描工作方式，即把要
21、现实的数码快速地依次巡回送到各个LED的控制端，然后利用人们的视觉暂留功能，使之看上去就好像各个7段LED同时送入各自的显示字符一样三、 软件设计分析31 总程序流程图T0定时方式设置初始值T1计数V转换成BCD开启T0 T1T1计数值40H 41H压缩BCD送显16位二进制数记数字n V=4n/10+210秒时间到初始化结束32 定时计数器模块 ORG 000H SJMP MAIN ORG 0BH AJMP ZH0 ORG 0050HMAIN:MOV TMOD, #0100 0000B ；TMOD寄存器赋值 MOV TH0, #03H MOV TL0, #CBH ；T0口设计初值 MOV R
22、7,#100 ；晶振次数 SETB EA SETB ET0 SETB TR0 SJMP $ ORG 0100HZH0 :DJNZ R7, EN MOV R7,#100 MOV A, TL1 MOV 40H, A MOV A, TH1 MOV 41H,A MOV TH1, #01H MOV TL1, #10HEN :RETI END33 数据转换模块MOV A , 20H ；（20H）AMOV B , #10 ；10BDIV AB ；A除以B将商送给AMOV B , #4 ； 4BMUL AB ；4乘以B将高8位送给B低8位送给AMOV DPH , B ；（B）DPHMOV DPL , A ；（
23、A）DPLINC DPTRINC DPTR ；将上面的值+2MOV 41H , DPH ；（DPH）41HMOV 42H , DPL ；（DPL）42H*34 显示模块 MOV R7,#0 ；R7清零L1:CLR C MOV A,41H SUBB A,#100 MOV 41H,A MOV R0,40H INC R7 DJNZ R0,L1 MOV A,41H MOV B,#100 DIV AB ADD A,R7 MOV P0,A ；将百位的数送给P0口显示 MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV P1,A ；将十位的数送给P1口显示 MOV P2,B ；将各位的数送给P2口显示四：结语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 2 用范围,也都有局限性。 这就要求我们: (1)在选择仪表时,一定要熟悉仪表和被测 (2)努力研制新 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; 型仪表,使其在现有的基础上更加完善。
