基于單片機的流量檢測系統(tǒng)的設計

蘇州市職業(yè)大學機電工程學院畢業(yè)設計說明書（論文）基于單片機的流量檢測系統(tǒng)的設計目 次1 緒論111背景11.2 現(xiàn)狀11.3 課題內(nèi)容22 硬件電路設計32.1 總體方案設計32.2 工作原理32.3 單元電路設計42.3.1 單片機最小系統(tǒng)42.3.2 顯示單元62.3.3 流量傳感器92.4 總體電路133 軟件設計153.1 軟件端口定義153.2 程序流程153.2.1 主程序及流程圖163.2.2 顯示程序及流程圖173.2.3 報警程序及流程圖183.3 軟件調(diào)試184 硬件電路焊接與調(diào)試2041 焊接方法、注意事項204.2 電路焊接與裝配214.3 電路調(diào)試22結(jié) 論25致 謝26參考文獻27附錄A程序清單28附錄B 電路總圖33第28 頁 共 37 頁1 緒論11背景流量就是在單位時間內(nèi)流體通過一定截面積的量。這個量用流體的體積來表示，稱為瞬時體積流量，簡稱體積流量；用流量的質(zhì)量來表示稱為瞬時質(zhì)量流量，簡稱質(zhì)量流量。這一段時間內(nèi)流體體積流量或質(zhì)量流量的累積值稱為累積流量。對在一定通道內(nèi)流動的流體的流量進行測量統(tǒng)稱為流量計量。流量測量的流體是多樣化的，如測量對象有氣體、液體、混合流體；流體的溫度、壓力、流量均有較大的差異，要求的測量準確度也各不相同。因此，流量測量的任務就是根據(jù)測量目的，被測流體的種類、流動狀態(tài)、測量場所等測量條件，研究各種相應的測量方法，并保證流量量值的正確傳遞。流量的測量在熱電生產(chǎn)、石油化工、食品衛(wèi)生等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應用。隨著傳感器技術(shù)，微電子技術(shù)、單片機技術(shù)的發(fā)展，為氣體流量的精確測量提供了新的手段。充分利用單片機豐富的硬件資源，配以適當?shù)臋z測接口電路，可精確測量由渦街流量傳感器或電磁流量傳感器輸出的代表流量大小的脈沖信號，以及氣體在當?shù)貭顟B(tài)下的壓力、溫度等模擬電壓信號。由軟件計算出流量，以簡單的硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一個高可靠性、高精度、多功能的氣體流量檢測系統(tǒng)。工業(yè)生產(chǎn)中過程控制是流量測量與儀表應用的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù)，人們通過這些參數(shù)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和控制。對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學管理的基礎(chǔ)。1.2 現(xiàn)狀17世紀托里拆利奠定差壓式流量計的理論基礎(chǔ)，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計等。20世紀由于過程工業(yè)、能量計量、城市公用事業(yè)對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。我國近代流量測量技術(shù)發(fā)展比較晚，早起所需的流量儀表均從國外進口。中國流量儀表制造業(yè)從上世紀30年代中期以儀表修配開始，到解放前后在上海、天津等沿海地區(qū)形成了現(xiàn)代流量儀表的民族工業(yè)。到改革開放前，經(jīng)歷了仿制、統(tǒng)一設計、自行研究開發(fā)過程，目前已近初具規(guī)模，基本上能滿足中等水平流量儀表的需要。改革開放以來又經(jīng)歷了技術(shù)引進，與國際先進技術(shù)企業(yè)合資、合作，儀表性能和水平有了很大提高。近年國際主流企業(yè)紛紛在中國建立生產(chǎn)基地，既增強了研發(fā)能力也增添了競爭因素，現(xiàn)在我國流量計產(chǎn)品已很全面，基本覆蓋所有行業(yè)，滿足各行業(yè)產(chǎn)生需要，技術(shù)革新較快，但在產(chǎn)品生產(chǎn)工藝上仍然有很大提高的空間。流量顯示儀表的發(fā)展經(jīng)過了機械運算記錄圖表式，模擬運算機械計數(shù)式，簡單邏輯運算數(shù)顯示和微處理器運算及多功能數(shù)字顯示四個過程。自從單片機出現(xiàn)后，各種各樣的智能流量顯示儀不斷出現(xiàn)，取代了原有的傳統(tǒng)的機械式或者純模擬、數(shù)字電路構(gòu)成的流量顯示儀。智能流里顯示儀以單片機為核心可以進行各種流最計算、累加、顯示等功能。流量顯示儀具有使用方便、工作可靠、可進行補償計算等優(yōu)點。從上世紀80年代以來，各種智能流量顯示儀就不斷出現(xiàn)，功能也不斷拓展、完善。智能流量顯示儀正朝著低功耗、智能化、網(wǎng)絡化、多功能方向發(fā)展。具體來說，智能流量顯示儀可以實現(xiàn)流量及其它信號的采集、流量計算累加及補償計算、數(shù)據(jù)示、數(shù)據(jù)遠程傳愉及打印等功能。根據(jù)用戶的不同需要，開發(fā)人員可以設計出具有不同功能的智能流量顯示儀，軟件編程非常靈活。1.3 課題內(nèi)容本文從經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機作為主控芯片與數(shù)據(jù)存儲器單元，結(jié)合渦輪流量傳感器，AD轉(zhuǎn)換器，四位LED顯示，聲光報警器等，采用C語音編程，設計了一款可對流量進行實時檢測，并具有上下限報警功能的渦輪流量計，可實現(xiàn)對管道內(nèi)天然氣的流量的實時檢測。本文詳細論述了基于單片機的流量檢測系統(tǒng)的設計方案，主要解決系統(tǒng)的總體設計，硬件電路的設計以及系統(tǒng)軟件的設計。2 硬件電路設計2.1 總體方案設計由流量傳感器采集流量信息，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號離散化后傳給單片機。單片機在系統(tǒng)軟件的控制作用下，對輸入的數(shù)據(jù)進行分析，向外部輸出控制信號，實現(xiàn)LED顯示。LED數(shù)碼管顯示動態(tài)的流量，同時，若流量超過上下限范圍，報警電路產(chǎn)生聲光報警信號，提醒流量不在正常范圍內(nèi)，需采取相應控制。系統(tǒng)軟件主要包括主程序，顯示程序等供主程序調(diào)用的子程序。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，子程序?qū)崿F(xiàn)相應的具體功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖2.2 工作原理被測流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時，傳感器內(nèi)的葉輪借助于流體的動能而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，周期性的改變磁電感應轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的磁阻值，使通過線圈的磁通量周期性的發(fā)生變化而產(chǎn)生電脈沖信號。在一定的流量范圍下，葉輪轉(zhuǎn)速與流體流量成正比，即電脈沖數(shù)量與流量成正比。該脈沖信號經(jīng)放大器放大后送至二次儀表進行流量和總量的顯示或積算。在測量范圍內(nèi)，傳感器輸出的脈沖總數(shù)與流過傳感器的體積總量成正比，其比值稱為儀表常數(shù)，以K (次/L)表示。每臺傳感器都經(jīng)過實際標定測得儀表常數(shù)值。當測出脈沖信號的頻率f 除以儀表常數(shù)K便可求得瞬進流量q(L/s)。即q=f/K。流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉(zhuǎn)化為電信號，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)化為離散信號，傳給單片機。單片機將信號以數(shù)字形式在LED數(shù)碼管上顯示。2.3 單元電路設計2.3.1 單片機最小系統(tǒng)(1)單片機選型單片機種類有很多種如89C51、89C52等，但是本設計系統(tǒng)中我選擇STC12C5A60S2作為核心單片機，與89C51或者89C52相比，STC12C5A60S2內(nèi)部有內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，特別是其內(nèi)部有PWM脈沖寬度調(diào)制功能，則不需要在外電路設計脈寬調(diào)制電路，減少了制作電路時的工作量也使得的電路更加的簡單化，所以STC12C5A60S2單片機更適合本設計。(2)STC12C5A60S2單片機介紹STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/ 機器周期(1T)的單片機，是高速/ 低功耗超強抗干擾的新一代8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12 倍。內(nèi)部集成MAX810 專用復位電路,2 路PWM,8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。STC12C5A60S2單片機內(nèi)部PWM脈沖寬度調(diào)制介紹它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。STC12C5A60S2單片機封裝有三種形式：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48。根據(jù)設計電路要盡可能簡便和設計電路所用的電路板為孔板的實際情況，我們選擇PDIP-40型封裝單片機，其優(yōu)點是便于合理的安排電路的走向和各個模塊的大體位置，其封裝圖如圖2.2所示圖2-2 單片機PDIP-40型封裝圖本設計采用STC12C5A60S2的一個重要原因是其具有高速A/D轉(zhuǎn)換功能。STC12C5A60S2單片機的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.0-P1.7）有10位8路高速A/D轉(zhuǎn)換器，A/D是電壓輸入型，轉(zhuǎn)換速度25萬次每秒，復位后P1口為弱上拉型I/O口，通過軟件可設置將P1口中的任何一位為A/D轉(zhuǎn)換位，不用A/D轉(zhuǎn)換的位可繼續(xù)作普通的I/O口使用。STC12C5A60S2單片機的ADC由多路選擇開關(guān)，比較器，逐次比較寄存器，10位DAC,轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC-CONTR構(gòu)成。STC12C5A60S2單片機的ADC是逐次比較型ADC.逐次比較型ADC是由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高為開始，順序的對每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)過多次比較，是轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應值，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，耗能低等優(yōu)點。(3)單片機最小系統(tǒng)在設計單片機最小系統(tǒng)時，我們可以發(fā)現(xiàn)STC12C5A60S2中有兩個復位引腳，所以我們要正確認識引腳功能后才能設計單片機的最小系統(tǒng)，STC12C5A60S2系統(tǒng)中的第二復位引腳RST2的主要功能是讓用戶可以用控制單片機當供電電壓低于一定值時產(chǎn)生復位，如果電壓恢復后重新啟動程序運行，可以設置成為低電壓中斷或者復。如圖2-3單片機最小系統(tǒng)圖圖2-3單片機最小系統(tǒng)圖2.3.2 顯示單元（1）選型本設計采用七段4位共陰數(shù)碼管（7SEG-MPX4-CC）。因為這種數(shù)碼管具有發(fā)光強、可視性好和成本低，耗能低等優(yōu)點，數(shù)碼管顯示電路較為簡單， 所以本設計采用此種數(shù)碼管。1）LED數(shù)碼顯示管原理LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。七段LED顯示管有七只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和SP，分別和同名管腳相連。七段LED數(shù)碼顯示管原理很簡單，是通過同名管腳是所加電平高低來控制發(fā)光二極管是否點亮而顯示不同字形的。共陰LED管的SP、g、f、e、d、c、b、a管腳上分別加上7FH控制電平（即：SP上為0伏，不亮；其余為TTL高電平，全亮），則LED顯示管顯示字形為“8”。7FH是按SP、g、f、e、d、c、b、a順序排列后的十六進制編碼（0為TTL低電平，1為TTL高電平），常稱為字形碼。因此，LED上所顯示字形不同，相應字形碼也不一樣。八段共陰能顯示的字形及相應字形碼如表3-2所列。該表常放在內(nèi)存，SGTB為表的起始地址，各地址騙移量為相應字形碼對表始址的項數(shù)。由于“B”和“8”、“D”和“0”字形相同，故“B”和“D”均以小寫字母“b”和“d”顯示。LED數(shù)碼顯示管分為共陰和共陽兩種。為共陰七段LED管時，所有發(fā)光二極管陰極共連后接到引腳G，G腳為控制端，用于控制LED是否點亮。若G腳接地，則 LED被點亮；若G腳TTL高電平，則它被熄滅。圖2-4 共陰極數(shù)碼管數(shù)碼管原理圖與實物圖。圖2-4 共陰極數(shù)碼管數(shù)碼管原理圖與實物圖2）單片機對LED的顯示接口電路單片機對LED管的顯示可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點是各LED管能穩(wěn)定地同時顯示各自字形；動態(tài)顯示是指各LED輪流一遍一遍顯示各自字符，人們因視覺惰性而看到的是各LED似乎在同時顯示不同字形。在單片機應用系統(tǒng)中，常采用MC14495芯片作為LED的靜態(tài)顯示接口，它可以和LED顯示器直接連接。MC14495芯片是由4位鎖存器、地址譯碼器和筆段ROM陣列以及帶有限流電阻的驅(qū)動電路（輸出電流為10mA）等三部分電路組成。A、B、C、D為二進制碼（或BCD碼）輸入端；為鎖存控制端，為低電平時可以輸入數(shù)據(jù)。為高電平時鎖存輸入數(shù)據(jù)，h+I為輸入數(shù)據(jù)大于等于10指示位，若輸入數(shù)據(jù)大于或等于10，則h+I輸出高電平，否則輸出為低電平；為輸入等于15指示位，若輸入數(shù)據(jù)等于15，則輸出高電平，否則為高阻狀態(tài)。MC14495芯片的作用是輸入被顯字符的二進制碼（或BCD碼），并把它自動轉(zhuǎn)換成相應字形碼，送給LED顯示。為了減少硬件開鎖，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，單片機控制系統(tǒng)通常采用動態(tài)掃描顯示。動態(tài)顯示采用軟件法把欲顯示十六進制數(shù)（或BCD碼）轉(zhuǎn)換為相應字形碼，故它通常需要在RAM區(qū)建立一個顯示緩沖區(qū)。顯示緩沖區(qū)內(nèi)包含的存儲單元個數(shù)常和系統(tǒng)中LED顯示器個數(shù)相等。顯示緩沖區(qū)的起始地址很重要，它決定了顯示緩沖區(qū)在RAM中的位置。顯示緩沖區(qū)中每個存儲單元用于存放相應LED顯示器欲顯示的字形碼地址偏移量，故CPU可以根據(jù)這個地址偏移量通過查字形碼表來找出所需顯示字符的字形碼，以便送到字形口顯示。當顯示器位數(shù)較少時，采用靜態(tài)顯示的方法是適合的。當位數(shù)較多時，用靜態(tài)顯示所需的I/O太多，一般采用動態(tài)顯示方法。LED接口電路如圖2-5所示。圖2-5 LED接口電路2.3.3 流量傳感器（1）流量傳感器的分類流量測量方法和儀表的種類繁多,分類方法也很多。至今為止,可供工業(yè)用的流量儀表種類達60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類;按測量目的又可分為總量測量和流量測量,其儀表分別稱作總量表和流量計?？偭勘頊y量一段時間內(nèi)流過管道的流量,是以短暫時間內(nèi)流過的總量除以該時間的商來表示,實際上流量計通常亦備有累積流量裝置,做總量表使用,而總量表亦備有流量發(fā)訊裝置。因此,以嚴格意義來分流量計和總量表已無實際意義。按照目前最流行、最廣泛的分類法,即分為:容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦街流量計、質(zhì)量流量計和插入式流量計、探針式流量計，以下分別闡述各種流量計的原理、特點、應用概況及國內(nèi)外的發(fā)展情況。渦輪流量計, 是速度式流量計中的主要種類, 它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪) 感受流體平均流速, 從而推導出流量或總量的儀表。一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成, 也可做成整體式。渦輪流量計和容積式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計稱為流量計中三類重復性、精度最佳的產(chǎn)品, 作為十大類型流量計之一, 其產(chǎn)品己發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。渦街流量計，是在流體中安放一根非流線型游渦發(fā)生體, 流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯排列的游渦的儀表。渦街流量計按頻率檢出方式可分為: 應力式、應變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。渦街流量計是屬于最年輕的一類流量計, 但其發(fā)展迅速, 目前成為通用的一類流量計。電磁流量計，是根據(jù)法拉弟電磁感應定律制成的一種測量導電性液體的儀表。電磁流量計有一系列優(yōu)良特性, 可以解決其它流量計不易應用的問題, 如臟污流、腐蝕流的測量。70、80 年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破, 使它成為應用廣泛的一類流量計, 在流量儀表中其使用量百分數(shù)不斷上升。差壓式流量計，是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓, 已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。浮子流量計，又稱轉(zhuǎn)予流量計, 是變面積式流量計的一種, 在一根由下向上擴大的垂直錐管中, 圓形橫截面的浮子的重力是, 由液體動力承受的, 從而使浮子可在錐管內(nèi)自由地上升和下降。容積式流量計，又稱定排量流量計, 簡稱PD 流量計, 在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分, 根據(jù)測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量。容積式流量計按其測量元件分類, 可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉(zhuǎn)筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。超聲流量計，是通過檢測流體流動對超聲束( 或超聲脈沖) 的作用以測量流量的儀表。超聲流量計和電磁流量計一樣, 因儀表流通通道未設置任何阻礙件, 均屬無阻礙流量計, 是適于解決流量測量困難問題的一類流量計, 特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點, 近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。（2）渦輪流量計的結(jié)構(gòu)與原理渦輪流量計：氣體渦輪流量計是一種速度式流量計，如圖2-1所示。它是由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成；被測流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表進行計數(shù)和顯示，根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。渦輪變送器的工作原理是當流體沿著管道的軸線方向流動，并沖擊渦輪葉片時，便有kQ = f ，其中：Q 是流經(jīng)變送器的流量（L/s）；f 是電脈沖頻率（Hz）；k 是儀表系數(shù)（次/升）。管道內(nèi)流體的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應原理，在線圈內(nèi)將感應出脈動的電勢信號，此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比，k 是渦輪變送器的重要特性參數(shù)，它是代表每立方米流量有幾個脈沖，或者每升流量有幾個脈沖，不同的儀表有不同的k。渦輪變送器輸出的脈沖信號，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實現(xiàn)流量的測量。根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累積脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。圖2-6 渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)圖（3）渦輪流量計的特點在各種流量計中渦輪流量計、容積式流量計是可以得到最佳重復性的少數(shù)儀表。二者相比，渦輪流量計又具有自己的特點，如結(jié)構(gòu)簡單、加工零部件少、質(zhì)量輕、維修方便、成本低的特點。渦輪流量計還具有測量準確度高、測量范圍廣、壓力損失小、惰性小、溫度范圍廣及數(shù)字信號輸出等優(yōu)點。像這樣的技術(shù)參數(shù)其他流量計則是難以達到的。因此渦輪流量計在工業(yè)上應用最廣泛，發(fā)展最迅速。除了在石油、化工、電力工業(yè)中用來測量水、油品、燃氣等管流流量及食品工業(yè)中測量牛奶、酒類等流量外，由于其兼有測量準確度高和重復性好的特點，故還可以作為校驗其它流量計的標準表。渦輪流量計雖有很多優(yōu)點，但由于渦輪必須與流體接觸并轉(zhuǎn)動，因此對被測流體的潔凈度要求高。流體的溫度、粘度、密度對儀表指示值也有較大影響。而且由于有轉(zhuǎn)動部件，會帶來軸承的磨損，使儀表的使用年限受到影響。因此，必須注意根據(jù)被測流體的具體情況恰當?shù)倪x擇變送器型式及其附屬設備，如附加適當?shù)倪^濾器等保護設備。應該指出，隨著新材料、新工藝的發(fā)展，儀表轉(zhuǎn)動部分的耐磨性、變送器的維修性能和壽命正在不斷提高；隨著對渦輪流量計粘度修正問題研究的不斷深入以及測量線路的完善和微的應用，渦輪流量計可以方便和準確得進行各種參數(shù)的修正，顯示儀表的性能也將更臻完善目前生產(chǎn)的雙渦輪流量計，由于變送器內(nèi)串聯(lián)兩個渦輪，可以互相校核，從而提高了儀表使用的可靠性，受到好評?？梢灶A言，隨著渦輪流量計結(jié)構(gòu)和性能的不斷完善，以及高性價比，它將在各個領(lǐng)域中越來越廣泛的得到應用，在流量測量和標準傳遞中發(fā)揮更大作用。（4）傳感器設計及信號采集流量信號通過渦輪流量傳感器采集，本設計應用霍爾效應設計傳感器。a.霍爾效應當一塊通有電流的金屬或半導薄片垂直的放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達式為U=(KIB)/d其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過的電流，B為外加磁場的磁感應強度，d是薄片的厚度。由此可見，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場的磁感應強度成正比的關(guān)系。 圖2-7 霍爾元件的基本電路b.實體電路根據(jù)霍爾效應原理，如圖3-4所示，將一塊永久磁鋼固定在轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨側(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾電路通電后，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，磁體每經(jīng)過霍爾電路一次，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪，用流體(氣體、液體)去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流量傳感器。我們可確定流量的計算公式為： 累積流量：Q=KM=KD其中，Q為累積流量(L)，K為儀表常數(shù)(L/r)，M為轉(zhuǎn)數(shù)(r)，D為脈沖數(shù)。 瞬時流量：q=Km=Kf其中，q為瞬時流量(L/s)，m為轉(zhuǎn)體角速度(r/s)，f為脈沖頻率(Hz)。圖2-8 旋轉(zhuǎn)傳感器磁體設置2.4 總體電路單片機接口連接1）LED模塊中A,B,C,D,E,F,G，DP依次連接到單片機的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4，P0.5，P0.6，P0.7引腳上。LED上的COM1，COM2，COM3，COM4分別依次連接到單片機的P2.1，P2.2，P2.3，P2.4引腳上。2）報警電路的電阻端R1接到單片機的P2.0引腳上。3)流量檢測電路的電阻端R2接到單片機的P1.0引腳上。圖2-9電路總圖3 軟件設計3.1 軟件端口定義1）LED模塊中的端口A,B,C,D,E,F,G，DP依次連接到單片機的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4，P0.5，P0.6，P0.7引腳上。LED上的COM1，COM2，COM3，COM4分別依次連接到單片機的P2.1，P2.2，P2.3，P2.4引腳上。2）報警電路的端口接到單片機的P2.0引腳上。3)流量檢測電路的端口接到單片機的P1.0引腳上。軟件端口定義如下所示。表1 LED模塊端口定義數(shù)碼管端口單片機端口AP0.0BP0.1CP0.2DP0.3EP0.4FP0.5GP0.6DPP0.7COM1P2.1COM2P2.2COM3P2.3COM4P2.4表2 報警電路及流量檢測電路端口定義端口單片機端口報警電路端口P2.0流量檢測端口P1.03.2 程序流程系統(tǒng)軟件設計是該設計的核心，也是設計的重點和難點部分。控制系統(tǒng)軟件設計的好壞直接影響到該控制系統(tǒng)的控制功能，因此，要想做好本設計，一個好的系統(tǒng)軟件是關(guān)鍵。本設計中采用C語言編寫STC12C5A60S2單片機程序，該控制系統(tǒng)的程序主要分為主程序和各種中斷子程序。主程序完成系統(tǒng)的地址分配、系統(tǒng)初始化；各子程序完成相應的各功能。圖3-1 程序結(jié)構(gòu)圖3.2.1 主程序及流程圖 圖3-2 主程序流程圖部分代碼：main() EA = 1; /開總中斷 EX0 = 1; /開外部中斷0 While(1)AD_val(); /信號采集，A/D轉(zhuǎn)換LED_display(); /數(shù)碼管顯示alarm(); /上下限報警3.2.2 顯示程序及流程圖圖3-3 顯示程序流程圖部分代碼：void LED_display(uint num) uchar qian,bai,shi,ge; qian=num/1000; /千，百，十，個處理 bai=num/100%10; shi=num/10%10; ge=num%10;3.2.3 報警程序及流程圖圖3-4 報警程序流程圖Void alarm() /報警程序if(setValue_low=num) beep=1; /在溫度允許范圍內(nèi)，不報警 else beep=-beep;3.3 軟件調(diào)試（1）Keil軟件KeilC51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Kei提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Kei軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程，那么Kei幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。（2）調(diào)試過程圖3-4 程序中有錯誤運行結(jié)果按照keil3的操作過程操作編入程序，然后進行調(diào)試，調(diào)試很簡單，主要的是在調(diào)試過程中程序出現(xiàn)錯誤時要及時的修改。當程序出現(xiàn)錯誤時，我們要對錯誤的地方進行雙擊，雙擊錯誤的信息就能夠自動跳轉(zhuǎn)到程序中錯誤的地方，方便我們及時的修改程序程序。修改完成后，我們再次進行調(diào)試，如有錯誤再次進行修改，如此往復，一直到程序沒有錯誤為止，這樣的程序在語法上是沒有問題的，如果要看程序是否滿足本次設計的要求，就需要把程序下載到單片機STC12C5A60S2中，在整個流量檢測系統(tǒng)中進行調(diào)試。圖3-5 程序中無錯誤運行結(jié)果4 硬件電路焊接與調(diào)試41 焊接方法、注意事項焊接焊接是被焊工件的材質(zhì)（同種或異種），通過加熱或加壓或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程。1.焊接方法焊接技術(shù)主要應用在金屬母材上，常用的有電弧焊，氬弧焊，CO2保護焊，氧氣-乙炔焊，激光焊接，電渣壓力焊等多種，塑料等非金屬材料亦可進行焊接。金屬焊接方法有40種以上，主要分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。熔焊是在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動，冷卻后形成連續(xù)焊縫而將兩工件連接成為一體。壓焊是在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實現(xiàn)原子間結(jié)合，又稱固態(tài)焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊，當電流通過兩工件的連接端時，該處因電阻很大而溫度上升，當加熱至塑性狀態(tài)時，在軸向壓力作用下連接成為一體。釬焊是使用比工件熔點低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于工件熔點的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實現(xiàn)原子間的相互擴散，從而實現(xiàn)焊接的方法。2注意事項（1）焊接時應盡可能采取短弧，特別是低氫焊條。電弧長可能造成氣孔。（2）保持適宜的焊接速度，熔渣能很好的覆蓋著熔潭。使熔潭內(nèi)的各種雜質(zhì)和氣體有充分浮出時間，避免形成焊縫的夾渣和氣孔。（3）焊接時，要使焊點的周圍都有錫，將其牢牢焊住，防止虛焊。（4）焊接上錫時，錫不宜過多當焊點焊錫錐形時，即為最好。（5）裝完同一種規(guī)格之后再裝另一種規(guī)格，盡量使電阻的高低一致，焊完后將露在印刷PCB表面多余引腳齊根剪去。（6）要進行老化工藝，可發(fā)現(xiàn)很多問題連線要接緊，螺絲要旋緊，當繁復插拔多次后，要注意連線接頭是否有破損。4.2 電路焊接與裝配首先要熟悉所焊印制電路板的裝配圖，并按圖紙配料，檢查元器件型號、規(guī)格及數(shù)量是否符合圖紙要求，并做好裝配前元器件引線成型等準備工作。1 、焊接順序元器件裝焊順序依次為：電阻器、電容器、二極管、三極管、集成電路、大功率管，其它元器件為先小后大。在焊接電路時焊接原件要有一定的順序，這樣焊接時才會更有效率而且方便了許多。2 、對元器件焊接要求（1）電阻器焊接按圖將電阻器準確裝人規(guī)定位置。要求標記向上，字向一致。裝完同一種規(guī)格后再裝另一種規(guī)格，盡量使電阻器的高低一致。焊完后將露在印制電路板表面多余引腳齊根剪去。（2）電容器焊接將電容器按圖裝人規(guī)定位置，并注意有極性電容器其 “ ” 與 “ ” 極不能接錯，電容器上的標記方向要易看可見。先裝玻璃釉電容器、有機介質(zhì)電容器、瓷介電容器，最后裝電解電容器。（3）二極管的焊接 二極管焊接要注意以：第一，注意陽極陰極的極性；二，型號標記要易看可見；第三，焊接立式二極管時，對最短引線焊接間不能超過 2S 。3、引線位置插接正確；焊接時間盡可能短，焊接時用鑷子夾住引線腳，以利散熱。焊接大功率三極管時，若需加裝散熱片，應將接觸面平整、打磨光滑后再緊固，若要求加墊絕緣薄膜時，切勿忘記加薄膜。管腳與電路板上需連接時，要用塑料導線。圖4-1 空白電路板 圖4-2 電路板正面 圖4-3 電路板反面4.3 電路調(diào)試（1）電路板的檢測焊好電路板后不能急于調(diào)試，要先對電路板進行檢查，主要檢查的是電路板是否有焊接錯誤的地方，要根據(jù)電路圖來嚴格檢查檢查電路中原件的正負極是否接反了，電子原件是否用的混淆了（電容與電解電容）以免除不必要的失誤。檢查好后要對電路板進行檢測，主要用萬用表檢測電路中是否存在短路，如果存在短路，要立刻改正焊接，因為短路時非常嚴重的問題，可能造成電路燒毀而使焊接電路板報廢，檢測時要以電路圖為重要依據(jù)，檢查每一條電路是否存在短路，電路與電路之間的檢測更為重要而且是容易導致短路的地方。檢查好后我們就可以進行調(diào)試了。（2）寫入程序?qū)懭氤绦蛞玫降氖荢TC新ISP軟件V6.36 軟件，該軟件具有寫入單片機程序的作用。圖4-4 STC新ISP軟件V6.36界面（3）操作過程根據(jù)電路圖把LED模塊用導線連接到電路中，這里要了解各模塊接口的作用，接錯了可能導致電路損壞。連接電源，電源的兩極要連接正確。通電后初步查看電路是否焊接正確，查看各模塊是否正常工作。查看程序是否達到設計的要求和電路是否存在焊接錯誤，如LED顯示異?；蛘卟伙@示等情況，我們就要查找改正，再進行調(diào)試，旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕，查看LED上的數(shù)字是否改變，數(shù)字若超過設定的上限值，觀察蜂鳴器是否會報警，如果上述中在調(diào)試時有不符合的現(xiàn)象，那么程序可能出現(xiàn)錯誤，就要對程序進行修改，修改后再次調(diào)試，如此往復一直到達到設計要求為止。（4）調(diào)試結(jié)果在初步調(diào)試的過程中電路接上電源之后按開始開關(guān)，旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕，發(fā)現(xiàn)當LED顯示的數(shù)字超過上限值的時候，蜂鳴器就會報警。由此證明此設計是合格的。但在調(diào)試的過程中我也發(fā)現(xiàn)了一些問題，就是在調(diào)節(jié)電位器的時候，LED顯示的數(shù)字會不停的閃爍，但是在示波器上顯示卻很正常，我又還了一個LED數(shù)碼管，可還是一樣，不過這不影響本設計的目的。圖4-5調(diào)試結(jié)果圖結(jié) 論為期三個月的畢業(yè)設計已接近尾聲，我也完成了自己的畢業(yè)設計任務基于單片機的流量檢測系統(tǒng)的設計 。通過親手做畢業(yè)設計，我發(fā)現(xiàn)了自己知識的匱乏和能力的欠缺，我覺得自己對專業(yè)知識的認識、理解還是比較膚淺的。在設計過程中，我遇到了許多問題，例如：各硬件芯片的選擇，傳感器的設計，軟件的編程等。不過這些問題在王鋒老師及同學的細心指導和幫助下一點一點地解決了。實際的應用加深了我對大學所學的軟、硬件知識的理解。單片機的選用與學習增強了我們的實際分析解決問題的能力。這次設計讓我初次體驗了產(chǎn)品設計開發(fā)的過程，學習了開發(fā)應用的主要方法，也讓我意識到理論知識與實際應用之間的距離。在這三個多月里，無論是在專業(yè)知識，還是在專業(yè)技能方面自己都得到了很好的鍛煉，并有相應的提高，作為大學三年學習的總結(jié)，使我認識到學習過程中的許多缺陷與不足，并對所學的專業(yè)知識進行了重新溫習與整理，使許多獨立的專業(yè)課程在實踐中得到了融會貫通。這將對我今后的學習和工作起到了很大的幫助作用，讓我認識到了必須踏踏實實的學習，絕不能眼高手低，要注重理論與實踐的結(jié)合。本設計的一個缺陷在于沒有鍵盤來手動設置流量值的上下限，而是將流量的上下限固化在程序中，這樣系統(tǒng)的靈活性就大大降低，另外就軟件設計而言也存在著一些不足之處，我相信這些不足之處在以后的工作和學習中會得到改進。畢業(yè)設計作為大學階段的最后一項任務，是對自己大學三年來學習水平的綜合檢驗。它能使我對所學的知識有一個系統(tǒng)的把握，并在此基礎(chǔ)上做到融會貫通。同時，對自己自學能力的培養(yǎng)等都大有裨益。致 謝通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文基于單片機的流量檢測系統(tǒng)的設計終于完成了，這意味著大學生活即將結(jié)束。在大學階段，我在學習上和思想上都受益匪淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。在本論文的寫作過程中，我的導師傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝；我還要感謝在我學習期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學和朋友；同時感謝校圖書館為我們提供豐富的學習資料。寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學習的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學習生活的開始。三年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。三年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。參考文獻1 謝維成、楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計M.北京：清華大學出版社， 2006.2 童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2006.3 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2006.4 彭為.單片機典型系統(tǒng)設計實例精講M.北京：電子工業(yè)出版社，2006.5 梁國偉、蔡武昌.流量測量技術(shù)及儀表M.北京：機械工業(yè)出版社，2002.6 王玉巧、蔡曉艷.基于單片機的流量控制J.科技信息，2010,9X. 7 徐曉光、潘偉;、徐康.基于單片機的渦輪流量檢測儀設計J.工業(yè)控制計算機， 2008,08.8 孫昌權(quán).基于AT89C52單片機的智能流量積算儀設計J.廣西輕工業(yè)，2010,12.9 魏穎.基于單片機的流量檢測表設計J.太原科技，2007,10.10 于文輝.基于單片機的智能流量控制系統(tǒng)J.微計算機信息雜志，2009,26 .11 蘇貝、周常柱、胡松.單片機在流量測量中的應用J.微計算機信息雜志，2005,5.12 Keith Lambert.Flow Measurement and Instrumentation:A time of change for the journalJ.Flow Measurement and Instrumentation，2010,21(2):79-80.蘇州市職業(yè)大學機電工程學院畢業(yè)設計說明書（論文）附錄A程序清單#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar out0=0 x7f ; /賦初值uchar buf3=0,0,0;/全局數(shù)組uchar pr=0 x57,0 x6E,0 x5E,0 x3E,0 x6D,0 x5D,0 x3D,0 x6B,0 x5B,0 x3B;uchar discode=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;int AD; /轉(zhuǎn)換結(jié)果，十六進制int uuu,sc=0; int Int_result, /標度變換后的結(jié)果sbit beep=P20;sbit Dataout=P10; /數(shù)據(jù)線sbit cs=P11; /片選sbit sclk=P12; /io口時鐘sbit dx=P13; /斷碼顯示控制鎖存sbit wx=P14; /位控控制鎖存sbit sw=P17;sbit PWM=P15;sbit direction=P16;void LED_display(); /數(shù)碼管顯示void AD_val(); /信號采集，A/D轉(zhuǎn)換alarm(); /上下限報警uchar setValue_low=15; /設定流量下限值uchar setValue_high=30; /設定流量上限值main() EA = 1; /開總中斷 EX0 = 1; /開外部中斷0 While(1)AD_val(); LED_display(); alarm(); void delay1ms(uchar T) /單位時間1ms延時 uchar time; while(T-) for(time=0;time120;time+);void AD_val() uchar i,temp=0; cs=1;/初始化，啟動 sclk=0; cs=0; _nop_(); for(i=0;i8;i+)/讀取采集數(shù)據(jù)，讀取的是上一次采集數(shù)據(jù)sclk=1; temp=temp1;if(Dataout) temp |=0 x01; sclk=0; cs=1; AD=temp; for(i=0;i5;i+) /延時17us以上，進行復位 _nop_(); Int_result=AD*100/256; /處理整數(shù) uuu=Int_result; Void alarm()if(setValue_low=num) beep=-beep; else beep=1;void LED_display(uint num) uchar qian,bai,shi,ge; qian=num/1000; /千，百，十，個處理 bai=num/100%10; shi=num/10%10; ge=num%10; if(num0) wx=0; P0=0 xf7; /即P2=1111 0111B，P2.3引腳輸出低電平，數(shù)碼顯示器DS3接通電源 wx=1; dx=0; P0=discodege; /顯示個位 dx=1; delay1ms(1); wx=0; P0=0 xfb; /即P2=1111 1011B，P2.2引腳輸出低電平，數(shù)碼顯示器DS2接通電源 wx=1; dx=0; P0=discodeshi;/|0 x80; /顯示十位 dx=1;delay1ms(1); wx=0; P0=0 xfd; /即P2=1111 1101B，P2.1引腳輸出低電平，數(shù)碼顯示器DS1接通電源 wx=1; dx=0; P0=discodebai; /顯示百位 dx=1;delay1ms(1); wx=0; P0=0 xfe; /即P2=1111 1110B，P2.0引腳輸出低電平，數(shù)碼顯示器DS0接通電源 wx=1; dx=0; P0=discodeshi;/|0 x80; /顯示千位 dx=1;delay1ms(1); Void alarm() /報警程序if(setValue_low=num) beep=1; /在溫度允許范圍內(nèi)，不報警 else beep=-beep;第 34 頁 共 37 頁附錄B 電路總圖