流速自動(dòng)采集及顯示器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、流速自動(dòng)化采集及顯示器設(shè)計(jì)摘要：流速自動(dòng)化采集器及顯示器能有效的測(cè)得流體的速度，并準(zhǔn)確的顯示出來(lái)。本文通過對(duì)流速采集傳感器激光脈沖計(jì)數(shù)的方法，本設(shè)計(jì)主要是一種基于 at89s51 單片機(jī)平臺(tái)，采用光電傳感器與螺旋漿結(jié) 合測(cè)量液體的流速的方法， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示。 硬件系統(tǒng)包括脈沖信號(hào)的產(chǎn)生， 光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理，把處理后得到的信息送往三片 cd4511，再由 cd4511 驅(qū) 動(dòng)數(shù)碼管，并顯示出來(lái)。采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。具有電路簡(jiǎn)單，精確度高，可靠性強(qiáng)，價(jià)格便宜的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：at89c51、流速采集、單片機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換前言：1、隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及各工程單位對(duì)流體速度檢測(cè)的需求，讓

2、我們更好地了解和利用這些速度，所以對(duì)一些數(shù)的的研究對(duì)我 生活越來(lái)越重要。該課程設(shè)計(jì)的目的就是為了讓我們熟悉和運(yùn)用單片機(jī)的一些簡(jiǎn)單的測(cè)量手段。以及怎樣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集， 以及顯示部分等各個(gè)模塊的通信和調(diào)節(jié)，進(jìn)一步鍛煉了我們?cè)谛盘?hào)采集，處理和 顯示方面的實(shí)際工作能力。2、當(dāng)前國(guó)內(nèi)外流速自動(dòng)化采集儀器發(fā)展?fàn)顩r：l 旋槳式高流速儀：測(cè)速范圍：0.0515m/s l旋槳回轉(zhuǎn)直徑：120mm l旋槳水力螺距：200mm l 輸出信號(hào)頻率：2個(gè)信號(hào)/轉(zhuǎn) l 檢定公式相對(duì)誤差：vvk時(shí)，1.5%；vvk時(shí),5%l 直讀式流速儀：渦輪式流速計(jì)，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量平均流速l 數(shù)字顯示，單位：英尺/秒 或 米/秒，記錄30

3、個(gè)數(shù)據(jù)組，包括平均值、最大值、最小值等，防雨數(shù)字式電腦，高精度，便利的流速監(jiān)測(cè)，渦輪式，自動(dòng)脫碎屑功能，輕便、結(jié)實(shí)、可靠，折疊式手柄,帶長(zhǎng)度尺，便攜箱,易于儲(chǔ)存l 打印式流速流量?jī)x：可廣泛用于工業(yè)廢水排放計(jì)量，環(huán)保監(jiān)測(cè)，農(nóng)田排灌計(jì)量和水文測(cè)量。 l 便攜式超聲波流量計(jì)：hs便攜式水文流速流量?jī)x，符合國(guó)家明渠測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)， 專為水文測(cè)量和農(nóng)田灌溉工作者做流速流量測(cè)量研制的。可作為l 各類明渠流速、流量和泵站流量的測(cè)量計(jì)算l 超聲波明渠流量計(jì)：采用md型超聲波明渠流量計(jì)是采用國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)技術(shù)研制開發(fā)的全智能型明渠流量計(jì)，產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，測(cè)量精度和可靠性好，量程比寬等優(yōu)點(diǎn)，既可用于污廢水排放

4、的測(cè)量，又適用于農(nóng)田水利灌溉的用水計(jì)量以及城區(qū)的排水改造工程。一、課題任務(wù)分析1 1設(shè)計(jì)方案方案一：本方案是一個(gè)對(duì)一點(diǎn)的流速的采集，以at89c51單片機(jī)為核心，利用一個(gè)光電傳感器、一個(gè)整形電路、三個(gè)cd4511對(duì)應(yīng)三個(gè)數(shù)碼顯示管構(gòu)成的流速自動(dòng)采集，當(dāng)微型螺旋槳開始工作時(shí)，根據(jù)螺旋槳三個(gè)面的反光的強(qiáng)弱，當(dāng)反的光信號(hào)傳到光敏二極管送給三極管，根據(jù)光信號(hào)的強(qiáng)弱三極管輸出電信號(hào)1或0，再送到由兩個(gè)反相器構(gòu)成的整形電路進(jìn)行對(duì)之前的電信號(hào)進(jìn)行整形輸出方波的脈沖的電信號(hào)，將電信號(hào)傳給定時(shí)計(jì)數(shù)器p3.4口，利用晶振電路規(guī)定晶振周期，再利用單片機(jī)匯編程序?qū)?0s內(nèi)的電信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，對(duì)脈沖數(shù)的處理流速v=

5、4*n/10+2，利用單片機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行按照這公式處理，將處理后的數(shù)據(jù)百位的數(shù)送給p0.0p0.3口，十位的數(shù)送給p1.0p1.3口，各位的數(shù)送給p2.0p2.3口進(jìn)行顯示，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過bcd譯碼，送到數(shù)碼顯示管。單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位電路，當(dāng)復(fù)位電路上電或者按鍵進(jìn)行復(fù)位時(shí)，顯示管顯示的數(shù)據(jù)復(fù)位，進(jìn)行下一次測(cè)到的流速顯示，復(fù)位一次顯示一次數(shù)據(jù)。方案二：系統(tǒng)以 89c52單片機(jī)為核心，其外部和外圍設(shè)備有紅外流速傳感器、輸入電路、報(bào)警電路、鍵盤和液晶顯示器等組成。工作過程為：從紅外流速傳感器輸出的微弱的脈沖信號(hào)， 經(jīng)輸入電路濾波、放大和整形后變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，進(jìn)入 ari89c52單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)端t

6、l。在啟測(cè)鍵按下后，單片機(jī)接收信息，啟動(dòng)單片機(jī)計(jì)數(shù)，得到脈沖個(gè)數(shù)n，先設(shè)定的k值、c值及測(cè)速歷時(shí) 計(jì)算得到流速值：v=4*n/10+2 。隨后，將流速值送至存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行存儲(chǔ)，液晶顯示屏同時(shí)顯示 當(dāng)前流速，報(bào)警電路在這里主要完成電池電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。cpu選用at89c52，內(nèi)置8 kb epromcpu的f10口通過鎖存器7413373作數(shù)據(jù)地址線復(fù)用，對(duì)外擴(kuò)展8 kb的sram作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以確保測(cè)量數(shù)據(jù)不因掉電而丟失；p1口線作鍵盤的列線及一些使能信號(hào)線使用；p2口的部分口線作靜態(tài)2764的高位地址線使用；p3口線均作其第二功能使用，如rxd、txd 引腳通過外接芯片tc232作本機(jī)的外接串

7、行通信端口使用。12 設(shè)計(jì)框圖二、硬件設(shè)計(jì)原理分析*21 輸入電路2.1.1光電傳感電路光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測(cè)量方法可分為透射式,漫反射式,遮光式三大類.所謂透射式是指被測(cè)物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過

8、被測(cè)物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上,再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān). 光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，pn結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。

9、在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無(wú)光照時(shí)管子流過的電流為暗電流iceo=（1+）icbo，比一般三極管的穿透電流還??；當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對(duì)，

10、使得基極產(chǎn)生的電流ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流ic=（1+）ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。*2.1.2整形電路本設(shè)計(jì)由光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)送給由兩個(gè)反相器構(gòu)成的整形電路，兩個(gè)反相器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行整形，當(dāng)輸入的電信號(hào)時(shí)低于某一個(gè)值時(shí)，通過整形電路輸出0；當(dāng)輸入的電信號(hào)高于某一個(gè)值時(shí)，通過整形電路輸出1。這樣就通過兩個(gè)反相器輸出了一個(gè)規(guī)則的方波脈沖信號(hào)送給中心單片機(jī)。22中控電路中控電路實(shí)現(xiàn)對(duì)整形電路傳送過來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行規(guī)定時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)計(jì)算等處理功能，將數(shù)據(jù)傳給顯示管顯示出來(lái)。2.2.1復(fù)位電路為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電

11、路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5v5%，即4.755.25v。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng)vcc超過4.75v低于5.25v以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。本設(shè)計(jì)的按鍵脈沖復(fù)位電路由兩個(gè)22f的電容和兩個(gè)1k電阻構(gòu)成的，該電路可以實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位和電平復(fù)位。上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路給電容c2充電加至rst引腳一個(gè)短的高電平信號(hào)，此時(shí)信號(hào)隨著vcc對(duì)電容c2的充電過程而逐漸回落，即rst引腳上的高電平持續(xù)取決于電容c2的充電時(shí)間。因此為保證系統(tǒng)能可靠地復(fù)位，r

12、st引腳上的高電平必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間；按鍵手動(dòng)電平復(fù)位時(shí)通過rst端經(jīng)電阻與電阻vcc接通來(lái)實(shí)現(xiàn)。*2.2.2晶振電路晶振電路由兩個(gè)30pf電容和一個(gè)12mhz晶振構(gòu)成，兩個(gè)電容串聯(lián)中間接地，兩個(gè)晶振電路輸出到at89c51的xtal1和xtal2引腳，為51單片機(jī)提供晶振頻率。這種電路時(shí)單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘方式，at89c51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳xtal1，輸出端為引腳xtal2，這兩個(gè)引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中電容c1和c2的典型值通常為30pf。該電容的大小影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，晶體振蕩

13、頻率范圍通常是在1.212mhz。晶體的頻率越高，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。2.2.3 at89c51單片機(jī)at89c51是一個(gè)4k字節(jié)flash 閃速存儲(chǔ)器，總共40個(gè)引腳，128字節(jié)內(nèi)部ram，32 個(gè)i/o 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路?？偣驳?0個(gè)一腳，32個(gè)i/o接口，還有一些控制引腳，電源引腳，i/o接口有p0口、p1口、p2口、p3口.p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向i/o口，當(dāng)at89c51擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器及i/o接口芯片時(shí)，p0口作為地址總線及數(shù)據(jù)總線的分時(shí)復(fù)用端口。p0口也可以作為通用的i/o

14、口使用，但是必須加上拉電阻，這時(shí)為準(zhǔn)雙向口。當(dāng)作為通用的i/o輸入時(shí)，應(yīng)先向端口輸出鎖存器寫入1。 p0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)ls型ttl負(fù)載。p1口是專為用戶使用的準(zhǔn)雙向i/o口，當(dāng)作為通用的i/o口輸入時(shí)，應(yīng)先向端口鎖存器寫入1。 p1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)ls型ttl負(fù)載。p1口內(nèi)部有一個(gè)上拉電阻，所以不需要外部上拉電阻。p1口可作為數(shù)據(jù)輸入口也可作為數(shù)據(jù)輸出口用。當(dāng)at89c51擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器級(jí)i/o時(shí)，p2口作為高8位地址總線用，輸出高8位地址。p2口也可作為普通的i/o口使用，當(dāng)作為通用的i/o口輸入時(shí)，應(yīng)先端口輸出鎖存器寫入1。p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流

15、。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流這是由于上拉的緣故。 2.3顯示電路2.3.1cd4511芯片cd4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 led顯示器的 bcd 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)：具有bcd轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的cmos電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動(dòng)led顯示器。cd4511 是一片 cmos bcd鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，引腳排列如圖3-2所示。其中a b c d 為 bcd 碼輸入，a為最低位。lt為燈測(cè)試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢

16、查顯示器是否有故障。bi為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)， b1端應(yīng)加高電平。另外 cd4511有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。le是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰led數(shù)碼管。另外，cd4511顯示數(shù)“6”時(shí)，a段消隱；顯示數(shù)“9”時(shí)，d 段消隱，所以顯示 6、9 這兩個(gè)數(shù)時(shí)，字形不太美觀。所謂共陰 led 數(shù)碼管是指 7 段 led 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來(lái)選取，電源電壓5v時(shí)可使用300的限流電阻。1、引腳功腳bi：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)bi=

17、0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 lt：3腳是測(cè)試輸入端，當(dāng)bi=1，lt=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 dcba 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來(lái)檢測(cè)數(shù)碼管是否損壞。 le：鎖定控制端，當(dāng)le=0時(shí)，允許譯碼輸出。 le=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在le=0時(shí)的數(shù)值。a1、a2、a3、a4、為8421bcd碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。cd4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。2、cd4511真值表輸 入輸 出lebilidcbaabcde

18、fg顯示xx0xxxx11111118x01xxxx0000000消隱01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隱01110110000000消隱01111000000000消隱01111010000000消隱01111100000000消隱0111111000000消隱111xxxx鎖 存鎖存3、cd4511

19、功能（1）鎖存功能譯碼器的鎖存電路由傳輸門和反相器組成,傳輸門的導(dǎo)通或截止由控制端le的電平狀態(tài)。 當(dāng)le為“0”電平導(dǎo)通，tg2截止；當(dāng)le為“1”電平時(shí)，tg1截止，tg2導(dǎo)通，此時(shí)有鎖存作用。（2）譯碼cd4511譯碼用兩級(jí)或非門擔(dān)任，為了簡(jiǎn)化線路，先用二輸入端與非門對(duì)輸入數(shù)據(jù)b、c進(jìn)行組合，得出、四項(xiàng)，然后將輸入的數(shù)據(jù)a、d一起用或非門譯碼。（3）消隱bi為消隱功能端，該端施加某一電平后，迫使b端輸出為低電平，字形消隱。消隱輸出j的電平為 j=（c+b）d+bi，如不考慮消隱bi項(xiàng)，便得j=（b+c）d據(jù)上式，當(dāng)輸入bcd代碼從1010-1111時(shí)，j端都為“1”電平，從而使顯示器中的

20、字形消隱。2.3.2數(shù)碼顯示管我們最常用的是七段式和八段式led數(shù)碼管，八段比七段多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，其他的基本相同。所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個(gè)小led發(fā)光二極管，通過控制不同的led的亮滅來(lái)顯示出不同的字形。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽(yáng)極兩種類型，其實(shí)共陰極就是將八個(gè)led的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個(gè)led的另一端高電平，它便能點(diǎn)亮。而共陽(yáng)極就是將八個(gè)led的陽(yáng)極連在一起。本實(shí)驗(yàn)用的是共陰極顯示管，如下圖是led數(shù)碼顯示器七段代碼表，led顯示方式可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示采用每一個(gè)7段led顯示器由一個(gè)顯示接口集成電路直接鎖存與驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)led顯示則采用掃描工作方式，即把要

21、現(xiàn)實(shí)的數(shù)碼快速地依次巡回送到各個(gè)led的控制端，然后利用人們的視覺暫留功能，使之看上去就好像各個(gè)7段led同時(shí)送入各自的顯示字符一樣三、 軟件設(shè)計(jì)分析31 總程序流程圖t0定時(shí)方式設(shè)置初始值t1計(jì)數(shù)v轉(zhuǎn)換成bcd開啟t0 t1t1計(jì)數(shù)值40h 41h壓縮bcd送顯16位二進(jìn)制數(shù)記數(shù)字n v=4n/10+210秒時(shí)間到初始化結(jié)束32 定時(shí)計(jì)數(shù)器模塊 org 000h sjmp main org 0bh ajmp zh0 org 0050hmain:mov tmod, #0100 0000b ；tmod寄存器賦值 mov th0, #03h mov tl0, #cbh ；t0口設(shè)計(jì)初值 mov r7,#100 ；晶振次數(shù) setb ea setb et0 setb tr0 sjmp $ org 0100hz