智能流量控制器設(shè)計(jì)與制作

摘要本次課設(shè)設(shè)計(jì)了一款智能流量控制器，本產(chǎn)品主要是用AT89S51進(jìn)行控制。流量傳感器采用渦輪式傳感器，其輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過濾波整形電路后進(jìn)入單片機(jī)，再送入LED顯示，通過兩個(gè)獨(dú)立按鍵分別控制瞬時(shí)流量顯示和總流量顯示。電磁閥的開度是通過PWM電路控制，用兩個(gè)獨(dú)立按鍵控制電磁閥的開關(guān)檔位。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能流量；顯示目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 1第2章課程設(shè)計(jì)的方案 22.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 22.2系統(tǒng)的方案論證 22.2.1單片機(jī)芯片型號(hào)選擇 22.2.2顯示模塊選擇 32.2.3傳感器的選擇 32.3系統(tǒng)總框圖 32.4按鍵示意圖 4第3章硬件設(shè)計(jì) 53.1單片機(jī)的時(shí)鐘電路 53.2單片機(jī)的復(fù)位電路 53.3LED顯示系統(tǒng)電路 63.4流量傳感器的選擇 73.5濾波整形電路 73.6PWM驅(qū)動(dòng)電路 83.7電磁閥的選型 83.8系統(tǒng)原理圖 9第4章軟件設(shè)計(jì) 104.1系統(tǒng)總流程圖 104.2系統(tǒng)程序 114.3 端口分配說明 11第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié) 12參考文獻(xiàn) 13附錄 14緒論城鎮(zhèn)供水流量控制系統(tǒng)是極其重要系統(tǒng),確保其安全可靠地運(yùn)行和正確有效地管理具有重大意義。在保證供水水質(zhì)和水量安全可靠的前提下,準(zhǔn)確的檢測(cè)供水流量和控制自來(lái)水流量的大小尤其重要。為了檢測(cè)自來(lái)水流量系統(tǒng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段、先進(jìn)的控制理論來(lái)提檢測(cè)技術(shù),運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)城市用戶供水流量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行管理、監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度勢(shì)在必行。我國(guó)家用自來(lái)水流量自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展過程可分為三個(gè)階段：第一階段是分散控制階段，該時(shí)期自來(lái)水流量各部分分別進(jìn)行自動(dòng)控制，各獨(dú)立系統(tǒng)互不相關(guān)；第二階段是自來(lái)水流量綜合自動(dòng)化階段，在該時(shí)期整個(gè)自來(lái)水流量控制作為一個(gè)綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)各個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)又可以獨(dú)立工作，該系統(tǒng)共享整個(gè)水廠的信息，同時(shí)又有分散控制的可靠性?，F(xiàn)階段大部分流量控制處于此階段；第三階段是供水系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化階段，該階段要求在一個(gè)區(qū)域的供水企業(yè)共享信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市或地區(qū)供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。目前我國(guó)的中小型水廠大部分處于第一或第二階段，只有很少大型水廠達(dá)到了第三階段。在國(guó)外，如加拿大、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家基本實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的全自動(dòng)化，而且開始進(jìn)行分質(zhì)供水，同時(shí)對(duì)水廠內(nèi)部的自控系統(tǒng)也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)和提高。

第2章課程設(shè)計(jì)的方案2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求通過流量傳感器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)家用自來(lái)水流量的自動(dòng)計(jì)量、顯示和閥門的自動(dòng)控制。按下顯示按鍵，可顯示用戶的瞬時(shí)流量和天、周、月、年的累積流量，顯示10秒后，自動(dòng)消隱。按下流量控制鍵，用戶通過輸入流量等級(jí)（共分為10級(jí)，等級(jí)越高，閥門開度越大），控制自來(lái)水的流量。技術(shù)參數(shù)：管道通徑：DN10～50流速范圍：0.1

～15m/s流量檢測(cè)誤差≤±1%瞬時(shí)流量顯示：4位有效數(shù)字，最大累積流量顯示：8位有效數(shù)字閥門：電磁閥，輸入信號(hào)DC4～20mA2.2系統(tǒng)的方案論證2.2.1單片機(jī)芯片型號(hào)選擇在多數(shù)電子設(shè)計(jì)當(dāng)中，基于性價(jià)比的考慮，8位單片機(jī)仍是首選。目前，8位單片機(jī)在國(guó)內(nèi)外仍占有重要地位。在8位單片機(jī)中又以MCS－51系列單片機(jī)及其兼容機(jī)所占的份額最大。MCS－51的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生變化，設(shè)計(jì)人員可以很容易的對(duì)不同公司的單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行選型，他們只需將重點(diǎn)放在芯片內(nèi)部資源的比較上。在以前的電子設(shè)計(jì)中，應(yīng)用比較廣泛的單片機(jī)是AT89C51單片機(jī)了，但是該單片機(jī)最致命的缺陷在于不支持ISP功能。Atmel公司目前已經(jīng)停止了AT89C51生產(chǎn)，51單片機(jī)必須加上ISP功能才能更好延續(xù)MCS-51的傳奇，AT89S51就是在這樣的背景下誕生的，目前AT89S51已經(jīng)成為了實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)上的新寵兒。89S51在工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，它采用0.35mm新工藝，不但降低成本了，而且增加了功能，提升了單片機(jī)性能，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。AT89S51新增了許多功能，性能也有了較大的提升，但是價(jià)格仍舊與AT89C51的價(jià)格一致。新增的功能之中最具有影響力的就是ISP在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于，改寫單片機(jī)Flash存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。顯然，AT89S51在性能上比AT89C51要優(yōu)良得多，因?yàn)樗坏贏T89C51的基礎(chǔ)上增加了許多功能，而且價(jià)格基本沒有提高，所以在器件選擇的時(shí)候首先排除AT89C51，對(duì)于市場(chǎng)上的另外一種比較流行的單片機(jī)C8051F，盡管它在性能、功能上都要比AT89S51優(yōu)良很多，但是它的價(jià)格是S51的數(shù)倍，本系統(tǒng)使用S51已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的功能，基于成本的考慮，放棄C8051F，選擇AT89S51作為本系統(tǒng)的主控單元。2.2.2顯示模塊選擇本設(shè)計(jì)要求顯示8位數(shù)字，可由以下方案完成。方案一：采用LCD液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大,可顯示大量文字,圖形,顯示多樣,清晰可見,但是價(jià)格昂貴,需要的接口線多,所以在此設(shè)計(jì)中不采用LCD液晶顯示屏.方案二：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較適合,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi),且價(jià)格也相對(duì)較高,所以也不用此種作為顯示.方案三：采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描,LED數(shù)碼管價(jià)格適中,對(duì)于顯示數(shù)字最合適,而且采用動(dòng)態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí),占用的單片機(jī)口線少。所以采用了8位LED數(shù)碼管作為顯示。2.2.3傳感器的選擇本次課設(shè)選擇的流量傳感器是渦輪傳感器，渦輪流量傳感器是精密流量測(cè)量工具之一,基本誤差小,量程比寬,動(dòng)態(tài)特性好,時(shí)間常數(shù)小,可測(cè)量脈動(dòng)流量,耐高壓及壓力損失小,使用溫度范圍寬,可輸出數(shù)字信號(hào),便于與微機(jī)或數(shù)字電路接口,有較強(qiáng)的抗干擾能力,廣泛應(yīng)用于測(cè)量液體瞬時(shí)流量或總量。由于其他流量傳感器輸出信號(hào)大多為電信號(hào)，還需經(jīng)濾波放大進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換，花費(fèi)高，精度差，所以選擇渦輪傳感器來(lái)進(jìn)行本次課設(shè)的流量檢測(cè)。2.3系統(tǒng)總框圖該系統(tǒng)從渦輪傳感器檢測(cè)水的流量，其輸出脈沖信號(hào)經(jīng)過濾波整形電路進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行換算并累計(jì)。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送入LED數(shù)碼管上顯示流量值。并通過控制PWM電路來(lái)控制電磁閥門的開度檔位變換。用四個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)控制瞬時(shí)流量、總流量、閥門開大和閥門開小四個(gè)功能。系統(tǒng)總框圖如圖3.1所示渦渦輪傳感器濾波與整形電路AT89s518位數(shù)碼顯示電路PWM電路電磁閥按鍵圖2.1系統(tǒng)總框圖2.4按鍵示意圖圖2.2按鍵示意圖硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的時(shí)鐘電路AT89S51單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個(gè)高增益反向放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，外部還需附加電路。AT89S51的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種：圖3.1片內(nèi)振蕩電路的時(shí)鐘電路內(nèi)部時(shí)鐘電方式和外部時(shí)鐘方式。由于外部時(shí)鐘方式用于多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，所以此處選用內(nèi)部時(shí)鐘方式。即利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間接晶體振蕩器與電路構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖3.電路所示為單片機(jī)最常用的時(shí)鐘振蕩電路的接法，其中晶振可選用振蕩頻率為12MHz的石英晶體，兩個(gè)電容器一般選擇30PF左右。3.2單片機(jī)的復(fù)位電路圖3.2AT89C51的復(fù)位電路本設(shè)計(jì)中AT89S51是采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路如圖3.2所示。上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。其中R1和R2分別選擇200Ω和1KΩ的電阻，電容器一般選擇22μF。3.3LED顯示系統(tǒng)電路由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟(jì)。一位顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個(gè)筆劃（段）a～g，另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需外加限流電阻。各發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮取決于a-dp各引腳上是否是高電平。圖3.38位數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)LED的是74HC573鎖存器，U1用來(lái)控制位選信號(hào)，U2用來(lái)控制段選信號(hào)。通過控制兩個(gè)芯片的片選為來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。3.4流量傳感器的選擇LWGY系列渦輪流量傳感器基于力矩平衡原理，屬于速度式流量?jī)x表。傳感器為硬質(zhì)合金軸承止推式，不僅精度高，復(fù)現(xiàn)性好、反應(yīng)靈敏、耐磨性能高，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固以及安裝維護(hù)使用方便等特點(diǎn)。廣泛用于供水、造紙等行業(yè)，是流量計(jì)量和節(jié)能的理想儀表。在測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器輸出的脈沖頻率信號(hào)與流體的體積流量成正比，這個(gè)比值即為儀表系數(shù)用K表示：K=f/Q式中：f—脈沖頻率Q—體積流量(m3/h或L／h)每臺(tái)傳感器的儀表系數(shù)由制造廠填寫在檢定證書中，k值設(shè)入配套的顯示儀表中，便可顯示出瞬時(shí)流量和累積總量。主要技術(shù)參數(shù)：1．基本參數(shù)：見表3.12．介質(zhì)溫度：－20～＋120℃3．環(huán)境溫度：－20～＋50℃4．傳輸距離：傳感器至顯示儀表的距離可達(dá)500m5．防爆等級(jí)：ExibⅡBT47．供電電源：直流：12V;24V6．精確度：±0.5％；±1％表3.1基本參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)公稱通徑(mm)流量范圍(m3/h)最大工作壓力(MPa)儀表系數(shù)K（1/L）（參考值）LWGY－25251－106.3210.03.5濾波整形電路渦輪流量?jī)x的關(guān)鍵在于頻率量的獲取，頻率信號(hào)電容C1濾波，再通過電阻R1引入電壓比較器。電壓比較器LM258的主要特點(diǎn)是，輸入阻抗高輸出阻抗低，其輸出信號(hào)經(jīng)74LS14整形送入單片機(jī)T0端口。電路原理圖如圖3.4所示.圖3.4濾波整形電路3.6PWM驅(qū)動(dòng)電路圖3.5為H形雙極式PWM驅(qū)動(dòng)電路。它由四個(gè)大功率晶體管和四個(gè)續(xù)流二極管組成。從單片機(jī)中輸出恒定占空比的脈沖來(lái)控制電動(dòng)機(jī)勻速的正反轉(zhuǎn)，從而控制電磁閥的開度增大或減小。圖3.5PWM驅(qū)動(dòng)電路3.7電磁閥的選型電磁閥我選擇余姚市永創(chuàng)二位二通直動(dòng)式電磁閥（編號(hào)：YCSM32）產(chǎn)品特性:直動(dòng)式結(jié)構(gòu)；開閉可靠,速度快；長(zhǎng)壽命。使用介質(zhì):空氣、水、蒸汽、熱水、真空及其它氣體等。

工作壓力:0.0～1.20MPa

閥體材料:黃銅或不銹鋼sus304(可提供sus316材質(zhì))

連接尺寸:1/8″、1/4″、3/8″G螺紋、NPT螺紋

通徑（mm):DN16、25、30、25、30、35、40選用電壓:DC:12V,24V

AC:

220V

110V

24V

50HZ線圈類型：S21B/H,22VA(AC),15W(DC),IP65,100%ED3.8系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖如圖3.6所示圖3.6系統(tǒng)原理圖第4章軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總流程圖圖4.1為系統(tǒng)總流程圖渦輪傳感器檢測(cè)渦輪傳感器檢測(cè)流量，輸出脈沖濾波整形電路單片機(jī)執(zhí)行流量瞬時(shí)值與總值統(tǒng)計(jì)，并存入內(nèi)存單元。8位LED數(shù)碼顯示PWM電路控制閥門開度顯示按鍵是否按下控制閥門開度按鍵是否按下等待按鍵控制是是否否開始圖4.1系統(tǒng)總流程圖4.2系統(tǒng)程序由Q=f/K得到流量值，則瞬時(shí)流量QL0等于INT0口檢測(cè)到的脈沖頻率除以210。每段時(shí)間的總流QL1量等于瞬時(shí)流量相加。系統(tǒng)分為兩部分顯示，當(dāng)按鍵1按下時(shí)顯示的是瞬時(shí)流量值，4位有效數(shù)字，保留1位小數(shù)。當(dāng)按鍵2按下時(shí)顯示的總流量值，8位有效數(shù)字，保留2位小數(shù)。由單片機(jī)的P2.5口輸出一頻率恒定的脈沖，則所控制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（正傳或反轉(zhuǎn)）一定，通過測(cè)試，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在此頻率下轉(zhuǎn)10s時(shí)，電磁閥由全關(guān)到全開。所以根據(jù)課設(shè)要求將閥門開度分為10檔，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)1s電磁閥開度相對(duì)變化一檔。按鍵3按下時(shí)是使閥門開大一檔，按鍵4按下時(shí)是使閥門關(guān)小一檔。端口分配說明表4.1端口分配說明單片機(jī)端口名稱作用說明P1.0口瞬時(shí)流量顯示按鍵P1.1口總流量顯示按鍵P1.2口電磁閥開大按鍵P1.3口電磁閥開小按鍵P0口數(shù)碼管顯示P2.6口數(shù)碼管段選信號(hào)P2.7口數(shù)碼管位選信號(hào)P2.5口PWM輸入信號(hào)P3.4口流量脈沖輸入端口第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次課設(shè)設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的低成本，高可靠性流量統(tǒng)計(jì)式智能流量控制器，通過使用渦輪流量傳感器，將用戶實(shí)際用水量轉(zhuǎn)化為電脈沖，送入單片機(jī)，再送入顯示單元，實(shí)現(xiàn)可觀察，并通過單片機(jī)控制電磁閥的開度來(lái)調(diào)節(jié)流量的大小。從而實(shí)現(xiàn)智能流量控制。該系統(tǒng)集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可較長(zhǎng)期工作而需檢驗(yàn)，但安裝復(fù)雜，計(jì)算繁瑣。隨著測(cè)量對(duì)象的日益增多，對(duì)流量的測(cè)量和控制也提出了更多更具體的要求，許多流量測(cè)量的疑難問題需要解決。參考文獻(xiàn)[1]劉勇.數(shù)字電路.北京：電子工業(yè)出版.[M]2004[2]陳正振.電子電路設(shè)計(jì)與制作.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系.[M]2007[3]楊子文.單片機(jī)原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社.[M]2006[4]王法能.單片機(jī)原理及應(yīng)用.科學(xué)出版.[M]2004[5]何立民.單片機(jī)高級(jí)教程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.[M]2000[6]張齊，杜群貴.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社.[M]2004附錄總程序如下所示：#include<reg51.h>#include<math.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodetable1[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f};ucharcount1,count2,count3,flag,aa,bb,cc,dd,ee,ff,gg,hh,aa1,bb1,cc1,dd1;floatQL0,QL1;sbitzkb=P2^5;sbitduan=P2^6;sbitwei=P2^7;sbitkey1=P1^0;sbitkey2=P1^1;sbitkey3=P1^2;sbitkey4=P1^3;voidinit(){TMOD=0x11;TH0=0x3C;TL0=0xB0;TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;EA=1;IE0=1;IT0=1;TR0=1;TR1=1;}voiddelay(uintz){intx,y;for(x=100;x>0;x--)for(y=z;y>0;y--);}voidzkb(){ zkb=1; delay(80); zkb=0; delay(20);}voidzkb1(){ zkb=1; delay(20); zkb=0; delay(80);}voiddisplay1(ucharaa1,ucharbb1,ucharcc1,uchardd1){duan=1;P0=table1[aa1];duan=0;wei=1;P0=0xfe;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[bb1];duan=0;wei=1;P0=0xfd;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[cc1];duan=0;wei=1;P0=0xfb;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[dd1];duan=0;wei=1;P0=0xf7;wei=0;delay(1);}voiddisplay(ucharaa,ucharbb,ucharcc,uchardd,ucharee,ucharff,uchargg,ucharhh){duan=1;P0=table1[aa];duan=0;wei=1;P0=0xfe;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[bb];duan=0;wei=1;P0=0xfd;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[cc];duan=0;wei=1;P0=0xfb;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[dd];duan=0;wei=1;P0=0xf7;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[ee];duan=0;wei=1;P0=0xef;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[ff];duan=0;wei=1;P0=0xdf;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[gg];duan=0;wei=1;P0=0xbf;wei=0;delay(1);duan=1;P0=table1[hh];duan=0;wei=1;P0=0x7f;wei=0;delay(1);}voidmain(){init();while(1){ if(key1==0) { del