机电一体化毕业设计.docx
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机电一体化毕业设计
基于单片机的流量检测系统的设计
目次
1绪论
1．1背景
流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。
这个量用流体的体积来表示，称为瞬时体积流量，简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质量流量，简称质量流量。
这一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值称为累积流量。
对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。
流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。
因此，流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。
流量的测量在热电生产、石油化工、食品卫生等工业领域具有广泛的应用。
随着传感器技术，微电子技术、单片机技术的发展，为气体流量的精确测量提供了新的手段。
充分利用单片机丰富的硬件资源，配以适当的检测接口电路，可精确测量由涡街流量传感器或电磁流量传感器输出的代表流量大小的脉冲信号，以及气体在当地状态下的压力、温度等模拟电压信号。
由软件计算出流量，以简单的硬件结构实现了一个高可靠性、高精度、多功能的气体流量检测系统。
工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视和控制。
对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。
1.2现状
17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。
自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。
20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。
至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。
我国近代流量测量技术发展比较晚，早起所需的流量仪表均从国外进口。
中国流量仪表制造业从上世纪30年代中期以仪表修配开始，到解放前后在上海、天津等沿海地区形成了现代流量仪表的民族工业。
到改革开放前，经历了仿制、统一设计、自行研究开发过程，目前已近初具规模，基本上能满足中等水平流量仪表的需要。
改革开放以来又经历了技术引进，与国际先进技术企业合资、合作，仪表性能和水平有了很大提高。
近年国际主流企业纷纷在中国建立生产基地，既增强了研发能力也增添了竞争因素，现在我国流量计产品已很全面，基本覆盖所有行业，满足各行业产生需要，技术革新较快，但在产品生产工艺上仍然有很大提高的空间。
流量显示仪表的发展经过了机械运算记录图表式，模拟运算机械计数式，简单逻辑运算数显示和微处理器运算及多功能数字显示四个过程。
自从单片机出现后，各种各样的智能流量显示仪不断出现，取代了原有的传统的机械式或者纯模拟、数字电路构成的流量显示仪。
智能流里显示仪以单片机为核心可以进行各种流最计算、累加、显示等功能。
流量显示仪具有使用方便、工作可靠、可进行补偿计算等优点。
从上世纪80年代以来，各种智能流量显示仪就不断出现，功能也不断拓展、完善。
智能流量显示仪正朝着低功耗、智能化、网络化、多功能方向发展。
具体来说，智能流量显示仪可以实现流量及其它信号的采集、流量计算累加及补偿计算、数据示、数据远程传愉及打印等功能。
根据用户的不同需要，开发人员可以设计出具有不同功能的智能流量显示仪，软件编程非常灵活。
1.3课题内容
本文从经济实用的角度出发，采用STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机作为主控芯片与数据存储器单元，结合涡轮流量传感器，AD转换器，四位LED显示，声光报警器等，采用C语音编程，设计了一款可对流量进行实时检测，并具有上下限报警功能的涡轮流量计，可实现对管道内天然气的流量的实时检测。
本文详细论述了基于单片机的流量检测系统的设计方案，主要解决系统的总体设计，硬件电路的设计以及系统软件的设计。
2硬件电路设计
2.1总体方案设计
由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机。
单片机在系统软件的控制作用下，对输入的数据进行分析，向外部输出控制信号，实现LED显示。
LED数码管显示动态的流量，同时，若流量超过上下限范围，报警电路产生声光报警信号，提醒流量不在正常范围内，需采取相应控制。
系统软件主要包括主程序，显示程序等供主程序调用的子程序。
主程序实现系统的总体功能，子程序实现相应的具体功能。
系统硬件结构图如图2-1所示。
图2-1系统硬件结构图
2.2工作原理
被测流体流经涡轮流量传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，周期性的改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性的发生变化而产生电脉冲信号。
在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。
该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流量和总量的显示或积算。
在测量范围内，传感器输出的脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值称为仪表常数，以K（次/L）表示。
每台传感器都经过实际标定测得仪表常数值。
当测出脉冲信号的频率f除以仪表常数K便可求得瞬进流量q（L/s）。
即q=f/K。
流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。
单片机将信号以数字形式在LED数码管上显示。
2.3单元电路设计
2.3.1单片机最小系统
（1）单片机选型
单片机种类有很多种如89C51、89C52等，但是本设计系统中我选择STC12C5A60S2作为核心单片机，与89C51或者89C52相比，STC12C5A60S2内部有内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，特别是其内部有PWM脉冲宽度调制功能，则不需要在外电路设计脉宽调制电路，减少了制作电路时的工作量也使得的电路更加的简单化，所以STC12C5A60S2单片机更适合本设计。
（2）STC12C5A60S2单片机介绍
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。
STC12C5A60S2单片机内部PWM脉冲宽度调制介绍
它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
STC12C5A60S2单片机封装有三种形式：
PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48。
根据设计电路要尽可能简便和设计电路所用的电路板为孔板的实际情况，我们选择PDIP-40型封装单片机，其优点是便于合理的安排电路的走向和各个模块的大体位置，其封装图如图2.2所示
图2-2单片机PDIP-40型封装图
本设计采用STC12C5A60S2的一个重要原因是其具有高速A/D转换功能。
STC12C5A60S2单片机的A/D转换口在P1口（P1.0-P1.7）有10位8路高速A/D转换器，A/D是电压输入型，转换速度25万次每秒，复位后P1口为弱上拉型I/O口，通过软件可设置将P1口中的任何一位为A/D转换位，不用A/D转换的位可继续作普通的I/O口使用。
STC12C5A60S2单片机的ADC由多路选择开关，比较器，逐次比较寄存器，10位DAC,转换结果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC-CONTR构成。
STC12C5A60S2单片机的ADC是逐次比较型ADC.逐次比较型ADC是由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高为开始，顺序的对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，是转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值，逐次比较型A/D转换器具有速度高，耗能低等优点。
（3）单片机最小系统
在设计单片机最小系统时，我们可以发现STC12C5A60S2中有两个复位引脚，所以我们要正确认识引脚功能后才能设计单片机的最小系统，STC12C5A60S2系统中的第二复位引脚RST2的主要功能是让用户可以用控制单片机当供电电压低于一定值时产生复位，如果电压恢复后重新启动程序运行，可以设置成为低电压中断或者复。
如图2-3单片机最小系统图
图2-3单片机最小系统图
2.3.2显示单元
（1）选型
本设计采用七段4位共阴数码管（7SEG-MPX4-CC）。
因为这种数码管具有发光强、可视性好和成本低，耗能低等优点，数码管显示电路较为简单，所以本设计采用此种数码管。
1）LED数码显示管原理
LED数码管结构简单，价格便宜。
七段LED显示管有七只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别和同名管脚相连。
七段LED数码显示管原理很简单，是通过同名管脚是所加电平高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同字形的。
共阴LED管的SP、g、f、e、d、c、b、a管脚上分别加上7FH控制电平（即：
SP上为0伏，不亮；其余为TTL高电平，全亮），则LED显示管显示字形为“8”。
7FH是按SP、g、f、e、d、c、b、a顺序排列后的十六进制编码（0为TTL低电平，1为TTL高电平），常称为字形码。
因此，LED上所显示字形不同，相应字形码也不一样。
八段共阴能显示的字形及相应字形码如表3-2所列。
该表常放在内存，SGTB为表的起始地址，各地址骗移量为相应字形码对表始址的项数。
由于“B”和“8”、“D”和“0”字形相同，故“B”和“D”均以小写字母“b”和“d”显示。
LED数码显示管分为共阴和共阳两种。
为共阴七段LED管时，所有发光二极管阴极共连后接到引脚G，G脚为控制端，用于控制LED是否点亮。
若G脚接地，则LED被点亮；若G脚TTL高电平，则它被熄灭。
图2-4共阴极数码管数码管原理图与实物图。
图2-4共阴极数码管数码管原理图与实物图
2）单片机对LED的显示接口电路
单片机对LED管的显示可以分为静态和动态两种。
静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流一遍一遍显示各自字符，人们因视觉惰性而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。
在单片机应用系统中，常采用MC14495芯片作为LED的静态显示接口，它可以和LED显示器直接连接。
MC14495芯片是由4位锁存器、地址译码器和笔段ROM阵列以及带有限流电阻的驱动电路（输出电流为10mA）等三部分电路组成。
A、B、C、D为二进制码（或BCD码）输入端；
为锁存控制端，
为低电平时可以输入数据。
为高电平时锁存输入数据，h+I为输入数据大于等于10指示位，若输入数据大于或等于10，则h+I输出高电平，否则输出为低电平；
为输入等于15指示位，若输入数据等于15，则
输出高电平，否则为高阻状态。
MC14495芯片的作用是输入被显字符的二进制码（或BCD码），并把它自动转换成相应字形码，送给LED显示。
为了减少硬件开锁，提高系统可靠性和降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。
动态显示采用软件法把欲显示十六进制数（或BCD码）转换为相应字形码，故它通常需要在RAM区建立一个显示缓冲区。
显示缓冲区内包含的存储单元个数常和系统中LED显示器个数相等。
显示缓冲区的起始地址很重要，它决定了显示缓冲区在RAM中的位置。
显示缓冲区中每个存储单元用于存放相应LED显示器欲显示的字形码地址偏移量，故CPU可以根据这个地址偏移量通过查字形码表来找出所需显示字符的字形码，以便送到字形口显示。
当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是适合的。
当位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示方法。
LED接口电路如图2-5所示。
图2-5LED接口电路
2.3.3流量传感器
（1）流量传感器的分类
流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。
至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。
品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。
按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。
总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发讯装置。
因此,以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。
按照目前最流行、最广泛的分类法,即分为:
容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，以下分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。
涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速,从而推导出流量或总量的仪表。
一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。
涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品己发展为多品种、多系列批量生产的规模。
涡街流量计，是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。
涡街流量计按频率检出方式可分为:
应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。
涡街流量计是属于最年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前成为通用的一类流量计。
电磁流量计，是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。
电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题,如脏污流、腐蚀流的测量。
70、80年代电磁流量在技术上有重大突破,使它成为应用广泛的一类流量计,在流量仪表中其使用量百分数不断上升。
差压式流量计，是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。
浮子流量计，又称转予流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是,由液体动力承受的,从而使浮子可在锥管内自由地上升和下降。
容积式流量计，又称定排量流量计,简称PD流量计,在流量仪表中是精度最高的一类。
它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。
超声流量计，是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。
超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。
（2）涡轮流量计的结构与原理
涡轮流量计：
气体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图2-1所示。
它是由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。
涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有kQ=f，其中：
Q是流经变送器的流量（L/s）；f是电脉冲频率（Hz）；k是仪表系数（次/升）。
管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。
在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。
根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪表有不同的k。
涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。
根据单位时间内的脉冲数和累积脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。
图2-6涡轮流量传感器结构图
（3）涡轮流量计的特点
在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。
二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低的特点。
涡轮流量计还具有测量准确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。
像这样的技术参数其他流量计则是难以达到的。
因此涡轮流量计在工业上应用最广泛，发展最迅速。
除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，由于其兼有测量准确度高和重复性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。
涡轮流量计虽有很多优点，但由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体的洁净度要求高。
流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。
而且由于有转动部件，会带来轴承的磨损，使仪表的使用年限受到影响。
因此，必须注意根据被测流体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。
应该指出，随着新材料、新工艺的发展，仪表转动部分的耐磨性、变送器的维修性能和寿命正在不断提高；随着对涡轮流量计粘度修正问题研究的不断深入以及测量线路的完善和微的应用，涡轮流量计可以方便和准确得进行各种参数的修正，显示仪表的性能也将更臻完善目前生产的双涡轮流量计，由于变送器内串联两个涡轮，可以互相校核，从而提高了仪表使用的可靠性，受到好评。
可以预言，随着涡轮流量计结构和性能的不断完善，以及高性价比，它将在各个领域中越来越广泛的得到应用，在流量测量和标准传递中发挥更大作用。
（4）传感器设计及信号采集
流量信号通过涡轮流量传感器采集，本设计应用霍尔效应设计传感器。
a.霍尔效应
当一块通有电流的金属或半导薄片垂直的放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。
两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=（K×I×B）/d
其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度。
由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。
图2-7霍尔元件的基本电路
b.实体电路
根据霍尔效应原理，如图3-4所示，将一块永久磁钢固定在转体转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，霍尔电路通电后，受磁钢所产生的磁场的影响，磁体每经过霍尔电路一次，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。
在转轴上固定一个叶轮，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流量传感器。
我们可确定流量的计算公式为：
累积流量：
Q=K×M=K×D
其中，Q为累积流量（L），K为仪表常数（L/r），M为转数（r），D为脉冲数。
瞬时流量：
q=K×m=K×f
其中，q为瞬时流量（L/s），m为转体角速度（r/s），f为脉冲频率（Hz）。
图2-8旋转传感器磁体设置
2.4总体电路
单片机接口连接
1）LED模块中A,B,C,D,E,F,G，DP依次连接到单片机的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4，P0.5，P0.6，P0.7引脚上。
LED上的COM1，COM2，COM3，COM4分别依次连接到单片机的P2.1，P2.2，P2.3，P2.4引脚上。
2）报警电路的电阻端R1接到单片机的P2.0引脚上。
3）流量检测电路的电阻端R2接到单片机的P1.0引脚上。
图2-9电路总图
3软件设计
3.1软件端口定义
1）LED模块中的端口A,B,C,D,E,F,G，DP依次连接到单片机的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4，P0.5，P0.6，P0.7引脚上。
LED上的COM1，COM2，COM3，COM4分别依次连接到单片机的P2.1，P2.2，P2.3，P2.4引脚上。
2）报警电路的端口接到单片机的P2.0引脚上。
3）流量检测电路的端口接到单片机的P1.0引脚上。
软件端口定义如下所示。
表1LED模块端口定义
数码管端口
单片机端口
A
P0.0
B
P0.1
C
P0.2
D
P0.3
E
P0.4
F
P0.5
G
P0.6
DP
P0.7
COM1
P2.1
COM2
P2.2
COM3
P2.3
COM4
P2.4
表2报警电路及流量检测电路端口定义
端口
单片机端口
报警电路端口
P2.0
流量检测端口
P1.0
3.2程序流程
系统软件设计是该设计的核心，也是设计的重点和难点部分。
控制系统软件设计的好坏直接影响到该控制系统的控制功能，因此，要想做好本设计，一个好的系统软件是关键。
本设计中采用C语言编写STC12C5A60S2单片机程序，该控制系统的程序主要分为主程序和各种中断子程序。
主程序完成系统的地址分配、系统初始化；各子程序完成相应的各功能。
图3-1程序结构图
3.2.1主程序及流程图
图3-2主程序流程图
部分代码：
main（）
{
EA=1;//开总中断
EX0=1;//开外部中断0
While
（1）
{
AD_val（）;//信号采集，A/D转换
LED_display（）;//数码管显示
alarm（）;//上下限报警
}
}
3.2.2显示程序及流程图
图3-3显示程序流程图
部分代码：
voidLED_display（uintnum）
{ucharqian,bai,shi,ge;
qian=num/1000;//千，百，十，个处理
bai=num/100%10;
shi=num/10%10;
ge=num%10;
3.2.3报警程序及流程图
图3-4报警程序流程图
Voidalarm（）//报警程序
{
if（setValue_low<=num&&setValue_high>=num）
beep=1;//在温度允许范围内，不报警
else
beep=-beep;
}
3.3软件调试
（1）Keil软件
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
Kei提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。
运行Kei软件需要WIN
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