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八通道智能流速仪综述
摘要
流速仪是我们在测量河流、湖泊和渠道等水流体水流速度的仪器，本文从硬件和软件两方面对八通道智能流速仪的研制进行了阐述。
八通道智能流速仪系统的设计可以用于低频通用计数器和频率计的电路中。
它以单片机AT89S52为核心，通过四位共阴数码管显示水流速，两个独立按键选择模式和三个拨码开关实现人机对话，采用旋浆式光电传感器采集水流速并转化为光能，通过光敏三极管转换为电脉冲信号送到NE555芯片进行整形，最后送到单片机通过单片机定时计数得到数据并在数码管上显示出来。
关键词：
流速仪AT89S52光电转换
Abstract
Flowmeterismeasuredinrivers,lakesandchannelsofwaterfluidflowvelocityinstrument.Thispaperdiscusseddevelopmentofeightchannelintelligentvelocityinstrumentfromtwoaspectsofhardwareandsoftware.Designofeightchannelsintelligentvelocityinstrumentsystemcanbeusedinthecircuitoflowfrequencyandfrequencyofgeneralcounter.IttakesAT89S52asthecore,throughthefourwerenegative,digitaltubedisplayofflowvelocity.Twoindependentkeyselectionmodeandthreedialswitchtorealizeman-machinedialogue.Usingphotoelectrictypepropellersensorstocollectwatervelocityandintolight.ThephotosensitivetriodeisconvertedintoelectricpulsesignaltotheNE555chipshaping.FinallysenttotheMCUdatathroughthemicrocontrollertimercounterandinthedigitaltubedisplay.
KeyWords:
Flowmeter;AT89S52;Thephotoelectricconversion；
第一章绪论
在现代水工、河工模型实验中，流速测量是模型试验一个非常重要的内容，所以流速仪是我们在测量河流、湖泊和渠道等水流体水流速度的仪器，也是河工模型试验中使用最多的检测仪器之一。
本文从硬件和软件两方面对八通道智能流速仪的研制进行了阐述。
八通道智能流速仪系统的设计可以用于低频通用计数器和频率计的电路中。
它以单片机AT89S52为核心，通过四位共阴数码管显示水流速，两个独立按键选择模式和三个拨码开关实现人机对话，采用旋浆式光电传感器采集水流速并转化为光能，通过光敏三极管转换为电脉冲信号送到NE555芯片进行整形，最后送到单片机通过单片机定时计数得到数据并在数码管上显示出来。
其中两个独立按键为循环和单通道模式的选择，三个拨码开关可以在单通道模式时选择通道数。
随着电子计算机技术的迅速发展，一些智能流速仪等新型测量仪器，已经逐步得到应用，相比以前那些测量仪，大大减小了误差，本文采用了旋浆式光电传感器，它的旋浆叶片边缘电镀了反光镜片，传感器上端安装一发光源，旋浆转动时，反光镜片产生反射光，送至光敏三极管，转换成电脉冲信号。
这样会使得数据采集中干扰减小从而减小了误差。
采集类仪器仪表总的发展趋势是高性能、数字化、集成化、智能化和网络化。
智能数据采集系统的设计是为了满足市场对成本低、性能稳定、精确度高、使用方便而做的课题，具有较为广阔的市场前景。
本系统的核心控制芯片选用的是51系列单片机AT89S52，单片机在各个技术领域中的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：
·单片机构成的应用系统有较大的可靠性。
·系统构建简洁、易行，能方便的实现系统功能。
·由于构成的系统是一个计算机系统，相当多的功能由软件实现，故具有柔性特点。
·有优异的性能价格比。
第二章系统总体设计
2.1硬件总体设计规划
本电路的设计包括光电旋浆传感器模块、NE555芯片整形电路模块、八选一通道控制模块、信号调理模块、按键控制模块、单片机处理模块、数码管显示模块和电源模块。
我们用光电旋浆传感器采集水流速，并转换为脉冲电信号，再通过NE555芯片对采集到的电信号进行整形处理，然后经八选一模拟开关进行通道控制处理，再由信号调理电路模块对进入的信号进行处理，转换为等幅脉冲。
最后送到单片机上，由单片机对脉冲进行计数，设定的测流时间后，单片机算出流速并将流速在数码管上显示出来。
系统总体结构框图如图2-1所示：
图2-1系统总体结构框图
本课题的设计可以完成以下功能：
刚刚开始打开电源开关，数码管上显示0通道的数据，四位数码管的第一位显示通道数，后三位显示水的流速。
我们可以通过两个独立按键来选择工作模式，当按键S3按下时，为循环模式，数码管上就依次从通道0到通道7循环显示八通道数及其水流速；当按键S4按下时，为单通道模式，这时我们可以通过控制拨码开关来选择我们想要的通道数及其水流速。
其中拨码开关是按照A、B、C对照8421码来选择通道的，如当A、B、C分别为0、0、0是就是0通道，分别为1、0、0是就为1通道。
2.2软件总体设计规划
良好的设计方案可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性，扩展性和可读性。
对于模块很多的我们可以采用模块化编程的方式来进行编程，这样会使得程序简单明了。
本系统的软件设计方案和步骤如下：
了解单片机内部资源，我们采用C语言进行编程，查找资料找我们需要模块的代码。
我们用单片机产生中断，利用T1口作为计数器，T0口作为定时器对送进来的信号进行采集并了解相关算法。
利用Keil-C51软件进行相关编程调试，并在Proteus软件中仿真看其效果并调试。
第三章硬件设计
3.1AT89S51单片机最小系统模块设计
3.1.1AT89S51简介
AT89S51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89S51单片机在电子行业中有着广泛的应用。
其实物图如图3.1所示：
图3.1AT89S51实物图
3.1.2AT89S51主要性能参数
.兼容MCS51指令系统
.8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM；
.256*8bit内部RAM；
.32个双向I/O口；
.2个外部中断源，共8个中断源；
.3个16位可编程定时/计数器中断；
.2个串行中断，可编程UART串行通道；
.2个读写中断口线，3级加密位；
.时钟频率0-24MHz；
.低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
.有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。
3.1.3AT89S51功能特性概述
AT89S51提供以下标准功能：
4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM,32个I/O接口线，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。
同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.1.4AT89S51引脚功能
AT89S51芯片引脚如图3.2所示：
图3.2AT89S51芯片引脚图
AT89S51引脚介绍如表3.1所示：
表3.1AT89S51引脚介绍
引脚号
接口名称
介绍说明
1～8
P1口
它是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
9
RST
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
10～17
P3口
它是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。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
18
XTAL1
它是反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
19
XTAL2
它是来自反向振荡器的输出。
20
GND
接地
21～28
P2口
它为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口。
它的缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。
29
/PSEN
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
30
ALE/PROG
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR中8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
31
/EA/VPP
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
32～39
P0口
它是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
当它的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
它能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，它作为原码输入口，当FIASH进行校验时，它输出原码，此时它的外部必须被拉高。
40
VCC
供电电压
其中P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如下表3.2所示：
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（记时器0外部输入）
P3.5
T1（记时器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
表3.2P3口功能
3.1.5单片机最小系统的组成
AT89S51单片机最小系统包括：
单片机、复位电路、晶振电路。
原理图如图3.3所示：
图3.3单片机最小系统原理图
其中复位电路采用手动按键复位的方式，晶振电路中我们用12MHZ晶振，系统的机器周期就为1us。
3.2电源模块设计
电路中我们需要给其供电，而单片机我们一般使用5V电源供电，电源电路通常包括降压、整流、滤波、稳压。
电源模块原理图如图3.4所示：
图3.4电源模块原理图
其中F1为保险丝，它的作用是用来保护电路安全，避免因短路而烧掉元器件。
T1为220V/12V型号变压器，我们通过它把220V交流电降到12V。
D10为四个二极管组成的桥式整流电路，它的作用是把交流转换为直流。
电容C20的作用是滤波，其作用是把整流后的直流电压消除毛刺使其稳定。
VR1为LM7805芯片，它是稳压电路，其作用是把直流12V电压稳定到5V。
最后C21、C22两个电容也是滤波，使流出来的电压更加稳定。
P2为一个六角可锁开关，它是作为线路中的电源开关，当其没有按下时2,3脚和5,6脚导通，1,2脚和4,5脚断开；当按下锁定时2,3脚和5,6脚断开，1,2脚和4,5脚导通。
而D11为发光二极管，其作用是作为电源指示灯，我们可以通过它判断电路是否供电。
3.3旋浆式光电传感器模块和整形电路模块设计
3.3.1旋浆式光电传感器原理
旋浆式光电传感器是一种线速度——角速度的传感器，旋浆在动水压力作用下产生的转动角速度与此动水的线速度之间有下式关系：
V=Kn+C=K*N/T+C
式中：
V——流速；
N——旋浆转动频率；
K——传感器的比例系数；
C——旋浆的修正值；
T——计测旋转数所用的时间；
N——在T时段内的旋浆转数；
所以只要在一定时间内，测得旋浆的转动次数，便可求出相应的流速。
它的原理图如图3.5所示：
图3.5旋浆式光电传感器原理图
图中Q1为光敏三极管，我们把它的集电极连接到后面的整形电路中，当它受到一定光照强度之后，由截止变为导通，集电极就由原来的高电平变为低电平，而当没有光照后，它就截止，集电极又由低电平变为高电平，如此反复就可以在集电极产生高低脉冲。
也就把光脉冲转换为了电脉冲。
3.3.2NE555构成整形电路模块
1.NE555简介
NE555（TimerIC）为8脚时基集成电路，大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，后来基于CMOS技术版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应。
其实物图如图3.6所示：
图3.6NE555实物图
2.NE555的功能参数
.供应电压4.5-18V
.供应电流3-6mA
.输出电流225mA（max）
.上升/下降时间100ns
3.NE555内部结构
NE555内部结构如图3.7所示：
图3.7NE555内部原理图
555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。
虚线边沿标注的数字为管脚号。
其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V—18V范围内使用。
4.NE555的引脚功能
NE555芯片引脚图如图3.8所示：
图3.8NE555芯片引脚图
NE555引脚功能如表3.3所示：
表3.3NE555引脚功能
引脚序号
引脚名称
引脚功能
1
GND
接地
2
TRIG
触发点：
这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
3
OUT
输出：
当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
4
RST
重置复位：
个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
5
CVOLT
控制：
这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
6
THR
重置锁定：
Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
7
DISC
放电：
这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
8
VCC
接VCC，给芯片供电
5.NE555定时器的应用
NE555有三种典型应用电路分别是：
多谐振荡器；如图3.9
单稳态触发器；如图3.10
施密特触发器；如图3.11
图3.9555多谐振荡器图3.10555单稳态触发器
图3.11555施密特触发器
6.NE555构成施密特触发器作为整形电路
.NE555构成施密特触发器原理图如图3.12所示：
图3.12NE555施密特触发器原理图
.NE555构成施密特触发器工作原理：
设2和6脚电压为Vi，3脚电压为Vo。
①当Vi=0V时，即Vi1<2/3Vcc、Vi2<1/3Vcc,此时Vo=1。
以后Vi逐渐上升,只要不高于阀值电压（2/3Vcc）,输出Vo维持1不变。
②当Vi上升至高于阀值电压（2/3Vcc）时，则Vi1>2/3Vcc、Vi2>1/3Vcc，此时定时器状态翻转为0，输出Vo=0，此后Vi继续上升，然后下降，只要不低于触发电位（1/3Vcc），输出维持0不变。
③当Vi继续下降，一旦低于触发电位（1/3Vcc）后，Vi1<2/3Vcc、Vi2<1/3Vcc，定时器状态翻转为1，输出Vo=1。
通过原理我们可以知道利用它作为整形电路我们可以把发光三极管集电极的脉冲整形为标准的矩形脉冲，可以减少信号干扰，使得我们测得的数据准确。
.整个采集与整形模块的电路如图3.13所示：
图3.13信号采集整形模块接线图
我们在原理图中画了八路这样的信号采集整形电路，因为我们这个设计要测得八路不同的数据，我们需要八路传感器来采集信号。
3.4八通道选择模块设计
3.4.174HC4051简介
74HC4051是一款高速CMOS器件，74HC4051引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC4051遵循JEDEC标准no.7A。
74HC4051芯片引脚图如图3.14所示：
图3.1474HC4051芯片引脚图
74HC4051为八通道模拟开关，其中Y0～Y7为数据输入接口；Z为输出接口；E为使能接口，只有当E为低电平时芯片才能正常工作。
VCC和VEE都为电源接口。
3.4.274HC4051功能及使用
74HC4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。
而在用这个芯片是我们得先把“E”脚接到地上，因为它是低电平有效，只有把它拉低才能对通道进行控制。
由于在这我们是把它当做一个多路数据选择器，VEE应该接到地。
对于如何控制通道数的选择，我们参照真值表可以得出。
74HC4051的真值表如表3.4所示：
表3.474HC4051真值表
E
S2
S1
S0
选中输入通道
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
1
NO
NO
NO
NO
3.4.374HC4051构成八通道选择模块原理图
我们选择74HC4051八选一模拟开关，用它来控制通道的选择。
它的接线原理图如图3.15所示：
图3.15八通道模拟开关电路接线图
我们是通过控制图中的A,B,C的高低电平来选择导通的通道。
比如A=1，B=0，C=1就是选择了通道5。
3.5信号调理和监视模块设计
信号调理和监视电路如图3.16所示：
图3.16信号调理和监视电路接线图
我们用两个非门对送进来的脉冲进行调理使其变得更加稳定，图中D9为发光二极管，它是信号监视电路，通过它的闪烁情况我们可以知道脉冲的快慢。
3.6键盘模块设计
键盘模块的接线图如图3.17所示：
图3.18键盘接线模块
图中S2为拨码开关，S3、S4为独立按键，在键盘连接的单片机I/O口上我们都给它接上下拉电阻，目的是提高电平确保按键稳定性。
键盘另一端我们接到地上。
3.7数码管显示模块设计
3.7.1数码管简介
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
我们可以利用数码管显示相应的数字，在本设计中我们就是利用数码管来显示水的流速。
数码管可以分为共阴数码管和共阳数码管，其中共阴极的数码管公共端需要接地，才能正常显示，而共阳极数码管是只有在公共端接VCC时才能正常显示。
当然共阴和共阳的段码也是不同的，这点在编程时需要注意
本文中我们用到的是共阴数码管，其实物图如图3.19所示。
图3.19数码管实物图
3.7.2数码管引脚图
数码管引脚图如图3.20所示
图3.20数码管引脚图
3.7.3数码管显示方式
数码管的显示方式可以分为动态和静态的两类。
.静态显示：
静态的也叫锁存方式，单片机送出数据后控制外围锁存器件锁存数据，这样数码管笔段里的电流不变，数码管稳定显示，这样单片机可以干别的活不用管数码管了。
这种方案的优点是对单片机的P口资源和时间耗用很少，但是数码管的外围辅助电路复杂。
.动态显示：
动态的也叫扫描方式，是利用发光二极管的余辉效应和人眼的视觉暂留效应来实现的，只要在在一定时间内数码管的笔段亮的频率够快，人眼就看不出闪烁，一般外围硬件较少，但是对单片机资源耗用巨大。
3.7.4数码管显示模块原理图
数码管接线及其驱动接法如图3.21所示：
图3.21数码管接线及其驱动电路接线图
在数码管显示时，如果我们没有驱动它的电路数码管很可能就会很暗或者是无法显示，这是因为数码管显示要一定的电压，而单片机的I/O口电压不足以使它正常工作。
所以我们得设计一个驱动电路来驱动它让它正常工作。
而图中的PNP三极管就是我们用来驱动数码管的。
第四章软件设计
4.1总程序设计规划
主程序流程图如图4.1所示：
图4.1主程序流程图
开始时对中断进行初始化，设置工作方式，接着开始对键盘进行扫描，如果有键盘按下就开始启动定时器，并在这时间内计算出脉冲高低的次数，通过公式算法算出水流速值，最后显示在数码管上。
4.2键盘模块程序设计
键盘模块程序流程图如图4.2所示：
图4.2键盘模块流程图
对键盘进行扫描后，如果独
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