单片机水流量检测测试设计电子教案.docx
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单片机水流量检测测试设计电子教案
单片机水流量检测（测试）设计
单片机课程设计
题目水流量显示器
学院电子工程学院
专业自动化
班级
学号
姓名
组员
指导教师
2013年5月
引言
随着现代社会的进步，经济的发展，人们对精神领域的追求更高，对生活水平的要求更高。
现代的家居生活是一种高品位、高质量、个性化、智能化的方式。
本系统就是基于STC89C52单片机控制的智能家居系统，可以实际监控室内各种不同的家电设备，并能通过液晶屏动态显示当前工作状态。
该系统与传统的智能家居系统相比，具有功能多样化、成本造价低等优点，且符合当今社会智能、节能、环保的发展观念，并在人们享受高品位、高质量、个性化、智能化生活的同时提高人们的节约意识。
由于智能家居系统有众多模块，本课题只采取其中的水流量模块进行单独设计。
关键词：
单片机水流量传感器
1.任务设计
当打开水龙头时，根据单片机STC89C52的指令、水流量计传感器采集水流量状态。
当单片机STC89C52扫描到水流量计传感器的脉冲数，经过单片机STC89C52处理，计算出所采集的水流量后，通过液晶屏LCD1602能动态显示当前水流量。
2.系统硬件电路的设计
2.1主芯片STC89C52
2.1.1主要性能
1）与MCS-52单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器
2）1000次擦写周期
3）全静态操作：
0Hz～33Hz
4）三级加密程序存储器
5）32个可编程I/O口线
6）三个16位定时器/计数器八个中断源
7）全双工UART串行通道
8）低功耗空闲和掉电模式
9）掉电后中断可唤醒
10）看门狗定时器
11）双数据指针
12）掉电标识符
2.1.2芯片功能特性简述：
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。
图2-1单片机引脚
2.1.3引脚功能
表2-1STC89C52引脚介绍说明
引脚
功能介绍
VCC
+5V电源电压
VSS
电路接地端
P0.0～P0.7
8位漏极开路的双向I/O通道
P2.0～P2.7
8位拟双向I/O通道
P3.0
RXD，串行输入口
P3.1
TXD，串行输出口
P3.2
INT0，外部中断０输入口
P3.3
INT1，外部中断１输入口
P3.4
定时器/计数器０外部事件脉冲输入端
P3.5
定时器/计数器１外部事件脉冲输入端
P3.6
外部数据存贮器写脉冲
P3.7
外部数据存贮器读脉冲
RST/VpD
复位输入信号
ALE/PROG
地址锁存有效信号
PSEN
程序选通有效信号
EA/VPP
当保持TTL高电平，执行内部EPROM的指令，当使TTL为低电平，从外部程序存贮器取出所有指令，在内的EPROM编程时，此端为21Ｖ编程电源输入端
XTAL1
内部振荡器外接晶振的一个输入端
XTAL2
内部振荡器外接晶振的一个输入端
2.2时钟电路
单片机的最小系统有三部分组成，即电源，时钟电路和复位电路。
其中单片机的电源引脚与5V电源连通即可，而时钟电路和复位电路还需接口扩展，这也是单片机的基本电路操作。
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
在STC89C52单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。
在STC89C52芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。
在单片机的XTAL1脚和XTAL2脚之间并接一个晶体振荡器就构成了内部振荡方式。
STC89C52单片机内部有一个高增益的反相放大器，XTAL1为内部反相放大器的输入端，XTAL2为内部反相放大器的输出端，在其两端接上晶振后，就构成了自激振荡电路，并产生振荡脉冲，振荡电路输出的脉冲信号的频率就是晶振的固有频率。
在实际应用中通常还需要在晶振的两端和地之间各并上一个小电容。
图2-2时钟电路
用晶振和电容构成谐振电路。
电容大小与晶振频率和工作电压有关。
但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，为了提高精度，本实验板采用20pF的电容作为微调电容。
在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，减小分布电容，以保证振荡器振荡的稳定性。
2.3复位电路
复位是单片机的初始化操作，其目的是使CPU和系统中各部分处于一个确定的状态，并从这一状态开始工作。
系统上电路或死机后都要进行复位操作。
单片机的RST引脚为复位引脚，振荡电路正常工作后，RST端加上持续两个机器周期的高电平后，单片机就被复位。
复位电路有3种基本方式：
上电复位，开关复位和看门狗复位。
图2-3复位电路
本课题采用按键开关复位是指通过接通按钮开关，使单片机进入复位状态。
开关复位电路一般不单独使用。
在应用系统设计中，若需使用开关复位电路，一般的做法是将开关复位与上电复位组合在一起形成组合复位电路，上电复位电路完成上电复位功能，开关复位电路完成人工复位。
图2-3中C7与R1构成了上电复位电路。
上电复位后，电源经R1对C7充满电源，C7等效于开路，RST端为低电平；单片机正常工作。
按开关K1后，C7两端电荷经R1迅速放电，K1断开后，由C7、R1及电源完成对单片机的复位操作。
在上述电路中C7、R1按上电复位电路的设计而取值。
复位电路的作用非常重要，能否成功复位关系但单片机系统能否正常运行的问题。
如果振荡电路正常而单片机系统不能正常运行，其主要原因是单片机没有完成正常复位，程序计数器的值没有回0，特殊功能寄存器没有回到初始状态。
这时可以适当地调整上电复位电路的阻容值，增加其充电时间常数来解决问题。
2.4液晶显示电路
课题任务要求以LCD1602芯片显示单片机处理后的温度、水费和水流量，在此有必要详尽的介绍LCD1602的特性和用法。
2.4.1显示特性
只需5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性
内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）
具有64个字节的自定义字符RAM
显示方式：
STN、半透、正显
驱动方式：
1/16DUTY，1/5BIAS
视角方向：
6点
背光方式：
底部LED
通讯方式：
4位或8位并口可选
标准的接口特性：
适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。
2.4.2引脚说明
表2-2液晶1602引脚说明
管脚号
符号
功能
1
Vss
电源地（GND）
2
Vdd
电源电压（+5V）
3
V0
LCD驱动电压（可调）寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号：
RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；
4
RS
当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器
5
R/W
R/W=0读操作；R/W=1写操作
6
E
使能信号输入端，输入MPU读/写模块操作使能信号：
4位方式通讯时，不使用DB0-DB3
7
DB0
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
8
DB1
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
9
DB2
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
10
DB3
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
11
DB4
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
12
DB5
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
13
DB6
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
14
DB7
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
15
A
背光的正端+5V
16
K
背光的负端0V
16
K
背光的负端0V
2.4.3接口时序
图2-5时序图
表2-3液晶1602时序图标号说明
时序参数
符号
极限值
单位
测试条件
最小值
典型值
最大值
E信号周期
tc
400
ns
引脚E
E脉冲宽度
Tpm
150
ns
E上升沿/下降沿时间
Tr,tf
25
ns
地址建立时间
Tsp1
30
ns
引脚E、RS、R\W
地址保持时间
Thd1
10
ns
数据建立时间（读操作）
Td
100
ns
引脚DB0~DB7
数据保持时间（读操作）
Thd2
20
ns
数据建立时间（写操作）
Tsp2
40
ns
数据保持时间（写操作）
Thd2
10
ns
程序实现如下：
/************************写指令程序************************/
voidwr_com（unsignedcharcom）//写指令
{
delay
（1）;//延时1ms
RS=0;//写命令设置
RW=0;//并行数据的读写
EN=0;//使能为0
P2=com;//输入命令
delay
（1）;//延时1ms
EN=1;//使能为1
delay
（1）;//延时1ms
EN=0;//使能为0
}
/**********************写数据程序***********************/
voidwr_dat（unsignedchardat）//写数据
{
delay
（1）;//延时1ms
RS=1;//写数据设置
RW=0;//并行数据的读写
EN=0;//使能为0
P2=dat;//输入数据
delay
（1）;//延时1ms
EN=1;//使能为1
delay
（1）;//延时1ms
EN=0;//使能为0
}
2.4.4初始化指令：
表2-4清屏指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
清屏
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1.64
功能：
清除液晶显示器，即将DDRAM的内容全部填入"空白"的ASCII码20H;
光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方;
将地址计数器（AC）的值设为0。
表2-5光标归位指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
光标归位
0
0
0
0
0
0
0
0
1
X
1.64
功能：
把光标撤回到显示器的左上方;
把地址计数器（AC）的值设置为0;
保持DDRAM的内容不变
表2-6进入模式设置指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
进入模式设置
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
1.64
功能：
设定每次定入1位数据后光标的移位方向，并且设定每次写入的一个字符是否移动。
表2-7显示开关控制指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
显示开关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
４０
功能：
控制显示器开/关、光标显示/关闭以及光标是否闪烁。
表2-8设定显示屏或光标移动方向指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定显示屏或光标移动方向
0
0
0
0
0
１
Ｓ/Ｃ
Ｒ/Ｌ
Ｘ
Ｘ
４０
功能：
使光标移位或使整个显示屏幕移位。
表2-9功能设定指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
功能设定
0
0
0
0
１
ＤＬ
Ｓ/Ｃ
Ｒ/Ｌ
Ｘ
Ｘ
４０
功能：
设定数据总线位数、显示的行数及字型。
参数设定的情况如下：
表2-10设定CGRAM地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定CGRAM地址
0
0
0
１
CGRAM的地址（６位）
功能：
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
表2-11设定DDRAM地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定ＤＤRAM地址
0
0
１
CGRAM的地址（７位）
40
功能：
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
（注意这里我们送地址的时候应该是0x80+Address，这也是前面说到写地址命令的时候要加上0x80的原因）
表2-12读取忙信号或AC地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
读取忙碌信号或AC地址
0
１
FB
AC内容（７位）
40
功能：
读取忙碌信号BF的内容，BF=1表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令;当BF=0时，液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令;
读取地址计数器（AC）的内容。
表2-13数据写入DDRAM或CGRAM指令一览
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
写数据到DDRAM或CGRAM
1
0
要写的数据D7~D0
40
功能：
将字符码写入DDRAM，以使液晶显示屏显示出相对应的字符;
将使用者自己设计的图形存入CGRAM。
表2-14从CGRAM或DDRAM读出数据的指令一览
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
从CGRAM或DDRAM中读数据
1
1
要读的数据D7~D0
40
功能：
读取DDRAM或CGRAM中的内容。
单片机和LCD液晶显示器的连接
图2-6液晶显示电路
2.5水流量测量电路
课题任务中最重要的是水流量的测量。
通过水流量传感器的数据采集，根据商家的水流量传感器的参数可以得出单片机在运算时的数据。
水流量传感器参数：
环境温度：
-10~55℃
流量计算在流量为:
0.2~0.4L/Min时，1L=2100次;0.5~0.8L/Min时，1L=2280次；0.9~1.2L/Min时,1L=2350次；1.2~2.5L/Min时，1L=2460次;（脉冲次数在流量变化时有一定程度的变动）
接线方法白线：
信号输出；黑线：
电源负（也可按客户要求定做）
测量精度：
±5%（在流量稳定的系统，精度可达±2%）
工作电压：
DC0~~24V
工作压力：
≤100PSI（7kg/cm）
耐湿性能：
在环境湿度为90%以下时性能保持稳定
寿命测试：
本产品用进口干簧管作感应元件，在负荷小于24V1mA前提下,
开关寿命大于3亿次。
图2-15水流量测量电路
2.6按键控制电路
课题设计之初，要求基本实现的功能有水流量的控制、水价的改变。
由于液晶显示屏不能够完全实现其显示，故又增加了换页功能，共三个控制键。
图2-16按键电路
3.软件系统的设计
3.1软件设计总流程
程序要求液晶显示有当前水流量，总流量。
水流量的测量由开关控制。
由于LCD1602的显示屏幕有限，所以又把程序设计成可以翻页的形式。
翻页也用开关控制。
由于在两个界面里面都显示水温，故在显示程序里加入测量水温程序也未尝不可。
整个程序中结构较为简单，但其中也有几个重要而且比较费脑筋的子程序，包括水测量程序、水流量数据的计算转换程序。
在程序中可以分为2个主要模块：
水流量模块，显示模块如图3-1所示：
图3-1总流程图
3.2水流量程序模块
水流量的测量主要依靠对得到的频率处理，由流量计在一段时间下产生高电平的个数决定，即Q（流量）=F（频率）/R（商家设定值）所以只要在单片机中设定一定的时间，并在该时间之下计算出得到的高电平即可。
在本程序中STC89C52的两个定时器T0为计数状态，T1为计时状态，这样方可测量流量。
3.2.1水流量的读取程序
中断程序运行的时间到，就可以读取计数器中的数值，将下数值读出后把计数器赋值为0，等待下一次的取出，然后进入对读出数据的处理程序。
如图3-4所示：
图3-2 水流量数据的处理程序
在预定时间到，即已经取出了定时器的数值。
我们计算的水流量最大是以每吨来计算并显示的，故一个整形或长整型的数不够，故先把它放在了一个int变量的存储空间内，做水流量的前三位，在定义一个长整型的数，把它作为水流量的后六位，这样计算起来也比较容易，数据也不会起冲突，也是为将要计算水价做准备。
设定该水流量的最大计数为250吨，超过了定值，则会从0开始。
如图3-5所示：
图3-3水流量数据处理流程图
3.3显示程序
在程序中只是计算出流量值，温度值以及和资源分配的情况，一些字母的显示，都要另加，这样才能尽善尽美的表达出显示出来的意思。
所以在主程序中不必再测量温度。
在第一页主要显示的是总水流量的后三位，最后以t结尾。
第二页主要当前水流量的前三位，最后以kg结尾。
4.总结
在为期两周的实训中，我学到了很多，在整个过程中，包括最开始的课题设计、焊接、程序编写，到最后的调试我都参与其中。
可以这么说，在这两个星期中学到的东西比我两个月学到的还要多。
在最开始设计课题时，查了很多资料，经过组员的讨论，最终确定了现在这个方案。
在焊接的过程中，基本上没出什么问题，一切都很顺利的进行着。
在编写程序以及调试的过程中出现了一些问题，比如：
当有水流过时，传感器多计数的脉冲达不到我们设计时的要求，所以经过了多次修改，最终实现了功能。
在整个过程中要特别感谢丁文斌老师的指导，没有他耐心的指导，我们是不会做的这么好的。
参考文献
[1]张菁，基于单片机水流量控制系统方案的研究。
2007（9）。
[2]楼然苗，51系列单片机设计实例.北京航空航天大学出版社，2003。
[3]苏铁力、关振海等.传感器及其接口技术[M].中国石化出版社,1998.
[4]肖晴，液晶显示流量的控制，2005
（2）。
[5]谭浩强，C程序设计（第二版）.清华大学出版社.1999年12月第2版
附件1.原理图
附件2实物图
附件3仿真图
附件4元器件清单
元器件名称
型号
数量（个）
单片机
STC89C51
1
水流传感器探头
DS18B20
1
液晶显示器
LCD1602
1
晶振
11.0596MHZ
1
电阻
500欧
2
电阻
1K
1
电阻
4.7K
1
电阻
10K
1
瓷片电容
22pF
2
瓷片电容
0.1uF
2
电解电容
20uF
2
电解电容
100uF
1
发光二极管
红色
1
发光二极管
黄色
2
发光二极管
绿色
1
电源接口
5V
1
拨头开关
1
按键
3
总计
25
5.程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitDQ=P1^0;//ds18b20与单片机连接口
sbitRS=P1^1;
sbitRW=P1^2;
sbitEN=P1^3;
sbitp37=P3^6;//流量正常运行接口
sbitp36=P3^7;//温度报警接口
sbitp14=P1^4;//功能按键接口
sbitp15=P1^5;
sbitp16=P1^6;
ucharcodetable[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39,0x20};//0-9数字和显示无
unsignedlonginta;
floatf,zong;
uinttvalue;
ucharn1,n2,n3,n4,n5,n6,n7,n8,n9;
uchartflag,d,g,kai,j,j1,j2,b;
/************************延时子程序**************************/
voiddelay（uintz）
{intx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=120;y>0;y--）;
}
/***************延时1us子程序**********************/
voiddelay_18B20（unsignedinti）//延时1微秒
{
升级会员 