基于STC15单片机的智能流量计

智能流量计设计制作与调试说明书电子 1411 班姓 名：龚亚辉学 号：1406011411312016 年 12 月 08 日I目 录1. 绪 论 .11.1（智能）流量计的发展现状 .11.2本次设计主要任务 .12.智能流量计硬件设计 .22.1系统总体设计 .22.2电源电路设计 .22.3主控电路设计 .32.4流量检测电路设计 .42.5按键与显示电路设计 .63.智能流量计软件设计 .73.1 程序结构说明 .73.2 OLED显示程序设计 .83.3 A/D转换程序设计 .83.4 流量运算程序设计 .94.电路制作调试 .114.1电路制作与调试 .114.2程序调试 .125.总结 .13附录一 电路原理图 .14附录二 印刷电路板图 .15附录三 电路成品图 .16附录三 实现功能演示 .16附录四 程序清单 .1711. 绪 论1.1（智能）流量计的发展现状随着仪器仪表和信息管理的高度自动化，以计算机为核心的信息处理与过程控制相结合的智能仪器系统应运而生。智能仪器是计算机技术与测试技术相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量仪器。由于他拥有对数据的存储、运算、逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能作用，因而被称为智能仪器。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。仪器仪表 行业中涉及产品很多，从技术的发展形式来看，仪器仪表的智能化是不可逆转的趋势，数字技术应用在仪表之中，不仅仅使它的性能以及精度得到了很快的提升，然而伴随着现场总线的出现为仪表的更新换代及升级实现了进一步的提高。特别是多参数的在线实时测控和自动化测控，不论是稳定性、可靠性，还是高适应性、多功能性及低消耗等等提供了巨大的发展空间和动力。让智能仪表的信息交换更为迅速。1.2 本次设计主要任务本次课程设计中以智能仪表为背景，将研究设计并制作一台智能流量计，主要研究内容是对流量进行检测，主要由流量传感器采集流量信息，然后经过LM331 芯片将采集的信息转换为频率信号，再由单片机内部 AD 转换器将频率信号转换为电压信号传给单片机，单片机在软件系统的控制下，通过算法将电压信号变成实际流量值,并通过 OLED 屏显示出来。其中，硬件电路的搭接是本设计的重点，控制系统软件的设计是本课题的核心。硬件电路部分，采用STC15 单片机， CH40、LM331 、LM358 等构成单片机控制系统的主体部分。通过脉冲流量传感器，温度传感器进行输入，测量瞬时流量和累计流量。一些其2他的功能，如设置参数，OLED 显示，定时休屏等功能。系统软件设计部分，分别对 AD 转换控制， OLED 显示，按键设置，休屏键等程序进行了设计，并且设计了主程序和流量控制计算程序。2.智能流量计硬件设计2.1 系统总体设计为了适应现代对仪表功能的需求，可以智能化的检测水流量，并且实时在屏幕上动态显示数据的目的，因此我们设计利用了 STC15单片机来完成。 这个系统可以实现瞬时流量的检测，还有累计流量，温度的检测。当单片机接受到水流量发出的信号，STC15 单片机就会下达指令。水流量的情况传输到传感器中，通过 STC15单片机进行处理扫描到的水流量脉冲数，然后在 OLED上显示出水流量的数据。本方案利用 Keil c软件使用 C语言进行程序设计，Altium Designer软件实现电路和 PCB的设计。2.2 电源电路设计此系统可以通过三种方式分别供电，一种是有 USB端口连接上位机直接通电 5V电源，另外一种则是采用外部 4.8v10v 供电，通过 REG1117-5芯片转换为稳定的 5V电源给系统供电，还有一种则是通过干电池作为系统的备用电源，在没有外接电源时使用。电路中有 5V供电后，再由正向低压降稳压器STC15单片机按键电路 流量处理电路电源电路下载电路 温度处理电路OLED 显示3AMS1117-3.3将 5V电源转为 3.3V给相应的电路供电。电路图如下。2.3主控电路设计单片机是把微处理器、存储器、I/O 接口。定时器/计数器、串行接口、中断系统和其它电路组合在单个芯片组合完成的单片计算机，单片机作为微型计算机的一个分支，是基于测控领域的发展而诞生和发展的。在我国使用最多的是 Intel公司的 C51系列单片机。而本次电路我们使用了 STC15F2K60S2单片机，这款单片机不需要外部晶振和外部复位电路，可省掉外部 EEPROM，利用 IAP/ISP技术,可以实现在线编程，无需编程器/仿真器，内部有 2K字节 SRAM，双串口，两个独立串口，高速 10位 8通道 A/D转换器等丰富的功能。它与 C51相比，STC15F2K61S2 其优点是，省去晶振、复位电路，内部以高可靠，高精度集成了，这个非常实用，做板的时候能很简洁，也省了很多事情，再也不用为了更换晶振什么的发愁。对于此次课题设计来使用，它的外设比较丰富，在线仿真 ADC/DAC/PWM/E2PROM等基本满足智能流量计功能的需求。42.4 流量检测电路设计流量检测部分采用水流量传感器，如图 1所示，它的组成部分塑料阀体 、水流转子组件和霍尔传感器组成。它装在热水器进水端，用于检测进水流量，当水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给 LM331芯片，这款芯片是由美国 NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,精密频率电压转换器 ，就是由它将水流量传感器输出的脉冲值由于频率转换为模拟量电压值，反馈给 STC15F2K61S2芯片内部 ADC转换器，然后通过算法求出单位流量并显示在 OLED屏上。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5据不同的水流量传感器的参数可以得出单片机在运算时的数据。水流量传感器一般在零下 10摄氏度到 55摄氏度的环境温度下可正常运行。在电路和传感器正常工作的情况下，我们根据 LM331芯片和水流量传感器提供的技术文档得出了以下两个核心算法，这个也是我们整个电路能否实现正常测量的关键部分。1.f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1)2.频率计算=常数 7.5*单位流量（L/min）*时间（秒）图（1）.流量传感器 62.5 按键与显示电路设计为了实现水流量计的智能化，还有对减少电能的消耗增加使用寿命，在电路中我们增加了三个按键，分别用于控制 OLED屏幕的点亮和休屏、进入设置模式，对参数进行修改。对于 OLED屏幕的控制我们采用 1min钟自动息屏，同时可以用按键唤醒，在屏幕亮的过程中也可以通过按键进行息屏，自动息屏的时间通过按键进入设置模式进行修改，休屏时间范围在 19分钟之间。当然，通过进入设置模式还可以设置仪表常数、仪表编号，在实际产品出厂的时候可以得到应用。显示电路我们采用 0.96寸 OLED显示屏模块，OLED 由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。这款分辨率为 128*64，与单片机通讯采用 SPI通讯。SPI通讯由串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI 总线可以实现 多个 SPI设备互相连接。提供 SPI串行时钟的 SPI设备为 SPI主机或主设备(Master)，其他设备为 SPI从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现全双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。SPI 通讯相当于 I2C和 UART而言实现简单，有时钟协议。73.智能流量计软件设计3.1 程序结构说明软件总的设计要求需要 OLED显示瞬时流量、累计流量及其温度，并且能在设置中设置相关参数，调整息屏时间。水流量的测量为 0.25秒读取一个流量值。OLED屏开机在第一行显示瞬时流量、第二行为累计流量、第三行为温度，在无按键操作的话默认 1分钟后息屏。设置界面由按键控制。进去设置界面后屏幕不需息屏，其中的参数值则通过另一个按键控制。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、水流量数据的计算与转换、温度数据转换等程序。 在程序中可以分为 4个主要模块：水流量模块，温度模块，OLED 显示模块，设置模块。如图为总体流程图。系统初始化按键判断温度测量流量测量息屏时间判断屏幕息屏 屏幕常亮Y N显示测量数值界面 显示设置界面K1 按键设置程序无按键操作 K2 按键操作K3 锁屏键操作83.2 OLED显示程序设计本课题采用的是 STC15单片机为控制核心，由中景园电子提供的 0.96寸OLED模块为显示输出设备，如图 2所示，在 Keil环境下编写 OLED显示模块驱动程序，并下载 Hex文件至单片机，从而实现 OLED显示系统设计。由于所采用的 OLED不带字库，因此无论是显示图形还是显示汉字，均需通过取模软件进行编码，然后按 SPI协议，将对应的编码按照所确定的地址模式写入对应的CDDRAM中。3.3 A/D 转换程序设计本次课题我们采用的是 STC15单片机，此款单片机内置有高速 10位 8通道A/D转换器，它就是把模拟信号转换成数字信号，采用逐次逼近型进行转换。我们将选用 P1.4、P1.5 为流量传感器