充气机压力流量检测系统设计

摘 要SHANDONG毕业设计说明书充气机压力流量检测系统设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 王学浩 学 号： 0812106124 指导教师： 解红军 2012 年06 月40摘 要压力和流量在工业上都是极其重要的参数。对压力和流量的准确快速检测，是对其进行实时控制的前提，是保证工艺要求、设备运行和人身安全的必要条件。设计实现气体压力流量检测系统对工业过程控制具有十分重要的意义。本文给出了使用单片机、气体压力传感器、气体流量传感器，设计一个充气机压力、流量检测系统的方法。本系统是一个基于AT89S52单片机的气体压力流量检测和显示系统，通过设计信号处理电路对传感器测得的模拟信号进行处理，然后经A/D转换模块将处理后的模拟电压量转换成单片机可直接处理的数字量。压力流量的显示采用6个数码管实现。本设计的最终结果是，利用单片机检测出充气机内的气体压力和流量，可通过输入按钮切换气体压力和流量的显示，进行压力的显示报警，以达到防护电缆的目的。关键词：气体压力，流量，单片机AbstractAbstractPressure and flow in the industry are extremely important parameters. Accurate and rapid detection of pressure and flow, is the premise of control, is the necessary conditions to ensure that the process requirements, equipment operation and security of person. Design and Implementation of the gas pressure and flow detection systems for industrial process control has very important significance. In this paper, show a method for designing an pressure and flow testing of inflator through the use of single-chip, gas pressure sensors, gas flow sensors,This system is a microcontroller AT89S52-based gas pressure flow detection and display system, through the design of signal processing circuit for processing the analog signal of the sensor measured, and through A / D converter module after processing the analog voltage to convert the microcontroller can be directly the amount of digital processing. Display of pressure and flow to achieve six digital tube. The end result of this design is to use the microcontroller to detect the inflator gas pressure and flow can be used to input button to switch the gas pressure and flow, pressure display and alarm, in order to achieve the protective purpose of the cable.Key words: gas pressure, flow, single-chip目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 引 言11.1 研究背景11.2 压力和流量测量的意义11.3 压力、流量检测技术的发展21.4 主要设计内容3第二章 系统方案设计42.1 方案的可行性分析42.2 基本工作原理52.3 方案预期目标6第三章 系统硬件设计73.1 传感器73.1.1 气体压力传感器的选择73.1.2 应变式压力传感器的工作原理73.1.3 流量传感器选型93.1.4 热式流量传感器的工作原理93.2 信号处理电路103.2.1 信号处理电路设计103.2.3 主要元器件介绍103.3 A/D转换器113.3.1 A/D转换器的选择113.3.2 ADC简介123.3.3 ADC0809与单片机接口133.4 稳压电路143.4.1 集成固定三端稳压器143.4.2 稳压电路设计153.5 单片机163.7.1 AT89S52概况163.7.2 AT89S52管脚说明163.7.3 AT89S52存储器163.5 显示器接口电路173.5.1 LED显示器173.5.2 显示器接口电路设计183.6 键盘接口技术193.6.1 键盘功能及结构概述193.6.2 按键抖动去除203.8 X25045看门狗芯片213.8.1 X25045简介213.8.2 X25045电路设计22第四章 系统软件设计244.1 主程序244.1.1 流程图244.1.2 主要功能254.2 子程序设计254.2.1 A/D转换程序设计254.2.2显示程序设计264.2.3 键盘程序设计28结 论30参考文献32致 谢33附录 A34附录 B35第一章 引 言第一章 引 言1.1 研究背景压力和流量都是工业生产中的重要参数，为了保证生产正常运行，必须对其进行准确测量和控制。传统方法对压力检测主要采用弹性式压力检测仪表，其原理是压力敏感元件作为弹性元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力的大小。电子计算机是20世纪最重要的科学技术成就之一。目前计算机已经渗透到国民经济和社会生活的各个领域，极大地改变着人们的工作方式和生活方式，并成为推动社会发展的巨大生产力。单片机作为嵌入式微控制器，在工业测控系统、智能仪器和家用电器中得到广泛的应用。伴随着单片机技术的迅猛发展，单片机在人们的日常生活和生产中越来越普遍，单片机技术同样广泛应用到工业监测系统的设计中，可以说现在的各类仪器设备都离不开单片机。单片机作为微型计算机的一个重要分支，发展迅速，应用广泛。它的诞生满足了工业控制的需要，迅速成为控制系统的核心部件，在智能仪器工业控制、机电一体化等领域起到了举足轻重的作用，单片机作为控制系统的核心部件，除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还具有灵活、强大的控制功能，可以实现自动控制，实时检测系统的输入量并控制系统的输出量。1.2 压力和流量测量的意义压力是工业生产过程中的重要基本参数之一。特别是在化学反应体系中，压力是表征化学反应操作工况的重要参数，对物料平衡、化学反应速度、收率和运行安全性等均有重要影响，因此，为保证工艺过程的正常运行，必须准确检测或控制反应过程的压力。压力是指均匀而垂直作用于单位面积上的力，压力的表达方式有四种，即绝对压力、表压力、真空度或负压、和差压。绝对压力是指物体所受的实际压力，被测介质作用在容器单位面积上的全部压力。表压力是指用一般处于大气压力下的压力检测仪表所测得的压力，它是高于大气压的绝对压力与大气压力之差。真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压。差压是指两个压力之差。在工程上经常使用表压和真空度来表示压力的大小，因为各种工艺设备和检测仪表本身就承受着大气压力，它们处于大气之中，同样，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或真空度。流量检测在现代化生产中十分重要，在发展农业，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平上占有重要的地位，流量检测可以定量控制空气和水污染物的排放在生物技术中检测计量各种物质成分，对医药配方等的液体制剂成分控制流量；工业生产过程中的物料运送和使用也需要精确的计量，所以，对流量的检测不论是在工业还是在生活中都特别重要。流量是指单位时间内流动介质流经管道（或通道，统称流道）中某截面的数量，也称瞬时流量。而在某一段时间内流过的流体总和，即瞬时流量在一段时间内的累计值，称为累积流量。如果流道中流过的流体是单一流体或混合物，则称为单相流；如果流体中含有两种或两种以上互不均匀混合的流体，则称为多相流。1.3 压力、流量检测技术的发展传统方法对压力检测主要采用弹性式压力检测仪表，使用单行元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力的大小。一般弹性式压力检测仪表只能现场安装，就地指示，他们应用十分广泛。但电远传式压力仪表也是利用弹性元件作为敏感元件，但在仪表中增加了转换元件和转换电路能将弹性元件的位移转换为电信号输出，实现信号的远传。1960年代以后压力测量仪表日益向耐冲击、数字显示、耐振动、耐高温和体积轻巧等方向发展，逐步适应了工业控制、医学测试对压力检测仪表的要求。流量测量最早是由瑞士人开始的，在1738年，瑞士著名的物理学家丹尼尔伯努利以伯努利方程为基础，利用了差压法测量了水流量。后来，意大利物理学家文丘里又用文丘里管测量了流量。20世纪的60年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。例如，为了提高了差压仪表的精确度，出现了力平衡差压变送器和电容式差压变送器；为了使电磁流量计的传感小型化和改善信噪比，出现了用非均匀磁场和低频励磁方式的电磁流量计，卡门涡街流量计是一种实用的具有无活动检测部件和宽测量范围的流量计，产生于20世纪70年代。流量检测技术种类多，逐步日趋成熟发展到今天。即便如此没一种流量计都有一定的局限性，有适应的范围，没有一种流量计能适用于任何场合。超声波流量计具有锁相环路技术并得到了广泛的应用，这得益于快速发展的集成电路技术。微型计算机应用度的提高伴随着流量测量能力大大提高。逐步出现了能够处理复杂多变流量信号的流量计，比如激光多普勒流速计。伴随着单片机技术的迅猛发展，单片机在人们的日常生活和生产中越来越普遍，单片机技术同样广泛应用到工业监测系统的设计中，可以说现在的各类仪器设备都离不开单片机。1.4 主要设计内容1、充气机压力检测系统的硬件设计本系统是以8952为核心，构成一个压力检测，显示系统（1）对压力传感器输出信号放大电路的设计（2）显示和键盘电路的硬件设计（3）模数转换电路的硬件设计（4）电源电路的硬件设计2、充气机压力检测系统的软件设计（1）系统初始化及主程序的模块设计（2）显示程序和键盘程序的模块设计（3）中断处理，定时器处理程序的模块设计（4）模数转换处理程序的模块设计第二章 系统方案设计第二章 系统方案设计2.1 方案的可行性分析方案一：以单片机为系统核心以单片机为核心的压力流量检测系统，使用气体压力传感器和流量传感器对过程中的参数进行测量，传感器的输出信号经过放大，变为A/D转换器所需的标准信号。通过A/D转换把现场的模拟量变为单片机认识的数字量。另外，为实现人机对话功能，即把人们的要求告诉单片机，单片机应及时把运行情况显示出来。这就要求有人机对话设备，如键盘、显示、报警等。这里键盘的作用是设定测定值、切换压力流量检测；LED实时显示检测数值。单片机的特点有，作为控制系统的核心部件，单片机具备通用微机CPU的数值计算功能，和强大灵活的控制功能，能够对控制系统的输出量和监测系统的输入量进行实时检测。单片机的抗干扰能力较强，具有较高的工作问的范围，可靠性也很强。虽然数值计算能力一般，但其有很强的控制功能，指令系统相对简单。方案二：以PLC为系统核心以PLC为核心的压力流量检测系统，使用气体压力传感器和流量传感器对过程中的参数进行测量，传感器的输出信号通过放大电路放大，然后送至A/D转换器把现场的模拟量变为数字量后，送至PLC处理。PLC的主要模块采用大规模与超大规模集成电路，具有很强的抗干扰能力。PLC的品种很多并且有很多种扩展模块，能组合成不同要求和大小的控制系统。PLC的编程可以使用梯形图和功能图，直观易懂，对专门的计算机知识要求低，可在短时间内学会。用PLC组成的控制系统，在设计安装调试维修方面都具有很大的优越性。现代的工业过程复杂多样，有不同的控制要求，单片机和PLC在本质上是一样的，它们都是工业上常用的控制核心，都是由微处理技术发展而来，因此两个方案在系统设计上都具有可行性，但二者也有差别：1、单片机使用汇编语言，PLC使用梯形图，汇编语言需使用者具备较高的计算机知识，难懂不易于初学者使用，汇编语言的程序复杂，可读性差；相比较梯形图更加形象易懂，不需要专门的计算机知识和语言，学习梯形图只要求具备一定的电气和工艺知识知识。2、单片机的体积比PLC小得多，因此价格较之PLC要便宜许多，而且核心部件体积小可以大大缩小产品的体积，使产品有更高的便携性。3、PLC的内部芯片一般都是工业级的，主要模块均采用大规模或者超大规模的集成电路，因此稳定性和抗干扰性都要高于单片机。综合比较发现单片机轻巧的体积更适合做仪器仪表以及小型控制系统，对于单片机方案、PLC方案都能完成的任务，且对于系统的稳定性和抗干扰性要求不是特别高时，可以选择价格低廉的单片机。所以在这里选择小巧价廉的单片机作为系统设计的核心部件。2.2 基本工作原理本设计是以AT89S52单片机为核心的压力流量检测系统，使用气体压力传感器和流量传感器对过程中的参数进行测量，传感器的输出信号一般需要经过放大，因此设计相应的信号处理电路对传感器的输出信号进行处理，使之变为A/D转换器所需的标准信号。为了把现场的模拟量变为单片机认识的数字量，需要ADC。另外，为实现人机对话功能，即把人们的要求告诉单片机，单片机应及时把运行情况显示出来。这就要求有人机对话设备，如键盘、显示、报警等。这里键盘的作用是设定测定值、切换压力流量检测；LED实时显示检测数值。系统的原理方框图如图2-1所示。压力 流量传感器信号处理显示单片机A/D转换键盘图2-1 压力流量检测系统原理方框图2.3 方案预期目标本方案是以单片机为核心的充气机压力流量检测显示系统，气体压力传感器和流量传感器对充气机内气体进行检测输出电压信号，经放大和A/D转换后输入单片机，可在数码管上实现对充气机内气体压力和流量的实时显示，也可通过LED和蜂鸣器实现报警功能，具体功能如下：实时监测：系统实时检测现场信息并通过数码管显示，使人们可及时了解 气压和流量状况。低压报警：系统检测到充气机内气压低于标准值80%时，立即报警。高压报警：系统检测到充气机内气压低于标准值120%时，立即报警。泄漏报警：系统监测到充气机内气压连续下降时，在未达到低压报警值前可进行报警。设定报警值：可为系统设定气体压力和流量的报警值，当气体压力或冲气流量达到设定值时，立即报警。掉电储存：当系统断电时，可自动储存已设定的报警值等信息，系统重新上电后可继续工作，避免再次输入设定值。第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1 传感器3.1.1 气体压力传感器的选择单片机的接口信号必须是数字信号，因此设计系统需要使用气压传感器，它的作用是将气压信息转换为电流或电压输出。压力传感器种类繁多，有应变式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、霍尔压力传感器等。其中，电阻应变式压力传感器由于测量范围广精度高，性能稳定可靠，使用寿命长，频率响应特性好，因此被广泛使用。被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它表面产生应变，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力变化，电阻值将相应变化，通过对电阻应变片的电阻值变化进行测量，可以用来确定力、力矩、压力、位移加速度等各种参数。从测量范围、精度、温度补偿范围以及测量的是否是绝对气压值等主要性能方面予以考虑。本设计选用深圳精量电子公司生产的U5161-1.5BG高性能不锈钢压力变送器。主要性能如下： 085最大误差为0.75%； 温度补偿范围-40+125；供电范围4.855.35V；测量范围15150kPa3.1.2 应变式压力传感器的工作原理应变式压力传感器是有弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成。应变式压力传感器有很多结构形式。图3.1是一种粘贴式的应变片压力传感器的原理图。图3-1 应变片压力传感器原理图被测压力作用在膜的下方，应变片贴在膜的上表面。当膜片受压力作用形变向上凸起时，膜片上任一点的径向应变和切向应变分别为式中，为膜片的厚度；E为膜片材料的弹性模量；v为膜片材料泊松比；为膜片自由变形部分的半径。膜片上应变片的粘贴位置就是根据上述应变分布规律来确定的，如图3.1所示。图中贴有4个应变片、和，在膜片受压力作用时，和受到正的拉伸，电阻值增大；和受到负的的作用，电阻值减小。把这四个应变片连接在一个桥路的四个桥臂上，其中和，和互为对边，则桥路的输出信号反映了被测的大小。因为金属的材料具有电阻温度系数，它们的电阻值随温度有变化，所以此金属电阻应变传感器的特性会受温度影响。为了减弱这种影响，需要采用温度补偿措施。最常用的方法有，四个应变计的静态特性是相同的，它们是在同一桥的不同的桥臂，温度升降，将允许在同一时间的增加或减少这两个电阻值，以便不影响桥路的平衡。当应变片上有压力作用，两个相邻的桥臂上，电阻一个增加，另一个减少，让电桥能有一个较大的输出。以这种方式，应变式压力传感器依然存在比较明显的温度漂移和时间漂移，所以一般用在压力动态检测方面。3.1.3 流量传感器选型进行气体流量的监测控制，可以使用各种流量传感器，有电磁式流量计、节流式流量计、转子流量计、涡街流量计、容积式流量计、热差式流量计等。其中，热差式流量传感器利用热扩散原理，专为能在最恶劣的工业条件下长期可靠工作而设计。热差式流量传感器具有测量范围宽、计量准确、精度高、灵敏度极高、重复性好、便于安装等特点，简单地插入管线或容器中，调节设置点到期望的流速。是目前发达国家广泛应用的流量传感器，具有传统的流量传感器所不具备的各种优异特性，特别适合于对气体流量的测量。依据被测流体的性质、腐蚀性、温度、压力，以及测量准确度要求、测量范围等条件。综合考虑，本系统可采用湖南西门机电科技有限公司生产的RFS型热差式流量传感器。其主要性能指标如下：设定范围：0.110.0 m/s适用压力：5.0 MPa环境温度：2080环境湿度：95RH，无凝结水适用介质：非易燃气体、液体(水、油等)3.1.4 热式流量传感器的工作原理热式流量传感器采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术。热式流量传感器有两个温度传感器被置于介质中时，其中一个传感器被加热到环境温度以上的的温度，另一个温度传感器用于感应介质温度。介质流速增加，介质带走的热量增多，两个温度传感器的温度差将随介质的流速变化而变化，根据温度差与介质流速的比例关系，可得出流体的流量。当流体静止时，管道内加热元件的上下游温度对称分布，元件指示温度相等。当介质流动时，下游温度比上游的温度高。伴随着流速增加，温差增大，当流速增加到某一界限值之后，两元件的温差将随流速的增加而逐渐减小。为了得到仪表的单值性，一般测小流量用温差增大的特性，测大流量用温差减小的特性。3.2 信号处理电路由于传感器转换后的输出的信号电平比较低，难以用来直接显示、记录、控制、或进行A/D转换。在检测系统中，放大器的输入信号一般是由传感器输出的。在本系统中，传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模干扰电压。因此，需要设计相应的信号处理电路对传感器的输出信号进行放大处理，使之成为标准的信号供系统使用。3.2.1 信号处理电路设计本设计的信号处理电路如图3-2所示图3-2 系统的信号处理电路3.2.3 主要元器件介绍信号处理电路中所用到的主要元器件有：1、运算放大器AD827AD827是一个具有50MHz单位增益稳定运行、300V/ms转换速率、120ns设置时间、可驱动大容量电容性负载的高速运算放大器。具有良好的DC特性：2mV最大输入补偿电压、15mV/8C输入补偿电压漂移和只需10mA总电流就便可同时供应5V到15V的低功耗特性。AD827提供一个3500V/V开环增益到500欧负载中。它有15/nVHz低输入噪声电压和最大2mV低输入补偿电压。共模抑制比最小80dB。电源抑制比维持在一个好于20dB输入频率高达1MHz，从而可以在开关电源时减少噪声直通。 AD827也可以理想的运用于视频应用，将微分增益小于0.04%和微分相位误差为0.19，峰峰值为643mV的同轴电缆驱动为75的逆向电缆。AD827也对多波段，高速数据交换，要求快速（120ns 到 0.1%）设定时间的系统很有用。在这些应用中，AD827提供一个输入缓冲为8到10位的A/D转换器和高速D/A转换器的输出放大器。2、OP200OP200是Analog Devices公司生产的双低失调，低功耗运算放大器。该OP200是第一个单片双运算放大器，提供OP77类型的精度性能。可在行业标准8-lead 接脚分布，结合精度性能的OP200与空间和成本的双重放大器提供储蓄。该OP200具有极低的输入失调电压低比75V、漂移低于0.5V/C,保证在整个特殊温度范围。开环增益大于的OP200成5000000 k，输入偏置电流下2 nA；CMR超过120 dB和PSRR以下1.8V/V。片上齐纳扎普微调是用来实现极低的输入偏移电压和消除OP200偏移的需要拉.在OP200功率消耗非常低，每个放大器不及725A电源电流.总电流采用双OP200画不到一半由单个OP07，但OP200提供超过这一重大改进业界标准运算放大器.该OP200，电压噪声密度11 nV/Hz在1千赫，是一个最具竞争力的设备。3.3 A/D转换器3.3.1 A/D转换器的选择A/D转换器是把模拟量转化为数字量的器件，按工作原理可分为：并行式和并/串式ADC、逐次逼近式ADC、双积分式ADC、计数比较式ADC。并行式ADC的优点是速度最高，但缺点是电路复杂，精确度较低一般是8位以下，一般只在对转换速度要求特别高的场合使用。并/串式ADC的转换速度虽比并行式ADC慢一些，但其转换速度也很高，当然电路没有并行式那么复杂，是并行与串行相结合的ADC，价格也低一些，用得比较多。逐次逼近式ADC是工业控制用的最多的一种，其转换速度中等，价格不高精度高，缺点是抗干扰能力较弱。双积分式ADC的有点有转换精度高，价格低，抗干扰能力强，缺点是转换速度慢，一般用在对于转换速度要求不太高的场合。计数比较式ADC是一种很少使用的模数转换器，虽然它的价格低廉，电路简单，但是它的抗干扰能力差，转换速度慢而且精度不高。选择A/D转换器件主要是从速度、精度和价格上考虑。双积分式和逼近式均可达到较高的精度要求。各种ADC中，以并行式速度最高，以双积分式最慢。在抗干扰能力上双积分式ADC最好，计数式ADC表现最差。在成本方面，并行式ADC的价格最高，双积分式ADC的价格较低。综合考虑成本、转换速度和转换精度等因素，发现逐次逼近式ADC最适合。因此，本系统选用逐次逼近式ADC0809。3.3.2 ADC简介ADC0809主要功能特点有：可控三态输出锁存器；8路单极性0+5V模拟输入；完整正脉冲启动；典型转换时间为100us；输出与TTL兼容；总的不可调误差在（1/2）LSB和1LSB之间。ADC0809是双列直插式封装，28只引脚，图3-3是其管脚图。图3-3 ADC0809引脚图IN0IN7：8路模拟量输入脚。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。D7D0：8位数字量输出端，D7是最高位。ALE：地址锁存允许端，输入高电平有效。START：启动A/D转换引脚，当该脚输入高电平时，启动开始模数转换。EOC：A/D转换结束输出引脚，当A/D转换结束时，该引脚输出一个高电平。在启动A/D转换后可以通过对该引脚状态查询获知转换是不是完成。OE：输出允许控制，用于控制选通三态门。当OE=1时，三态门打开，A/D转换结束得到的数字量才可被读入CPU CLK：工作时钟，最高允许值为1.2MHz。当CLK为640kHz时，转换时间为100us。Vcc：电源输入端，+5V。GND：地。3.3.3 ADC0809与单片机接口图3-4是ADC0809与单片机的接口电路。图3-4 AD0809与单片机接口电路图中，由单片机的ALE把低8位地址信号锁存在74LS373里。74LS373输出的低3位A2、A1、A0加到ADC0809的C、B、A，作为通信编码。由与P2.4进行或非操作得到一个正脉冲加到ADC0809的ALE和START引脚上。ADC0809的ALE上的正脉冲把通信编码C、B、A输入并锁存于“地址所存和译码”里，接通所需通道。START上升沿清除ADC0809的逐次逼近寄存器SAR，对时间没有严格的要求，此后的START下跳沿启动A/D转换。在ADC0809进行A/D转换期间，EOC=0，A/D转换结束时EOC上升为高电平。EOC反向后加到单片机的作为中断请求信号。3.4 稳压电路3.4.1 集成固定三端稳压器7800系列是正电压输出集成三端稳压器，7900系列是负电压输出集成三端稳压器，他们内部结构相似，工作原理相同。78/79集成稳压器是串联调整式稳压器。他们的内部带有能带间隙式基准稳压源当作基准。拿采样值和这个基准电压作为比较，获得阻值差的大小，然后再依据此调整输出的大小。此基准原的有点有小漂移、噪音低，还有高精度，能够使稳压器的输出稳定。 78/79系列集成稳压器，它的内部虽然带有过流保护的功能，但这样健全的保护电路也不是绝对的安全，长期处于不安全的条件下也有可能不能保证电流不超过最大值。假如输出管产生的结温高到了它的最大值，它的热保护电路便会动作，从而减小电流输出。工作区限制电路的作用是使稳压器一直在安全区工作。78/79稳压器的高可靠性得益于它具备超强的保护功能。78/79稳压器只有三条引脚，一个是输入，一个是输出，一个是公共端。本系统中，需提供+5V、+12V、-12V三种电压，因此选用MC7805、MC7812、MC7912产生+5V、+12V、-12V的稳压电路。3.4.2 稳压电路设计稳压电路如图3-5。图中变压器把220V交流电降压，桥式整流电路将交流电整流成直流电。稳压器输入端的电容可以改善纹波，稳压器输出端的电容可以减小纹波和改善负载的瞬态响应。一般输出端不需接大电容。图中二极管用于保护稳压器，在正常情况下，稳压器输入端和输出端电压至少相差2V，在突然掉电时，立即使输入端电压为零，如果输出端所带负载有大电容，使输出端电压不会突变，这样在突然掉电时，使稳压器内部的调整管的发射极与基极间承受约5V或12V的反向电压，从而把晶体管击穿。但是现在接有保护二极管，稳压管输出端电容上的电荷会迅速通过保护二极管放掉，保护了稳压器。图3-5 稳压电路3.5 单片机3.7.1 AT89S52概况本设计使用AT89S52单片机，AT89S52是一种8位的微控制器，可编程系统Flash存储器的大小为8K，能够完全的兼容80C51单片机，有32个可编程I/O口线。3.7.2 AT89S52管脚说明PDIP封装形式的AT89S52单片机引脚排列如图3-6。图3-6 AT89S52引脚排列3.7.3 AT89S52存储器在单片机中，存储器分为程序存储器ROM和数据存储器RAM，且两个存储器是独立编址的。AT89S52单片机芯片内配置有8KB（0000H1FFFH）的Flash程序存储器和256字节（00HFFH）的数据存储器RAM，如果需要可以将程序存储器扩展到最大64KB，将数据存储器扩展到64K。AT89S52单片机出厂时片内已带有8KB的Flash程序存储器，使用时，引脚要接高电平（5V），这时，复位后CPU从片内ROM区的0000H单元开始读取指令代码，一直运行到1FFFH单元，如外部扩展有程序存储器ROM，则CPU会自动转移到片外ROM空间2000HFFFH读取指令代码。AT89S52单片机出厂时片内带有256字节的数据存储器RAM，如不够用，可以在片外扩展，最多能扩展64KB RAM。片内数据存储器的00H7FH去又划分成3块：00H1FH块是工作寄存器所用；20H2FH块是有位寻址功能的单元区；30H7FH是普通RAM区。工作寄存器又分4组，在当前的运行程序中只有某一组是被激活的，谁被激活由程序状态字寄存器PSW的RS1、RS0两位决定。3.5 显示器接口电路3.5.1 LED显示器通常的七段LED显示器中有8个发光二极管，引脚如图3-7所示。a，b，c，d，e，f，g，dp称为LED段，公共端com称为LED的位。从管脚adp输入不同的8位二进制数，可显示不同的数字或字符。共阳极显示器的发光二极管的阳极连接在一起，共阴极显示器的发光二极管的阴极连接在一起。对共阴极LED，显示器的发光二极管的公共端com接地，当某发光二极管的阳极为高电平时，相应的发光二极管点亮；共阳极LED显示器则相反。图3-7 七段LED显示器引脚与结构图LED显示器显示十六进制数的自行代码如表3-1所示。表3-1 LED显示器字形码表3.5.2 显示器接口电路设计显示器工作有静态和动态两种方法。当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，这就是静态显示。静态显示中，显示电路需要占用的硬件较多，每一位显示器都需要有一个8位输出口控制，所以静态显示适用于显示位数较少的时候。LED动态显示是将所有位的段并接在一个I/O口上，称为端口，共阴极端或共阳极端分别由相应的I/O口线控制，称为位口。动态显示就是一位一位循环点亮显示器各个位，即从段口上按位次分别选通相应的显示位码，选通的位就是显示相应字符，并保持几毫秒的延时，未选通位不显示字符。这样，对各位显示就是一个循环过程。本系统显示位数较多，静态显示所需的I/O口太多，所以采用动态显示方式。显示器中的每个段是一个发光二极管，要其正常发光必须提供足够的电流。不同LED显示器具有不同的正常发光电流范围因此在设计硬件电路时要为显示器提供驱动电路，以保证其正常工作。显示接口电路如图3-8所示图3-8 显示接口电路3.6 键盘接口技术3.6.1 键盘功能及结构概述在一般的计算机操作中，命令数据都是有键盘输入的。键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备。键盘由一组常开的按键组成，可以通过键盘输入数据或命令。每个按键都被赋予了一个代码，称为键码。键码分为编码键盘和非编码键盘，在识别键码上有不用的工作原理。编码键盘通过编码电路，如BCD码。非编码键盘是通过软件。用户常常需要改变按键的数量，需要一个硬件电路简单的键盘，非编码键盘具备这些条件，因此可选用非编码键盘。非编码键盘可以分为两种结构形式：独立式键盘和矩阵式键盘。当按键的数量比较少时，可采用独立式按键的硬件结构。如图3-9，独立式非编码键盘中每个按键都独立的占用一条数据线，所有按键有一个公共地或公共正端，每个键相互独立互不影响。独立式按键接口电路配置灵活，缺点是每以个按键都要占用户一根I/O口线，在按键的数量较多时，I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时，常采用软件结构简单的这种结构。矩阵式键盘又叫行列式键盘，是将I/O线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线的交叉点上，如图3-10。本接口适用于按键数较多的场合。检测键盘有无闭合以及查找闭合按键的键号，一般采用扫描法。图3-9 独立式按键原理图3-10 矩阵式按键原理3.6.2 按键抖动去除现在的按键和键盘，都是利用机械触点的合、断原理制作而成的。由于弹性的影响，机械触点在闭合和断开瞬间都会产生抖动过程，这会引起使电压信号产生波动，如图3-11所示。图3-11 按键抖动过程开关的机械特性同按键抖动时间的长短密切相关，一般为510ms。操作人员的按键动作可以决定按键的稳定闭合时间，少则几百毫秒，多则几秒。消除抖动的影响才能保证CPU对键的一次闭合仅做一次键输入处理，其主要的措施有硬件、软件两种。通常在按键较少时可用硬件方法消除键抖动。在硬件上面采取的方法是在键输出端加R-S触发器，或加单稳态电路，构成一个去斗电路；在软件商采取的措施是，当检测到有按键被按下时，在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平之前先执行一个10ms左右的延时程序，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态，实现了抖动去除。3.8 X25045看门狗芯片3.8.1 X25045简介单片机系统自身抗干扰能力差，在工作时常常收到外界因素的干扰，尤其是恶劣的条件下，这会使单片机系统内部数据出错，影响程序的运行，使单片机跑飞。此外，还有很多对电源的干扰，这会使得系统突然失去供电，如果需要对一些数据长期保存，那么突然断电比然会带来数据丢失等不良后果，所以能够有效的抵抗电源干扰对与数据保护来说意义重大。在单片机系统设计中，看门狗功能、断电后能保存数据和上电、掉电复位电路功能对某些系统是非常必要的。为提高系统的性能，可以通过看门狗芯片X25045对单片机实时监控，他是一个标准化的8脚集成电路，具有E2PROM、上电复位、看门狗定时、监控电压的功能，可以大大提高单片机系统的可靠性，降低成本和系统功耗，是理想的监控芯片。上电复位功能可在单片机上电时，输出一个有效的信号对单片机进行有效复位；串行的E2PROM芯片内含512字节存储单元，10万次可靠写，数据保持时间100年，当出现意外突然断电时，可存储重要数据信息，以防丢失。看门狗定时器为单片机提供了一个可靠的保护系统，它提供三种定时时间，可用编程原则200ms，600ms和1.4s，在此时间内如果没有收到来自单片机或其他CPU的触发信号，则系统会强制复位。电压监控功能可监控电源电压，当电源电压发生故障时，它能给微控制器提供一个非屏蔽中断，启动软件关闭程序。X25045的引脚图如图3-12。图3-12 X25045引脚图CS/WDI：片选输入/看门狗检测输入脚。SO：串行输出，数据由此逐位输出。WP：写保护输入。Vss：地。Vcc：电源电压。RESET：复位输出。SCK：同步时钟输入。SI：串行输入。3.8.2 X25045电路设计X25045在本单片机系统中的具体使用方法和电路原理如图3-13所示。其中WDI是看门狗监测输入引脚，接到CPU的一个专用I/O口或一个总线口上。RESET是富微信号输出引脚，接到CPU的复位输入脚。X25045的WDI定时周期有200ms，600ms、1400ms三种，复位脉冲宽度是200ms，如果WDI保持高或低超过看门狗定时周期，RESET端将发生200ms宽的正脉冲使CPU复位。该电路具有系统所用外围元件少的优点。图3-13 X25045与单片机连接电路第四章 系统软件设计第四章 系统软件设计4.1 主程序4.1.1 流程图开始初始化是否有键按下？调用A/D转换子程序调用键盘子程序是否有模拟量输入？数码管显示达到报警值？报警YNYNYN图4-1 主程序流程图4.1.2 主要功能主程序的设计主要包括各单片机，键盘，液晶显示，AD转换的初始化程序，延时程序的设计，中断程序的设计以及单片机定时器的分配。首先初始化C8051F020单片机内部的相关寄存器，其次开始进行位定义，然后就是各个模块子程序和能用到的延时程序的定义，包括初始化液晶、AD转换、键盘、中断、定时器等，最后是主程序main函数的编写，main函数内主要是控制键盘调用相应的子程序和键盘控制液晶显示相应的信息。中断由T0产生，设置每隔5秒中断一次，主要功能有：气体压力检测、气体流量检测、A/D转换、读入采样数据、数字滤波、压力超限报警、数码管显示。外部数字量通过P0口输入单片机，每准备好一个数据，便发出选通信号，使的触发器输出1再经非门得0送到，向CPU发出中断请求，CPU响应这个中断后，在中断处理程序中先撤除中断请求信号，然后通过P0口输入数据到单片机内部。如果需要的外部中断源很多，就要采用查询方式扩展中断源，具体实现为，每个中断源都可能引起中断，在中断服务程序中通过软件查询便可以确定哪一个是正在请求的中断源，其查询次数则由中断源优先级决定，这样便可实现多个外部中断的扩展。4.2 子程序设计4.2.1 A/D转换程序设计A/D转换器的8路模拟量输入引脚中的IN3、IN4、IN5三个引脚连接模拟信号输入，转换所得的8为数据送至单片机的P0口。ADC0809在进行A/D转换的时候需要CLK信号，在本系统中ADC0809的时钟信号由单片机的ALE信号分频得到。EOC反向后加到单片机的作为中断请求信号。中断服务子程序，清除ADC转换完成标志位，读出ADC的值，改变转换通道，设置指针指到下一个转换通道。A/D转换的流程图如下图4-2。开始转换EOC触发器复位启动转换转换结束？EOC触发器复位读取转换数据数据存储结束NY图4-2 A/D转换程序流程图4.2.2 显示程序设计程序流程图如图4-3所示。开始查表得相应代码代码送显示段口位控制码送显示位口延时1ms结束置位控制单元初值取显示缓冲区内容送至A6位显示结束了吗？R0加1，位控制码左移1位YN图4-3 数码管显示程序流程图本系统显示使用了6个数码管，采用动态显示方式。对于数码管而言，想要显示数字或字母首先应该选中该数码管，然后点亮相应字段，例如显示一个数字“3”，那么应当a亮、b亮、c亮、d亮、e不亮、f不亮、g亮、dp不亮。由于数码管显示的数字“09”的字形码没有规律可循，只能采用查表的方式完成我们所需要的要求。本设计中，先把非线性数据以表格的形式存放在存储器中，然后使用程序读出，即采用查表程序。对数码管数据表索引寄存器R1的值进行判断是否为结束码，应用比较转移指令CJNE R1，#10，NEXT来判断数字09是否显示完成。若未显示完成则程序转移至标号NEXT的指令处执行，将存放在R1中的索引值送给累加器A，将数据表的表首地址TABLE送给数据指针DPTR，然后用查表指令MOVC A，A+DPTR取出数码管显示数据，为下一个数字的显示做准备；若显示完则顺序执行，将跳转至主程序开始，重新将数码管数据表索引值寄存器R1赋初值00H。4.2.3 键盘程序设计键输入程序主要有4个功能：采用粗扫描的方法判断键盘上的按键有无闭合。去除按键的机械抖动，为判别的键盘上有按键闭合后，延迟一段时间再判别键盘的状态，如果仍然有按键闭合，则判断为有一个按键处在稳定的闭合状态，否则认定为按键抖动。键盘的按键有很多，键入程序还要能够判别闭合的键号，判断闭合键号采用细扫描的方法。闭合键值是：键值 = 行号在高4位，列值在低2位行号的范围是00000111B，列值的范围是0010B，0001B。键输入程序使单片机的CPU对每一次按键的闭合，仅处理一次，等到闭合的按键被释放可以后，CPU再对其进行处理。程序流程图如图4-4所示开始调用显示子程序延迟6ms是否有键闭合？两次调用延迟12ms有键闭合吗？判别闭合键键号入栈闭合键释放否输入键号送A返回YYYNNN图4-4 键输入程序流程图结 论结 论本次设计的是以单片机为核心的气体压力流量监测显示系统，通过对压力和流量参数的实时检测和显示达到工业控制的目的。压力和流量都是工业上极其重要的参数，实现对压力和流量准确快速的测量意义重大，而用单片机为系统核心实现对压力流量的检测也顺应了电子技术飞速发展的时代潮流和我国高速发展的经济和社会现状。本文给出了使用单片机、气体压力传感器、气体流量传感器，设计一个充气机压力、流量检测系统的方法。完成的主要工作有：根据设计要求进行气体压力传感器和流量传感器的选择；设计信号处理电路以对传感器输出信号进行处理；选择ADC并进行模数转换电路设计；设计数码管显示电路、按键输入电路和电源电路。最后进行了原理图的绘制和软件设计。在设计中遇到不少困难，这对自己是一个考验，刚开始拿到题目的时候头绪并不是很多，通过查阅资料对整个系统有了一定的认识。单片机的相关内容在大三的课程学过，但是学得并不是很深，在设计前我重新学习了一遍单片机的知识，包括芯片接口和51系列单片机的指令等。A/D转换器ADC0809是学过的一种芯片，除学习芯片功能外，主要了解了对芯片输出的控制，这里的绘图是一个难点，我们这次用的是用PROTEI99绘图软件，我们以前学过但是学的不深这对我来说是个难点，但是通过看