基于单片机的超声波流量计

1、-. z基于单片机的超声波流量计的设计摘要：超生波的流量检测是根据超声波在流动的流体中传播的过程中会载有流体的流速信息这一原理，通过简便、可靠的信号处理方法，把这个流速信息转换成流量信息。本文详细介绍了超声波流量检测技术的根本原理和实现方法，在借鉴和吸收国外先进的超声波流量检测技术的根底上，设计出了完整的系统硬件，并且给出了系统软件的设计思想。超声波流量计由于具有非接触式测量、测量围宽、安装简便、以及特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被水利、电力、冶金、选矿、选煤等部门广泛应用,经常需要准确计量和控制液体的流速和流量。测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表，它是工业测量中重要的仪表之一

2、。超声波流量计与以往传统的流量计相比，具有很多优点，是一种非常理想的节能型流量计。目前应用较多的超声波流量计测量方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。本设计以单片机AT89S51为主控芯片，通过对超声波的深入研究，利用时差法实现了对流量的测量，另外本设计通过对系统软硬件的合理设计，提高了系统的精度及系统稳定性。关键字：单片机，AT89S51，超声波，流量计，时差法Ultrasonic flow meter based on the design of single chipAbstract：The ultrasonic flow measurem

3、ent technologys operating theory is that when ultrasonic pass the liquid, it carries out the signal reflecting the liquids flow velocity, and then, the signal will be used to pute the flow. The paper introduces basic principle and realizing method of the ultrasonic flow measurement technology. On ba

4、sis of absorbing and referring to the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, the system hardware is designed and the idea of the system software is given. Ultrasonic flowmeter has been widely used in waterworks, electricity, metallurgy and mineral processing in virtue

5、of its many advantages, such as non-contact, wide measurement scope, convenience of installation, especially acceptable for measurement of large flow and flow in dangerous environment.It often requires precise measurement and control of liquid flow rate and flow. Measurement of fluid flow meter or i

6、nstrument referred to as flow meter, which is an important instrument of industrial measurement one. Ultrasonic flow meter, pared with previous conventional flowmeter has many advantages, is an ideal energy-saving flow meter. Application of more current measurement ultrasonic flowmeter are time diff

7、erence, the Doppler effect method, correlation, noise method, the beam offset law, including the most mon application of time difference. The design for the main chip microcontroller AT89S51, through in-depth study of ultrasound, the use of transit-time flow measurement realized, while the design of

8、 the system through the rational design of hardware and software to improve the system accuracy and system stability.Keywords: microcontroller, AT89S51, ultrasonic, flow meter, transit-time目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc24457 1绪 论 PAGEREF _Toc24457 1 HYPERLINK l _Toc9529 1.1选题依据及研究意义 PAGEREF _Toc95

9、29 1 HYPERLINK l _Toc466 1.2超声波的概述 PAGEREF _Toc466 2 HYPERLINK l _Toc5497 超声波的相关概念 PAGEREF _Toc5497 2 HYPERLINK l _Toc1756 超声波的研究开展和应用 PAGEREF _Toc1756 2 HYPERLINK l _Toc29594 1.3流量计概述 PAGEREF _Toc29594 3 HYPERLINK l _Toc22750 流量的定义 PAGEREF _Toc22750 3 HYPERLINK l _Toc7174 1.3.2超声波流量计的原理与分类 PAGEREF

10、_Toc7174 3 HYPERLINK l _Toc22881 1.3.3 流量的测量仪器 PAGEREF _Toc22881 6 HYPERLINK l _Toc11719 1.3.4 流量计的开展现状 PAGEREF _Toc11719 7 HYPERLINK l _Toc26725 1.4本设计的设计目标及研究容 PAGEREF _Toc26725 8 HYPERLINK l _Toc14731 2 超声波流量计的总体设计 PAGEREF _Toc14731 9 HYPERLINK l _Toc2499 2.1 传感器概述及其特性 PAGEREF _Toc2499 9 HYPERLIN

11、K l _Toc14860 2.2超声波换能器概述 PAGEREF _Toc14860 9 HYPERLINK l _Toc17037 2.2.1 超声波换能器能量转换原理 PAGEREF _Toc17037 9 HYPERLINK l _Toc10342 2.2.2超声波换能器的简介及主要性能指标 PAGEREF _Toc10342 10 HYPERLINK l _Toc22137 2.3 超声波换能器的选择及设计 PAGEREF _Toc22137 11 HYPERLINK l _Toc21595 2.3.1超声波换能器的主要参数 PAGEREF _Toc21595 11 HYPERLIN

12、K l _Toc3481 2.3.2超声波换能器的安装方式及选择 PAGEREF _Toc3481 12 HYPERLINK l _Toc10145 2.4 流量计总体设计框图 PAGEREF _Toc10145 13 HYPERLINK l _Toc11508 3 超声波流量计硬件设计 PAGEREF _Toc11508 14 HYPERLINK l _Toc29862 3.1单片机系统 PAGEREF _Toc29862 14 HYPERLINK l _Toc24762 单片机的选择 PAGEREF _Toc24762 14 HYPERLINK l _Toc13427 单片机简介 PAGE

13、REF _Toc13427 15 HYPERLINK l _Toc3357 3.2显示电路的设计 PAGEREF _Toc3357 17 HYPERLINK l _Toc29837 显示器的构造和原理 PAGEREF _Toc29837 17 HYPERLINK l _Toc25383 共阴极LED构造及显示原理 PAGEREF _Toc25383 18 HYPERLINK l _Toc32010 3.3按键调节电路的设计 PAGEREF _Toc32010 19 HYPERLINK l _Toc16638 3.4超声波收发电路的设计 PAGEREF _Toc16638 21 HYPERLIN

14、K l _Toc14393 超声波发射电路的设计 PAGEREF _Toc14393 21 HYPERLINK l _Toc24943 3.4.2 超声波接收电路的设计 PAGEREF _Toc24943 23 HYPERLINK l _Toc28807 3.5电源电路的设计 PAGEREF _Toc28807 24 HYPERLINK l _Toc15551 3.6报警电路设计 PAGEREF _Toc15551 24 HYPERLINK l _Toc24200 4 系统软件程序设计 PAGEREF _Toc24200 25 HYPERLINK l _Toc19726 4.1软件设计概述 P

15、AGEREF _Toc19726 25 HYPERLINK l _Toc4171 4.2编程语言的选用 PAGEREF _Toc4171 26 HYPERLINK l _Toc15061 4.3主要功能函数的实现 PAGEREF _Toc15061 26 HYPERLINK l _Toc15466 4.3.1主函数main PAGEREF _Toc15466 26 HYPERLINK l _Toc23103 4.3.2 超声波时差读取函数 PAGEREF _Toc23103 27 HYPERLINK l _Toc26225 4.3.3 显示函数 PAGEREF _Toc26225 28 HYP

16、ERLINK l _Toc26742 4.3.4 按键处理函数 PAGEREF _Toc26742 28 HYPERLINK l _Toc10123 4.4系统流程图 PAGEREF _Toc10123 30 HYPERLINK l _Toc12306 5 系统仿真 PAGEREF _Toc12306 32 HYPERLINK l _Toc17819 结 论 PAGEREF _Toc17819 35 HYPERLINK l _Toc13904 致 PAGEREF _Toc13904 36 HYPERLINK l _Toc21554 参 考 文 献 PAGEREF _Toc21554 37 HY

17、PERLINK l _Toc24254 附 件 一：超声波流量计的程序 PAGEREF _Toc24254 38 HYPERLINK l _Toc13810 附 件 二系统总原理图 PAGEREF _Toc13810 45-. z1绪 论1.1选题依据及研究意义流量计量是计量科学技术的组成局部之一，它与国民经济、国防建立、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的开展都具有重要的作用。特别是再生能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。流量测量技术和仪表类型繁多，测量对象复杂多样，决定了流量测量仪表在应用技术上

18、的复杂性。它与传统意义上度量衡计量器具的应用有很大差异，它不是简单地将流量计安装好，开表投运就一定能到达测量目的。有两位专家对现场装用着的千余台流量仪表进展调查，发现约有60%所选择的测量方法不是最适宜或不正确的，其余的40%中，约有一半虽然测量方法适宜，却存在现场布置和安装的不合理现象，这些不适宜、不正确和不合理，带来了相应地测量误差。因此，流量测量是一种强烈依赖于使用条件的测量，在实验室，流量计可以得到极高地准确度，但是在使用现场，一旦流体条件或环境条件有大的变化，不仅准确度无法保证，甚至无法进展正常测量。超声波流量计的产生就防止了这很多问题，对流量测量有着深远的影响和重大意义。目前，兴旺

19、国家的超声波多普勒流量计开展较快，主要表达在微机软件的开发应用、测量技术的提高和综合技术应用等方面。以美国Controlotron公司和Ploysonics公司为代表的产品较多的用数字信号处理技术，如同步调制和FFT技术，他们广泛的采用以DSP为核心的数字处理电路，从而能够更实时的处理超声波信号，同时能够实现一些复杂的算法，如Ploysonics公司的DDF3088型是该公司的新一代全数字化便携式多普勒流量计，它采用了数字滤波和数字频谱分析技术，能自动识别多普勒信号与噪声信号，抗干扰能力强，采用了高分辨率的液晶显示，可以现场对信号进展多普勒分析。仪表的整体性能在不断提高，应用围也在不断扩大，在

20、储存、显示和输出等方面也有新的开展。在国，超声波多普勒流量测量近年来无论是在数学模型还是在信号处理方法上都取得了一定的进展，但总的来说这些进展主要局限于医学领域，工业超声波多普勒管道流量测量的研究水平不高，导致现有工业管道用超声波多普勒流量计的性能普遍不高，相比拟时差式超声波流量计、质量流量计、电磁流量计等其它流量计而言精度比拟低。这些缺点极大限制了超声波多普勒流量计的推广和使用。目前，超声波多普勒量计一般只在一些特殊场合下使用，比方便携式测量、明渠流量测量、超大管径流量测量等。一些兴旺国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经历，奠定了根底，进入了国际市场。我国在新型测控装

21、置与系统研究、制造、应用和经历上，有一定的根底，与其它兴旺国家相比还存在距离。但是，我国的科研人员能够克制很多的困难，有望在相关领域能够赶上甚至超过兴旺国家的技术水平，这是趋势。时差法的关键是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速开展，高速时间计数处理芯片不断出现，使得超短时间的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流量计的开展产生了极大的推动。1.2超声波的概述超声波的相关概念我们生活的世界充满了各种声信号，人们可听到的声音频率为20Hz一20KHz，即为可听声波，超出此频率围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波；频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波，称为超声波，或称

22、超声。声波的速度越高，越与光学的*些特性如反射定律、折射定律相似。超声波是一种机械波，它方向性好、穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。超声波用于流体和气体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化等。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比拟，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播

23、，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在一样强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同，一般分为横波、纵波和外表波。质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播；质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波，它只能在固体中传播；质点的振动介于纵波和横波之间，沿着外表传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为外表波，外表波只在固体地

24、外表传播。超声波的研究开展和应用超声波的研究和开展与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器本钱低，所以经过不断改良，至今仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。超声波流量计在工业中的应用包括气体、液体以及固体物质流量的测量，其测量围对大多数液相介质而言，流速从每秒几厘米到每秒十几米，管径从小于1厘米到几米，工作温度从低温如液态氧、液化天然气到上千度的高温，允许工作压力从接近真空到几百个大气压，其响应时间从几个

25、毫秒引擎控制到24小时监控管道流量，在医学上可以测量血管流量，还可以用于江河流量和敞开水道流量的测量。20世纪初，电子学的开展使人们能利用*些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万(paulLangevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断开展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。材料科学的开展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体开展到机电藕合系数高、价格低廉、性能良好的压电瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电

26、薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、外表波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型外表波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。1.3流量计概述流量的定义流量是工业生产过程中需要进展调节和控制的一项重要的物理参数。它对提高生产效率、保证产品质量、降低生产本钱、合理利用能源和节约能源具有重大的意义。因此，对流量的测量越来越受到重视。在流体的流动中，具有*一定面积的截面，把流过该截面的体积或质量与时间之比称为流量。用流体流过的体积与时间之比来表示流量时，称为体积流量(或容积流量)。用流体流过的质量与时间

27、之比来表示流量时，称为质量流量。这种单位时间的流量叫做瞬时流量，任意时间的累计体积或累计质量的总和称为累计流量，也叫总流量。流量测量的开展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论根底，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场形成，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

28、开展，微电子技术和计算机技术的飞跃开展极推动仪表更新换代，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。本课题所述超声波流量计由其工作原理可知它是测量单位时间流过截面体积的流量计，故属于体积流量计畴。1.3.2超声波流量计的原理与分类超声波流量计按测量原理来分，可以具有多种不同的形式。依据的原理有：传播速度差法、波束偏移法、多普勒法、噪声法、漩涡法、相关法等。(1)传播速度差法根据超声波在流动的流体中，顺流传播的时间与逆流传播的时间之差与被测流体的流速有关，从而求出流速的方法即为传播速度差法。按照所测物理量的不同，传播速度差法可分为时

29、差法、相位差法和频差法。1)时差法时差法测量原理如图1.1所示。该测量方法是将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情况进展比拟，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。如静止流体中声速为c，流体的流速为甜，当声波的传播方向与流体的流动方向一致时，其传播速度为(c+u)，而声波传播方向与流动方向相反时，其传播速度为(c-u)。 L T1 c+u R1 u R2 c-u T2图1.1 时差法原理如果距离为L的两处放两组超声波发生器与接收器(T1、Rl、T2、R2)，则当T1顺方向、T2逆方向发射超声波时，分别到达R1和R2的时间为:t1=(1)t2=(2)由于u2等待接收接收这一过程计时。最后

30、通过对计时时间的计算得出距离值并显示出来，当距离值计算有误时显示ERR。通过以上分析，得出系统框图，即单片机控制两对超声波收发器，且两对收发器以V型构造安装在管道同侧。由于流体流速的影响，两对收发器从发送到接收的时间是不同的，有t的时差，且时差的大小与流速成比例，只要再知道管道的截面就要以通过t算出液体的体积流量。其框图如图2.6。图中的超声波信号由NE555输出的40KHZ方波得到。管道直径由独立式按键来调整。显示数码管由74HC595驱动。以上设计使系统保存了大量的部资源及处理时间，可以花费更多的精力来提高测量精度。单片机AT89S51独立式按键显示驱动报警显示NE555产生方波超声波发送

31、超声波接收信号放大NE555产生方波超声波发送超声波接收信号放大图2.6系统构造框图3 超声波流量计硬件设计本课题研究的超声波流量计采用了时差法测量原理，通过调研并查阅了国外相关文献，分析了几个厂家的产品，确定了该流量计的研究。本设计的硬件电路主要分为单片机系统、显示电路、按键调节电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四个局部组成。下面就对每一个局部进展介绍。3.1单片机系统单片机的选择单片微型计算机(简称单片机)已广泛地应用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个领域。单片机自70年代问世以来，以极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，开展也很快。单片机的

32、体积小重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。目前单片机的产品多达50多个系列，300多种型号，国单片机应用中常见的有Intel公司的MCS系列，Motorola公司的68HC系列、Philips公司的80C51系列、T工公司的MSP430系列、ATMEL公司的AT89系列、Microchip公司的PIC系列等。单片机的选择应从多方面考虑:第一，看单片机是否含有所需的I/O。端口数目，如果单片机的I/O端口数太少，就不可能满足有关的功能。如果I/O端口数太多，就会造成单片机资源的浪费;第二，单片机是否含有所需的外围端口部件，如果单片机不含所需的电器部件或

33、不满足所需的I/O方式，则就无法满足系统需要;第三，单片机的CPU是否有适宜的容量，这是一个有关单片机的计算功能的问题。针对应用系统的需要，必须认真考虑单片机对系统执行控制时的处理能力。如果单片机的处理能力过强，则浪费了单片机的资源;如果处理能力缺乏，就无常进展工作;第四，单片机的极限性能是否能满足要求，一个应用系统都有其特定的应用环境、功耗和电压状态。必须考虑应用系统的使用温度是否在单片机的最大温度围，使用电压、电流和功耗是否在单片机极限指标之。如果不是，单片机就不能满足应用系统的需要;最后，要考虑开发设备和产品的本钱，当有很多种单片机满足以上要求时，则要考虑单片机的开发设备和产品的本钱，选

34、择性价比高的产品。综合以上考虑，并结合系统功能设计要求，本系统选用了ATMEL公司的AT89S51作为控制器。单片机简介AT89S51是一种低功耗、高性能的8位微处理器，使用了Atmel公司高密度非易失性存储器技术，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵活的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S51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。AT89S51是一款高性价比的单片机，其突出特点表现在:18K字节系统可编程Flash存储器，可擦/写1000次，使得在现场程序调试和修改更加方便灵活2全静态操作:OHz33Hz，加快了指令的执行速度3三级加密程序

35、存储器432个可编程I/O口线，每个口线可以用作输入，也可以用作输出5三个16位定时器/计数器，使得定时计数操作更方便6八个中断源、六个中断矢量、两个优先级的中断控制系统7全双工DART串行通道，可以实现单片机与单片机或其它微机之间的串行通讯8低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒9片看门狗定时器WDT，提高了系统的抗干扰能力10双数据指针DPTRO和DPTR1，方便了对片外RAM的访问过程11掉电标识符12ISP在线下载功能。与AT89C51相比，可以节省昂贵的下载器，直接通过ISP接口下载程序到芯片部，而且更改程序容不用拆卸单片机。13提供PLCC、PDIP、SOP等多种封装，可以满足不同

36、场合使用。本系统采用的封装形式为PDIP，芯片引脚如图3.2所示。AT89S51配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式，空闲模式下，CPU暂停工作，RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作。掉电模式冻结振荡器而保存RAM数据，停顿其他功能直至外中断激活或硬件复位。它相对89C51，89S51增加了ISP在线编程功能、部看门狗定时器、双数据指针，全新的加密算法等功能，但价格根本不变，甚至更低。图3.1是AT89S51的引脚图及最小系统原理图，其引脚功能主要分为四类：1、主电源引脚2根VCC：电源输入，接5V电源GND：接地线2、外接晶振引脚2根*TAL1：片振荡电路的输入端*TA

37、L2：片振荡电路的输出端80C51部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。一般采用在引脚*TALl和*TAL2两端跨接晶体振荡器简称晶振的方式构成稳定的自激振荡器，振荡器发出的脉冲直接送入部时钟电路。外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用.对于AT89S51,晶振或瓷谐振器的频率围可在0MHz35MHz之间选择。本设计中由于为了实现更为准确的计时，并且能更快地响应中断信号，应使用尽可能快的晶振。由于市面上很难或不能买到35MHZ的晶振，所以本系统采用了常见的33.1776MHZ晶振。使用时，为了减小寄生电容，更好地保证

38、振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚*TALl和*TAL2靠近。3、控制引脚4根RST/VPP：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：地址锁存允许信号，在系统扩展时，用于控制把P0口的输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。PSEN：外部存储器读选通信号，用于实现外部ROM单元的读操作。EA/VPP：程序存储器的外部选通，接低电平时从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从部程序存储器读指令。4、可编程输入/输出引

39、脚32根AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位8根引脚，共32根。它们均作普通I/O口用，尽管均可做普通I/O口用，但P0P3口的构造和驱动能力各不同，P1，P2，P3是部带上拉电阻的8位准双向口，不必外接上拉电阻，每个口可带4个TTL负载；P0口是开漏构造的8位准双向口，做普通I/O口时，必须外接上拉电阻，每个口可带8个TTL负载。P0，P2口为普通I/O口和总线复用口，P1的局部和P3口的全部端口具有第二功能。P3口第二功能如下：P3.0 R*D：串行数据接收输入端；P3.1 T*D：串行数据发送输出端；P3.2：外部中断0输入端；P3

40、.3 ：外部中断1输出端；P3.4 T0：定时/计数器T0的外部输入端；P3.5 T1：定时/计数器T1的外部输入端；P3.6 ：外部数据存储器写选通，低电平有效；P3.7 ：外部数据存储器读选通，低电平有效；图3.1 AT89S51引脚图3.2显示电路的设计显示器的构造和原理LED数码管是由发光二极管组成的，根据显示块发光二极管的连接方式不同，可分为共阴极和共阳极两种形式。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，可以接地，也可以用来作逐位扫描控制。当一个或几个发光二极管的阳极为高电平时，相应的段被点亮即显示。同样，共阳极LED显示器的阳极连接在一起，相应的也可以实现显示。发光二极管通

41、常需要十几到几十毫安的驱动电流才能正常发光，因此，由微型机发出的显示信号必须经过驱动电路才能使显示器正常工作。使不同段的二极管发光即可构成不同的字母和数字。十六进制数及空白字符与P的显示段码如表3.1所示：表3.1 显示段码字型共阳极段码共阴极段码字型共阳极段码共阴极段码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHb83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HdA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H共阴极LED构造及显示原理在单片机系统中，通常用 LED 数码管来显示各种

42、数字或符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。对于多位数码管来说，为了简化线路、降低本钱，往往采用以软件为主的接口方法，即不使用专门的硬件译码器，而采用软件程序进展译码。由于各位数码管的显示段码是互相并联的，因此在同一时刻只能显示同一种字符。对于这种接口电路来说，其显示方法有静态显示和动态显示两种。动态显示：如果要在同一时刻显示不同的字符，从电路上看，这是办不到的。因此只能利用人眼对视觉的残留效应，采用动态扫描显示的方法，逐个地循环点亮各位数码管，每位显示1ms左右，使人看起来就好似在同时显示不同的字符一样。在进展动态扫描显示时，往往事先并不知道应显示什么

43、容，这样也就无从选择被显示字符的显示段码。为此，一般采用查表的方法，由待显示的字符通过查表得到其对应的显示段码。这种方式耗电少、硬件本钱低，但需占用较多的单片机时间，故在工业控制中应用较少。静态显示：所谓静态显示，就是在同一时刻只显示1种字符，或者说被显示的字符在同一时刻是稳定不变的。其显示方法比拟简单，就是利用锁存器将各显示单元锁定，直到更新显示容为止。它的优点是软件不必动态扫描，送出段码后可锁存，直到需更改显示字符，软件简单，占用单片机时间较少，工作可靠，同时由于始终保持显示所以亮度较好。由于本系统需要对控制信号进展实时操作，故采用静态显示方式以减少单片机的负担。为了能尽可能地降低对单片机

44、的负担，设计中采用了具有串进并出功能的移位存放器74HC595。74HC595是一个具有锁存和三态的串并移位存放器，其引脚功能如下：15脚、1脚至7脚：分别对应并行输出数据的Q0-Q7；8脚、16脚：分别为数字GND和VCC，这两个引脚为芯片提供电源；9脚：数据输出到下一级IC的输入，用于多芯片级连10脚：输出使能端，高电平有效。11脚：时钟输入端，上升沿读入数据12脚：锁存端，上升沿时移位存放器中的容装入选通存储器中13脚：芯片选通控制，低电平有效14脚：数据输入端在本设计中，单片机的串口工作在方式0, 在方式0下，串行口作为同步移位存放器使用。这时用R*DP3.0引脚作为数据移位的出口，而

45、由T*DP3.1引脚提供移位脉冲。移位数据的发送和接收以8位为一帧，不设起始位和停顿位，低位在前高位在后，其帧格式如以下图3.2所示。D0D1D2D3D4D5D6D7图3.2 串口方式0数据帧格式使用方式0实现数据的移位输入输出时，实际上是把串行口变成并行口使用。该设计中，P3.0连接第一个74HC595的数据输入，P3.1连接所有74HC595的时钟，当有数据发送时，74HC595依靠P3.1发送的移位脉冲读取P3.0引脚的数据。当所有数据发送完成后，我们通过单片机的P2.7引脚给锁存信号一个上升沿信号，则可以把刚刚移入的数据显示出来。74HC595的其它控制信号我们让它们一直处于有效状态即

46、可，其显示电路如图3.3所示:图3.3 显示电路电路图3.3按键调节电路的设计键盘是单片机应用系统最常用的输入设备，操作人员可以通过键盘向单片机系统输入指令、地址和数据，实现简单的人机通信。键盘是一组按键的集合，键是一种常开型按钮开关，平时常态键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合短路，如图3.4所示。键盘分编码键盘和非编码键盘，按键的识别由专用的硬件译码实现，并能产生键编号或键值的称为编码键盘，如BCD码键盘、ASCII码键盘等，而缺少这种键盘编码电路要靠自编软件识别的称为非编码键盘。在单片机组成的电路系统及智能化仪器中，用得更多的是非编码键盘。图3.4 按键输入与抖动波形(1)键盘操

47、作特点在图3.4中，当按键S未被按下即断开时，P1.1输入为高电平，S闭合后，P1.1输入为低电平。通常的按键所用的开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号波形如图1b所示。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会马上断开，因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms10ms。这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对单片机来说，则是完全可以感应到的，因为单片机处理的速度在微秒级。假设对按键不进展消抖处理，如通过键盘输入一个1，单片机程序却已执行了屡次输入1按键处理程序，其结果是认为我们输入了假设干个1

48、。(2)按键抖动的消除方法键抖动会引起一次按键被误读屡次，为了确保单片机对键的一次闭合仅做一次处理，必须去除键抖动，在键闭合稳定时取键状态，并且必须判别到键释放稳定后再进展处理。按键的抖动，可用硬件或软件两种方法消除。单片机中常用软件法。软件消抖法很简单，如图3.4所示，就是在单片机获得P1.1口为低的信息后，不是立即认定按键已被按下，而是延时10ms或更长一些时间后再次检测P1.1口，如果仍为低，说明S确实按下了，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。而在检测到按键释放后P1.1为高再延时5ms10ms，消除后沿的抖动，再对键值处理。当然，实际应用中，对按键的要求也是千差万别的，要根据不同的

49、需要编制处理程序，但以上是消除键抖动的原则。(3)键盘形式分类键盘的构造形式有两种：独立式键盘和行列式键盘。图3.6为独立式键盘。各按键互相独立地接通一条输入数据线，各按键的状态互不影响，这是最简单的键盘构造。为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O口线的数目，在键数较多时，通常都将键盘排列成行列矩阵式。每一水平线行线与垂直线列线的穿插处不相通，是通过一个按键连通的。利用这种行列矩阵构造只需N个行线和M个列线即可组成M N个按键的键盘。图3.5是4416键行列式键盘电路。由于单片机P1口在部已经有上拉电阻，根据使用经历外部上拉电阻可以省掉。图3.5 4416键行列式键盘电路在设计中，我们默认以管

50、道直径为500mm来计算流量，但在实际实用中，所测管道很可能是其它直径的管道，所以我们需要一个直径调节功能来修改此值。在此我们采用按键调节的方式来调节。我们设计了三个按键，分别为方式键、加值键、减值键。当方式键按下后可以进展直径的调节，弹起后进入测量模式。加值键与减值键分别用于调节直径值的增和减。其电路图如图3.6。当按键接P0口时，必须接上拉电阻，接其它IO口时由于单片机部已有上拉电阻所示无需再接。图3.6 按键调节电路3.4超声波收发电路的设计超声波发射电路的设计超声波发射电路是整个检测系统的重要局部，其设计的是否合理和可靠直接影响到后续的设计是否能够顺利进展。同时还需要发射的超声波具有良

51、好的稳定性，即声功率和波形具有很好的重复性，这样的超声波信号才具有对其进展处理的意义。本设计中采用了两套超声波收发电路，因工作原理一样，故在此只介绍其中一组的实现方式。发射电路主要由两局部构成，一局部是超声波产生电路，一局部是信号驱动电路。本设计采用NE555芯片产生40kHz的振荡方波，用于实现超声波的产生，单片机通过NE555复位端来控制是否产生超声波。NE555的第4脚为复位端，当它为高电平时，在NE555的第3脚输出40KHZ的频率信号，该信号通过放大驱动后以超声波的形式发送出去；当它为低电平时，NE555无方波输出。1NE555简介NE555时基集成电路是8脚的数字集成电路，其实物与

52、封装图见图3.7，是由21个晶体三极管、4个晶体二极管和16个电阻组成的定时器，有分压器、比拟器、触发器和放电器等功能的电路。它具有本钱低、易使用、适应面广、驱动电流大和一定的负载能力等特点。在电子制作中只需经过简单高度，就可以做成多种实用的各种小电路，远远优于三极管。图3.7 NE555实物与封装2NE555的各个引脚功能1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：TL低触发端6脚：TH高触发端4脚：Rd是直接清零端。当Rd端接抵电平时，进基电路不工作。由此可以把它用作电路的控制端。5脚：Vc为控制电压端。假设此端外接电压，则可改变部两个比拟器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入

53、一个0.01uF电容接地，以防止引入干扰。7脚：放电端，该端与放电管集电极相连，胜仗定时器时电容的放电。3NE555时基集成电路的主要参数电源电压4.516V ,输出驱动电流为200mA，作定时器使用时，定时精度为1%，作振荡使用时，输出的脉冲最高频率可达500KHZ.在该设计中，可按照图3.8电路中的参数选择元器件以实现40khz的频率脉冲。借助电脑EDA软件如PROTEUS、EWB等我们可以观测到NE555的输出频率根本符合设计要求，如图3.9所示。实际实用时，由于元器件有一定的误差，所以可以借助示波器显示波形，并根据波形情况相应地调整R42的值，从而得到更加接近40HKZ的输出。信号驱动

54、电路主要由反相器74LS04和超声波换能器构成，NE555输出端口输出的40KHz的方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R41和R43一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。发射局部电路如图3.8所示。图3.8 发射局部电路图3.9 NE555输出波形3.4.2 超声波接收电路的设计考虑到超声波在途中会有损耗和衰减，当超声波返回以后所接

55、收到的信号是非常的微弱的。为了加强超声波的回波信号，决定采用三级管对信号进展放大，用三个IN9013三级管通过三级放大，使得单片机可以清楚的接收信号。超声波接收电路如图3.10所示。图3.10 超声波接收电路3.5电源电路的设计本设计中的单片机由5V直流电供电，为了提高超声波的发送功率，发送电路及NE555由V供电。为了得到这两级电源，可使用变压器将市电220V变压成12V左右交流电，然后经过桥式整流电路整流得到15V左右直流电，最后进三端稳压器LM7809及LM7805稳压后得到+9V和+5V直流电。其电路如图3.11。图3.11电源电路3.6报警电路设计本设计的报警电路由LED发光管及蜂鸣

56、器构成。设计中采用红色LED，蜂鸣器采用微电流型交流式，从而可以用单片机直接驱动它们。这样大大简化了报警电路的设计。其电路图如3.12所示。由于构造简单，不再赘述。图3.12报警指示电路4 系统软件程序设计硬件电路设计完成后，系统的主要功能将依赖于软件来实现。系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不开的。本文软件设计采用C语言完成系统的整个流程控制以及数学运算等工作。4.1软件设计概述软件与硬件的有机结合就像人一样。如果硬件是人的身体，则软件就相当于人的大脑。硬件电路设计完成后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统能否正常可靠地工作，自动化程度的上下，智能

57、实施控制的能力大小，除了硬件的合理设计外，很大程度上取决于功能完善、算法先进的软件设计。程序的编制过程需要不断地修改、调试、完善，因此构造化好，可读性强的编程风格，有助于缩短开发周期，同时便于日后的维护和改良。单片机的应用一般都是在工业现场，其环境多恶劣。因此，除了在硬件上提高抗干扰能力外，软件的抗干扰能力，容错能力也必须强。软件设计可按如下步骤进展:(1)分析问题，明确所要解决问题的具体要求，编写任务说明书；(2)根据具体要求，确定软件应实现的功能；(3)根据各功能，确定功能模块，并为每一模块进展接口定义，即输入、输出定义。同时规划监控程序，确定监控程序与各功能模块之间的关系；(4)确定算法

58、，根据不同的功能，选择或设计不同的算法。算确与否，直接决定了程序的正确性和能否到达预期的目标；(5)确定数据类型、规划数据构造；(6)分配配资源。列出RAM资源的详细分配清单，作为编程依据；(7)编程及调试。编制程序时，要根据算法，首先绘制出流程框图，有时甚至需要绘制出多级框图，逐步细化。编制完了还需要对程序进展调试；(8)程序优化。程序优化就是通过对源代码进展调整，到达缩短程序的长度，加快运算速度和节省数据存储单元的目的。而有时，上述目标是相互矛盾的，只能以主要目标为主。 (9)烧入程序，现场试运行。仿真运行正确的程序就可以烧入ROM，去现场试运行了。并不是可仿真运行的程序在现场都能运行或完

59、全正确运行。出现错误，不仅要考虑软件，同时还要检查硬件，充分考虑现场的具体环境和干扰情况，以期最终解决问题；(10)根据现场运行状况，修改硬件和软件，使系统更完善，更可靠。4.2编程语言的选用利用AT89S51系列单片解决具体问题时可以用汇编语言或者C语言来编制程序：(1)汇编语言为程序员提供了直接控制目标代码的手段，而且可以对输入/输出端口进展控制实时性能好;此外，汇编语言编写的程序效率高，节省存，运行速度快。缺乏之处是编程复杂，程序的可读性不强。(2) C语言属于流行的高级语言，是一种构造化语言。标准C语言具有代码效率高、可移植性强、库函数丰富、支持浮点运算、可直接操作硬件资源和实时性强等

60、特点。由于C语言语言简洁、可移植性好、表达能力强、方式灵活、可进展构造化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便、有利于实现较复杂的算法等诸多优点，况且对于AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，所以控制程序采用C语言编程。编译器采用Keil uv2。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用C语言，也支持汇编编译。同时具有完善的调试功能。4.3主要功能函数的实现4.3.1主函数mainC语言程序如果不是工作在多任务操作系统下，一般都是从主函数main()开场执行。程序的其它函数中断函数除外都是直接或间接由main()函数所调用的。本设计的主函数中，上电后系统