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单片机气体流速测试系统课程设计论文

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ID:246796 发表于 2017-11-21 03:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
《光电检测技术及系统》课程设计
----气体流速测试系统设计
               日    期：2017 年 11 月 21 日
目录
摘    要
1 引 言
2系统总体设计
2.1总体框图：
3 硬件电路设计
3.1 主电路
3.2 开关和电源
4 制作与调试
4.1 硬件电路的布线与焊接
4.2 调试
4.3 实测及误差分析
测试方案：
测试结果：
5 结论
参考文献
附录
附录1: 原理图
附录2: 源程序

摘要
在供热和空气调节中，常需对流体尤其是气流的速度进行测量。通过它，可以了解飞流的流动规律，也可经过一定计算得到其休积流量、质量流盈或动压等有关参数。该气体流速测试系统以传感器与单片机STC12C5A60S2组成的气体流速测试系统。流速传感器将采集到的流速数据传给单片机，单片机再对接受到的数据进行处理，将数据传送到LCD1602液晶显示屏上进行显示。

1 引 言
气体流速的检测和控制关系着产品的性能，是装置能否安全运行的一个重要指标，气体流速对一些大型反应装置起着控制作用，可以通过检测气体流速来实现对反应的控制。可见气体流速的检测对人们的重要性，本设计就是对气体流速的测量。气体流速测试系统以传感器、单片机STC12C5A60S2与LCD1602液晶组成的气体流速测试系统。
2系统总体设计
2.1总体框图：
0.png
如图2-1所示，该气体流速测试系统总共由传感器、单片机、显示模块组成。传感器采集数据，输入单片机内部A/D、D/A，将数据处理后输出液晶显示，存入EEPROM存储。


2.2流速仪的测量方法

在供热和空气调节中，常需对流体尤其是气流的速度进行测量。通过它，可以了解飞流的流动规律，也可经过一定计算得到其休积流量、质量流盈或动压等有关参数。
在此要特别指出流速有线流速w与平均流速w之分，如未特殊声明，流速常指平均流速w。测量风速的方法有气压法、机械法与散热率法。气压法是通过测员压差来侧及流速的。
用机械方法测量风速的仪表有翼式风速仪、杯式风速仪，流速测算仪，它是利用流动气体的动压推动机械装置，如图所示。这两种均由叶片带动叶轮回转，其转速与气流速度成正比。“叶轮转速通过机械传动连接到显示或计数装置，以显示其所测风速的大小。
散热率法是利用流速与散热率成对应关系原理而设计的，或测相等散热暇的时间(卡它温度计)，或测温度的变化，或保持原温度的加热电流讯的变化(热线 风速仪)来确定其风速，这一类方法所测最小流速为0.05-0.5m/s,适宜于低流速测量。随着现代科学技术的发展，激光、超声波.射流，甚至利用流体 在特定流道条件下产生旋涡均可精确地进行测速，但此类仪表仪格昂贵、专业性强、在实际推广中受到限制，故此不及以上介绍的几种普及。
流速是一个十分重要的控制变量，通过调节这一变俄，可使其它过程条件维持所需的值，保证生产定额和产品质量，它虽常见，但较难精确测量，一般仅有1-5%精度。
   NH-TYJ水文流速测算仪是为试用全国缆道整改技术要求，统一解决各种转子式流速仪在测杆、测船、缆道测流等环境条件下流速测算、显示而研制的新型测算 仪。该仪器由单片机、液晶显示屏和多用途流速仪信号接口等电路组成。所有流速信号的抗干扰处理采用相关流速信号不突变原理，均由软件技术完 成。                  
利用超声波多普勒原理测量液体流速，利用压力传感器测量液位来检测流量。速度面积模块是ATEX（欧盟潜在爆炸性环境指令）认证1G设备（具有非常高的防护水平）
2.3单片机STC12C5A60S2
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。
单片机STC12C5A60S2不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，内部就自带高达60K FLASHROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。
1. 增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；
2. 工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）；
3. 工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz；
4. 用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节；
5. 片上集成1280字节RAM；
6. 通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma；
7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器  可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；
9. 看门狗；
10. 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接
1K电阻到地）；
11. 外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%；
12. 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；
13. 共4个16位定时器   两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器   做串行通讯的波特率发生器   再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；
14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；
15. 外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块， Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)；
16. PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）： ——也可用来当2路D/A使用 ——也可用来再实现2个定时器——也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；
17.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)
18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；
19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)；

20. 工作温度范围：-40 - +85℃(工业级) / 0 - 75℃(商业级)21.封装： PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48  I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接  74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,  还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
2.4 LCD1602液晶显示器
LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。1602液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
管脚（图2.4.1）功能：
图2.4.1
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1引脚：GND为电源地
第2引脚：VCC接5V电源正极
第3引脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4引脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5引脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，
低电平(0)时进行写操作。
第6引脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳
变时执行指令。
第7～14引脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电
源。第15引脚背光正极，第16引脚背光负极。
特性：
3.3V或5V工作电压，对比度可调
内含复位电路
提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能
有80字节显示数据存储器DDRAM
内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM
8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM
特征应用
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
操作控制
注：关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1。
字符集
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。因为CGROM储存的字符代码与我们PC中的字符代码是基本一致的，因此我们在向DDRAM写C51字符代码程序时甚至可以直接用P1=‘A’这样的方法。PC在编译时就把'A'先转换为41H代码了。
CGROM中字符码与字符字模关系对照表

字符代码0x00~0x0F为用户自定义的字符图形RAM(对于5X8点阵的字符，可以存放8组，5X10点阵的字符，存放4组)，就是CGRAM了。
0x20～0x7F为标准的ASCII码，0xA0～0xFF为日文字符和希腊文字符，其余字符码(0x10～0x1F及0x80～0x9F)没有定义。

3 硬件电路设计3.1 主电路
如图3-1所示，整个电路包括流速计、单片机、显示模块这几部分。
系统原理是：通过检测系统中的传感器采集信号，提取有效信号然后单片机将模拟信号转换数字信号，同时在显示模块中显示出气体的流速。

图3-1 总体电路

3.2 开关和电源
如图3-2所示，为本电路的开关和电源设计。
图3-2开关和电源
4 制作与调试
4.1 硬件电路的布线与焊接

4.2 调试
为了检测气体流速测试系统的可行性，我们做了以下实验：测试系统主电路板及附属电源组成。 对不同地方的气体做出检测。
4.3 实测及误差分析测试方案：
第一次在教室内测量空气的流速，第二次在室外测量空气的流速。
测试结果：
次数
流速L/S
流量L
室内检测
1
0.05
0.33
2
0.04
0.32
3
0.02
0.21
室外检测
4
0.06
0.38
5
0.07
0.45
6
0.08
0.66


5 结论
本文设计的气体流速测试系统能计算出不同情况下气体流速。它的应用能准确、高效的反映出当前气体的流速，为一些产品的性能提供保障。气体流速的检测和控制关系着产品的性能，是装置能否安全运行的一个重要指标，气体流速对一些大型反应装置起着控制作用，可以通过检测气体流速来实现对反应的控制。
计量是生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它于国民经济有着密切的关系。对气体流速测量的研究和开发认知，有着广泛的意义和作用。
参考文献

【1】夏继强。单片机实验与实践教程。 北京：北京航空航天大学出版社, 2001

【2】 孙涵芳。MCS-51系列单片机原理及应用[M] 。北京航空航天大学出版社。1996-4

【3】雷玉堂.《光电检测技术》.北京：中国计量出版社，1997
【4】浦昭邦.《光电测试技术》.北京：机械工业出版社，2005
【5】梁铨廷.《物理光学》.北京：机械工业出版社，2012
【6】朱勇.《光通信原理与技术》.北京：科学出版社，2011

附录附录1: 原理图

附录2: 源程序
单片机源程序如下:

  1. #include <string.h>
  2. #include "Lcd12864.h"
  3. #include "Lcd1602.h"
  4. #include "PWM.h"
  5. #include "config.h"
  6. #include <ds18b20.h>
  7. #include "ds1302.h"
  8. #include "eeprom.h"
  9. #include "uart.h"
  10. #include "key.h"
  11. #include "Time.h"
  12. #include "BH1750.h"
  13. #include "PulseSensor.h"
  14. #include "hcsr501.h"
  15. #include "dht11.h"
  16. #include "ADC.h"

  18. void InitTimer0(void);

  20. unsigned char str[20];

  22. extern unsigned long PluNum;        
  23. extern unsigned long time_ms;                  
  24. extern float ShunShi;
  25. extern float LeiJi;

  27. //char displaytemp[16];                  
  28. extern unsigned char DealSudu;
  29. void Init_Timer0(void)
  30. {
  31.         TMOD |= 0x01;         
  32.     TH0 = 0xB1;
  33.     TL0 = 0xE0;
  34.         EA=1;            
  35.         ET0=1;           
  36.         TR0=1;         

  38.         EX0=1;         
  39.         IT0=1;     
  40. }
  41. void Sys_Init()                                                               
  42. {
  43.         Init_Timer0();
  44.         InitLcd1602();

  46. }
  47. void main(void)                                                                                 
  48. {

  50.         EA=1;
  51.         Sys_Init();               
  52.         ShowInit();
  53.     while(1)
  54.     {        
  55.                 KeyScan();
  56.                 KeyDriver();
  57.                 watar_action();
  58.     }
  59. }                                                                                                                                                                          
  60. void Int0_Routine(void) interrupt 0
  61. {        
  62.                 PluNum++;               
  63. }
  64. void Timer0_Routine() interrupt 1                        
  65. {
  66.         static unsigned char Count=0;
  67.     TH0 = 0xB1;
  68.     TL0 = 0xE0;
  69.         
  70.         time_ms++;
  71. ……………………

  73. …………限于本文篇幅 余下代码请从51黑下载附件…………
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