單片機(jī)氣體流速測(cè)試系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)論文

ID:246796 · 發(fā)表于 2017-11-21 03:42

《光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)

----氣體流速測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

日期：2017 年 11 月 21 日

摘要

1 引言

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1總體框圖：

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主電路

3.2 開關(guān)和電源

4 制作與調(diào)試

4.1 硬件電路的布線與焊接

4.2 調(diào)試

4.3 實(shí)測(cè)及誤差分析

測(cè)試方案：

測(cè)試結(jié)果：

5 結(jié)論

參考文獻(xiàn)

附錄

附錄1: 原理圖

附錄2: 源程序

摘要

在供熱和空氣調(diào)節(jié)中，常需對(duì)流體尤其是氣流的速度進(jìn)行測(cè)量。通過它，可以了解飛流的流動(dòng)規(guī)律，也可經(jīng)過一定計(jì)算得到其休積流量、質(zhì)量流盈或動(dòng)壓等有關(guān)參數(shù)。該氣體流速測(cè)試系統(tǒng)以傳感器與單片機(jī)STC12C5A60S2組成的氣體流速測(cè)試系統(tǒng)。流速傳感器將采集到的流速數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)再對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)傳送到LCD1602液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。

1 引言

氣體流速的檢測(cè)和控制關(guān)系著產(chǎn)品的性能，是裝置能否安全運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，氣體流速對(duì)一些大型反應(yīng)裝置起著控制作用，可以通過檢測(cè)氣體流速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的控制。可見氣體流速的檢測(cè)對(duì)人們的重要性，本設(shè)計(jì)就是對(duì)氣體流速的測(cè)量。氣體流速測(cè)試系統(tǒng)以傳感器、單片機(jī)STC12C5A60S2與LCD1602液晶組成的氣體流速測(cè)試系統(tǒng)。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1總體框圖：

如圖2-1所示，該氣體流速測(cè)試系統(tǒng)總共由傳感器、單片機(jī)、顯示模塊組成。傳感器采集數(shù)據(jù)，輸入單片機(jī)內(nèi)部A/D、D/A，將數(shù)據(jù)處理后輸出液晶顯示，存入EEPROM存儲(chǔ)。

2.2流速儀的測(cè)量方法

在供熱和空氣調(diào)節(jié)中，常需對(duì)流體尤其是氣流的速度進(jìn)行測(cè)量。通過它，可以了解飛流的流動(dòng)規(guī)律，也可經(jīng)過一定計(jì)算得到其休積流量、質(zhì)量流盈或動(dòng)壓等有關(guān)參數(shù)。

在此要特別指出流速有線流速w與平均流速w之分，如未特殊聲明，流速常指平均流速w。測(cè)量風(fēng)速的方法有氣壓法、機(jī)械法與散熱率法。氣壓法是通過測(cè)員壓差來(lái)側(cè)及流速的。

用機(jī)械方法測(cè)量風(fēng)速的儀表有翼式風(fēng)速儀、杯式風(fēng)速儀，流速測(cè)算儀，它是利用流動(dòng)氣體的動(dòng)壓推動(dòng)機(jī)械裝置，如圖所示。這兩種均由葉片帶動(dòng)葉輪回轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與氣流速度成正比。“葉輪轉(zhuǎn)速通過機(jī)械傳動(dòng)連接到顯示或計(jì)數(shù)裝置，以顯示其所測(cè)風(fēng)速的大小。

散熱率法是利用流速與散熱率成對(duì)應(yīng)關(guān)系原理而設(shè)計(jì)的，或測(cè)相等散熱暇的時(shí)間(卡它溫度計(jì))，或測(cè)溫度的變化，或保持原溫度的加熱電流訊的變化(熱線風(fēng)速儀)來(lái)確定其風(fēng)速，這一類方法所測(cè)最小流速為0.05-0.5m/s,適宜于低流速測(cè)量。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光、超聲波.射流，甚至利用流體在特定流道條件下產(chǎn)生旋渦均可精確地進(jìn)行測(cè)速，但此類儀表儀格昂貴、專業(yè)性強(qiáng)、在實(shí)際推廣中受到限制，故此不及以上介紹的幾種普及。

流速是一個(gè)十分重要的控制變量，通過調(diào)節(jié)這一變俄，可使其它過程條件維持所需的值，保證生產(chǎn)定額和產(chǎn)品質(zhì)量，它雖常見，但較難精確測(cè)量，一般僅有1-5%精度。
NH-TYJ水文流速測(cè)算儀是為試用全國(guó)纜道整改技術(shù)要求，統(tǒng)一解決各種轉(zhuǎn)子式流速儀在測(cè)桿、測(cè)船、纜道測(cè)流等環(huán)境條件下流速測(cè)算、顯示而研制的新型測(cè)算儀。該儀器由單片機(jī)、液晶顯示屏和多用途流速儀信號(hào)接口等電路組成。所有流速信號(hào)的抗干擾處理采用相關(guān)流速信號(hào)不突變?cè)恚绍浖夹g(shù)完成。

利用超聲波多普勒原理測(cè)量液體流速，利用壓力傳感器測(cè)量液位來(lái)檢測(cè)流量。速度面積模塊是ATEX（歐盟潛在爆炸性環(huán)境指令）認(rèn)證1G設(shè)備（具有非常高的防護(hù)水平）

2.3單片機(jī)STC12C5A60S2

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

單片機(jī)STC12C5A60S2不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的具有大容量程序存儲(chǔ)器且是FLASH工藝的，內(nèi)部就自帶高達(dá)60K FLASHROM,這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動(dòng)成果。

1. 增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；

2. 工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機(jī)）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機(jī)）；

3. 工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0～420MHz；

4. 用戶應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)；

5. 片上集成1280字節(jié)RAM；

6. 通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過55Ma；

7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；

8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無(wú)內(nèi)部EEPROM)；

9. 看門狗；

10. 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接

1K電阻到地）；

11. 外部掉電檢測(cè)電路:在P4.6口有一個(gè)低壓門檻比較器，5V單片機(jī)為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為+/-3%；

12. 時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機(jī)為：11MHz～15.5MHz，3.3V單片機(jī)為：8MHz～12MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)；

13. 共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；

14. 2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘；

15. 外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)；

16. PWM(2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）： ——也可用來(lái)當(dāng)2路D/A使用 ——也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器——也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)；

17.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)

18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口；

19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3)；

20. 工作溫度范圍：-40 - +85℃(工業(yè)級(jí)) / 0 - 75℃(商業(yè)級(jí))21.封裝： PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不夠時(shí)，可用2到3根普通I/O口線外接 74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來(lái)擴(kuò)展I/O口, 還可用A/D做按鍵掃描來(lái)節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。

2.4 LCD1602液晶顯示器

LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。1602液晶它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。

市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。

管腳（圖2.4.1）功能：

圖2.4.1

1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：

第1引腳：GND為電源地

第2引腳：VCC接5V電源正極

第3引腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。

第4引腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。

第5引腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，

低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。

第6引腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時(shí)讀取信息，負(fù)跳

變時(shí)執(zhí)行指令。

第7～14引腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電

源。第15引腳背光正極，第16引腳背光負(fù)極。

特性：

3.3V或5V工作電壓，對(duì)比度可調(diào)

內(nèi)含復(fù)位電路

提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能

有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DDRAM

內(nèi)建有192個(gè)5X7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器CGROM

8個(gè)可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM

特征應(yīng)用

微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。

操作控制

注：關(guān)于E=H脈沖——開始時(shí)初始化E為0，然后置E為1。

字符集

1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。

在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。因?yàn)镃GROM儲(chǔ)存的字符代碼與我們PC中的字符代碼是基本一致的，因此我們?cè)谙駾DRAM寫C51字符代碼程序時(shí)甚至可以直接用P1=‘A’這樣的方法。PC在編譯時(shí)就把'A'先轉(zhuǎn)換為41H代碼了。

CGROM中字符碼與字符字模關(guān)系對(duì)照表

字符代碼0x00~0x0F為用戶自定義的字符圖形RAM(對(duì)于5X8點(diǎn)陣的字符，可以存放8組，5X10點(diǎn)陣的字符，存放4組)，就是CGRAM了。

0x20～0x7F為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼，0xA0～0xFF為日文字符和希臘文字符，其余字符碼(0x10～0x1F及0x80～0x9F)沒有定義。

3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 主電路

如圖3-1所示，整個(gè)電路包括流速計(jì)、單片機(jī)、顯示模塊這幾部分。

系統(tǒng)原理是：通過檢測(cè)系統(tǒng)中的傳感器采集信號(hào)，提取有效信號(hào)然后單片機(jī)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)，同時(shí)在顯示模塊中顯示出氣體的流速。

圖3-1 總體電路

3.2 開關(guān)和電源

如圖3-2所示，為本電路的開關(guān)和電源設(shè)計(jì)。

圖3-2開關(guān)和電源

4 制作與調(diào)試
4.1 硬件電路的布線與焊接

4.2 調(diào)試

為了檢測(cè)氣體流速測(cè)試系統(tǒng)的可行性，我們做了以下實(shí)驗(yàn)：測(cè)試系統(tǒng)主電路板及附屬電源組成。對(duì)不同地方的氣體做出檢測(cè)。

4.3 實(shí)測(cè)及誤差分析測(cè)試方案：

第一次在教室內(nèi)測(cè)量空氣的流速，第二次在室外測(cè)量空氣的流速。

測(cè)試結(jié)果：

次數(shù)	流速L/S	流量L
室內(nèi)檢測(cè)
1	0.05	0.33
2	0.04	0.32
3	0.02	0.21
室外檢測(cè)
4	0.06	0.38
5	0.07	0.45
6	0.08	0.66

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的氣體流速測(cè)試系統(tǒng)能計(jì)算出不同情況下氣體流速。它的應(yīng)用能準(zhǔn)確、高效的反映出當(dāng)前氣體的流速，為一些產(chǎn)品的性能提供保障。氣體流速的檢測(cè)和控制關(guān)系著產(chǎn)品的性能，是裝置能否安全運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，氣體流速對(duì)一些大型反應(yīng)裝置起著控制作用，可以通過檢測(cè)氣體流速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的控制。

計(jì)量是生產(chǎn)的眼睛。流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它于國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著密切的關(guān)系。對(duì)氣體流速測(cè)量的研究和開發(fā)認(rèn)知，有著廣泛的意義和作用。

參考文獻(xiàn)

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附錄附錄1: 原理圖