1、數理與信息工程學院畢業設計（論文）題 目： 基于單片機原理的流量控制裝置 專 業： 電氣工程及其自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 日 期： 基于單片機原理的流量控制裝置設計 摘要：本文介紹的是一種以單片機為中心的流量控制裝置。流量計測量流量的大小，并經過變送器轉化為420 mA的直流電流經A/D轉換成數字信號，等待進入AT89C52單片機的內部空間，一方面將流量大小送到顯示屏顯示，一方面送入運算器。由鍵盤輸入設定值，計算偏差量，編寫正確的PID算法并最終得到控制量，由單片機傳送到輸出接口，經D/A變換成電壓，并將電壓送入控制執行結構。執行組織操控活門開度，從而控制流量大小。本裝

2、置在兩個方面進行設計：一是硬件設計，二是軟件設計。并通過一系列的仿真調試以及對裝置的抗干擾性和穩定的檢驗的方案，證明該裝置滿足穩定、精確、快速控制要求。關鍵詞：流量計；AT89C52單片機；PID控制目 錄引言11 緒論21.1設計背景21.2海內外研究近況及發展趨勢21.3研究內容32 流量計42.1 流量計的分類42.2 流量計的選型43.單片機64 裝置硬件設計74.1總體設計方案74.1.1裝置工作原理74.1.2總體硬件設計84.2 主要電路設計94.2.1 A/D變換電路94.2.2 鍵盤顯示接口電路114.2.3 D/A變換電路135.裝置軟件的設計145.1主程序設計145.2

3、A/D轉換程序155.3PID程序165.4顯示程序175.5鍵盤程序185.6D/A變換程序196.總結20致謝21參考文獻22引言據史書記載很早以前就有人利用堰法測量流量，并用樹枝、泥土、和石塊對水量進行控制。近現代以來，人類社會發展進步巨大，經過許多科學家的研究與探索，促使流量的測量和控制也飛速發展。當代是智能化、網絡化、信息化的時代。高新技術的出現離不開信息的全球化傳播，用于測量和控制的儀表技術隨著新材料技術、網絡技術、新工藝技術、微機技術等高新技術的提升而獲得快速提升。在市場經濟的大潮下，如何適應時代發展，將其他高新技術與流量與控制結合起來至關重要。現代的新技術的發明使流量計的種類特

4、別多。流量計有電磁流量計，有差壓是流量計，有根據超聲波的特性而制成的超聲流量計，有用于液體檢測的最普遍的渦街流量計等等。隨著計算機技術的發展，計算機與流量的檢測與控制技術密切相關，人們越來越多的采用單片機對工業系統中的流量進行測量與控制。PC機有著巨大的數據監測與處理功能，而單片機的小型化，經濟化使它在流量檢測控制中得到極大的運用。計算機可以與單片機直接通信，從而實現PC機對流量的實時控制。計算機使PID技術在流量操控領域得到大規模采用，使控制系統的調節更加的精確。總而言之，經過許多年的發展，流量控制系統正朝著多元化的方向發展，許多的優秀的技術接踵而至，而其中一個最典型的技術便是基于單片機原理

5、的流量控制。本設計用單片機設計技術結合自動控制技術用于流量控制裝置。該裝置并能與計算機通信。它的優點是使測量更加準確，控制更加精確，系統更加穩定，更加智能并且成本較低，方便生活，適合大規模生產，對生產生活具有重大意義。11 緒論1.1設計背景流量可以分為兩類，即體積流量和質量流量。長時間的流量累計叫做累積流量。工業生產中，對流量的測控有廣泛地需求，一些先進的流量測控方法和儀器儀表技術相繼出現。流量與壓力、溫度和物位聯系密切，構成了過程控制中重要變量，人們通過這些變量，對系統進行監視與控制。對液體流量進行精確的測量和控制是保證生產過程運行更加經濟安全、提升產品品質、減少物質浪費、增加經濟利潤、保

6、證科學管理的基本。流量的測量和控制是石油、化工、冶金等領域的重要組成部分。流量的測量是指對在一定的管道內的流體的流量大小進行測量。出于流量檢測的性和多樣性，流量檢測的分類方法很多。按檢測結果分類：一是體積流量測量，二是質量流量的測量。依靠被測流體的溫度，被測量流體密度，被測量流體的粘度，環境壓力，以及測量產所等，研究合宜的測量技術，使測量結果準確是流量測量主要任務。在工業過程中，讓一些參量按人的控制而保持有周期的變化的過程稱為過程控制。操控過程冗雜是過程控制主要的特點，通用系統設計難，控制方案豐富，定值控制等，儀表結合被控過程。過程控制的主要任務是確定控制目標，選擇控制量，選擇被控參數，確定控

7、制方案，設計聯鎖保護裝置，揀擇控制方法，挑揀執行器，安排報警裝置等。將流量的控制與單片機結合意義巨大。20世紀以來，發展最迅速的是計算機技術，計算機技術的發展使單片機也得到發展，現在越來越多的流量控制裝置都采用單片機技術。將單片機運用到控制裝置中，使裝置更加的小型化，數字化，智能化。1.2海內外研究近況及發展趨勢400年前歐洲的托里拆利對差壓式流量計的發明，標志現代流量測量技術的開始。之后，許多類型儀表形成自己的雛形。如堰、容積、皮托管、示蹤法、渦輪、靶式流量計、文丘里管等。20世紀由于能源計量、公共生活、過程工業中流量測量的方法越來越不滿足人們的要求，儀表技術得到快速的前進，儀表更新換代離不

8、開微電子技術和計算機技術的飛躍發展，新型流量計大量涌現。就目前已有上百種流量計投向市場。 現代流量測量的技術依舊是歐美一些發達國家的技術遙遙領先。我國從改革開放以來，引進技術，不斷創新，在流量測控方面有了快速的發展，但是仍是和西方有差距。現在中外合資越來越多，會遇到許多的機遇，一些技術也彌補了中國在流量測控方面的空缺，中國在這方面已漸漸成熟。近二十年來計算機技術飛躍發展，基于計算機的強大運算與存儲能力，單片機也得到發展，現在越來越多的流量控制裝置都采用單片機技術。將計算機的RS-432接口與單片機串行接口連接，進行通信，從而進行實現對流量的實時控制。未來流量控制與單片機技術結合是重要的研究方向

9、。1.3研究內容本文研究的是結合單片機技術，本設計用單片機設計技術結合自動控制技術用于流量控制裝置，實現對管道內流量進行控制。系統利用流量傳感器進行模擬量采樣，A/D轉換成數字信號送入AT89C52單片機的內部空間參與運算，通過顯示器對流量進行顯示，得到經數字PID算法的控制量，由單片機送到到輸出接口，并由D/A輸出模擬電壓，模擬電流供應執行機構，執行機構中的伺服電機轉動帶動電磁閥運動，電磁閥的開度決定了流量的大小，開度越大流量越大，開度越小流量越小。 232 流量計2.1 流量計的分類1.容積式流量計容積式流量計是采用機械的特殊構造測量流量，它的種類最多，運用的比較多。雙轉子流量計和橢圓齒輪

10、流量計等等都屬于容積式流量計。2.差壓式流量計差壓式流量計依靠節流的特性也被稱為節流式流量計，依靠管道大小、流體條件及測件尺寸測量流量。可直接測體積流量，也可間接測質量流量。 3.渦街流量計內部置漩渦發生體，產生有規律的漩渦，漩渦頻率與流量成比例，測量頻率間接測流量。流體粘度、溫度、壓力、密度等一些誤差不影響直接測量體積流量。4.超聲流量計超聲束，也成為超聲脈沖，通過流體對其的作用來測量流量的儀表稱為超聲流量計。根據超聲波的一些特性，檢測方法不同，超聲波流量計種類很多。屬于無阻礙流量計，且不受流體溫度，密度，物位影響。在工業大管道中用的很多。5.電磁流量計電磁流量計是依靠法拉弟電磁感應定律研制

11、出的用來測量導電性液態流體的儀表。電磁流量計能適應高腐蝕高溫環境。近20年電磁流量在技術上越來越成熟,取得巨大進步。2.2 流量計的選型流量計的選型一方面要考慮到被測量流體的密度，被測量流體溫度，被測量流體的粘度，環境壓力，以及測量產所等。另外還要考慮到實際的設計要求選用是要數字式的還是模擬式。渦街流量計原理：它憑借流體會發生震蕩的現象的理論測量，流體介質在管道中通過渦街流量變送器時，會在橫置的發生體上產生漩渦，被測流體流量與漩渦的出現頻率有關，一方面同時與流速有關，另一方面還與發生體的寬度有關。圖2- 1渦街流量計原理圖F：頻率 單位HZv：平均速度 m/sd：發聲體寬度 mSt：斯特勞哈爾

12、數St=F()q=vA渦街流量計的功能：1、自動補償溫壓干擾功能。迅速將非標情況的流量換算成標準情況下流量。2、電路設計全智能化，數字化控制，自行補償流體密度干擾誤差。3、補償修正功能、數字濾波使流量測量準確。4、無需外接電源電池供電可連續工作兩年以上。5、點陣漢字顯示。壓 電 元 件 抗干擾濾波A/D轉換隔 離跟蹤濾波隔 離脈沖輸出顯示工程單位組態狀況微處理器變送器組態溫度校正自診斷量程調整D/A轉換數字通信420mA電子線路現場通信器 圖2-2靈巧型渦街流量變送器3.單片機現今在市場主要的有Cygnal、ATMEL 、PIC、AVR、SIEMENS 、INTEL、PHILIPS等聞名的產商

13、供應的數百個型號80C52種類的單片機。該單片機的特點是性能價格比優越，集成度高，被廣泛的應用在工業測量控制領域內。圖3- 1AT89C52引腳圖 AT89C52是MCS-51系列單片機之一，MCS-51是Intel公司生產的單片機的系列符號，其所有的不同型號單片機是相互兼容的，它們的差異是部分引腳功能不同。AT89C52核心CPU由INTEL公司提供，結合ATMEL公司FLASH存儲器技術制造，有穩定可靠的性能，內部存儲器在程序不太大時，不必擴展外部存儲器，這些對于追求產品小型化，追求可靠性而言，意義重大。AT89C52技術優勢是將4K宇節FLASH和8位多功能CPU組合在一起。由于其集成度

14、高、功能強，ATMEL的89C52深受設計者的歡迎，AT89C52占了市場很大份額。AT89C52引腳功能：表3- 1AT89C52引腳列表引腳名稱引腳號引腳功能P0口3239作為地址總線或數據總線P1口18通用I/O口P2口2128I/O口、外部擴展存儲器高8位地址線P3口1017I/O通用口及第三功能（見附錄）Vcc40接5v電源Vss20接數字地XTAL119外部時鐘電路輸入端XTAL218時鐘電路輸出端RST9復位引腳/VPP31外部程序存儲器訪問控制端、VPP為FLASH變程電壓輸入端ALE/30地址信號鎖存端。為FLASH編程脈沖輸入端29片外ROM讀選通控制端4 裝置硬件設計4.

15、1總體設計方案4.1.1裝置工作原理該裝置是對流量的大小進行過程控制，主要從三個模塊設計，主要部分為對控制系統進行設計，其次對執行器、測量變送設計。裝置原理圖如圖4-1所示。1.渦街流量計：對流量進行檢測。并將采集的流量大小轉化為標準的模擬電壓。2.伺服電機：根據D/A輸出控制電壓經驅動電路的變化直接控制伺服電機的運轉，根據電壓能自動正轉反轉。3.控制系統：采用單片機為裝置的控制中心，A/D轉換將流量信號采集，經過PID算法，計算控制量的大小，利用D/A轉換將控制量變為模擬電壓輸出。輸出后直接控制電機的運轉。4.閥門：直接控制流量的執行機構。圖4- 1裝置原理圖4.1.2總體硬件設計流量計測量

16、流量的大小，并經過變送器轉化為420 mA的直流電流經A/D轉換成數字信號，等待進入AT89C52單片機的內部空間，一方面將流量大小送到顯示屏顯示，一方面送入運算器。由鍵盤輸入設定值，計算偏差量，編寫正確的PID算法并最終得到控制量，由單片機傳送到輸出接口，經D/A變換成電壓，并將電壓送入控制執行結構。執行部分操控閥門，從而操控流量大小。硬件功能結構如圖4-2所示。AT89C52輸入端口輸出端口A/D鍵盤顯示 接口鍵 盤數碼管顯示 器D/A電機 圖4- 2硬件功能結構圖4.2 主要電路設計4.2.1 A/D變換電路ADC有兩種類型：一類直接接到電子電路中；另一類可和單片機直接連接。ADC080

17、9(圖4-3)是一種8位逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機相連。圖4-3ADC0809引腳圖ADC0809引腳功能如表4-1所示：表4- 1ADC0809引腳功能表引腳名稱引腳號引腳功能IN0IN715,26,27,288路模擬信號輸入端D0D78，14，15,1821轉換成的數字量輸出端A,B,C,ALE2225控制8路模擬輸入通道切換OE17輸出允許端START6啟動信號輸入端CLK10時鐘信號輸入端VREF(+)VREF(-)12,16基準電壓輸入端2ADC0809與單片機的接口電路用指令先選擇一個模擬通道。單片機給一個信號給START引腳開始轉化。發出EOC（高電平）信號結束轉化。單

18、片機執行信號，控制邏輯電路OE端為高電平把轉化的數字量讀入單片機。圖4- 4ADC0809接口電路XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2

19、.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C522 -1MSB21ADD B24ADD A25ADD C23VREF(+)12VREF(-)16IN31IN42IN53IN64IN75START62 -58EOC7OUTPUT ENABLE9CLOCK10VCC112 -220GND132 -7142 -6152 -8LSB172 -4182 -319IN228IN127IN026ALE22U2ADC080912U3:A74LS04&123U4:A74LS00&456U4:B74LS00CLK

20、EOCSRTATP2.7P2.00123456701234567OESTARTINSTARTEOCOECLK4.2.2 鍵盤顯示接口電路1.鍵盤電路設計鍵盤輸入設定的流量的的大小，并將流量的大小數到顯示屏顯示。矩陣式鍵盤結構分成行線、列線，行、列的交點為按鍵所在處。按鍵處一直為高電平；當有鍵按下時，行線電平將由與此行線相連的列線的電平決定。以此判斷按鍵是否按下。矩陣鍵盤與單片機的接口如下圖4-5所示。圖4- 5鍵盤接口電路2.顯示電路圖4- 6數碼管結構八段LED數碼顯示管（圖4-6）原理很簡單，是通過在同名管腳所加高電平點亮發光二極管而顯示字形的。例如：若在共陰LED管的dp，a,b接低電平

21、，c,d,e,f,g管腳上分別加上7FH控制電平（即：dp,a,b上為0伏，不亮；其余為TTL高電平，全亮），則LED顯示管顯示字形為“6”。7FH采用十六進制編碼,被叫做字型碼。因此，LED上所顯示字形對應相應字形碼。LED分為共陰和共陽兩種。如圖4-6所示是共陰共陽兩種結構。顯示屏與單片機的接口如圖4-7所示。圖4- 7顯示接口電路4.2.3 D/A變換電路圖4- 8DAC0832引腳圖1.DAC0832芯片引腳功能如下：DI0DI7：數字信號輸入端:片選段ILE：數據鎖存控制端 ：寫選通控制端：數據傳送控制 ：寫選通控制端IOUT1：電流的輸出端1 IOUT：電流輸出端2Rfb：外部反饋

22、信號輸入端 Vcc：電源輸入端DGND：數字信號地 AGND：模擬信號地2.DAC8032與單片機接口如所示：單片機將經PID控制算法得到的控制量經DAC0832變換成標準的模擬電壓輸出，經過電壓放大電路，可直接控制伺服電機的轉動。伺服電機的能夠正反轉而且轉速隨電壓變化而變化能夠控制閥門的開度，開度越大流量越大開度越小，流量越小。圖4- 9DAC0832接口電路圖5.裝置軟件的設計裝置軟件設計，是整個設計的大腦。系統軟件控制著整個系統的運行順序，設計一個好的軟件系統，能使一些功能實現的更加迅速。整個系統程序分為定時器中斷子程序、A/D轉化程序、PID程序、顯示器程序、鍵盤輸入程序、D/A轉化程

23、序。首先對系統軟件進行初始化，使各個I/O初始化，并對鍵盤輸入的值進行傳送。然后開始調運各子程序，采樣流量數據，送入單片機，與鍵盤鍵入值比較，通過PID運算，計算誤差后，將誤差轉化為對應的模擬電壓輸出，從而控制伺服電機轉動，使閥門到相應位置，使流量保持與設定值相同。圖5- 1主程序流程圖初始化賦值數據采集與A/D變化流量值顯示判斷是否等于設定值PID算法D/A轉化返回開始NY5.1主程序設計主程序流程（圖5-1）。部分程序如下：main() /主程序 TMOD=0x21 ; /定時器0 ，8位，選擇計數方式TH0=0xfc ;TL0=0x18 ;TH=0x7f; /賦初值TL1=0 ;EA=1

24、; ET0=1;ET1=1; /開中斷 while(1)if(sw=1)ADC_val(); /ADC0809函數 display(uuu);KB_Scan1(void)else display(sc);PID(); / 每次進行一次PID運算 圖5- 2A/D程序流程圖開始ADC0809初始化讀取采集數據啟動A/D轉化延時復位數據存儲與處理返回5.2A/D轉換程序A/D轉換程序如5-2所示。void AD_val() uchar i,temp=0; cs=1;/初始化，啟動 sclk=0; cs=0; _nop_(); for(i=0;i8;i+)/讀取采集數據，讀取的是上一次采集數據scl

25、k=1;temp=temp1;if(Dataout) temp |=0x01; sclk=0; cs=1; AD=temp; for(i=0;iLastError;iError = ThisError;dError = ThisError-2*(pp-LastError)+pp-PreError;templ=pp-Proportion*pError+pp-Integral*iError+pp-Derivative*dErro;pp-PreError = pp-LastError;pp-LastError = ThisError;return (int)(templ8); 5.4顯示程序顯示程序

26、流程圖如5-4所示。圖5- 4顯示程序流程圖開始原始數據轉換查表獲得字形碼驅動對應數碼管顯示返回void LED_display(uint num) uchar qian,bai,shi,ge; qian=num/1000; bai=num/100%10; shi=num/10%10; ge=num%10; if(num0) wx=0; P0=0xf7; wx=1; dx=0; P0=discodege; dx=1; delay1ms(1); wx=0; P0=0xfb; wx=1; dx=0; P0=discodeshi; dx=1;delay1ms(1); wx=0; P0=0xfd; w

27、x=1; dx=0; P0=discodebai; dx=1;delay1ms(1); wx=0; P0=0xfe; wx=1; dx=0; P0=discodeqian; dx=1;delay1ms(1); 5.5鍵盤程序開始鍵盤接口寄存器寫1判斷是否有鍵按下跳 去 抖 動把編碼轉化為鍵值鍵值寫存儲器結束YN鍵盤輸入時，鍵盤中的按鍵相當于開關，按鍵的斷開和閉合時和出現按鍵抖動，所以要有解決消除抖動的方法。常用的消除抖動的方法是用軟件延時的方法來消除按鍵抖動，在檢測到有按鍵按下時，對應的行線會有低電平，執行10ms的子程序，在此確認是否為低電平，結果是低電平就算按下。按鍵松開變為高電平，執行1

28、0ms子程序，檢測仍為高電平，則斷開。程序框圖如下void KB_Scan1(void) uchar tmp,line,i,flag,press; /定義局部變量if(lie1=0|lie2=0|lie3=0)return;line=0xFE; for(i=1;i=4;i+)P2=line;tmp=P2; tmp&=0x70;if(tmp!=0x70) tmp=P2;flag=1;break;else line=(line1)|0x01;if(i=5) tmp=0xFF;flag=0;圖5- 5鍵盤程序流程圖switch(tmp) case 0xEE:press=1; break; case

29、0xDE:press=2; break; case 0xBE:press=3; break; case 0xED:press=4; break; case 0xDD:press=5; break; case 0xBD:press=6; break; case 0xEB:press=7; break; case 0xDB:press=8; break; case 0xBB:press=9; break; case 0xD7:press=0; break; default: break; if(flag=1) buf2=buf1; buf1=buf0; buf0= press; 5.6D/A變換程

30、序D/A開始DAC0832初始化采集數據D/A轉化數據輸出結束變換流程圖如5-6所示#include#define DAC0832Addr 0fffe#define uchar unsigned char#define unit unsigned intsbit P26=0xA6;sbit P27=0Xa7;void TransformData(uchar c0832data);void Delay（）；main（）uchar cDigital=0;Delay();While(1)TransformData(cDigital);cDigital+;Delay();圖5- 6D/A流程圖void

31、 TransformData(uchar c0832data);*(uchar xdata *)DAC0832Addr)=c0832dataVoid Delay()unit i；for（i=0;i200;i+）;6.總結模擬仿真硬件圖如圖所示:經過這段時間，我的畢業論文基本的告罄了，讓我獲益匪淺。從我得到論文題目開始，我就在平時下班時間搜索相關的資料。這些資料都是專業性特別強的論文期刊，由于以前上課沒怎么聽講，這些文章對我來說無疑是一本厚厚的天書。開始，我一片茫然。重拾課本，從數模電甚至是電路學，一些最基本的東西開始看，弄懂了不會的東西。然后繼續看單片機原理的課本，使我了解了單片機的構成以及設

32、計步驟。漸漸地我慢慢形成了自己的系統的設計思維。在編寫論文期間，我學會了如何準備寫作材料，學會了如何查找編寫資料，及時地和導師溝通，慢慢的一些問題都迎刃而解。就比如說，最初，我拿到這個題目時，我開始設想的是將單片機作為主體，然后設計采集信號電路，再做顯示電路，鍵盤中斷電路，接著做D/A轉化的電路。但是這些電路網上的資料里一般都有，如何寫出自己的東西呢？帶著這個問題，我去網上查了一些廠家的產品，從他們的公司產品介紹上，我整合了我需要的信息，有了自己想要寫的內容，比起那些只在網上直接復制文章，我覺得做這些自己弄的東西更有意義。還有，在畫一些原理圖時，有些軟件我自己以前自己并沒有學過，我只能在最快的

33、時間在網上看他們的教程，并且盡快地畫出自己所需要的電路圖。經過這段不懈的鉆研與探索，我學會了許多的知識。我覺得我比較對技術感興趣，拿到問題，經過自己的鉆研，一次次收獲新東西是的那種喜悅，我快要對這些東西癡迷。經過自己的奮斗，論文完成了。這期間一切東西都要自學，并且要學會尋找資源，想出自己的思路。完成一篇論文，需要的是整合學科所有知識，是對自己在大學四年的學習的總結，通過遇到的困難讓我懂得只有不怕困難，勇于探索才能做好事情。這些對自己以后的工作至關重要。致謝經過這么長時間的努力，我的畢業論文基于單片機的流量控制裝置的設計終于完成了，大學生活將在此告一段落。在大學中這次奇妙之旅，我在思想上和學習上

34、都受益非淺，這些都是與老師和同學的幫助時分不開的。在本論文的寫作過程中，我的導師給了我寶貴的意見，在他的指導下我做完了論文。在和老師溝通過程中，老師的縝密思維給我留下深刻映像，使我在做論文時更加注重思維的縝密性，這對我寫論文是極其重要的。在此，我表示衷心的感謝老師的幫助。參考文獻1潘永湘，楊延西，趙躍. 過程控制與自動化儀表. M.北京：機械工業出版社2張毅剛,彭喜元，彭宇.單片機原理及應用.M.北京：高等教育出版社3賀哲榮，黃金波.AT89S51單片機硬件設計與編程實例.M.北京：中國電力出版社4徐愛鈞，彭秀華.單片機高級語言C51應用程序設計.M. 北京：電子工業出版社5林志琦.基于Protues的單片機可視化軟硬件仿真M.北京：北京航空航天大學出版社6顧德英，張健，馬淑華.計算機控制技術M. 北京：北京郵電大學出版社7李英順. 單片機原理及應用.北京：中國水利水電出版社Flow control devic