单片机气体流速测试系统课程设计论文

ID:246796 · 发表于 2017-11-21 03:42

《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

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：

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。