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计算机控制技术课程设计

计算机控制技术

课程设计

设计题目：

流速自动采集及显示器设计

设计人姓名：

江新林

设计人学号：

2011100895

专业班级：

11自动化（楼宇）

指导教师：

曾瑄

2014年6月份

流速自动采集及显示器设计

摘要

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量速度的场合，测量速度的方法分为模拟式和数字式两种。

模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。

数字式通常采用光电编码器，传感元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。

随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，流速测量很多采用以单片机为核心的数字式测量方法

本设计主要是一种基于AT89S51单片机平台，采用光电传感器与螺旋浆结合测量液体的流速的方法，实现数据采集和显示。

硬件系统包括脉冲信号的产生，光电信号的转换和处理，把处理后得到的信息送往三片CD4511，再由CD4511驱动阴极LED显示器进行数字显示屏显示。

并采用汇编语言进行编程。

其优点硬件是电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等特点。

关键词：

流速，光电转换，单片机，按键控制，LED显示。

一任务简介……………………………………………………………………………………4

1.1设计任务及要求…………………………………………………………………………4

1.2应用领域…………………………………………………………………………………4

二设计分析……………………………………………………………………………………4

2.1模拟测量电路分析………………………………………………………………………1

三硬件设计……………………………………………………………………………………7

3.1硬件结构框图……………………………………………………………………………7

3.2转速测量与脉冲产生原理………………………………………………………………7

3.3各模块电路原理…………………………………………………………………………7

四软件设计……………………………………………………………………………………9

3.1程序流程图………………………………………………………………………………9

3.2各模块代码………………………………………………………………………………10

五结语…………………………………………………………………………………………13

六参考文献……………………………………………………………………………………14

一、任务简介

1.1设计任务及要求

用51系列单片机作主控制器结合流速传感器、脉冲整形电路组成一个低流速采集、显示系统，采用三位LED显示器。

可增加上、下限温报警功能，当实测流速超过其限定值，发出警报。

1.2应用领域

流速自动采集及显示器可应用于对河水流速的监测，水电站水流速度的监控，还有污水处理厂水流速度的监控等。

对多个流速自动采集及显示器采集到的数据进行分析可以大致了解各区域水流速度的大小，进而达到预防紧急事件的发生及保障人民的生命安全。

二、设计分析

2.1模拟量测量电路分析

图2-1模拟测量电路结构

图1-1是整体设计的一个信号传输和转化的框图，从图中我们可以看出对信号要进行的一些处理，以及信号的走向。

但是，光从图1-1中我们无法知道信号具体是怎样经过加工和转变的，下面我们就每一个模块进行分析。

图2-3模拟信号放大电路

图2-2模拟信号产生电路

图1-2中的传感器采集到模拟信号，信号传输到图1-3中的模拟信号放大电路把微弱的电信号进行放大，保证信号的质量。

再进行A/D转换。

图2-4A/D转换电路

放大之后的信号，依然是模拟信号，而我们要后面要进行处理的信号是数字信号，所以接下来我们要把图1-3模拟信号放大电路放大的模拟信号经过图1-4A/D转换电路转换成数字信号，最后传送到AT89S51单片机中进行信号处理。

图2-5AT89S51单片机的引脚图

除了信号的产生电路，还有信号的显示电路，下面就是信号的显示电路的输出端。

要想显示所测量的流速的大小，光有数码管是不行的，每一个数码管还需要一个CD4511译码器来驱动，CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，有了CD4511译码器，从单片机P0口和P2口输出的数据就会编译成数码管显示数字所对应的码。

图2-7复位电路

RST

+5V

图2-6数码管显示电路

最后，还要一个复位按钮，其电路图如下：

三、硬件设计

3.1硬件结构框图

流速的测量的硬件系统包括单片机系统，数据采集系统和显示系统。

其硬件系统框图如下：

→

3.2转速测量与脉冲产生原理

在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。

设固定的测量时间为Tc（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N（r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为m=Tcf，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值：

N=60m/pTc（r/min）

而脉冲产生电路的设计采用了红外光电传感器，进行非接触式检测。

当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。

系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。

在这个转盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。

每当转盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。

把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，即可算出轮子即时的转速。

3.2各模块电路原理

1.A/D转换电路

A/D0804此种电路接法，测量量程为0-10V,电压输入对应0-255的数字量输出。

转换结束可以以中断方式读取结果，只需将电路中的INTR1接89C51的INT0引脚就可。

ADC0804是八位分辨率的A/D转换器，完成一次转换时间为100μs，转换精度为±LSB.

ADC0804主要的硬件特性如下：

（1）/CS和/WR有效时，即启动转换。

（2）片内有可控制的三态输出们，由/RD信号控制三态门的开启，当/CS和/RD同时有效时，即可读出转换结果。

（3）转换结束时，/INTR端输出低电平，CPU读取数据时，/INTR端复位，即为高电平。

（4）VCC接5V电源。

（5）VIN（+）接模拟输入电压。

（6）VIN（-）、AGND、DGND接模拟地和数字地。

（7）D0-D7接数据总线。

2.LED显示电路

（1）数码管结构

数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。

数码管的外型结构如图（a），（b），（c）所示。

图3-1数码管结构图

（2）数码管工作原理

共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。

当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。

此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。

此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

符号形状

要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。

对照附录二，字型码各位定义如下：

数据线D0与a字段对应，D1字段与b字段对应……，依此类推。

如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。

如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：

11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：

00111111B（即3FH）。

（数码管字型编码表见附录二）

LED按外形尺寸分大型和小型之分，小型LED数码管一般采用双列直插式，大型LED数码显示器采用印制板插入式。

根据显示位数划分，可分为一位、双位、多位LED显示器。

一位LED显示器

LED数码管分共阳极和共阴极两种，对于共阳极LED数码管，要使某段亮，则加上低电平，而对于共阴极LED数码管，要使某段亮加上高电平。

显然要使某段亮，共阳极和共阴极数码管上的电平相反，与这两种数码管相对应，也有两种译码/驱动电路，所以在选择LED数码管时，一定要使用译码/驱动电路与之相匹配。

LED的驱动方式有静态驱动和动态驱动两种方法。

就是通常说的LED数码管，两位以上的一般称作显示器。

双位LED数码管是将两只数码管封装成一体，其特点是结构紧凑、成本较低（与两只一位LED数码管相比）。

LED数码管的主要特点是:

1、能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。

2、发光响应时间极短（<0.1s），高频特性好，单色性好，亮度高。

3、体积小，重量轻，抗冲击性能好。

4、寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时，且成本低。

3.显示译码器CD4511

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

其引管脚图如下图所示：

图3-2CD4511引脚图

引脚功能：

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码

管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状

态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，

译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1~A4：

为8421BCD码输入端。

a~g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

、

4.单片机AT89S51

AT89S51/LS51（图2-5）具有如下特性：

--片内程序存储器含有4KB的Flash存储器，允许在线编程，檫写周期可达1000次；

--片内数据存储器内含128字节的RAM；

--I/O口具有32根可编程I/O线；

--具有两个16位I/O线；

--中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；

--串行口是一个全双工的串行通信口；

--具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；

--低功耗节电模式有节电模式和掉电模式；

--包含3级程序锁定位；

--AT89S51的电源电压为4.0-5.5V，AT89LS51的电源电压为2.7-4.0V；

--振荡器频率0-33MHz（AT89S51），0-16MHz（AT89LS51）；

--具有片内看门狗定时器；

--灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）；

--具有断电标志模式POF；

兼容性方面：

向下完全兼容51全部字系列产品。

比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。

也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

四、软件设计

4.1程序流程图

4.2各模块代码

（1）定时计数器模块

ORG0000H

RESET:

AJMPMAIN

ORG000BH

AJMPIT0P

ORG0100H

MAIN:

MOVSP,#60H

MOVB,#64H

MOVTMOD,#0D1H

MOVTL0,#0B0H

MOVTH0,#3CH

SETBET0

SETBEA

SETBTR0

MOVTL1,#0FFH

MOVTH1,#0FFH

SETBTR1

HERE:

SJMPHERE

IT0P:

MOVTL0,#0B0H

MOVTH0,#3CH

DJNZB,RTURN

CLRTR1

MOVR6,TL1

MOVR7,TH1

CLRTR0

SETBF0

JMPM_DATA

RTURN:

RETI

（2）数据转换模块

;乘法（R3R4R5）=（R7R6）*#2

M_DATA:

MOVR6,#23H

MOVR7,#01H

MOVB,R6

MOVA,#2

MULAB

MOVR5,A

MOVR4,B

MOVR3,#0

MOVA,R7

MOVB,#2

MULAB

ADDA,R4

MOVR4,A

MOVA,R3

ADDCA,B

MOVR3,A

;除法（R4R5）=（R3R4R5）/#5

DV31:

CLRC

MOVA,R3

MOVR0,#5

SUBBA,R0

JCDV30

SETBOV;商溢出

DV30:

MOVR2,#10H;求R3R4R5／R0－→R4R5

DM23:

CLRC

MOVA,R5

RLCA

MOVR5,A

MOVA,R4

RLCA

MOVR4,A

MOVA,R3

RLCA

MOVR3,A

MOVF0,C

CLRC

SUBBA,R0

ANLC,/F0

JCDM24

MOVR3,A

INCR5

DM24:

DJNZR2,DM23

MOVA,R3;四舍五入

ADDA,R3

JCDM25

SUBBA,R0

JCDM26

DM25:

INCR5

MOVA,R5

JNZDM26

INCR4

DM26:

CLROV

;商在R4R5中;加法（R4R5）+#2→（R4R5）

MOVA,#2

ADDA,R5

MOVR5,A

CLRA

ADDCA,#0

ADDA,R4

MOVR4,A

（3）显示模块

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:

除法（R4R5）=（R3R4R5）/#5

DV31:

CLRC

MOVA,R3

MOVR0,#5

SUBBA,R0

JCDV30

SETBOV;商溢出

DV30:

MOVR2,#10H;求R3R4R5／R0－→R4R5

DM23:

CLRC

MOVA,R5

RLCA

MOVR5,A

MOVA,R4

RLCA

MOVR4,A

MOVA,R3

RLCA

MOVR3,A

MOVF0,C

CLRC

SUBBA,R0

ANLC,/F0

JCDM24

MOVR3,A

INCR5

DM24:

DJNZR2,DM23

MOVA,R3;四舍五入

ADDA,R3

JCDM25

SUBBA,R0

JCDM26

DM25:

INCR5

MOVA,R5

JNZDM26

INCR4

五、总结

《计算机控制技术》做为专业主干课安排在大三的下半学期，不得不让我认识到了它的重要性。

作为一名自动化专业的学生，《计算机控制技术》的重要性更是明显。

伴随着文化课的结束，课程设计也告一段落。

在一个学期的文化课程学习和课程设计操作过程中，我体会颇多、收获颇多。

一、首先不得不说的是态度。

其实最开始我对此次课程设计是持无所谓的态度，不所谓重要，也不所谓学习。

在大学三年的学习生活中这已经不是第一次做课程设计了。

在我的印象中这不过是一个过场罢了，并没有文化课的学习重要。

最后事实证明我的这个想法是极端错误的。

我们组的课程设计的题目是《流速自动采集及显示器设计》，刚拿到题目的时候我们根本就不知道从何下手，文化课毕竟只是文化课，或许有必须要用到的知识，但是并不是一层不变的照搬。

二、其次不得不说的是分组。

我很庆幸能和本组的同学在一起来做这次的课程设计。

中国有句古话叫做近朱者赤、近墨者黑。

我未必同意后者，但这次课程设计让我深深的理解了前者。

其实首先在题目的选择上我们出现过分歧，因为同学们每个人学习的情况不一样，所谓术业有专攻。

但是在本着本组人员的实际情况和想挑战自己的想法，我们很快达成一致，最终敲定《流速自动采集及显示器设计》这个题目。

有人说几个人在一起做一件事情其实并没有分开来每个人干一件事情的效率高。

我对这个看法持不确定的态度，一根筷子和一把筷子的故事的道理大家都知道。

几个人在一起要有很好的效率就必须要有明确的分工，同时也要有一个优秀的领导，他能很好的了解每个组员的实际情况，然后根据课程设计要求和组员实际情况分配合适的任务。

我们很幸运遇到了很好组员的同时也遇到了一个很好的老师。

六、参考文献

1、《单片机中级教程－原理与应用》主编：

张俊漠北京航空航天大学出版社2002

2、《单片机原理及其应用（第二版）》主编：

张刚毅、彭喜元、彭宇高等教育出版社2010

3、《微型计算机控制技术（第二版）》主编：

于海生、丁海军等清华大学出版社2010

附录一：

总体电路图

附录二：

数码管字型编码表

显示字符

字形

共阳极

共阴极

字型码

字形码

C0H

3FH

F9H

06H

A4H

5BH

B0H

4FH

99H

66H

92H

6DH

82H

7DH

F8H

07H

80H

7FH

90H

6FH

88H

77H

83H

7CH

C6H

39H

A1H

5EH

86H

79H

8EH

71H

89H

76H

C7H

38H

8CH

73H

CEH

31H

C1H

3EH

91H

6EH

BFH

40H

7FH

80H

熄灭

灭

FFH

00H

附录三：

CD4511真值表

输入

输出

显示

消隐

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