基于单片机的智能流量计设计.docx
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基于单片机的智能流量计设计
毕业设计说明书
基于单片机的智能流量计设计
原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计说明书/毕业论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律责任由本人承担。
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①学院有权保管、并向有关部门送交毕业设计说明书/毕业论文的原件与复印件；②学院可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存毕业设计说明书/毕业论文；③学院可允许毕业设计说明书/毕业论文被查阅或借阅；④学院可以学术交流为目的，复制赠送和交换毕业设计说明书/毕业论文；⑤学院可以公布毕业设计说明书/毕业论文的全部或部分内容。
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基于单片机的智能流量计设计
摘要:
的安全稳定性，减少成本，利益最大化，所以要求对流量计的应用十分广泛，在当今农业、水坝工程、生物研究、管道输送、航空领域、军区设备等都有涉及。
流量与温度、压力和物价四个数据属于过程控制中必不可少的参数。
我们经过许多参数对这一过程进行了监视和操控。
为了保证生产过程流体参数的精准测量显得十分重要。
本次设计采用AT89C51单片机为基础，设计了水流量的测量计,用水流量计传感器和数字温度传感器DS18B20来及时收集水流量状态和水温的参数，然后由单片机AT89C51的程序指令计算后，得出水费，用液晶屏LM016L分三个数据显示实时温度、水价和水流总量三种状态动态显示。
此外，该设计设置了上限和下限报警，操作的时候更直观，简单易懂。
关键词：
单片机；DS18B20；AT89C51；温度传感器；水流量传感器；流量检测
TheDesignofFlowDetectionSystemBasedonMCU
Abstract:
Flow-meterhasbeenwidelyusedonmodernagricultureandwaterconservancyofflowconstruction,biologicalengineering,pipes,aerospace,militaryfield.Flowandtemperature,pressureandthinglocationaretogethercollectivelyreferredtothefourbigparametersoftheprocesscontrol.Throughtheseparameters,theproductionprocessaremonitoringandcontrolled.Theaccuratemeasurementandadjustmentforfluidflowareistoguaranteethesafeandeconomicoperation,improveproductqualityandreducethematerialconsumption,toimprovetheeconomicbenefit,andthescientificmanagementfoundationintheproductionprocess.ThisabstracthouseholdWater-FlowDetectionCircuitDesignBasedonAT89C51MCU.
flowmoduleissubjecttowaterflowsensoranddigitaltemperaturesensorDS18B20real-timeacquisitionstatewaterflowandwatertemperaturedataandprograminstructionsaccordingtomasterAT89C51calculatedafterthepriceofwater,withLCDLM016Lpointsthecurrenttemperature,waterflowvolumeanddynamicdisplayofthreestates.Inaddition,theprojectdesignoftheupperandloweralarm,soviewismoreintuitive,easiertouse.
Keyword:
microprocessor;DS18B20;AT89C51;Temperaturesensor;Waterflowsensor;FlowDetecting
1绪论
1.1选题的意义与背景
流量测量应用于方方面面，农业生产、热电生产、化学工业生产、以及食物卫生等工业区域都离不开它的测量。
生产石油的过程当中，必须要保证正常的传输和交易盈利，所以每一个步骤都离不开流量测测量。
化学工业中，要求化学因素分配比精准，保证产物的质量安全，防止发生安全事故，以是流量的精准测量尤为重要。
在利用各种介质进行的电力生产中，介质的流量测量和控制显得十分重要。
流量检测的准确可以使得发电厂在合适的配置下使用有很大的作用，更重要的是，流量检测的准确同时可以保证发电的安全进行，大大减少事故的发生。
比如温度过千的锅炉加水量突然减少，可能会导致锅炉发生爆炸事件。
这样，不仅仅对测量的精度要求很高，同时还必须在特定的环境下发出警报信号，来减少安全事故的发生。
工业生产过程中人们通常通过一些参数对生产过程进行监视和控制，以保证其生产过程安全高效运行、深层次提升产品质量、减少物质消耗、以提高经济效益、实现科学正规的管理。
而这些参数就是指流量、温度、压力和物位，他们共同作用于工业生产过程，是流量测量与仪表应用的重要参照标准[1]。
日常生活中，大气污染是一个很大的问题，它十分严重的影响了环境和人类正常生活的环境污染，这就要求我们做到，对污染大气的延期以及其他温室气体排放量进行监测，以掌握其规律，对排放量进行控制，对废液和污水进行处理，以减少污染，做出有效应对措施。
自然就需要通过专业的流量测量方法进行测量。
因此，研究流量测量，通过运用课程所学知识，独立进行单片机程序设计、调试和应用电路设计、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理是至关重要的一部分。
这样一来，对于城市和郊区的废气废水流出量，就可以进行实时的测量与研究。
除此之外，这项技术，也被广泛运用于科学试验领域，例如，利用大量的流量控制系统进行仿真和试验。
1.2国内外研究现状及发展趋势
说道流量检测的悠久历史，还要说道古时候水利工程和城市供水设备。
例如圭罗恺萨时代利用孔板来测量居民应税的水量；在公元前1000年左右，古埃及人们利用堰法来测量呢啰河河道的流量；再说回中国，则最著名的那还是属于都江堰水利工程，它运用宝瓶口的水的位置来观察水量大小。
这些例子都充分表明了用于流量检测的流量仪表的应用范围十分广泛，无论是在工业生产、能源计量、环境保护工程，还是交通运输、生物技术、科学试验领域等都有涉及。
说到流量测量的转折点，是拖里差历对差压式流量计研究，做出了流量测量的最初文字介绍。
自此19世纪的如堰、示踪发、皮拖管、溶剂、莴轮机靶式流量计等许多类型的仪表开始相继出现于运用。
20世纪中期，伴随工业计量、能量研究、城市建设对流量测量的供需呈井喷式的增长，促使仪表得到空前的发展，进而，微电子技术和计算机的技术取得了飞跃的发展。
极大地推动了仪表更新换代，新型流量计的种类迅速的繁多了起来。
现在，许多种流量计在市场中使用，使用过程中出现的麻烦也得到了进一步的解决。
而我国因为近代流量测量技术起步比较晚，一直以来，我们使用的流量仪表都依赖进口，这就严重限制了我国大量使用流量测量计的使用数量。
从20世纪使用仪表修配发展初，到抗战后青岛、厦门等等一些沿海城市都聚集了现代流量仪表的民族企业。
这一过程经历了仿造、自主设计、研究使用的过程，现如今近初具规模，基本上能满足中等水平流量仪表的需要。
抗战胜利后我们的科技进行了飞速的进步，通过和其他发达国家的共同研究，我国的流量测量计水平进步了很多。
放眼国际，许多主流企业看准中国市场，在中国建立生产基地。
其实，这在某种程度上机增强了我国自主研发的能力，为其增添了竞争因素。
虽然我国在这方面已取得了长足进步，但由于技术革新。
更新换代较快，在产品工艺上仍然有很大的提高空间。
单片机的风靡全球，使得智能流量检测设备也大大出现，相比传统的流量检测设备，新型应用单片机制作的流量监测仪很大程度的提升了流量监测的功能。
单片机的种类繁多，功能强大，由单片机操控的流量测量设备不仅成本造价低，而且功能实用，正可谓是两全其美。
科技的发展进步也使得流量计的种类越来越多，其功能也越来越强大。
同时，这一技术也朝着更加智能化，简洁化，方便化，低成本的目标前进。
1.3总体设计
现如今时代的发展很快，科技的进步，我们的物质生活需求越来越高。
为了达到可以智能化的检测水流量，并且实时在屏幕上动态显示数据的目的，此设计利用了AT89C51单片机来完成。
此设计不但有很多实用的功能，所需的价格也不高，同时还拥有着环保，节约能源的理念。
当单片机接受到水流量发出的信号，AT89C51单片机就会下达指令。
水流量的情况传输到传感器中，通过AT89C51单片机进行处理扫描到的水流量脉冲数，然后在LM016L上显示出水流量的数据。
本方案利用Keilc软件使用C语言进行程序设计，系统性能的检验采用仿真软件Proteus。
按照总体设计进行研究，最终决定了设计的总框图，如图1-1所示：
图1-1电路总框图
2系统硬件电路的设计
2.1AT89C51单片机的特性介绍
单片机是把微处理器、存储器、I/O接口。
定时器/计数器、串行接口、中断系统和其它电路组合在单个芯片组合完成的单片计算机，单片机作为微型计算机的一个分支，是基于测控领域的发展而诞生和发展的。
在我国使用最多的是Intel公司的C51系列单片机。
而AT89C51单片机是8051系列单片机的典型产品，片内集成了中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、2个16位的定时器/计数器（T0和T1）、4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2和P3）、串行口[2]。
其外形如图2-1所示。
AT89C51单片机的功能主要性能参数如下:
1.全静态操作:
OHz一24Hz;
2.8个中断源;
3.1000次擦写周期;
4.与MCS-51指令系统和引脚完全兼容;
5.三程序存储器;
6.可编程串行DART通道;
7.32个可编程工/0口线;
8.3个16位定时/计数器;
9.8K字节写Flash存储器;
10.空闲低功耗和掉电保护;
11.256X8字节内部RAMo
AT89C51单片机还有个主要的功能，那就是在不工作的时候功率消耗很低，在不工作的时候仅只有中央核心处理器停止工作，其他的定时/计数器、存储器、中断系统和串行口不会停止工作。
一个全双工串行通信口，一个6向量两级中断结构，片内振荡器及时钟电路。
并且，AT89C51的工作模式还有节电模式，前提是得降低到OHz的非动
态逻辑操作。
想要保护RAM中的内容可以通过掉电实现，而掉电模式只有一种方法可以解决，那就是复位所有的硬件，先把振荡器及其他所有器件的工作全部停止然后进行复位。
图2-1AT89C51单片机引脚图
AT89C51单片机的引脚图如图2-1所示，各个引脚的功能为:
引脚功能:
PO口是地址参数总线重复用口。
作为高阻抗输入端用时该端口写“1";任何位都能吸收电流。
所以在用为输出端时，八个罗辑门电路会同时驱动。
而由于上拉电阻的存在，进行工作的时候，如访问程序或存储器的时候，转变位置的该端口的低8位分线能够和总线重复使用。
Pl口:
通过与P0口内部的结构电路相对比不难看出，P1端口是一个标准的准双向端口，并且是8位的。
它还以一个上拉电阻代替了FET，当P1口输出的时候，4个逻辑门电路就会被同时驱动。
当输入信号为1时。
P1口被上啦电阻变为高电平进而变为输入口。
此端口开始运作的时候，具体的流程是在端口里的上拉电阻的运作下，外界的信号会拉低其中一个引脚，然后形成了一个电流，进而输出。
P2口用作高8位地址总线时，访问片外存储器的高8位A8-A15由P2口输出。
如系统扩展了ROM，由于单片机工作时一直不断的取指令，因而P2口将不断的送出高8位地址，P2口将不能做通用I/O口用。
如系统仅仅扩展RAM，这时分几种情况：
当片外RAM容量不超过256字节时，访问RAM，只需P0口送低8位地址即可，P2口仍可作为通用I/O口使用；当片外RAM容量大于256字节时，需要P2口提供高8位地址，这时P2口不能用作通用I/O口。
P3口有三项功能。
功能1.将一些用于Flash的快速存储编程和用于检验程序的信号接收。
功能2.P3.0:
RXD（串行输入口）
P3.1:
TXD（串行输出口）
P3.2;NTO（外中断0）
P3.3:
NTl（外中断1）
P3.4:
TO（定时/计数器0）
P3.5:
Tl（定时/计数器1）
P3.6:
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7:
RD（外部数据存储器读选通〕
功能3.该项功能与P2口的一般工/0接口功能类似，无非是作为输入输出端口。
复位输入可以使得单片机进行复位，主要条件是进行工作时，复位输入的引脚出现高电平且该高电平的周期为两个周期。
当单片机需要访问外界数据或存储器时，首先，跳过一个ALE脉冲信号，而ALE输出的脉冲信号可以将目标的低八位字节锁住并保存，还可以固定时间和对外部输出时钟，并且对存储器编程的时候，还可以输入编程脉冲。
当单片机需要执行的命令是外部程序时，ALE则应当被设置成无效，具体方法就是对特殊功能寄存器中SEH单元进行操作，命令执行完以后，可以靠MOVX和MOVC指令可以重新将ALE激活。
EA/VPP，外部访问允许。
EA的功能分为两种，其一是使得CPU执行内部的命令，该功能需要EA与当电源为高电平时的VCC端相连接；其二是使CPU仅访问外部的程序，该功能则需要EA一直保持接地。
振荡器反向放大器与内部时钟发生器由同样的两种引脚组合为了它们的输入口与输出口。
在XTAL1端断开连接内部时钟脉冲。
XTAL2会处于悬空状态，我们就不可以使用内部时钟。
除此之外，放大器与片外石英晶体一起组成了自主激励的振荡器，石英晶体主要作为反馈信号的元件充当了重要角色，这就是内部时钟的模式。
此类振荡电路实质上是一个非串联电路，在放大器的电路中构成，由石英晶体和电容组成。
两种节电模式:
AT89C51有它特有的节约用电功能，需要通过专门的寄存器来控制运行，其一是由PD控制的掉电工作模式；其二是由IDL控制的空闲模式。
据此则有了两种状态，睡眠状态是一种常见的状态，单片机当IDL=1的时候会被空闲模式自动带入该状态；掉电工作状态也是一种常见的状态，单片机当PD=1的时候就会被掉电模式自动带入该状态。
当PD和IDL同时为1，两种工作模式同时存在，由软件实现该方式。
此时，片内所有特殊功能寄存器和随机存取数据存储器的内容将保持不变。
终止空闲工作模式的方法有两种，其一是硬件复位。
其二是某一个系统同意中断的事件不再中断，同时清除IDL。
接着程序主动进入中断程序，然后会有一条指令发出，这条指令是中断返回指令，继续执行指令，但执行的是后面的指令。
需要指出的是，以上两种方式中当由硬件复位来终止时，CPU通常是下一条指令开始继续执行程序的，此时要完成内部复位操作，内部应禁止CPU访问片内随机存取数据存储器，但其它端口可以访问，并保持硬件复位脉冲两个机器周期（24个时钟周期）有效。
尤其需要注意的是端口那一块，因为容易被意外写入而出错，对此有对应的解决办法，就是不处于工作模式的一条指令被激活后不能是一条写入指令。
掉电保护:
系统掉电后，最后一条指令在存储器和寄存器上运行的内容被冻结，直到掉电保护模式结束。
当进入掉电保护模式后，要想退出该模式，只有一个办法：
那就是使用硬件进行复位。
使用该方法后，全部内容被重新定义，但是不会改变存储器中的内容，复位不会在电压恢复正常前起作用，而且在一段时间之后才可以使系统重新开始正常工作。
2.2时钟电路
单片机最小系统组成分电源，时钟和复位电路。
在这里面单片机的电源引脚与5V的电源接通即可，而时钟、复位电路另需额外的接口扩展，这也是单片机的基本电路操作步骤。
时钟电路的功能是为运作状态下的单片机提供时间脉冲。
工作状态下每个信息中的互相关系叫时序。
为了保证单片机的工作能够有条不紊，一丝不苟的进行，必须要求在电路里有严谨的时钟信号来操控单片机的运行。
所以我们得在单片机引脚中连一个定时控制原件。
就做出了正常运行的自激振荡器。
图2-2时钟电路
要组合一个谐振电路。
得把晶振与电容合并起来。
工作状态下的电压，和晶振的频繁程度都和电容的多少直接相关，过程中要避免电容量影响振荡器的各种性能。
所以，这次设计的微调电容运用20pf电容。
如图2-2所示，在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，减小分布电容，以保证振荡器振荡的稳定性。
2.3复位电路
在单片机运行的过程当中，难免会发生运行数据不稳定导致的错误发生，使得单片机处于死机状态，这时就要求CPU和其他元件归位为一个指定的工作状态，然后共同从这一情况下同步运行。
这一个初始化系统的步骤，叫做单片机的复位。
在单片机内，RST引脚也叫做复位引脚。
设计时单片机的复位方式包括按键电平复位，外部脉冲复位，单片机上电自动复位，其功能由单片机外围复位电路实现[3]。
当震荡电路照常运行的同时，该引脚接通2个高电平，就可以使单片机复位。
单片机中的RST引脚叫做复位引脚。
在振荡电路接通电源运行以后，RST引脚端接通持续两个机器周期的高电平之后，就处于复位状态。
图2-3复位电路
本课题采用经过按键开关来完成复位。
它是指经过连接按钮开关，令单片机处于初始化的状态。
开关复位电路一般不单独使用。
在应用系统的研究中，若是需要使用开关复位电路。
一般的做法是将开关复位与上电复位组合在一起形成组合复位电路，上电复位电路完成上电复位功能，开关复位电路完成人工复位。
图2-3中C1与R1构成了上电复位电路。
上电复位后，电源经R1对C1充满电源，C1等效于开路，RST端为低电平；单片机正常工作。
按开关K1后，C1两
端电荷经R1迅速放电，K1断开后，由C1、R1及电源完成对单片机的复位操作。
在上述电路中C1、R1按上电复位电路的设计而取值。
单片机中复位电路有着至关重要的功能。
它的存在可直接导致单片机的正常运行与否。
2.4液晶显示电路
2.4.1液晶显示简介
液晶显示器应用于我们日常生活中的方方面面。
液晶显示模块也早已经是许许多多电子产物必不可少的元件。
算术用的计算器里面、电子日历的显示器、电子时钟还有许多电子产品中都可以看到，液晶显示器显示的内容也是各种各样，有数字、有汉字，还有图案等待。
这次设计中利用液晶液显示器用作数据显示器件有很多好处。
因为液晶显示器任意点当处于工作过程中时，接收到信号的时刻，就始终处于那种颜色和亮度。
一直处于发光状态，而不会像其他CRT之类的显示器那样必须得一直唰新新的亮点。
所以，使用液晶显示器不但画面效果要很好，而且不会出现卡顿和闪烁的情况。
而且液晶显示器全部都是数字式的，当要使它处于工作状态，它的接口和单片机系统的接口会很便捷，操作简单易懂。
从功耗方面来看。
该种类的显示器大部分是消耗它自身的电极与驱动IC上。
所以说，消耗较其他显示器来看要少。
这个版本的显示器轻便。
没有传统的显示器笨重。
因为该显示器是由屏内电极控制的液晶分子的各种不同情况来达到显示的结果。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，电压会对索要显示的区域进行作用，使其发光，通过多点的发光，构成所要表达的内容，现在已经能实现全彩色显示的多样化功能，现如今在笔记本电脑、数码相机、安卓移动设备等待许多区域都有应用。
2.4.2LM016L的结构及功能
LM016L液晶模块采用HD44780控制器。
HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。
LM016L液晶显示器有2个方法与单片机连通。
分别是利用8位和利用4位的并行传送信号。
HD44780控制器由两个8位寄存器、指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据RAM（DDRAM）、字符发生器ROM（CGROM）、字符发生器RAM（CGRAM）、地址计数器（AC）[4]。
LM016L引脚图如图2-4所示。
图2-4LM016L引脚图
IR用于寄存指令码，只能写入不能读出；DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据[5]。
BF为1时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据[6]。
DDRAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码[7]。
CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160种和5*10点阵字符32种[8]。
CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节[9]。
可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符。
AC可以存储DDRAM和CGRAM。
显示特性:
1）只需5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性
2）包含192类字符
3）具有64个字节的自定义字符RAM
4）显示方式：
STN、半透、正显
5）驱动方式：
1/16DUTY，1/5BIAS
6）视角方向：
6点
7）背光方式：
底部LED
8）通讯方式：
4位或8位并口可选
9）标准的接口特性：
适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。
引脚功能如表2-1所示：
表2-1LM016L引脚说明
管脚号
符号
功能
1
Vss
电源地（GND）
2
Vdd
电源电压（+5V）
3
V0
LCD驱动电压（可调）寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号：
RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；
4
RS
当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器
5
R/W
R/W=0读操作；R/W=1写操作
6
E
使能信号输入端，输入MPU读/写模块操作使能信号：
4位方式通讯时，不使用DB0-DB3
7
DB0
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
8
DB1
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
9
DB2
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
10
DB3
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
11
DB4
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
12
DB5
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
13
DB6
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
14
DB7
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
15
A
背光的正端+5V
16
K
背光的负端0V
2.5温度测量电路
为了使流量计功
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