显示气压冲击频率和耗气量数显表.docx
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显示气压冲击频率和耗气量数显表
引言
本毕业设计的设计任务为一个多功能数显表。
该数显表可以测量和显示气压、冲击频率和耗气量。
并且具有RS232接口和时间显示。
本毕业设计作品选用AK-4气压传感器和LWGY涡轮流量传感器，通过MCS-51单片机来控制操作，实现信号数据的采集、处理和发送。
本毕业设计作品不仅可以将气压、冲击频率、耗气量及时间等数据显示在8个LED数码管上，还会通过RS232串口，将数据发送到PC上。
并由PC上的配套程序，将信息数据显示在显示器上，这两部分所显示的数据是完全相同的。
其中数字显示时间单位为秒，冲击频率的单位为BMP，耗气量的单位为立方米/小时。
同时，系统会自动计时，开始运行3分钟之后，自动结束测量、显示，并保存信息数据。
下面就将对本毕业设计作品进行详细的介绍。
1.设计任务
1.1任务说明
本毕业设计的课题为多功能数显表。
设计的主要任务为设计一个多功能数显表，该数显表可以测量和显示气压、冲击频率和耗气量。
而且还要有RS232接口和时间显示。
对于本次毕业设计的任务还有以下的要求。
首先，要采用AK-4气压传感器和LWGY涡轮流量传感器来采集信息数据。
其次，要采用MCS51单片机来完成系统的控制，要求制作单片机控制系统、驱动电路、A/D转换、显示电路以及测量电路。
再次，系统的电源要求采用～220V供电。
然后，还要求在测量开始时，开始计时，3分钟后自动结束测量并保存数据。
而且，RS232的波特率为4800。
最后，规定了数字显示数据的内容和单位：
时间（秒）、冲击频率（BMP）、耗气量（立方米/小时）。
1.2任务分析
根据本次毕业设计的课题和设计的主要任务，我们可以知道，要设计的系统的主要功能就是对气压、冲击频率和耗气量的测量和显示。
要完成对气压、冲击频率和耗气量的测量，就必须要用到传感器。
根据设计任务的具体要求，就可以知道：
AK-4气压传感器很明显是用来测量气体气压的传感器，它的输出信号就是数显表要显示的冲击频率和气压数据的信息来源；LWGY涡轮流量传感器则应该是数显表显示的耗气量数据的信息来源。
但在这其中需要要注意的问题就是，两个传感器的输出信号的类型不一定能够直接传送到MCS-51单片机去处理。
那么，就要弄清楚各自的输出信号的类型，然后分别设计出信号的处理电路，将它们转换成MCS-51单片机可以接受的信号。
否则，MCS-51单片机可能根本接收不到数据，或接收到的数据中的信息并不是我们所需要的。
还有一个主要功能就是对气压、冲击频率和耗气量的显示功能。
数据的显示部分，我们只需要扩展出几个LED数码管，就可以将数据信息很好的显示出来。
要实现这个功能，首先，就要有驱动电路来驱动LED数码管，让LED数码管有显示数据的必要条件；其次，还要有需要显示的信息数据，这些数据就要来源于MCS-51单片机，MCS-51单片机提供这些信息数据之前，要对传感器传输过来的信息做好转换处理，来保证信息的准确性和可靠性。
这个部分需要注意的问题是，系统要扩展出多个LED数码管，要处理好信息传输的时序，以保证LED数码管得到的数据信息，与我们想要它们显示的信息是一致的。
这就需要有MCS-51单片机要发出一个选定使能信号，每次只有一个LED数码管是接收和显示数据年的。
MCS-51单片机循环选定一遍所有LED数码管，就可以很好的完成一次完整的数据显示过程。
但是，这个过程的处理时间是很快的，很难让人眼的视觉有滞留的感觉。
所以，要让LED数码管有满意的显示效果，就必须加上数据的锁存，让LED数码管得到数据信息后可以一直显示收到的信息，直到下一次数据传输过来的时候，数据就会被刷新，这样就可以很好的实现这个功能了。
而至于时间的显示，我们可以通过MCS-51单片机的计时器功能来实现。
系统还有一个功能就是要有RS232串行通讯接口连接到PC。
MCS-51单片机本身就有串行通讯的功能，也有专用的串行通讯的引脚和串行通讯控制器。
所以，在完成这部分功能方面，MCS-51单片机自己就可以完全胜任这个部分的工作，要实现这个功能也就比较容易了。
这个部分需要注意的问题就是，MCS-51单片机的电平标准和PC的电平标准是不一致的，要进行串行通讯的时候，MCS-51的串行通讯接口和PC串行通讯接口要有电平转换电路来为信息通讯做桥梁，以保证信息传送的有效性。
否则，就会有部分电路被烧掉的危险，因此要特别注意这个问题。
以上是完成设计主要任务而对要设计的系统的硬件电路方面的任务的分析，此外，系统的软件方面也是不容忽视的。
因为，本次要设计的系统的功能任务比较多，所以，MCS-51单片机的处理任务也比较繁重，系统软件的算法也就直接影响到系统运行的稳定性。
系统的软件算法要充分考虑到任务性质的主次和特点，安排好任务的处理顺序和条理。
要充分利用好中断服务功能，来满足系统处理要求，来很好的实现设计任务中所要求的功能和效果。
其中需要注意的问题是，当算法设计中涉及到两个或多个中断服务的时候，一定要根据中断程序所服务的中断功能，来设置好中断的优先级。
否则，会带来系统稳定的很大隐患，因此，要特别注意这方面的细节问题。
综上所述，本次毕业设计的任务的特点为系统工作量比较大，但任务功能的实现方面没有难度性很高的功能。
但是，要想设计出来的系统可以稳定、可靠得实现出设计任务要求的任务，有很多的细节问题是需要特别注意的。
以上分析中的需要注意的问题都进行功能设计中的重要细节部分，在设计时，要给予充分的考虑和周密的设计。
根据以上的详细分析，下面就对我设计出来的方案做详细的介绍。
2.总体设计
根据任务要求所要实现的功能，我设计出了两种方案来实现。
这两个方案都可以很好的实现系统所要求的功能，不过是通过不同的途径来完成的。
本部分就将对这两个方案作总体上的介绍和分析，后面将通过对两个方案的比较，选出最适合本系统的方案，并最终选定为本毕业设计作品要使用的方案。
2.1总体设计方案一
此设计方案的系统方框图如下图所示。
方案一的系统原理框图
方案一的单片机时钟信号是由外部的振荡电路提供，通过X1，X2引脚输入。
石英晶体选用12M的，电容选用30μf的。
复位电路采用上电复位方式。
单片机的P0口用来作读取A/D转换的结果和发送ADC0809通道选择地址数据。
单片机的P1口用来发送LED数码管显示内容的数据总线。
单片机的P2口的第三位用来提供LED数码管读取总线数据的片选信号。
系统共用到9个数码管，这三条线通过3线－8线译码器来实现对数码管的片选,最后一个就用P2.5来提供片选。
而P2.7、ALE、RD和WR引脚就用来对ADC0809提供控制信息，来控制A/D转换过程。
INT1外部中断脚被用来接收传感器LWGY输出的信号数据。
最后，TXD和RXD根据引脚的特殊功能，被用来做与PC做串口通信，完成与PC的数据传输功能。
方案一的A/D转换部分的功能主要由ADC0809来实现。
方案一中，ADC0809只需要负责传感器AK-4输出的信号数据做模数转换。
单片机发出启动转换控制信号后，ADC0809开始做模数转换。
单片机通过软件延时来完成对转换数据的读取。
方案一的传感器输出信号处理部分由两个传感器各自的信号处理电路组成。
其中，两个方案对AK-4传感器输出信号的处理原理是一样的，而且都要处理出两个信号的参数。
这也是由它的输出信号特性决定的，可以通过很简单的处理，就可以满足ADC0809对输入信号的要求，再处理出信号的波动脉冲，传输到MCS-51单片机转换成冲击频率。
不同的是对传感器LWGY输出信号处理的方法。
在本延时式方案里，只是将电流脉冲信号简单的处理成电压脉冲信号。
然后，将频率信号接入单片机的外部中断口，让单片机来扫描其频率。
以完成对耗气量的测定。
方案一的LED数码管显示部分采用的是最常用的方式来实现的。
用P1口发送显示数据，P2口的低三位来发送片选信息。
将8个数码管扫描一次，就完成了一次数据的显示。
方案一的PC串行通讯接口部分，采用了两个电平转换的芯片。
这两个芯片分别为MC1488和MC1489，它们都是串口电路电平转换的常用芯片。
可以保证功能的可靠实现。
2.2总体设计方案二
此设计方案的系统方框图如下图所示。
方案二的系统原理方框图
中断式方案的单片机时钟信号也是由外部的振荡电路提供，通过X1，X2引脚输入。
石英晶体选用12M的，电容选用30μf的。
但复位电路选用按键式复位电路。
单片机的P0口用来作读取A/D转换的结果和发送ADC0809通道选择地址数据。
单片机的P1口用来发送LED数码管显示内容的数据总线和提供LED数码管读取总线数据的片选信号。
系统共用到9个数码管，这三条线通过3线－8线译码器来实现对数码管的片选，最后一个也是用P2.5来做片选。
而P2.7、ALE、RD和WR引脚就用来对ADC0809提供控制信息，来控制A/D转换过程。
INT1外部中断脚被用来接收A/D转换结束信号。
最后，TXD和RXD根据引脚的特殊功能，被用来做与PC做串口通信，完成与PC的数据传输功能。
中断式方案的的A/D转换部分的功能也主要由ADC0809来实现。
中断式方案中，ADC0809则需要负责传感器AK-4和传感器LWGY两个传感器输出的信号数据做模数转换。
单片机发出启动转换控制信号后，ADC0809开始做模数转换。
单片机通过外部中断方式来完成对转换数据的读取。
中断式方案的传感器输出信号处理部分也由两个传感器各自的信号处理电路组成。
对AK-4传感器输出信号处理方法与方案一类似，但由于其信号线性极好，只需要将其转换成电压信号，就可以得到气压信号；本方案加入了对转换出来的脉冲信号的整流。
在本中断式方案里，在得到冲击频率信号方面，只对传感器LWGY输出信号进行电平转换的处理方法，就得到了电压的脉冲信号，再传输到MCS-51中处理，就可以得到耗气量的参数信息了。
中断式方案的LED数码管显示部分采用的是一个功能比较强大的芯片4511。
它可以将BCD码直接转换成LED数码管的驱动信号，并将信号锁存传输给LED数码管，给系统带来极大的方便。
因此，只需要P1口的低四位就可以完成显示信息的数据传输。
剩下的高四位刚好可以通过3线－8线译码器完成片选信号的控制。
从而只用一个P1口就完成了LED数码管部分功能的实现。
中断式方案的PC串行通讯接口部分，采用了比较常用的MAX232。
它也是专用的RS232接口的电平转换电路。
完全可以胜任本系统的串口电平转换功能的实现。
2.3总体设计方案的比较
从以上的介绍中，我们可以看到，这两种设计方案的主要却别有两个地方。
第一个就是LWGY传感器输出信号的处理方法。
方案一的处理方法处理后可以直接作为数据信息传输给MCS-51单片机处理，方案二的处理方法处理后则可以传输给ADC0809做A/D转换，然后再传输给MCS-51单片机处理。
第二各就是对LED数码管的驱动方式。
方案一是MCS-51单片机输出LED数码管的驱动信号，通过数据锁存来完成数字的显示，而方案二则是MCS-51单片机输出数据信息，经过译码和锁存的专用芯片来驱动LED数码管，来完成数字显示功能。
除了这两个主要的不同之处之外，在其他部分的功能实现上也略有不同。
其中包括MCS-51单片机的复位电路，串行通讯端口的电平转换，MCS-51单片机的I/O资源分配等等。
下面我就这些具体电路的细节方面做详细的介绍和比较，以分析出哪个方案更适合这个系统，从而选定为最终的设计方案。
3.方案的具体设计和比较
从以上方案的总体设计的介绍，我们可以了解到，这两个硬件电路方面的设计方案的都是主要由单片机、A/D转换、LED数码管显示、传感器的信号处理和与PC通信的RS232串口连接等部分组成。
要想系统能够真正的运行起来，协调各部分功能电路的软件也是必不可少的。
下面就从这些方面对这两个方案进行详细的说明、分析和比较。
3.1硬件方案的具体设计和比较
按照上述的总体设计方案，本人设计出了两个完整的具体硬件电路原理图。
方案一的硬件电路原理图如附图1所示。
方案二的电路原理图如附图2所示。
两个设计方案都有各自的特色，下面就详细的介绍它们各个功能电路部分的特色所在。
3.1.1晶振电路的设计
⑴设计原理
8051片内有一由高增益反相放大器构成的振荡器。
反相放大器的输入端为xTALl，输出端为xTAL2，两端踌接石英晶体及两个电容形成稳定的自激振荡器。
电容通常取30PF左右。
振荡频率范围是1．2—12MHz，如下图（左）所示。
晶体振荡器的振荡信号从xTAL2端输出到片内的时钟发生器上。
时钟发生器为二分频器．向CPU提供两相时钟信号P1和P2。
时钟信号纳周期称作饥器状态时间s．是振荡周期的2倍。
每个时钟周期有两个节拍（相）P1和P2，cPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥805l单片饥各部件协调工作。
下图（右）给出片内时钟发生原理。
⑵具体电路设计
这部分在两个方案中是相同的，电路图如下图所示。
系统方案的时钟发生部分电路图
在本设计中，考虑到由于ADC0809片内无时钟，可利用8031单片机提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率时单片机时钟频率的1/6（但要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将少一个ALE脉冲）。
如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。
因此，晶体振荡器选择12M的，而自激振荡电路中的电容就取30PF。
3.1.2按键复位电路的设计
⑴设计原理
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处立—个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。
大论是在单片机刚开的接广电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚MGS—51型单片机复位的条件、复体电路和复位后状态。
单片机复位的条件是：
必须使RSW阳或RST引脚（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。
例如，若时钟频率为12MHz，每机器周期为1μs，则只需2μs以上时间的高点平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。
单片机常见的复位电路如下图（a），（b）所示。
下图中（a）图为上电复位点路，它足利用电容充电来实现的。
在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。
只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，使能正常复位。
下图中（b）图为按键复位电路。
该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图（b）中的RESET键，此时电源vCC经电阻R1、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。
⑵具体电路设计的分析和比较
①方案一
此方案中采用上电复位电路。
电路如下图所示。
上电复位电路图
上电式复位电路的特点是很方便，当有电源接通给单片机时，此电路就可以自动产生复位信号。
它足利用电容充电来实现的。
在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。
只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，使能正常复位。
②方案二
此方案中采用了按键式的复位电路，如下图所示。
按键复位电路图
这种复位电路的特点就是上电以后，可以随时通过按键来发出复位信号。
该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图中的RESET键，此时电源vCC经电阻R1、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。
这对系统的可控性是很有帮助的。
⑶方案比较
前面已经介绍了复位电路的两种形式，其实对系统而言并没有什么大的区别，但考虑到系统调试时的方便，本系统采用了按键复位方式。
当调试不成功时，经过调整后，只需单片机复位即可进行下一次的调试。
这也降低了其他硬件由于电源供电问题，而导致的调试不成功。
所以，最终选定按键复位电路为单片机部分的复位电路。
3.1.3传感器输出信号处理电路的设计
在进行设计之前，我们必须弄清楚所选用的传感器的工作原理和输出信号的特点。
这样，才能知道如何让MCS-51单片机处理所收到的信息数据，才能有的放矢的将传感器输出的信号转换成下一部分的处理电路所能接收的数据信息。
3.1.3.1LWGY型涡轮流量传感器的信号处理电路
1设计原理
LWGY型涡轮流量传感器（以下简称传感器）与显示仪表配套组成涡轮流量计。
可测量液体的瞬时流量和累计体积总量，也可以对液体实现定量控制。
传感器具有精度高、寿命长、操作维护简单等特点，广泛用于工厂、油田、化工、冶金、造纸等行业，是流量计量和节能的理想仪表。
LWGY型涡轮流量传感器的工作原理为，被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。
此时叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周期性变化，因而在检出线圈两端就感应出与流量成正比的电脉冲信号，经前置放大器放大后送至显示仪表。
在测量范围内，传感器的流量脉冲频率与体积流量成正比，这个比值即为仪表系数，用K表示，
K=f/Q或K=N/V
式中：
f——流量信号频率（Hz）
Q——体积流量（m3/h或L/h）
N——脉冲数
V——体积总量（m3或L）
每台传感器的仪表系数由制造厂填写在检定证书中。
K值设入配套的显示仪表中，便可显示出瞬时流量和体积总量。
技术指标：
◆介质温度：
-20～+120℃；-20～+200℃（定做）；
◆环境温度：
-20～+50℃；
◆传输距离：
传感器至显示仪表的距离可达500m；
◆防爆等级：
dⅡCT4。
⑵具体电路设计的分析和比较
系统选用的LWGY涡轮流量传感器，输出信号为频率型的电流信号，这部分电路是用来处理传感器LWGY所输出的信号数据的。
但是，A/D0809在转换时，所能接收的输入信号为幅值型的电压信号，所以在把传感器的信号拿去处理之前，必须将它转换成A/D转换器所要求的信号类型。
系统设计时，在这一部分加入了一个频率－电压变换电路。
①方案一
此方案的电路原理图如下图所示。
LWGY传感器输出信号处理方案一电路图
这种处理方案的原理就是，将传感器原有输出的电流频率信号转换成电压频率信号。
但此时的电压幅值还很小，不容易被感知。
所以，要通过一个运算放大器来将电压幅值变大到足以做驱动信号。
电路的输出端直接于单片机的外部中断输入脚INT1。
电路的输出信号就可以申请到中断，中断服务程序就可以来完成对中断次数的累加。
每过一定的时间来读取次数累加结果，并将累加器清零，就可以换算出信号的频率大小了。
②方案二
此方案的电路原理图如下图所示。
LWGY传感器输出信号处理方案二电路图
此处理方案是根据LWGY传感器的输出信号的特点而设计的。
LWGY传感器的输出信号的电平很低，因此其信号本身不能足以驱动MCS-51单片机工作。
因此，我们只需要将电平转换为TTL电平，就可以用MCS-51单片机来数脉冲的方式，计算出脉冲信号的频率，从而得到数显表所需要的耗气量显示数据。
但是，为了得到更好的效果和可靠性，我还将电平转换后的脉冲进行整形，然后再传输给单片机。
但是，本处理方案中用了三个整形电路来整形是因为，74HC14中集成了6个整形单元，此电路和AK-4传感器的处理电路中各用了三个。
这样不仅可以保证得到好的效果，还充分利用了硬件资源。
③方案比较
通过以上两种方案的比较，可以很明显看到，方案二的设计更好一些。
因为它是充分利用了所要处理的信号的特性，简单方便的得到了我们所需要的信号。
这不仅可以节省硬件资源，还使运行的可靠性有所提高。
因此，我选用方案二来作为系统的最终解决方案。
3.1.3.2AK-4气压传感器的信号处理电路
⑴设计原理
AK-4型压力传感器主要用途：
它适用于各种动静态，气、液体介质的压力测量、控制
AK-4型压力传感器特点：
★具有零点、灵敏度调整功能，标准电压、电流信号输出
★精度高，性能稳定可靠，结构紧凑、安装使用方便
★根据用户要求可提供各种螺纹接口
★AK-4a:
普通型铝外壳
AK-4b:
不锈钢外壳
AK-4c:
密封型，全O圈密封，隔潮；全不锈钢结构，防腐
AK-4F:
数显压力变送器，31/2数码显示，直接显示压力数值，并具有变送功能
AK-4型压力传感器的主要技术指标:
技术指标
技术参数
单位
量程
0-0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,15,20,25,30,
40,50,60,100
MPa
输出信号
0-5，1-5
V
4-20，0-10
mA
精度
0.2
0.3
0.5
%FS
非线性
0.2
0.3
0.5
%FS
迟滞
0.2
0.3
0.5
%FS
重复性
0.2
0.3
0.5
%FS
供桥电压
±6，12，24
VDC
绝缘电阻
≥100
MΩ
工作温度
-10至+50
℃
零点偏移
0.2
0.3
0.5
%FS/4h
热零点偏移
0.2
0.3
0.5
%FS/10℃
热灵敏度偏移
0.2
0.3
0.5
%FS/10℃
允许过负荷
120
%FS
接线方式
插座：
1、电源（+）；2、输出（+）3、输出（-）；4电源（-）。
导线连接方式见合格证书
⑵具体电路的设计
这个部分为一个电流－电压变换器是两个方案中相同的部分。
与前一个信号处理电路相同的道理，AK-4气压传感器的输出信号为幅值型的电流信号，也不是A/D转换器所需要的形式。
因此，在A/D转换之前，也要把传感器的信号进行一下处理。
1方案一的设计
方案一的具体设计为一个精确度很高的电流－电压转换器，如下图所示：
电流－电压变换器
上图所示的电流－电压变换器，采用高输入阻抗的运放，对于微电流有较高的灵敏度，它只需10mA电流就能得到5V电压输出。
图中，输入极CH3130本身输入阻抗极高，加上因同相输入端和反相输入端均处于零电位，进一步见效了漏电流。
如果对输入端接线工艺处理得好，其漏电流可以小于1pA。
第二极CH3134接成100倍反相放大器。
根据输入电流的极性，一方面产生反相的电压输出，一方面提供负反馈，保证有稳定的变换系数。
本毕业设计所选用的AK-4气压传感器的输出信号为4～20mA的电流幅值信号。
因此，为了满足ADC0809的输入信号要求，只需将信号转换成电压信号后，再放大250倍左右即可。
所以，得出的各个元件的参数如上图所示。
2案二的具体设计
方案二的设计方案如下图所示：
方案二电路原理图
根据AK-4气压传感器的输出信号为0～10mA的电流，那么，将它的输出端并接在一个500欧姆的电阻上，就可以得到0～5V的电压信号了。
由于AK-4气压传感器的输出线性很好，所以这样得到的电压信号完全可以很好的传递传感器得到的信息。
这个电压信号经过采样电压跟随器，被传送到一个RC滤波网络，最后得到一个稳定可靠的数据信号。
它的输出要传送到ADC0809做A/D转换，来换算成要显示的气压信息。
3.1.3.3冲击频率信号测量电路设计
对冲击频率数据测量电路的设计如下图所示：
冲击频率测量电路原理图
在这两个方案中，这部分是几乎一样的。
稍有区别的地方就是，在方案一中，电流－电压转换器已经将信号进行了放大处理，因此直接去与比较器连接来得到气压的脉动信号；在方案二中则是从并有传感器信号的电阻上进行电压采样，然后才去跟比较器比较，来得到气压的脉动信号。
但是，方案二最后传送到单片机之前，又做了整形，使得信号有更好的有效性。
综合以上的设计分析和比较，整体上来说，方案二要较方案一更加系统化，有很好的连贯性，而且硬件的效率比较高，分配比较合理。
因此，我选择了方案二的设计方案作为最终的解决方案。
3.1.4A/D转换电路的设
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