計算機控制技術課程設計--流速自動采集及顯示器設計

1、<p>　　計 算 機 控 制 技 術</p><p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　設計題目： 流速自動采集及顯示器設計 </p><p>　　設計人姓名： </p><p>　　設計人學號：

2、 </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　2014年6月份</b></p><p>　　流速自動采集及顯示器設計</p&g

3、t;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量速度的場合，測量速度的方法分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式采用測速發(fā)電機為檢測元件，得到的信號是模擬量。數(shù)字式通常采用光電編碼器，傳感元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號。隨著微型計算機的廣泛應用，特別是高性能價格比的單片機的出現(xiàn)，流速測量很多采用以單片機為核心的數(shù)字式測量方法<

4、/p><p>　　本設計主要是一種基于AT89S51單片機平臺，采用光電傳感器與螺旋漿結合測量液體的流速的方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示。硬件系統(tǒng)包括脈沖信號的產(chǎn)生，光電信號的轉換和處理，把處理后得到的信息送往三片CD4511，再由CD4511驅動陰極LED顯示器進行數(shù)字顯示屏顯示。并采用匯編語言進行編程。其優(yōu)點硬件是電路簡單，軟件功能完善，測量速度快、精度高、控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等特點。</p><

5、;p>　　關鍵詞：流速，光電轉換，單片機，按鍵控制，LED顯示。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 任務簡介……………………………………………………………………………………4</p><p>　　1.1設計任務及要求…………………………………………………………………………4</p><

6、p>　　1.2應用領域…………………………………………………………………………………4</p><p>　　二 設計分析……………………………………………………………………………………4</p><p>　　2.1模擬測量電路分析………………………………………………………………………1</p><p>　　三 硬件設計………………………………………………………

7、……………………………7</p><p>　　3.1硬件結構框圖……………………………………………………………………………7</p><p>　　3.2轉速測量與脈沖產(chǎn)生原理………………………………………………………………7</p><p>　　3.3各模塊電路原理…………………………………………………………………………7</p><p>　

8、　四 軟件設計……………………………………………………………………………………9</p><p>　　3.1程序流程圖………………………………………………………………………………9</p><p>　　3.2各模塊代碼………………………………………………………………………………10</p><p>　　五 結語…………………………………………………………………………

9、………………13</p><p>　　六 參考文獻……………………………………………………………………………………14</p><p><b>　　一、任務簡介</b></p><p>　　1.1設計任務及要求</p><p>　　用51系列單片機作主控制器結合流速傳感器、脈沖整形電路組成一個低流速采集、顯示系統(tǒng)，采用三

10、位LED顯示器?？稍黾由稀⑾孪逌貓缶δ?，當實測流速超過其限定值，發(fā)出警報。</p><p><b>　　1.2應用領域</b></p><p>　　流速自動采集及顯示器可應用于對河水流速的監(jiān)測，水電站水流速度的監(jiān)控，還有污水處理廠水流速度的監(jiān)控等。對多個流速自動采集及顯示器采集到的數(shù)據(jù)進行分析可以大致了解各區(qū)域水流速度的大小，進而達到預防緊急事件的發(fā)生及保障人民的生

11、命安全。</p><p><b>　　二、設計分析</b></p><p>　　2.1 模擬量測量電路分析</p><p>　　圖2-1 模擬測量電路結構</p><p>　　圖1-1是整體設計的一個信號傳輸和轉化的框圖，從圖中我們可以看出對信號要進行的一些處理，以及信號的走向。但是，光從圖1-1中我們無法知道信號具體

12、是怎樣經(jīng)過加工和轉變的，下面我們就每一個模塊進行分析。</p><p>　　圖1-2中的傳感器采集到模擬信號，信號傳輸?shù)綀D1-3中的模擬信號放大電路把微弱的電信號進行放大，保證信號的質(zhì)量。再進行A/D轉換。</p><p>　　放大之后的信號，依然是模擬信號，而我們要后面要進行處理的信號是數(shù)字信號，所以接下來我們要把圖1-3模擬信號放大電路放大的模擬信號經(jīng)過圖1-4A/D轉換電路轉換成數(shù)字

13、信號，最后傳送到AT89S51單片機中進行信號處理。</p><p>　　除了信號的產(chǎn)生電路，還有信號的顯示電路，下面就是信號的顯示電路的輸出端。要想顯示所測量的流速的大小，光有數(shù)碼管是不行的，每一個數(shù)碼管還需要一個CD4511譯碼器來驅動，CD4511是一個用于驅動共陰極 LED（數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，有了CD4511譯碼器，從單片機P0口和P2口輸出的數(shù)據(jù)就會編譯成數(shù)碼管顯示數(shù)字所對應的

14、碼。</p><p>　　最后，還要一個復位按鈕，其電路圖如下：</p><p><b>　　三、硬件設計</b></p><p><b>　　3.1硬件結構框圖</b></p><p>　　流速的測量的硬件系統(tǒng)包括單片機系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)框圖如下：</p>&l

15、t;p><b>　　→</b></p><p>　　3.2 轉速測量與脈沖產(chǎn)生原理</p><p>　　在此采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內(nèi)，計取轉速傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉速。設固定的測量時間為Tc（min），計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)m，假定脈沖發(fā)生器每轉輸出p個脈沖，對應被測轉速為N（r/min），則f=pN/60Hz；另在測量時間

16、Tc內(nèi)，計取轉速傳感器輸出的脈沖個數(shù)m應為m=Tcf ，所以，當測得m值時，就可算出實際轉速值：</p><p>　　N=60m/pTc (r/min)</p><p>　　而脈沖產(chǎn)生電路的設計采用了紅外光電傳感器，進行非接觸式檢測。當有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖。系統(tǒng)在光電傳感器

17、收發(fā)端間加入電動機，并在電動機的轉軸上安裝一轉盤。在這個轉盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當轉盤隨著后輪旋轉的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的TTL電平，即可算出輪子即時的轉速。</p><p>　　3.2 各模塊電路原理</p><p>　　1.A/D轉換電路 </p><p&g

18、t;　　A/D0804此種電路接法，測量量程為0-10V,電壓輸入對應0-255的數(shù)字量輸出。轉換結束可以以中斷方式讀取結果，只需將電路中的INTR1接89C51的INT0引腳就可。</p><p>　　ADC0804是八位分辨率的A/D轉換器，完成一次轉換時間為100μs，轉換精度為±LSB.</p><p>　　ADC0804主要的硬件特性如下：</p><

19、;p>　　（1）/CS和/WR有效時，即啟動轉換。</p><p>　　（2）片內(nèi)有可控制的三態(tài)輸出們，由/RD信號控制三態(tài)門的開啟，當/CS和/RD同時有效時，即可讀出轉換結果。</p><p>　?。?）轉換結束時，/INTR端輸出低電平，CPU讀取數(shù)據(jù)時，/INTR端復位，即為高電平。</p><p>　?。?）VCC接5V電源。（5）VIN(+)接模擬

20、輸入電壓。</p><p>　?。?）VIN(-)、AGND、DGND接模擬地和數(shù)字地。（7）D0-D7接數(shù)據(jù)總線。</p><p><b>　　2.LED顯示電路</b></p><p><b>　?。?）數(shù)碼管結構</b></p><p>　　數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構成，通過不同

21、的組合可用來顯示數(shù)字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符號“”及小數(shù)點“”。數(shù)碼管的外型結構如圖（a），（b），（c）所示。</p><p>　　（2）數(shù)碼管工作原理</p><p>　　共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根

22、據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。</p><p>　　共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起，通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅動電路輸出端，當某段驅動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅動電

23、路能提供額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。</p><p><b>　　符號形狀</b></p><p>　　要使數(shù)碼管顯示出相應的數(shù)字或字符必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應的字形編碼。對照附錄二，字型碼各位定義如下：</p><p>　　數(shù)據(jù)線D0與a字段對應，D1字段與b字段對應……，依此類推。如使用共陽極數(shù)碼管

24、，數(shù)據(jù)為0表示對應字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應字段亮。如要顯示“0”，共陽極數(shù)碼管的字型編碼應為：11000000B（即C0H）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應為：00111111B（即3FH）。(數(shù)碼管字型編碼表見附錄二)</p><p>　　LED按外形尺寸分大型和小型之分，小型LED數(shù)碼管一般采用雙列直插式，大型LED數(shù)碼顯示器采用印制板插入式。根據(jù)

25、顯示位數(shù)劃分，可分為一位、雙位、多位LED顯示器。一位LED顯示器</p><p>　　LED數(shù)碼管分共陽極和共陰極兩種，對于共陽極LED數(shù)碼管，要使某段亮，則加上低電平，而對于共陰極LED數(shù)碼管，要使某段亮加上高電平。顯然要使某段亮，共陽極和共陰極數(shù)碼管上的電平相反 ，與這兩種數(shù)碼管相對應，也有兩種譯碼/驅動電路，所以在選擇LED數(shù)碼管時，一定要使用譯碼/驅動電路與之相匹配。LED的驅動方式有靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動

26、兩種方法。就是通常說的LED數(shù)碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。</p><p>　　雙位LED數(shù)碼管是將兩只數(shù)碼管封裝成一體，其特點是結構緊湊、成本較低（與兩只一位LED數(shù)碼管相比）。 LED數(shù)碼管的主要特點是:1、能在低電壓、小電流條件下驅動發(fā)光，能與CMOS、TTL電路兼容。2、發(fā)光響應時間極短（<0.1s），高頻特性好，單色性好，亮度高。3、體積小，重量輕，抗沖擊性能好。4、壽命長，使用壽命在10

27、萬小時以上，甚至可達100萬小時，且成本低。</p><p>　　3.顯示譯碼器CD4511</p><p>　　CD4511是一個用于驅動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，特點如下：</p><p>　　具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED顯示器。其引管腳圖如下圖所示：&l

28、t;/p><p>　　引腳功能： BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼</p><p>　　管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀</p><p>　　態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 </p>

29、<p>　　LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，</p><p>　　譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。</p><p>　　A1~A4：為8421BCD碼輸入端。 </p><p>　　a~g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。</p><p>　　CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入

30、端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。、</p><p>　　4.單片機AT89S51</p><p>　　AT89S51/LS51(圖2-5)具有如下特性：</p><p>　　--片內(nèi)程序存儲器含有4KB的Flash存儲器，允許在線編程，檫寫周期可達1000次；</p><p>　　--片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)含128字節(jié)的RAM；</p&

31、gt;<p>　　--I/O口具有32根可編程I/O線；</p><p>　　--具有兩個16位I/O線；</p><p>　　--中斷系統(tǒng)具有6個中斷源、5個終端矢量、2個中斷優(yōu)先級的中斷結構；</p><p>　　--串行口是一個全雙工的串行通信口；</p><p>　　--具有兩個數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1；</

32、p><p>　　--低功耗節(jié)電模式有節(jié)電模式和掉電模式；</p><p>　　--包含3級程序鎖定位；</p><p>　　--AT89S51的電源電壓為4.0-5.5V，AT89LS51的電源電壓為2.7-4.0V；</p><p>　　--振蕩器頻率0-33MHz（AT89S51），0-16MHz(AT89LS51) ；</p>

33、<p>　　--具有片內(nèi)看門狗定時器；</p><p>　　--靈活的在線片內(nèi)編程模式（字節(jié)和頁編程模式）；</p><p>　　--具有斷電標志模式POF；</p><p><b>　　兼容性方面：</b></p><p>　　向下完全兼容51 全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51 等等早期MCS-51

34、 兼容產(chǎn)品。也就是說所有教科書、網(wǎng)絡教程上的程序（不論教科書上采用的單片機是8051 還是89C51 還是MCS-51 等等），在89S51 上一樣可以照常運行，這就是所謂的向下兼容。</p><p><b>　　四、軟件設計</b></p><p><b>　　4.1程序流程圖</b></p><p><b>

35、　　4.2各模塊代碼</b></p><p>　　（1）定時計數(shù)器模塊</p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　RESET: AJMP MAIN</p><p>　　ORG 000BH</p><p>　　AJMP IT0P</p><p>　　ORG

36、 0100H</p><p>　　MAIN: MOV SP,#60H</p><p>　　MOV B,#64H</p><p>　　MOV TMOD,#0D1H</p><p>　　MOV TL0,#0B0H</p><p>　　MOV TH0,#3CH</p><p><b

37、>　　SETB ET0</b></p><p><b>　　SETB EA</b></p><p><b>　　SETB TR0</b></p><p>　　MOV TL1,#0FFH</p><p>　　MOV TH1,#0FFH</p><p>

38、;<b>　　SETB TR1</b></p><p>　　HERE: SJMP HERE</p><p>　　IT0P: MOV TL0,#0B0H</p><p>　　MOV TH0,#3CH</p><p>　　DJNZ B,RTURN</p><p><b>　

39、　CLR TR1</b></p><p>　　MOV R6,TL1</p><p>　　MOV R7,TH1</p><p><b>　　CLR TR0</b></p><p><b>　　SETB F0</b></p><p>　　JMP M_DAT

40、A</p><p>　　RTURN: RETI</p><p>　?。?） 數(shù)據(jù)轉換模塊</p><p>　　;乘法(R3R4R5)=(R7R6)*#2</p><p><b>　　M_DATA:</b></p><p>　　MOV R6,#23H</p><p>　　

41、MOV R7,#01H</p><p><b>　　MOV B,R6</b></p><p><b>　　MOV A,#2</b></p><p><b>　　MUL AB</b></p><p><b>　　MOV R5,A</b></p>

42、<p><b>　　MOV R4,B</b></p><p><b>　　MOV R3,#0</b></p><p><b>　　MOV A,R7</b></p><p><b>　　MOV B,#2</b></p><p><b>

43、　　MUL AB</b></p><p><b>　　ADD A,R4</b></p><p><b>　　MOV R4,A</b></p><p><b>　　MOV A,R3</b></p><p><b>　　ADDC A,B</b>&l

44、t;/p><p><b>　　MOV R3,A</b></p><p>　　;除法（R4R5）=(R3R4R5)/#5</p><p><b>　　DV31:</b></p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　MO

45、V A,R3</b></p><p><b>　　MOV R0,#5</b></p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　JC DV30</b></p><p>　　SETB OV ;商溢出</p><p&

46、gt;<b>　　DV30:</b></p><p>　　MOV R2,#10H;求R3R4R5／R0－→R4R5</p><p><b>　　DM23:</b></p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　MOV A,R5</b

47、></p><p><b>　　RLC A</b></p><p><b>　　MOV R5,A</b></p><p><b>　　MOV A,R4</b></p><p><b>　　RLC A</b></p><p>&

48、lt;b>　　MOV R4,A</b></p><p><b>　　MOV A,R3</b></p><p><b>　　RLC A</b></p><p><b>　　MOV R3,A</b></p><p><b>　　MOV F0,C</

49、b></p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　ANL C,/F0</b></p><p><b>　　JC DM24</b></p><p

50、><b>　　MOV R3,A</b></p><p><b>　　INC R5</b></p><p><b>　　DM24:</b></p><p>　　DJNZ R2,DM23</p><p>　　MOV A,R3 ;四舍五入</p><p>

51、;<b>　　ADD A,R3</b></p><p><b>　　JC DM25</b></p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　JC DM26</b></p><p><b>　　DM25:<

52、/b></p><p><b>　　INC R5</b></p><p><b>　　MOV A,R5</b></p><p><b>　　JNZ DM26</b></p><p><b>　　INC R4</b></p><p&

53、gt;<b>　　DM26:</b></p><p><b>　　CLR OV</b></p><p>　　;商在R4R5中;加法(R4R5)+#2→(R4R5)</p><p><b>　　MOV A,#2</b></p><p><b>　　ADD A,R5<

54、;/b></p><p><b>　　MOV R5,A</b></p><p><b>　　CLR A</b></p><p><b>　　ADDC A,#0</b></p><p><b>　　ADD A,R4 </b></p>&l

55、t;p><b>　　MOV R4,A</b></p><p><b>　?。?）顯示模塊 </b></p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 0030H</p><p><b>

56、;　　MAIN:</b></p><p>　　除法（R4R5）=(R3R4R5)/#5</p><p><b>　　DV31:</b></p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　MOV A,R3</b></p><

57、;p><b>　　MOV R0,#5</b></p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　JC DV30</b></p><p>　　SETB OV ;商溢出</p><p><b>　　DV30:</b>&l

58、t;/p><p>　　MOV R2,#10H;求R3R4R5／R0－→R4R5</p><p><b>　　DM23:</b></p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　MOV A,R5</b></p><p><b&

59、gt;　　RLC A</b></p><p><b>　　MOV R5,A</b></p><p><b>　　MOV A,R4</b></p><p><b>　　RLC A</b></p><p><b>　　MOV R4,A</b><

60、;/p><p><b>　　MOV A,R3</b></p><p><b>　　RLC A</b></p><p><b>　　MOV R3,A</b></p><p><b>　　MOV F0,C</b></p><p><b

61、>　　CLR C</b></p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　ANL C,/F0</b></p><p><b>　　JC DM24</b></p><p><b>　　MOV R3,A</b&g

62、t;</p><p><b>　　INC R5</b></p><p><b>　　DM24:</b></p><p>　　DJNZ R2,DM23</p><p>　　MOV A,R3 ;四舍五入</p><p><b>　　ADD A,R3</b>&

63、lt;/p><p><b>　　JC DM25</b></p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　JC DM26</b></p><p><b>　　DM25:</b></p><p><

64、b>　　INC R5</b></p><p><b>　　MOV A,R5</b></p><p><b>　　JNZ DM26</b></p><p><b>　　INC R4</b></p><p><b>　　五、總結</b><

65、;/p><p>　　《計算機控制技術》做為專業(yè)主干課安排在大三的下半學期，不得不讓我認識到了它的重要性。作為一名自動化專業(yè)的學生，《計算機控制技術》的重要性更是明顯。伴隨著文化課的結束，課程設計也告一段落。在一個學期的文化課程學習和課程設計操作過程中，我體會頗多、收獲頗多。</p><p>　　一、首先不得不說的是態(tài)度。其實最開始我對此次課程設計是持無所謂的態(tài)度，不所謂重要，也不所謂學習。在大

66、學三年的學習生活中這已經(jīng)不是第一次做課程設計了。在我的印象中這不過是一個過場罷了，并沒有文化課的學習重要。最后事實證明我的這個想法是極端錯誤的。我們組的課程設計的題目是《流速自動采集及顯示器設計》，剛拿到題目的時候我們根本就不知道從何下手，文化課畢竟只是文化課，或許有必須要用到的知識，但是并不是一層不變的照搬。</p><p>　　二、其次不得不說的是分組。我很慶幸能和本組的同學在一起來做這次的課程設計。中國有句

67、古話叫做近朱者赤、近墨者黑。我未必同意后者，但這次課程設計讓我深深的理解了前者。其實首先在題目的選擇上我們出現(xiàn)過分歧，因為同學們每個人學習的情況不一樣，所謂術業(yè)有專攻。但是在本著本組人員的實際情況和想挑戰(zhàn)自己的想法，我們很快達成一致，最終敲定《流速自動采集及顯示器設計》這個題目。</p><p>　　有人說幾個人在一起做一件事情其實并沒有分開來每個人干一件事情的效率高。我對這個看法持不確定的態(tài)度，一根筷子和一把筷

68、子的故事的道理大家都知道。 </p><p>　　幾個人在一起要有很好的效率就必須要有明確的分工，同時也要有一個優(yōu)秀的領導，他能很好的了解每個組員的實際情況，然后根據(jù)課程設計要求和組員實際情況分配合適的任務。我們很幸運遇到了很好組員的同時也遇到了一個很好的老師。</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　1

69、、《單片機中級教程－原理與應用》 主編：張俊漠 北京航空航天大學出版社2002</p><p>　　2、《單片機原理及其應用（第二版）》 主編：張剛毅、彭喜元、彭宇 高等教育出版社2010</p><p>　　3、《微型計算機控制技術（第二版）》 主編：于海生、丁海軍等 清華大學出版社2010</p><p><b>　　附錄一：總