基于單片機(jī)的超聲波流量計(jì)

1、-. z基于單片機(jī)的超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)摘要：超生波的流量檢測是根據(jù)超聲波在流動的流體中傳播的過程中會載有流體的流速信息這一原理，通過簡便、可靠的信號處理方法，把這個流速信息轉(zhuǎn)換成流量信息。本文詳細(xì)介紹了超聲波流量檢測技術(shù)的根本原理和實(shí)現(xiàn)方法，在借鑒和吸收國外先進(jìn)的超聲波流量檢測技術(shù)的根底上，設(shè)計(jì)出了完整的系統(tǒng)硬件，并且給出了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想。超聲波流量計(jì)由于具有非接觸式測量、測量圍寬、安裝簡便、以及特別適合大管徑及危險性流體流量測量等優(yōu)點(diǎn)，被水利、電力、冶金、選礦、選煤等部門廣泛應(yīng)用,經(jīng)常需要準(zhǔn)確計(jì)量和控制液體的流速和流量。測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計(jì)或流量表，它是工業(yè)測量中重要的儀表之一

2、。超聲波流量計(jì)與以往傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的節(jié)能型流量計(jì)。目前應(yīng)用較多的超聲波流量計(jì)測量方法主要有時差法、多普勒效應(yīng)法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，其中時差法應(yīng)用最為普遍。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89S51為主控芯片，通過對超聲波的深入研究，利用時差法實(shí)現(xiàn)了對流量的測量，另外本設(shè)計(jì)通過對系統(tǒng)軟硬件的合理設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。關(guān)鍵字：單片機(jī)，AT89S51，超聲波，流量計(jì)，時差法Ultrasonic flow meter based on the design of single chipAbstract：The ultrasonic flow measurem

3、ent technologys operating theory is that when ultrasonic pass the liquid, it carries out the signal reflecting the liquids flow velocity, and then, the signal will be used to pute the flow. The paper introduces basic principle and realizing method of the ultrasonic flow measurement technology. On ba

4、sis of absorbing and referring to the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, the system hardware is designed and the idea of the system software is given. Ultrasonic flowmeter has been widely used in waterworks, electricity, metallurgy and mineral processing in virtue

5、of its many advantages, such as non-contact, wide measurement scope, convenience of installation, especially acceptable for measurement of large flow and flow in dangerous environment.It often requires precise measurement and control of liquid flow rate and flow. Measurement of fluid flow meter or i

6、nstrument referred to as flow meter, which is an important instrument of industrial measurement one. Ultrasonic flow meter, pared with previous conventional flowmeter has many advantages, is an ideal energy-saving flow meter. Application of more current measurement ultrasonic flowmeter are time diff

7、erence, the Doppler effect method, correlation, noise method, the beam offset law, including the most mon application of time difference. The design for the main chip microcontroller AT89S51, through in-depth study of ultrasound, the use of transit-time flow measurement realized, while the design of

8、 the system through the rational design of hardware and software to improve the system accuracy and system stability.Keywords: microcontroller, AT89S51, ultrasonic, flow meter, transit-time目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc24457 1緒 論 PAGEREF _Toc24457 1 HYPERLINK l _Toc9529 1.1選題依據(jù)及研究意義 PAGEREF _Toc95

9、29 1 HYPERLINK l _Toc466 1.2超聲波的概述 PAGEREF _Toc466 2 HYPERLINK l _Toc5497 超聲波的相關(guān)概念 PAGEREF _Toc5497 2 HYPERLINK l _Toc1756 超聲波的研究開展和應(yīng)用 PAGEREF _Toc1756 2 HYPERLINK l _Toc29594 1.3流量計(jì)概述 PAGEREF _Toc29594 3 HYPERLINK l _Toc22750 流量的定義 PAGEREF _Toc22750 3 HYPERLINK l _Toc7174 1.3.2超聲波流量計(jì)的原理與分類 PAGEREF

10、_Toc7174 3 HYPERLINK l _Toc22881 1.3.3 流量的測量儀器 PAGEREF _Toc22881 6 HYPERLINK l _Toc11719 1.3.4 流量計(jì)的開展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc11719 7 HYPERLINK l _Toc26725 1.4本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及研究容 PAGEREF _Toc26725 8 HYPERLINK l _Toc14731 2 超聲波流量計(jì)的總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14731 9 HYPERLINK l _Toc2499 2.1 傳感器概述及其特性 PAGEREF _Toc2499 9 HYPERLIN

11、K l _Toc14860 2.2超聲波換能器概述 PAGEREF _Toc14860 9 HYPERLINK l _Toc17037 2.2.1 超聲波換能器能量轉(zhuǎn)換原理 PAGEREF _Toc17037 9 HYPERLINK l _Toc10342 2.2.2超聲波換能器的簡介及主要性能指標(biāo) PAGEREF _Toc10342 10 HYPERLINK l _Toc22137 2.3 超聲波換能器的選擇及設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc22137 11 HYPERLINK l _Toc21595 2.3.1超聲波換能器的主要參數(shù) PAGEREF _Toc21595 11 HYPERLIN

12、K l _Toc3481 2.3.2超聲波換能器的安裝方式及選擇 PAGEREF _Toc3481 12 HYPERLINK l _Toc10145 2.4 流量計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖 PAGEREF _Toc10145 13 HYPERLINK l _Toc11508 3 超聲波流量計(jì)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc11508 14 HYPERLINK l _Toc29862 3.1單片機(jī)系統(tǒng) PAGEREF _Toc29862 14 HYPERLINK l _Toc24762 單片機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc24762 14 HYPERLINK l _Toc13427 單片機(jī)簡介 PAGE

13、REF _Toc13427 15 HYPERLINK l _Toc3357 3.2顯示電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc3357 17 HYPERLINK l _Toc29837 顯示器的構(gòu)造和原理 PAGEREF _Toc29837 17 HYPERLINK l _Toc25383 共陰極LED構(gòu)造及顯示原理 PAGEREF _Toc25383 18 HYPERLINK l _Toc32010 3.3按鍵調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc32010 19 HYPERLINK l _Toc16638 3.4超聲波收發(fā)電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc16638 21 HYPERLIN

14、K l _Toc14393 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14393 21 HYPERLINK l _Toc24943 3.4.2 超聲波接收電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24943 23 HYPERLINK l _Toc28807 3.5電源電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc28807 24 HYPERLINK l _Toc15551 3.6報警電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc15551 24 HYPERLINK l _Toc24200 4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24200 25 HYPERLINK l _Toc19726 4.1軟件設(shè)計(jì)概述 P

15、AGEREF _Toc19726 25 HYPERLINK l _Toc4171 4.2編程語言的選用 PAGEREF _Toc4171 26 HYPERLINK l _Toc15061 4.3主要功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc15061 26 HYPERLINK l _Toc15466 4.3.1主函數(shù)main PAGEREF _Toc15466 26 HYPERLINK l _Toc23103 4.3.2 超聲波時差讀取函數(shù) PAGEREF _Toc23103 27 HYPERLINK l _Toc26225 4.3.3 顯示函數(shù) PAGEREF _Toc26225 28 HYP

16、ERLINK l _Toc26742 4.3.4 按鍵處理函數(shù) PAGEREF _Toc26742 28 HYPERLINK l _Toc10123 4.4系統(tǒng)流程圖 PAGEREF _Toc10123 30 HYPERLINK l _Toc12306 5 系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc12306 32 HYPERLINK l _Toc17819 結(jié) 論 PAGEREF _Toc17819 35 HYPERLINK l _Toc13904 致 PAGEREF _Toc13904 36 HYPERLINK l _Toc21554 參 考 文 獻(xiàn) PAGEREF _Toc21554 37 HY

17、PERLINK l _Toc24254 附 件 一：超聲波流量計(jì)的程序 PAGEREF _Toc24254 38 HYPERLINK l _Toc13810 附 件 二系統(tǒng)總原理圖 PAGEREF _Toc13810 45-. z1緒 論1.1選題依據(jù)及研究意義流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成局部之一，它與國民經(jīng)濟(jì)、國防建立、科學(xué)研究有密切的關(guān)系。做好這一工作，對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的開展都具有重要的作用。特別是再生能源危機(jī)、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度愈來愈高的當(dāng)今時代，流量計(jì)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用更加明顯。流量測量技術(shù)和儀表類型繁多，測量對象復(fù)雜多樣，決定了流量測量儀表在應(yīng)用技術(shù)上

18、的復(fù)雜性。它與傳統(tǒng)意義上度量衡計(jì)量器具的應(yīng)用有很大差異，它不是簡單地將流量計(jì)安裝好，開表投運(yùn)就一定能到達(dá)測量目的。有兩位專家對現(xiàn)場裝用著的千余臺流量儀表進(jìn)展調(diào)查，發(fā)現(xiàn)約有60%所選擇的測量方法不是最適宜或不正確的，其余的40%中，約有一半雖然測量方法適宜，卻存在現(xiàn)場布置和安裝的不合理現(xiàn)象，這些不適宜、不正確和不合理，帶來了相應(yīng)地測量誤差。因此，流量測量是一種強(qiáng)烈依賴于使用條件的測量，在實(shí)驗(yàn)室，流量計(jì)可以得到極高地準(zhǔn)確度，但是在使用現(xiàn)場，一旦流體條件或環(huán)境條件有大的變化，不僅準(zhǔn)確度無法保證，甚至無法進(jìn)展正常測量。超聲波流量計(jì)的產(chǎn)生就防止了這很多問題，對流量測量有著深遠(yuǎn)的影響和重大意義。目前，興旺

19、國家的超聲波多普勒流量計(jì)開展較快，主要表達(dá)在微機(jī)軟件的開發(fā)應(yīng)用、測量技術(shù)的提高和綜合技術(shù)應(yīng)用等方面。以美國Controlotron公司和Ploysonics公司為代表的產(chǎn)品較多的用數(shù)字信號處理技術(shù)，如同步調(diào)制和FFT技術(shù)，他們廣泛的采用以DSP為核心的數(shù)字處理電路，從而能夠更實(shí)時的處理超聲波信號，同時能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的算法，如Ploysonics公司的DDF3088型是該公司的新一代全數(shù)字化便攜式多普勒流量計(jì)，它采用了數(shù)字濾波和數(shù)字頻譜分析技術(shù)，能自動識別多普勒信號與噪聲信號，抗干擾能力強(qiáng)，采用了高分辨率的液晶顯示，可以現(xiàn)場對信號進(jìn)展多普勒分析。儀表的整體性能在不斷提高，應(yīng)用圍也在不斷擴(kuò)大，在

20、儲存、顯示和輸出等方面也有新的開展。在國，超聲波多普勒流量測量近年來無論是在數(shù)學(xué)模型還是在信號處理方法上都取得了一定的進(jìn)展，但總的來說這些進(jìn)展主要局限于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，工業(yè)超聲波多普勒管道流量測量的研究水平不高，導(dǎo)致現(xiàn)有工業(yè)管道用超聲波多普勒流量計(jì)的性能普遍不高，相比擬時差式超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)等其它流量計(jì)而言精度比擬低。這些缺點(diǎn)極大限制了超聲波多普勒流量計(jì)的推廣和使用。目前，超聲波多普勒量計(jì)一般只在一些特殊場合下使用，比方便攜式測量、明渠流量測量、超大管徑流量測量等。一些興旺國家在單片機(jī)新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用上，已積累了經(jīng)歷，奠定了根底，進(jìn)入了國際市場。我國在新型測控裝

21、置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)歷上，有一定的根底，與其它興旺國家相比還存在距離。但是，我國的科研人員能夠克制很多的困難，有望在相關(guān)領(lǐng)域能夠趕上甚至超過興旺國家的技術(shù)水平，這是趨勢。時差法的關(guān)鍵是對于時間測量的高精度，近幾年來，隨著集成電路的高速開展，高速時間計(jì)數(shù)處理芯片不斷出現(xiàn)，使得超短時間的測量精度變得可能，這也對時差法超聲波流量計(jì)的開展產(chǎn)生了極大的推動。1.2超聲波的概述超聲波的相關(guān)概念我們生活的世界充滿了各種聲信號，人們可聽到的聲音頻率為20Hz一20KHz，即為可聽聲波，超出此頻率圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波；頻率高于人類聽覺上限頻率(約20KHz)的聲波，稱為超聲波，或稱

22、超聲。聲波的速度越高，越與光學(xué)的*些特性如反射定律、折射定律相似。超聲波是一種機(jī)械波，它方向性好、穿透力強(qiáng)，遇到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著的反射。超聲波用于流體和氣體的流速測量有許多優(yōu)點(diǎn)。和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計(jì)量精度高、對管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、非接觸流體、使用方便、易于數(shù)字化等。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比擬，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播

23、，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性當(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在一樣強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同，一般分為橫波、縱波和外表波。質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波，稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播；質(zhì)點(diǎn)的振動方向與傳播方向相垂直的波，稱為橫波，它只能在固體中傳播；質(zhì)點(diǎn)的振動介于縱波和橫波之間，沿著外表傳播，振幅隨著深度的增加而迅速地衰減，稱為外表波，外表波只在固體地

24、外表傳播。超聲波的研究開展和應(yīng)用超聲波的研究和開展與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。1883年Galton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機(jī)械型超聲換能器。由于這類換能器本錢低，所以經(jīng)過不斷改良，至今仍廣泛地用于對流體媒質(zhì)的超聲處理技術(shù)中。超聲波流量計(jì)在工業(yè)中的應(yīng)用包括氣體、液體以及固體物質(zhì)流量的測量，其測量圍對大多數(shù)液相介質(zhì)而言，流速從每秒幾厘米到每秒十幾米，管徑從小于1厘米到幾米，工作溫度從低溫如液態(tài)氧、液化天然氣到上千度的高溫，允許工作壓力從接近真空到幾百個大氣壓，其響應(yīng)時間從幾個

25、毫秒引擎控制到24小時監(jiān)控管道流量，在醫(yī)學(xué)上可以測量血管流量，還可以用于江河流量和敞開水道流量的測量。20世紀(jì)初，電子學(xué)的開展使人們能利用*些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機(jī)電換能器。1917年，法國物理學(xué)家朗之萬(paulLangevin)用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應(yīng)用于水下探測潛艇。隨著軍事和國民經(jīng)濟(jì)各部門中超聲應(yīng)用的不斷開展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器。材料科學(xué)的開展，使得應(yīng)用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體開展到機(jī)電藕合系數(shù)高、價格低廉、性能良好的壓電瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電

26、薄膜(PVDF)等。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴(kuò)大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、外表波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型外表波都己成功地用于雷達(dá)、電子通信和成像技術(shù)等方面。1.3流量計(jì)概述流量的定義流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中需要進(jìn)展調(diào)節(jié)和控制的一項(xiàng)重要的物理參數(shù)。它對提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)本錢、合理利用能源和節(jié)約能源具有重大的意義。因此，對流量的測量越來越受到重視。在流體的流動中，具有*一定面積的截面，把流過該截面的體積或質(zhì)量與時間之比稱為流量。用流體流過的體積與時間之比來表示流量時，稱為體積流量(或容積流量)。用流體流過的質(zhì)量與時間

27、之比來表示流量時，稱為質(zhì)量流量。這種單位時間的流量叫做瞬時流量，任意時間的累計(jì)體積或累計(jì)質(zhì)量的總和稱為累計(jì)流量，也叫總流量。流量測量的開展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計(jì)的理論根底，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測量的許多類型儀表的雛形開場形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計(jì)等。20世紀(jì)由于過程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速

28、開展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍開展極推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計(jì)投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。本課題所述超聲波流量計(jì)由其工作原理可知它是測量單位時間流過截面體積的流量計(jì)，故屬于體積流量計(jì)疇。1.3.2超聲波流量計(jì)的原理與分類超聲波流量計(jì)按測量原理來分，可以具有多種不同的形式。依據(jù)的原理有：傳播速度差法、波束偏移法、多普勒法、噪聲法、漩渦法、相關(guān)法等。(1)傳播速度差法根據(jù)超聲波在流動的流體中，順流傳播的時間與逆流傳播的時間之差與被測流體的流速有關(guān)，從而求出流速的方法即為傳播速度差法。按照所測物理量的不同，傳播速度差法可分為時

29、差法、相位差法和頻差法。1)時差法時差法測量原理如圖1.1所示。該測量方法是將流體流動時與靜止時超聲波在流體中傳播的情況進(jìn)展比擬，由于流速不同會使超聲波的傳播速度發(fā)生變化。如靜止流體中聲速為c，流體的流速為甜，當(dāng)聲波的傳播方向與流體的流動方向一致時，其傳播速度為(c+u)，而聲波傳播方向與流動方向相反時，其傳播速度為(c-u)。 L T1 c+u R1 u R2 c-u T2圖1.1 時差法原理如果距離為L的兩處放兩組超聲波發(fā)生器與接收器(T1、Rl、T2、R2)，則當(dāng)T1順方向、T2逆方向發(fā)射超聲波時，分別到達(dá)R1和R2的時間為:t1=(1)t2=(2)由于u2等待接收接收這一過程計(jì)時。最后

30、通過對計(jì)時時間的計(jì)算得出距離值并顯示出來，當(dāng)距離值計(jì)算有誤時顯示ERR。通過以上分析，得出系統(tǒng)框圖，即單片機(jī)控制兩對超聲波收發(fā)器，且兩對收發(fā)器以V型構(gòu)造安裝在管道同側(cè)。由于流體流速的影響，兩對收發(fā)器從發(fā)送到接收的時間是不同的，有t的時差，且時差的大小與流速成比例，只要再知道管道的截面就要以通過t算出液體的體積流量。其框圖如圖2.6。圖中的超聲波信號由NE555輸出的40KHZ方波得到。管道直徑由獨(dú)立式按鍵來調(diào)整。顯示數(shù)碼管由74HC595驅(qū)動。以上設(shè)計(jì)使系統(tǒng)保存了大量的部資源及處理時間，可以花費(fèi)更多的精力來提高測量精度。單片機(jī)AT89S51獨(dú)立式按鍵顯示驅(qū)動報警顯示NE555產(chǎn)生方波超聲波發(fā)送

31、超聲波接收信號放大NE555產(chǎn)生方波超聲波發(fā)送超聲波接收信號放大圖2.6系統(tǒng)構(gòu)造框圖3 超聲波流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)本課題研究的超聲波流量計(jì)采用了時差法測量原理，通過調(diào)研并查閱了國外相關(guān)文獻(xiàn)，分析了幾個廠家的產(chǎn)品，確定了該流量計(jì)的研究。本設(shè)計(jì)的硬件電路主要分為單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路、按鍵調(diào)節(jié)電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路四個局部組成。下面就對每一個局部進(jìn)展介紹。3.1單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)的選擇單片微型計(jì)算機(jī)(簡稱單片機(jī))已廣泛地應(yīng)用在智能儀器儀表、機(jī)電設(shè)備過程控制、自動檢測、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個領(lǐng)域。單片機(jī)自70年代問世以來，以極高的性價比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，開展也很快。單片機(jī)的

32、體積小重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。目前單片機(jī)的產(chǎn)品多達(dá)50多個系列，300多種型號，國單片機(jī)應(yīng)用中常見的有Intel公司的MCS系列，Motorola公司的68HC系列、Philips公司的80C51系列、T工公司的MSP430系列、ATMEL公司的AT89系列、Microchip公司的PIC系列等。單片機(jī)的選擇應(yīng)從多方面考慮:第一，看單片機(jī)是否含有所需的I/O。端口數(shù)目，如果單片機(jī)的I/O端口數(shù)太少，就不可能滿足有關(guān)的功能。如果I/O端口數(shù)太多，就會造成單片機(jī)資源的浪費(fèi);第二，單片機(jī)是否含有所需的外圍端口部件，如果單片機(jī)不含所需的電器部件或

33、不滿足所需的I/O方式，則就無法滿足系統(tǒng)需要;第三，單片機(jī)的CPU是否有適宜的容量，這是一個有關(guān)單片機(jī)的計(jì)算功能的問題。針對應(yīng)用系統(tǒng)的需要，必須認(rèn)真考慮單片機(jī)對系統(tǒng)執(zhí)行控制時的處理能力。如果單片機(jī)的處理能力過強(qiáng)，則浪費(fèi)了單片機(jī)的資源;如果處理能力缺乏，就無常進(jìn)展工作;第四，單片機(jī)的極限性能是否能滿足要求，一個應(yīng)用系統(tǒng)都有其特定的應(yīng)用環(huán)境、功耗和電壓狀態(tài)。必須考慮應(yīng)用系統(tǒng)的使用溫度是否在單片機(jī)的最大溫度圍，使用電壓、電流和功耗是否在單片機(jī)極限指標(biāo)之。如果不是，單片機(jī)就不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的需要;最后，要考慮開發(fā)設(shè)備和產(chǎn)品的本錢，當(dāng)有很多種單片機(jī)滿足以上要求時，則要考慮單片機(jī)的開發(fā)設(shè)備和產(chǎn)品的本錢，選

34、擇性價比高的產(chǎn)品。綜合以上考慮，并結(jié)合系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)選用了ATMEL公司的AT89S51作為控制器。單片機(jī)簡介AT89S51是一種低功耗、高性能的8位微處理器，使用了Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈活的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S51是一款高性價比的單片機(jī)，其突出特點(diǎn)表現(xiàn)在:18K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器，可擦/寫1000次，使得在現(xiàn)場程序調(diào)試和修改更加方便靈活2全靜態(tài)操作:OHz33Hz，加快了指令的執(zhí)行速度3三級加密程序

35、存儲器432個可編程I/O口線，每個口線可以用作輸入，也可以用作輸出5三個16位定時器/計(jì)數(shù)器，使得定時計(jì)數(shù)操作更方便6八個中斷源、六個中斷矢量、兩個優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)7全雙工DART串行通道，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)或其它微機(jī)之間的串行通訊8低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒9片看門狗定時器WDT，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力10雙數(shù)據(jù)指針DPTRO和DPTR1，方便了對片外RAM的訪問過程11掉電標(biāo)識符12ISP在線下載功能。與AT89C51相比，可以節(jié)省昂貴的下載器，直接通過ISP接口下載程序到芯片部，而且更改程序容不用拆卸單片機(jī)。13提供PLCC、PDIP、SOP等多種封裝，可以滿足不同

36、場合使用。本系統(tǒng)采用的封裝形式為PDIP，芯片引腳如圖3.2所示。AT89S51配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式，空閑模式下，CPU暫停工作，RAM定時計(jì)數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作。掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM數(shù)據(jù)，停頓其他功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。它相對89C51，89S51增加了ISP在線編程功能、部看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針，全新的加密算法等功能，但價格根本不變，甚至更低。圖3.1是AT89S51的引腳圖及最小系統(tǒng)原理圖，其引腳功能主要分為四類：1、主電源引腳2根VCC：電源輸入，接5V電源GND：接地線2、外接晶振引腳2根*TAL1：片振蕩電路的輸入端*TA

37、L2：片振蕩電路的輸出端80C51部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路。一般采用在引腳*TALl和*TAL2兩端跨接晶體振蕩器簡稱晶振的方式構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，振蕩器發(fā)出的脈沖直接送入部時鐘電路。外接晶振時，Cl和C2的值通常選擇為30pF左右；Cl、C2對頻率有微調(diào)作用.對于AT89S51,晶振或瓷諧振器的頻率圍可在0MHz35MHz之間選擇。本設(shè)計(jì)中由于為了實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的計(jì)時，并且能更快地響應(yīng)中斷信號，應(yīng)使用盡可能快的晶振。由于市面上很難或不能買到35MHZ的晶振，所以本系統(tǒng)采用了常見的33.1776MHZ晶振。使用時，為了減小寄生電容，更好地保證

38、振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)引腳*TALl和*TAL2靠近。3、控制引腳4根RST/VPP：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：地址鎖存允許信號，在系統(tǒng)擴(kuò)展時，用于控制把P0口的輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。此外由于ALE是以1/6晶振頻率的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。PSEN：外部存儲器讀選通信號，用于實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。EA/VPP：程序存儲器的外部選通，接低電平時從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從部程序存儲器讀指令。4、可編程輸入/輸出引

39、腳32根AT89S51單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別為P0、P1、P2、P3口，每個口有8位8根引腳，共32根。它們均作普通I/O口用，盡管均可做普通I/O口用，但P0P3口的構(gòu)造和驅(qū)動能力各不同，P1，P2，P3是部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向口，不必外接上拉電阻，每個口可帶4個TTL負(fù)載；P0口是開漏構(gòu)造的8位準(zhǔn)雙向口，做普通I/O口時，必須外接上拉電阻，每個口可帶8個TTL負(fù)載。P0，P2口為普通I/O口和總線復(fù)用口，P1的局部和P3口的全部端口具有第二功能。P3口第二功能如下：P3.0 R*D：串行數(shù)據(jù)接收輸入端；P3.1 T*D：串行數(shù)據(jù)發(fā)送輸出端；P3.2：外部中斷0輸入端；P3

40、.3 ：外部中斷1輸出端；P3.4 T0：定時/計(jì)數(shù)器T0的外部輸入端；P3.5 T1：定時/計(jì)數(shù)器T1的外部輸入端；P3.6 ：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通，低電平有效；P3.7 ：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通，低電平有效；圖3.1 AT89S51引腳圖3.2顯示電路的設(shè)計(jì)顯示器的構(gòu)造和原理LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成的，根據(jù)顯示塊發(fā)光二極管的連接方式不同，可分為共陰極和共陽極兩種形式。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，可以接地，也可以用來作逐位掃描控制。當(dāng)一個或幾個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)的段被點(diǎn)亮即顯示。同樣，共陽極LED顯示器的陽極連接在一起，相應(yīng)的也可以實(shí)現(xiàn)顯示。發(fā)光二極管通

41、常需要十幾到幾十毫安的驅(qū)動電流才能正常發(fā)光，因此，由微型機(jī)發(fā)出的顯示信號必須經(jīng)過驅(qū)動電路才能使顯示器正常工作。使不同段的二極管發(fā)光即可構(gòu)成不同的字母和數(shù)字。十六進(jìn)制數(shù)及空白字符與P的顯示段碼如表3.1所示：表3.1 顯示段碼字型共陽極段碼共陰極段碼字型共陽極段碼共陰極段碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHb83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HdA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H共陰極LED構(gòu)造及顯示原理在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用 LED 數(shù)碼管來顯示各種

42、數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。對于多位數(shù)碼管來說，為了簡化線路、降低本錢，往往采用以軟件為主的接口方法，即不使用專門的硬件譯碼器，而采用軟件程序進(jìn)展譯碼。由于各位數(shù)碼管的顯示段碼是互相并聯(lián)的，因此在同一時刻只能顯示同一種字符。對于這種接口電路來說，其顯示方法有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。動態(tài)顯示：如果要在同一時刻顯示不同的字符，從電路上看，這是辦不到的。因此只能利用人眼對視覺的殘留效應(yīng)，采用動態(tài)掃描顯示的方法，逐個地循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，每位顯示1ms左右，使人看起來就好似在同時顯示不同的字符一樣。在進(jìn)展動態(tài)掃描顯示時，往往事先并不知道應(yīng)顯示什么

43、容，這樣也就無從選擇被顯示字符的顯示段碼。為此，一般采用查表的方法，由待顯示的字符通過查表得到其對應(yīng)的顯示段碼。這種方式耗電少、硬件本錢低，但需占用較多的單片機(jī)時間，故在工業(yè)控制中應(yīng)用較少。靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是在同一時刻只顯示1種字符，或者說被顯示的字符在同一時刻是穩(wěn)定不變的。其顯示方法比擬簡單，就是利用鎖存器將各顯示單元鎖定，直到更新顯示容為止。它的優(yōu)點(diǎn)是軟件不必動態(tài)掃描，送出段碼后可鎖存，直到需更改顯示字符，軟件簡單，占用單片機(jī)時間較少，工作可靠，同時由于始終保持顯示所以亮度較好。由于本系統(tǒng)需要對控制信號進(jìn)展實(shí)時操作，故采用靜態(tài)顯示方式以減少單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。為了能盡可能地降低對單片機(jī)

44、的負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)中采用了具有串進(jìn)并出功能的移位存放器74HC595。74HC595是一個具有鎖存和三態(tài)的串并移位存放器，其引腳功能如下：15腳、1腳至7腳：分別對應(yīng)并行輸出數(shù)據(jù)的Q0-Q7；8腳、16腳：分別為數(shù)字GND和VCC，這兩個引腳為芯片提供電源；9腳：數(shù)據(jù)輸出到下一級IC的輸入，用于多芯片級連10腳：輸出使能端，高電平有效。11腳：時鐘輸入端，上升沿讀入數(shù)據(jù)12腳：鎖存端，上升沿時移位存放器中的容裝入選通存儲器中13腳：芯片選通控制，低電平有效14腳：數(shù)據(jù)輸入端在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的串口工作在方式0, 在方式0下，串行口作為同步移位存放器使用。這時用R*DP3.0引腳作為數(shù)據(jù)移位的出口，而

45、由T*DP3.1引腳提供移位脈沖。移位數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以8位為一幀，不設(shè)起始位和停頓位，低位在前高位在后，其幀格式如以下圖3.2所示。D0D1D2D3D4D5D6D7圖3.2 串口方式0數(shù)據(jù)幀格式使用方式0實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位輸入輸出時，實(shí)際上是把串行口變成并行口使用。該設(shè)計(jì)中，P3.0連接第一個74HC595的數(shù)據(jù)輸入，P3.1連接所有74HC595的時鐘，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時，74HC595依靠P3.1發(fā)送的移位脈沖讀取P3.0引腳的數(shù)據(jù)。當(dāng)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，我們通過單片機(jī)的P2.7引腳給鎖存信號一個上升沿信號，則可以把剛剛移入的數(shù)據(jù)顯示出來。74HC595的其它控制信號我們讓它們一直處于有效狀態(tài)即

46、可，其顯示電路如圖3.3所示:圖3.3 顯示電路電路圖3.3按鍵調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤向單片機(jī)系統(tǒng)輸入指令、地址和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型按鈕開關(guān)，平時常態(tài)鍵的兩個觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵時它們才閉合短路，如圖3.4所示。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，按鍵的識別由專用的硬件譯碼實(shí)現(xiàn)，并能產(chǎn)生鍵編號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如BCD碼鍵盤、ASCII碼鍵盤等，而缺少這種鍵盤編碼電路要靠自編軟件識別的稱為非編碼鍵盤。在單片機(jī)組成的電路系統(tǒng)及智能化儀器中，用得更多的是非編碼鍵盤。圖3.4 按鍵輸入與抖動波形(1)鍵盤操

47、作特點(diǎn)在圖3.4中，當(dāng)按鍵S未被按下即斷開時，P1.1輸入為高電平，S閉合后，P1.1輸入為低電平。通常的按鍵所用的開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時，電壓信號波形如圖1b所示。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會馬上斷開，因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動。抖動時間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5ms10ms。這種抖動對于人來說是感覺不到的，但對單片機(jī)來說，則是完全可以感應(yīng)到的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)處理的速度在微秒級。假設(shè)對按鍵不進(jìn)展消抖處理，如通過鍵盤輸入一個1，單片機(jī)程序卻已執(zhí)行了屢次輸入1按鍵處理程序，其結(jié)果是認(rèn)為我們輸入了假設(shè)干個1

48、。(2)按鍵抖動的消除方法鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀屢次，為了確保單片機(jī)對鍵的一次閉合僅做一次處理，必須去除鍵抖動，在鍵閉合穩(wěn)定時取鍵狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再進(jìn)展處理。按鍵的抖動，可用硬件或軟件兩種方法消除。單片機(jī)中常用軟件法。軟件消抖法很簡單，如圖3.4所示，就是在單片機(jī)獲得P1.1口為低的信息后，不是立即認(rèn)定按鍵已被按下，而是延時10ms或更長一些時間后再次檢測P1.1口，如果仍為低，說明S確實(shí)按下了，這實(shí)際上是避開了按鍵按下時的抖動時間。而在檢測到按鍵釋放后P1.1為高再延時5ms10ms，消除后沿的抖動，再對鍵值處理。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，對按鍵的要求也是千差萬別的，要根據(jù)不同的

49、需要編制處理程序，但以上是消除鍵抖動的原則。(3)鍵盤形式分類鍵盤的構(gòu)造形式有兩種：獨(dú)立式鍵盤和行列式鍵盤。圖3.6為獨(dú)立式鍵盤。各按鍵互相獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，各按鍵的狀態(tài)互不影響，這是最簡單的鍵盤構(gòu)造。為了減少鍵盤與單片機(jī)接口時所占用I/O口線的數(shù)目，在鍵數(shù)較多時，通常都將鍵盤排列成行列矩陣式。每一水平線行線與垂直線列線的穿插處不相通，是通過一個按鍵連通的。利用這種行列矩陣構(gòu)造只需N個行線和M個列線即可組成M N個按鍵的鍵盤。圖3.5是4416鍵行列式鍵盤電路。由于單片機(jī)P1口在部已經(jīng)有上拉電阻，根據(jù)使用經(jīng)歷外部上拉電阻可以省掉。圖3.5 4416鍵行列式鍵盤電路在設(shè)計(jì)中，我們默認(rèn)以管

50、道直徑為500mm來計(jì)算流量，但在實(shí)際實(shí)用中，所測管道很可能是其它直徑的管道，所以我們需要一個直徑調(diào)節(jié)功能來修改此值。在此我們采用按鍵調(diào)節(jié)的方式來調(diào)節(jié)。我們設(shè)計(jì)了三個按鍵，分別為方式鍵、加值鍵、減值鍵。當(dāng)方式鍵按下后可以進(jìn)展直徑的調(diào)節(jié)，彈起后進(jìn)入測量模式。加值鍵與減值鍵分別用于調(diào)節(jié)直徑值的增和減。其電路圖如圖3.6。當(dāng)按鍵接P0口時，必須接上拉電阻，接其它IO口時由于單片機(jī)部已有上拉電阻所示無需再接。圖3.6 按鍵調(diào)節(jié)電路3.4超聲波收發(fā)電路的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路是整個檢測系統(tǒng)的重要局部，其設(shè)計(jì)的是否合理和可靠直接影響到后續(xù)的設(shè)計(jì)是否能夠順利進(jìn)展。同時還需要發(fā)射的超聲波具有良

51、好的穩(wěn)定性，即聲功率和波形具有很好的重復(fù)性，這樣的超聲波信號才具有對其進(jìn)展處理的意義。本設(shè)計(jì)中采用了兩套超聲波收發(fā)電路，因工作原理一樣，故在此只介紹其中一組的實(shí)現(xiàn)方式。發(fā)射電路主要由兩局部構(gòu)成，一局部是超聲波產(chǎn)生電路，一局部是信號驅(qū)動電路。本設(shè)計(jì)采用NE555芯片產(chǎn)生40kHz的振蕩方波，用于實(shí)現(xiàn)超聲波的產(chǎn)生，單片機(jī)通過NE555復(fù)位端來控制是否產(chǎn)生超聲波。NE555的第4腳為復(fù)位端，當(dāng)它為高電平時，在NE555的第3腳輸出40KHZ的頻率信號，該信號通過放大驅(qū)動后以超聲波的形式發(fā)送出去；當(dāng)它為低電平時，NE555無方波輸出。1NE555簡介NE555時基集成電路是8腳的數(shù)字集成電路，其實(shí)物與

52、封裝圖見圖3.7，是由21個晶體三極管、4個晶體二極管和16個電阻組成的定時器，有分壓器、比擬器、觸發(fā)器和放電器等功能的電路。它具有本錢低、易使用、適應(yīng)面廣、驅(qū)動電流大和一定的負(fù)載能力等特點(diǎn)。在電子制作中只需經(jīng)過簡單高度，就可以做成多種實(shí)用的各種小電路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三極管。圖3.7 NE555實(shí)物與封裝2NE555的各個引腳功能1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：TL低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳：Rd是直接清零端。當(dāng)Rd端接抵電平時，進(jìn)基電路不工作。由此可以把它用作電路的控制端。5腳：Vc為控制電壓端。假設(shè)此端外接電壓，則可改變部兩個比擬器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入

53、一個0.01uF電容接地，以防止引入干擾。7腳：放電端，該端與放電管集電極相連，勝仗定時器時電容的放電。3NE555時基集成電路的主要參數(shù)電源電壓4.516V ,輸出驅(qū)動電流為200mA，作定時器使用時，定時精度為1%，作振蕩使用時，輸出的脈沖最高頻率可達(dá)500KHZ.在該設(shè)計(jì)中，可按照圖3.8電路中的參數(shù)選擇元器件以實(shí)現(xiàn)40khz的頻率脈沖。借助電腦EDA軟件如PROTEUS、EWB等我們可以觀測到NE555的輸出頻率根本符合設(shè)計(jì)要求，如圖3.9所示。實(shí)際實(shí)用時，由于元器件有一定的誤差，所以可以借助示波器顯示波形，并根據(jù)波形情況相應(yīng)地調(diào)整R42的值，從而得到更加接近40HKZ的輸出。信號驅(qū)動

54、電路主要由反相器74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，NE555輸出端口輸出的40KHz的方波信號一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出采用兩個反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R41和R43一方面可以提高反相器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。發(fā)射局部電路如圖3.8所示。圖3.8 發(fā)射局部電路圖3.9 NE555輸出波形3.4.2 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)考慮到超聲波在途中會有損耗和衰減，當(dāng)超聲波返回以后所接

55、收到的信號是非常的微弱的。為了加強(qiáng)超聲波的回波信號，決定采用三級管對信號進(jìn)展放大，用三個IN9013三級管通過三級放大，使得單片機(jī)可以清楚的接收信號。超聲波接收電路如圖3.10所示。圖3.10 超聲波接收電路3.5電源電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)由5V直流電供電，為了提高超聲波的發(fā)送功率，發(fā)送電路及NE555由V供電。為了得到這兩級電源，可使用變壓器將市電220V變壓成12V左右交流電，然后經(jīng)過橋式整流電路整流得到15V左右直流電，最后進(jìn)三端穩(wěn)壓器LM7809及LM7805穩(wěn)壓后得到+9V和+5V直流電。其電路如圖3.11。圖3.11電源電路3.6報警電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的報警電路由LED發(fā)光管及蜂鳴

56、器構(gòu)成。設(shè)計(jì)中采用紅色LED，蜂鳴器采用微電流型交流式，從而可以用單片機(jī)直接驅(qū)動它們。這樣大大簡化了報警電路的設(shè)計(jì)。其電路圖如3.12所示。由于構(gòu)造簡單，不再贅述。圖3.12報警指示電路4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正常可靠地工作，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開的。本文軟件設(shè)計(jì)采用C語言完成系統(tǒng)的整個流程控制以及數(shù)學(xué)運(yùn)算等工作。4.1軟件設(shè)計(jì)概述軟件與硬件的有機(jī)結(jié)合就像人一樣。如果硬件是人的身體，則軟件就相當(dāng)于人的大腦。硬件電路設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ?，自動化程度的上下，智能

57、實(shí)施控制的能力大小，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，很大程度上取決于功能完善、算法先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)。程序的編制過程需要不斷地修改、調(diào)試、完善，因此構(gòu)造化好，可讀性強(qiáng)的編程風(fēng)格，有助于縮短開發(fā)周期，同時便于日后的維護(hù)和改良。單片機(jī)的應(yīng)用一般都是在工業(yè)現(xiàn)場，其環(huán)境多惡劣。因此，除了在硬件上提高抗干擾能力外，軟件的抗干擾能力，容錯能力也必須強(qiáng)。軟件設(shè)計(jì)可按如下步驟進(jìn)展:(1)分析問題，明確所要解決問題的具體要求，編寫任務(wù)說明書；(2)根據(jù)具體要求，確定軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能；(3)根據(jù)各功能，確定功能模塊，并為每一模塊進(jìn)展接口定義，即輸入、輸出定義。同時規(guī)劃監(jiān)控程序，確定監(jiān)控程序與各功能模塊之間的關(guān)系；(4)確定算法

58、，根據(jù)不同的功能，選擇或設(shè)計(jì)不同的算法。算確與否，直接決定了程序的正確性和能否到達(dá)預(yù)期的目標(biāo)；(5)確定數(shù)據(jù)類型、規(guī)劃數(shù)據(jù)構(gòu)造；(6)分配配資源。列出RAM資源的詳細(xì)分配清單，作為編程依據(jù)；(7)編程及調(diào)試。編制程序時，要根據(jù)算法，首先繪制出流程框圖，有時甚至需要繪制出多級框圖，逐步細(xì)化。編制完了還需要對程序進(jìn)展調(diào)試；(8)程序優(yōu)化。程序優(yōu)化就是通過對源代碼進(jìn)展調(diào)整，到達(dá)縮短程序的長度，加快運(yùn)算速度和節(jié)省數(shù)據(jù)存儲單元的目的。而有時，上述目標(biāo)是相互矛盾的，只能以主要目標(biāo)為主。 (9)燒入程序，現(xiàn)場試運(yùn)行。仿真運(yùn)行正確的程序就可以燒入ROM，去現(xiàn)場試運(yùn)行了。并不是可仿真運(yùn)行的程序在現(xiàn)場都能運(yùn)行或完

59、全正確運(yùn)行。出現(xiàn)錯誤，不僅要考慮軟件，同時還要檢查硬件，充分考慮現(xiàn)場的具體環(huán)境和干擾情況，以期最終解決問題；(10)根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行狀況，修改硬件和軟件，使系統(tǒng)更完善，更可靠。4.2編程語言的選用利用AT89S51系列單片解決具體問題時可以用匯編語言或者C語言來編制程序：(1)匯編語言為程序員提供了直接控制目標(biāo)代碼的手段，而且可以對輸入/輸出端口進(jìn)展控制實(shí)時性能好;此外，匯編語言編寫的程序效率高，節(jié)省存，運(yùn)行速度快。缺乏之處是編程復(fù)雜，程序的可讀性不強(qiáng)。(2) C語言屬于流行的高級語言，是一種構(gòu)造化語言。標(biāo)準(zhǔn)C語言具有代碼效率高、可移植性強(qiáng)、庫函數(shù)豐富、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、可直接操作硬件資源和實(shí)時性強(qiáng)等

60、特點(diǎn)。由于C語言語言簡潔、可移植性好、表達(dá)能力強(qiáng)、方式靈活、可進(jìn)展構(gòu)造化設(shè)計(jì)、可以直接控制計(jì)算機(jī)硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便、有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法等諸多優(yōu)點(diǎn)，況且對于AT89S51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡單，所以控制程序采用C語言編程。編譯器采用Keil uv2。該編譯器是51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用C語言，也支持匯編編譯。同時具有完善的調(diào)試功能。4.3主要功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn)4.3.1主函數(shù)mainC語言程序如果不是工作在多任務(wù)操作系統(tǒng)下，一般都是從主函數(shù)main()開場執(zhí)行。程序的其它函數(shù)中斷函數(shù)除外都是直接或間接由main()函數(shù)所調(diào)用的。本設(shè)計(jì)的主函數(shù)中，上電后系統(tǒng)