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《光電檢測技術(shù)及系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì) ----氣體流速測試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 日 期：2017 年 11 月 21 日 目錄 摘 要 1 引 言 2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1總體框圖： 3 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 主電路 3.2 開關(guān)和電源 4 制作與調(diào)試 4.1 硬件電路的布線與焊接 4.2 調(diào)試 4.3 實(shí)測及誤差分析 測試方案： 測試結(jié)果： 5 結(jié)論 參考文獻(xiàn) 附錄 附錄1: 原理圖 附錄2: 源程序
摘要 在供熱和空氣調(diào)節(jié)中，常需對流體尤其是氣流的速度進(jìn)行測量。通過它，可以了解飛流的流動規(guī)律，也可經(jīng)過一定計(jì)算得到其休積流量、質(zhì)量流盈或動壓等有關(guān)參數(shù)。該氣體流速測試系統(tǒng)以傳感器與單片機(jī)STC12C5A60S2組成的氣體流速測試系統(tǒng)。流速傳感器將采集到的流速數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)再對接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)傳送到LCD1602液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。
1 引 言氣體流速的檢測和控制關(guān)系著產(chǎn)品的性能，是裝置能否安全運(yùn)行的一個重要指標(biāo)，氣體流速對一些大型反應(yīng)裝置起著控制作用，可以通過檢測氣體流速來實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)的控制�？梢姎怏w流速的檢測對人們的重要性，本設(shè)計(jì)就是對氣體流速的測量。氣體流速測試系統(tǒng)以傳感器、單片機(jī)STC12C5A60S2與LCD1602液晶組成的氣體流速測試系統(tǒng)。 2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1總體框圖： 如圖2-1所示，該氣體流速測試系統(tǒng)總共由傳感器、單片機(jī)、顯示模塊組成。傳感器采集數(shù)據(jù)，輸入單片機(jī)內(nèi)部A/D、D/A，將數(shù)據(jù)處理后輸出液晶顯示，存入EEPROM存儲。
2.2流速儀的測量方法
在供熱和空氣調(diào)節(jié)中，常需對流體尤其是氣流的速度進(jìn)行測量。通過它，可以了解飛流的流動規(guī)律，也可經(jīng)過一定計(jì)算得到其休積流量、質(zhì)量流盈或動壓等有關(guān)參數(shù)。 在此要特別指出流速有線流速w與平均流速w之分，如未特殊聲明，流速常指平均流速w。測量風(fēng)速的方法有氣壓法、機(jī)械法與散熱率法。氣壓法是通過測員壓差來側(cè)及流速的。 用機(jī)械方法測量風(fēng)速的儀表有翼式風(fēng)速儀、杯式風(fēng)速儀，流速測算儀，它是利用流動氣體的動壓推動機(jī)械裝置，如圖所示。這兩種均由葉片帶動葉輪回轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與氣流速度成正比�！叭~輪轉(zhuǎn)速通過機(jī)械傳動連接到顯示或計(jì)數(shù)裝置，以顯示其所測風(fēng)速的大小。 散熱率法是利用流速與散熱率成對應(yīng)關(guān)系原理而設(shè)計(jì)的，或測相等散熱暇的時間(卡它溫度計(jì))，或測溫度的變化，或保持原溫度的加熱電流訊的變化(熱線 風(fēng)速儀)來確定其風(fēng)速，這一類方法所測最小流速為0.05-0.5m/s,適宜于低流速測量。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光、超聲波.射流，甚至利用流體 在特定流道條件下產(chǎn)生旋渦均可精確地進(jìn)行測速，但此類儀表儀格昂貴、專業(yè)性強(qiáng)、在實(shí)際推廣中受到限制，故此不及以上介紹的幾種普及。 流速是一個十分重要的控制變量，通過調(diào)節(jié)這一變俄，可使其它過程條件維持所需的值，保證生產(chǎn)定額和產(chǎn)品質(zhì)量，它雖常見，但較難精確測量，一般僅有1-5%精度。
NH-TYJ水文流速測算儀是為試用全國纜道整改技術(shù)要求，統(tǒng)一解決各種轉(zhuǎn)子式流速儀在測桿、測船、纜道測流等環(huán)境條件下流速測算、顯示而研制的新型測算 儀。該儀器由單片機(jī)、液晶顯示屏和多用途流速儀信號接口等電路組成。所有流速信號的抗干擾處理采用相關(guān)流速信號不突變原理，均由軟件技術(shù)完 成。 利用超聲波多普勒原理測量液體流速，利用壓力傳感器測量液位來檢測流量。速度面積模塊是ATEX（歐盟潛在爆炸性環(huán)境指令）認(rèn)證1G設(shè)備（具有非常高的防護(hù)水平） 2.3單片機(jī)STC12C5A60S2 STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。 單片機(jī)STC12C5A60S2不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，內(nèi)部就自帶高達(dá)60K FLASHROM,這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動成果。 1. 增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051； 2. 工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機(jī)）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機(jī)）； 3. 工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0～420MHz； 4. 用戶應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)； 5. 片上集成1280字節(jié)RAM； 6. 通用I/O口（36/40/44個），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個芯片最大不要超過55Ma； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； 8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)； 9. 看門狗； 10. 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時，復(fù)位腳可直接 1K電阻到地）； 11. 外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器，5V單片機(jī)為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為+/-3%； 12. 時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機(jī)為：11MHz～15.5MHz，3.3V單片機(jī)為：8MHz～12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測試為準(zhǔn)； 13. 共4個16位定時器 兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計(jì)數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個16位定時器； 14. 2個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘； 15. 外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)； 16. PWM(2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）： ——也可用來當(dāng)2路D/A使用 ——也可用來再實(shí)現(xiàn)2個定時器——也可用來再實(shí)現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)； 17.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次) 18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口； 19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3)； 
20. 工作溫度范圍：-40 - +85℃(工業(yè)級) / 0 - 75℃(商業(yè)級)21.封裝： PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接 74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴(kuò)展I/O口, 還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。2.4 LCD1602液晶顯示器 LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。1602液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。 市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。 管腳（圖2.4.1）功能： 圖2.4.1 1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中： 第1引腳：GND為電源地 第2引腳：VCC接5V電源正極 第3引腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。 第4引腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。 第5引腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作， 低電平(0)時進(jìn)行寫操作。 第6引腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時讀取信息，負(fù)跳 變時執(zhí)行指令。 第7～14引腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電 源。第15引腳背光正極，第16引腳背光負(fù)極。 特性： 3.3V或5V工作電壓，對比度可調(diào) 內(nèi)含復(fù)位電路 提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能 有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM 內(nèi)建有192個5X7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器CGROM 8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM 特征應(yīng)用 微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。 操作控制 注：關(guān)于E=H脈沖——開始時初始化E為0，然后置E為1。 字符集 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。 在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。因?yàn)镃GROM儲存的字符代碼與我們PC中的字符代碼是基本一致的，因此我們在向DDRAM寫C51字符代碼程序時甚至可以直接用P1=‘A’這樣的方法。PC在編譯時就把'A'先轉(zhuǎn)換為41H代碼了。 CGROM中字符碼與字符字模關(guān)系對照表
字符代碼0x00~0x0F為用戶自定義的字符圖形RAM(對于5X8點(diǎn)陣的字符，可以存放8組，5X10點(diǎn)陣的字符，存放4組)，就是CGRAM了。 0x20～0x7F為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼，0xA0～0xFF為日文字符和希臘文字符，其余字符碼(0x10～0x1F及0x80～0x9F)沒有定義。
3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 主電路如圖3-1所示，整個電路包括流速計(jì)、單片機(jī)、顯示模塊這幾部分。 系統(tǒng)原理是：通過檢測系統(tǒng)中的傳感器采集信號，提取有效信號然后單片機(jī)將模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，同時在顯示模塊中顯示出氣體的流速。
圖3-1 總體電路
3.2 開關(guān)和電源如圖3-2所示，為本電路的開關(guān)和電源設(shè)計(jì)。 圖3-2開關(guān)和電源 4 制作與調(diào)試
4.1 硬件電路的布線與焊接
4.2 調(diào)試為了檢測氣體流速測試系統(tǒng)的可行性，我們做了以下實(shí)驗(yàn)：測試系統(tǒng)主電路板及附屬電源組成。 對不同地方的氣體做出檢測。 4.3 實(shí)測及誤差分析測試方案：第一次在教室內(nèi)測量空氣的流速，第二次在室外測量空氣的流速。 測試結(jié)果：
5 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的氣體流速測試系統(tǒng)能計(jì)算出不同情況下氣體流速。它的應(yīng)用能準(zhǔn)確、高效的反映出當(dāng)前氣體的流速，為一些產(chǎn)品的性能提供保障。氣體流速的檢測和控制關(guān)系著產(chǎn)品的性能，是裝置能否安全運(yùn)行的一個重要指標(biāo)，氣體流速對一些大型反應(yīng)裝置起著控制作用，可以通過檢測氣體流速來實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)的控制。 計(jì)量是生產(chǎn)的眼睛。流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它于國民經(jīng)濟(jì)有著密切的關(guān)系。對氣體流速測量的研究和開發(fā)認(rèn)知，有著廣泛的意義和作用。 參考文獻(xiàn) 【1】夏繼強(qiáng)。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程。 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2001 【2】 孫涵芳。MCS-51系列單片機(jī)原理及應(yīng)用[M] 。北京航空航天大學(xué)出版社。1996-4 【3】雷玉堂.《光電檢測技術(shù)》.北京：中國計(jì)量出版社，1997 【4】浦昭邦.《光電測試技術(shù)》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 【5】梁銓廷.《物理光學(xué)》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012 【6】朱勇.《光通信原理與技術(shù)》.北京：科學(xué)出版社，2011 附錄附錄1: 原理圖
附錄2: 源程序
單片機(jī)源程序如下:
- #include <string.h>
- #include "Lcd12864.h"
- #include "Lcd1602.h"
- #include "PWM.h"
- #include "config.h"
- #include <ds18b20.h>
- #include "ds1302.h"
- #include "eeprom.h"
- #include "uart.h"
- #include "key.h"
- #include "Time.h"
- #include "BH1750.h"
- #include "PulseSensor.h"
- #include "hcsr501.h"
- #include "dht11.h"
- #include "ADC.h"
- void InitTimer0(void);
- unsigned char str[20];
- extern unsigned long PluNum;
- extern unsigned long time_ms;
- extern float ShunShi;
- extern float LeiJi;
- //char displaytemp[16];
- extern unsigned char DealSudu;
- void Init_Timer0(void)
- {
- TMOD |= 0x01;
- TH0 = 0xB1;
- TL0 = 0xE0;
- EA=1;
- ET0=1;
- TR0=1;
- EX0=1;
- IT0=1;
- }
- void Sys_Init()
- {
- Init_Timer0();
- InitLcd1602();
- }
- void main(void)
- {
- EA=1;
- Sys_Init();
- ShowInit();
- while(1)
- {
- KeyScan();
- KeyDriver();
- watar_action();
- }
- }
- void Int0_Routine(void) interrupt 0
- {
- PluNum++;
- }
- void Timer0_Routine() interrupt 1
- {
- static unsigned char Count=0;
- TH0 = 0xB1;
- TL0 = 0xE0;
-
- time_ms++;
- ……………………
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