圖2-1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

視頻演示:

第1章 設(shè)計(jì)的背景和思路

1.1、本次設(shè)計(jì)的背景

最近，臺(tái)風(fēng)的來(lái)臨大家都有所耳聞，氣體流速的檢測(cè)與我們大家的生活息息相關(guān)。除此之外，氣體流速也與工業(yè)生產(chǎn)密不可分。氣體流速的檢測(cè)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(gè)重要指標(biāo)，氣體流速對(duì)一些大型反應(yīng)裝置起著控制作用，可以通過(guò)檢測(cè)氣體流速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的控制。可見(jiàn)氣體流速的檢測(cè)對(duì)人們的重要性，本設(shè)計(jì)就是對(duì)氣體流速的測(cè)量。氣體流速測(cè)試系統(tǒng)以傳感器、單片機(jī)STC12C5A16AD與LCD1602液晶組成的氣體流速測(cè)試系統(tǒng)。

我認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)氣體流速測(cè)量系統(tǒng)，不論是從學(xué)習(xí)還是實(shí)踐的角度，對(duì)一名機(jī)電專業(yè)的學(xué)生都會(huì)有很好的學(xué)習(xí)效果。

1.2、本次設(shè)計(jì)的思路及功能

因?yàn)闅怏w流速測(cè)量在生產(chǎn)及生活中有著重要的意義，我們小組就想制作一個(gè)通過(guò)氣壓傳感器來(lái)反映氣體流速的裝置，通過(guò)LCD液晶屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且可以通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，通過(guò)串口助手顯示出來(lái)。思路是使用氣壓傳感器，用注射器向其注射氣體，傳感器產(chǎn)生電壓變化，經(jīng)過(guò)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)運(yùn)用LCD顯示出來(lái)，還有就是通過(guò)USB串口傳輸?shù)诫娔X串口助手。

基本的設(shè)計(jì)思路是這樣的：首先，因?yàn)槲覀兊闹黝}是關(guān)于測(cè)量的，所以我們選擇了自帶AD轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A16AD單片機(jī)，然后再搜尋傳感器和串口通訊部分元件。后來(lái)找到了XGZP6847型氣體壓力傳感器模塊，這款元件的優(yōu)勢(shì)在于電壓信號(hào)在模塊內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)行了放大，所以輸出信號(hào)不需要進(jìn)行放大。而串口通訊則是選擇了PL-2303HX模塊。另外我們選擇了較為常見(jiàn)的LCD1602液晶實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能。從而總體的完成了整個(gè)設(shè)計(jì)。

我們小組設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用STC12C5A16AD單片機(jī)(自帶8路十位精度的AD轉(zhuǎn)換)，有氣壓傳感器獲取電壓信號(hào)，然后將電壓信號(hào)傳送給帶有AD轉(zhuǎn)換的STC12C5A16AD單片機(jī)。由于空氣流速與氣壓有相應(yīng)的正比例函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)得到的數(shù)值求出相應(yīng)比例的空氣流速。然后將數(shù)據(jù)輸送給液晶屏顯示和串口。                     

2.2、各功能模塊的詳細(xì)介紹

2.2.1、單片機(jī)模塊

1、單片機(jī)介紹

STC12C5A16AD單片機(jī)是新一代8051單片機(jī)。相比于普通的51單片機(jī)，它增加了許多功能。例如AD轉(zhuǎn)換功能，PWM功能等等。因?yàn)槲覀冞@次設(shè)計(jì)的是一個(gè)用于測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所以使用這款單片機(jī)就不需要再擴(kuò)展AD轉(zhuǎn)換芯片，可以減少外圍電路。

圖2-2  單片機(jī)引腳圖

• 單片機(jī)最小系統(tǒng)
  

單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。最小系統(tǒng)一般包括:單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。

圖2-3 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

晶振電路: 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路，產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度就越快。

復(fù)位電路：在單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，當(dāng)受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛時(shí)，按下復(fù)位按鈕，使內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開(kāi)始執(zhí)行。

• 設(shè)計(jì)思路及理由
  

我們小組選用這款單片機(jī)的理由是因?yàn)檫@款單片機(jī)廣泛運(yùn)用于測(cè)量，它自帶AD轉(zhuǎn)化的功能，可以減少外圍電路，簡(jiǎn)化系統(tǒng)。

   4、單片機(jī)引腳連接

表2-1單片機(jī)引腳連接

2.2.2、傳感器模塊

1、氣壓傳感器原理

XGZP6847型氣體壓力傳感器為壓阻式壓力傳感器，其利用單晶硅的壓阻效應(yīng)構(gòu)成。采用單晶硅片為彈性元件，利用集成電路工藝，在特定方向擴(kuò)散一組等值電阻，并將電阻連成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測(cè)壓力成正比的變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。

2、傳感器模塊接線

圖2-4 傳感器模塊原理圖

    本次設(shè)計(jì)采用的是XGZP6847型氣體壓力傳感器模塊，此模塊外圍所接的電路十分簡(jiǎn)單，因?yàn)殡妷盒盘?hào)在模塊內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)行了放大，所以輸出信號(hào)不需要進(jìn)行放大，XGZP6847型氣體壓力變送器模塊共有六個(gè)引腳，其中的1、2、3腳都不需要外接其他電子元件，4腳接+5V電源電壓，5腳是信號(hào)輸出引腳，6腳接地即可。在串接一個(gè)10K的電阻R5防止擊穿電容C4。

3、設(shè)計(jì)思路及理由

根據(jù)現(xiàn)代惠斯通原理制成的壓阻式壓力傳感器，有體積小、耗能低、重量輕、響應(yīng)快、便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化等特點(diǎn)，而且可以測(cè)量壓力，稍加改變，還可以測(cè)量差壓、高度、速度、加速度等參數(shù)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)選擇了XGZP6847型氣體壓力傳感器模塊。

2.2.3、顯示模塊

1、LCD顯示屏簡(jiǎn)介及選用理由

我們小組用來(lái)顯示的液晶屏是LCD1602顯示屏。因?yàn)樵撘壕э@示器具有顯示質(zhì)量高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。                    

圖2-5 LCD顯示電路原理圖

1、PL2303HX模塊

PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯(lián)接的解決方案。

RS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。這些工作全部由器件自動(dòng)完成，開(kāi)發(fā)者無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)。PL-2303HX無(wú)論在工作中或等待模式中消耗的電量都非常少，可留給連接的設(shè)備許多的電能。與RS-232串行端口的訊號(hào)標(biāo)準(zhǔn)一樣靈活,允許PL-2303HX直接連接1.8V~3.3V的設(shè)備。

圖2-6 PL2303HX芯片引腳圖

圖2-7 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

它有如下優(yōu)點(diǎn)：1.完全符合USB規(guī)范2.0（全速兼容）。2.片內(nèi)擁有USB1.1收發(fā)器，5V轉(zhuǎn)3.3V的穩(wěn)壓器，12MHz的晶體振蕩器。3.支持RS232這樣的串行接口；支持自動(dòng)握手各種模式。

2、串口模塊原理圖

圖2-8 串口模塊原理圖

2.2.5、電源模塊

1、電源開(kāi)關(guān)原理

通過(guò)自鎖開(kāi)關(guān)，控制整個(gè)系統(tǒng)通斷電。

圖2-9電源開(kāi)關(guān)原理圖

2、自鎖開(kāi)關(guān)

這個(gè)開(kāi)關(guān)的兩排引腳中，每一排的中間一只是公共端，兩邊是分別是獨(dú)立的，也就是說(shuō)，如果你把中間的一只接到負(fù)載端，那么兩邊就是來(lái)自電源的進(jìn)線，當(dāng)你把中間一只引腳接負(fù)載端以后，如果你把兩邊的引腳的其中一只接電源，當(dāng)你按下開(kāi)關(guān)時(shí)，負(fù)載工作，那么另外一只就是開(kāi)關(guān)不按下時(shí)負(fù)載接通電源，也就是說(shuō)，在這兩排引腳中，除了中間一只引腳是公共端以外，另外兩只引腳中一只是按下開(kāi)關(guān)后接通電源，而另一只則是按下開(kāi)關(guān)后斷開(kāi)電源，簡(jiǎn)而言之就是，兩排引腳，中間一只是公共端，而另外兩只，一只是按下關(guān)，另一只是按下開(kāi)；有兩排就是一排對(duì)應(yīng)電源正極，另一排對(duì)應(yīng)電源負(fù)極，只要把中間電源兩級(jí)的公共端接好以后，另外的兩只引腳在接線時(shí)都接在同一側(cè)就可以了，不然的話，接好了還是沒(méi)有用，接錯(cuò)了，就會(huì)出現(xiàn)如果按下后電源正極接通，那么電源負(fù)極就斷開(kāi)了，或者不按下時(shí)，電源正極接通，負(fù)極又?jǐn)嚅_(kāi)了。注意，開(kāi)關(guān)有兩排引腳，每一排有三只引腳，三只引腳中，中間一只是公共端，每一排對(duì)應(yīng)電源的每一極。  

第3章 軟件流程及描述

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于要控制單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換、LCD的顯示和串口的通信，因此，整個(gè)程序可以分為主程序、LCD程序、AD轉(zhuǎn)換程序，由于購(gòu)買(mǎi)的LCD液晶屏以及單片機(jī)帶有LCD和AD轉(zhuǎn)換的程序，為了方便，我們對(duì)其稍做更改并將其設(shè)為子程序。其中，LCD程序主要是用來(lái)控制液晶屏的顯示格式以及數(shù)值的；AD轉(zhuǎn)換程序用來(lái)對(duì)所得到的電壓數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)關(guān)系的轉(zhuǎn)化；主程序則是控制子程序的應(yīng)用以及利用接口向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

圖3-1 軟件流程

主程序中需要完成的功能主要有對(duì)系統(tǒng)初始值的設(shè)置、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送、LCD顯示等。系統(tǒng)上電后，需要對(duì)定時(shí)器的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，包括定時(shí)器的工作方式以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始中斷，因此我們首先需要進(jìn)行定時(shí)器的選擇以及工作方式設(shè)定。使用定時(shí)器1的操作模式2：8位自動(dòng)重載，然后根據(jù)波特率為9600裝入初值，TH1=TL1=0xfd。接著我們要設(shè)置串行通信工作模式，SM0=0,SM1=1，打開(kāi)串行接收允許位，開(kāi)總中斷與串行中斷。單片機(jī)通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送char型數(shù)組，當(dāng)串行通信發(fā)送完成后，出現(xiàn)信號(hào)TI=1。

由于傳感器實(shí)際原因，我們無(wú)法測(cè)量出正確的空氣流速值來(lái)進(jìn)行校正，因此我們決定使用相應(yīng)的比例關(guān)系來(lái)計(jì)算得出。首先，我們確定一個(gè)利用單片機(jī)顯示的速度最大值為150mm/s。由于AD轉(zhuǎn)換是十位數(shù)制，最大值為2的10次方即1024，將其乘以0.147便可以得到。其次，當(dāng)系統(tǒng)完成后我們?yōu)榘遄庸╇姡瑹�入程序。保持單片機(jī)顯示的速度為55mm/s勻速擠完1ml的氣體,測(cè)量需要33.19s的時(shí)間，而傳感器與針筒接口出截面積為1mm^2，即是速度為33mm/s。因此，利用比例關(guān)系求出正確的流速還應(yīng)該再乘以一個(gè)0.6的修正系數(shù)。在程序中表現(xiàn)就是getADCresult。再令其乘以0.147使得量程為150，再乘以0.6修正。

關(guān)于液晶顯示部分，可以先在程序開(kāi)頭部分設(shè)定idate數(shù)據(jù)類型，設(shè)定LCD上將要顯示的部分“Sudu:150”,然后再根據(jù)AD得到的結(jié)果顯示出來(lái)。

主程序中還可以設(shè)置延時(shí)函數(shù)，使用for循環(huán)來(lái)進(jìn)行延時(shí)，先設(shè)定延時(shí)1毫秒的延時(shí)函數(shù)，再根據(jù)此來(lái)循環(huán)n次，延時(shí)n秒。

我們使用的單片機(jī)內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)十位轉(zhuǎn)換，分成高八位和低兩位。編寫(xiě)程序時(shí)，我們首先需要選擇相應(yīng)的通道，打開(kāi)8路通道，還需要能夠清除前一次的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，十位的寄存器也需要進(jìn)行相應(yīng)的移位與或運(yùn)算。

單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7分別接LCD1602的rs、rw、en用以控制其讀寫(xiě)功能，P0口負(fù)責(zé)傳輸需要顯示的數(shù)據(jù)，LCD1602可以顯示當(dāng)前空氣的流速。我們編寫(xiě)程序需要設(shè)定顯示方式，8位數(shù)據(jù)端口，2行顯示。還有就是需要設(shè)定LCD液晶屏的光標(biāo)顯示與否，清屏指令等等。當(dāng)然液晶屏的字符輸入位置也需要進(jìn)行設(shè)定，我們還需要用到庫(kù)函數(shù)里的string函數(shù)。

第4章 調(diào)試過(guò)程及結(jié)果

4.1、實(shí)驗(yàn)調(diào)試

首先打開(kāi)燒錄軟件，選擇單片機(jī)型號(hào)，并打開(kāi)程序文件，然后點(diǎn)擊下載/編程。之前遇到了困難，一直無(wú)法成功錄入，后來(lái)經(jīng)過(guò)查詢，需要重啟單片機(jī)，就可以成功的燒錄。

我們?cè)O(shè)計(jì)了電源開(kāi)關(guān)控制電源線，另外串口也可以提供電源。

以下是我們實(shí)際調(diào)試時(shí)的截圖：

下圖是通電后的顯示，因?yàn)闆](méi)有提供風(fēng)力，速度顯示為零。

當(dāng)我們按壓注射器模擬風(fēng)力時(shí)，顯示屏上的數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生變化，顯示出當(dāng)前的氣體流速。

然后打開(kāi)軟件的串口助手窗口，選擇文本模式，選擇正確的串口和波特率，打開(kāi)串口，就可以接收到所測(cè)得氣體流速值了。

圖4-7氣體流速串口操作及顯示

通過(guò)以上操作，呈現(xiàn)了我們單片機(jī)系統(tǒng)的主要功能。

Altium Designer畫(huà)的原理圖和PCB圖如下：(51hei附件中可下載工程文件)

附錄二

PCB圖

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原理圖

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pcb板子