李四：基于单片机的流量检测系统的设计
第三章 系统工作原理
3.1 总体设计
由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机。单片机在系统软件的控制作用下，对输入的数据进行分析，向外部输出控制信号，实现LED显示。LED数码管显示动态的流量，同时，若流量超过上下限范围，报警电路产生声光报警信号，提醒流量不在正常范围内，需采取相应控制。系统软件主要包括主程序，显示程序等供主程序调用的子程序。主程序实现系统的总体功能，子程序实现相应的具体功能。系统硬件结构图如图3-1所示。
图3-1 系统硬件结构图
3.2 工作原理
被测流体流经涡轮流量传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，周期性的改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性的发生变化而产生电脉冲信号。在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流量和总量的显示或积算。
在测量范围内，传感器输出的脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值称为仪表常数，以K (次/L)表示。每台传感器都经过实际标定测得仪表常数值。当测出脉冲信号的频率f 除以仪表常数K便可求得瞬进流量q(L/s)。即q=f/K。流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机将信号以数字形式在LED数码管上显示。
3.3 元器件的选择
3.3.1 单片机
目前在市场常见的有PHILIPS、SIEMENS、INTEL、ATMEL等公司生产的100多种型号的80C51系列单片机。这类单片机具有集成度高，性能价格比优越的特点，在上业
某某学毕业设计（论文）
测量控制领域内获得极为广泛的应用。
AT89C51属于MCS-51系列单片机，在MCS-51系列中，各类单片机是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。T89C51采用INTEL内核技术，结合ATMEL公司闪存技术制造，性能稳定可靠，在程序不太复杂的情况下，无需扩展外部存储器，因此，对于追求可靠性，追求体积轻巧灵便的产品而言，则显得尤为重要。这也是在课题中采用此产品，而没有采用16位或准16位单片视的一个主要原因。
AT89C51是一种带4K宇节闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM)的低功耗、高性能CMOS8位微控制器。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，AT她L的 89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高而价廉的方案。 AT89C51有4个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口， 3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。其引脚排列图如图3-2所示。AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图3- 2 AT89C51引脚图
AT89C51的40个引脚共分为端口线、电源线和控制线三类。 1．端口线（4×8=32条）
8051共有四个并行I/O端口，每个端口都有八条端口线，用于传送数据/地址。由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别颇大。现对它们综述如下：
①P0.7—P0.0：这组引脚共有八条，为P0口所专用，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。这八条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况之下。第一种情况是AT89C51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7—P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。第二种情况是AT89C51带片外存储器，P0.7—P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
李四：基于单片机的流量检测系统的设计
②P1.7—P1.0：这八条引脚和P0口的八条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。当P1口作为通用I/O使用时，P1.7—P1.0 的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入输出数据。
③P2.7—P2.0：这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。
④P3.7—P3.0：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同，如表3-1所示。
表3-1 P3口各位的第二功能 P3口的位 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
第二功能 RXD TXD T0 T1 注释 串行数据接收口 串行数据发送口 外中断0输入 外中断1输入 计数器0计数输入 计数器1计数输入 外部RAM写选通信号 外部RAM读选通信号 2．电源线（2条）
VCC为+5V电源线，VSS为接地线。 3．控制线（6条） ①ALE/
：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。在访问片
外存储器时，8051CPU在P0.7—P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/
线上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专
用地址锁存器。以便空出P0.7—P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/
线上输出频率为fOSC/6的脉冲序列。该脉
冲序列可用作外部时钟电源或作为定时脉冲源使用。
对于8751，ALE/
线还具有第二功能。它可以在对8751片内EPROM编程/
校验时传送52ms宽的负脉冲。
②
/VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是
=1，则允许使用片内ROM；若
=0，则允许使用片外ROM。
使用片外ROM。若
对8751，
/VPP用于在片内EPROM编程/校验时输入21V编程电源。
某某学毕业设计（论文）
③在
：片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动线上产生一个负脉冲，用于为片外ROM芯片的选通。其他情况下，
线
均为高电平封锁状态。
④RST/VPD：复位/备用电源线，可以时8051处于复位（即初始化）工作状态。通常，8051 的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种。
RST/VPD的第二功能是作为备用电源输入端。当主电源VCC发生故障而降低到规定低电平时，RST/VPD线上的备用电源自动投入使用，以保证片内RAM中信息不丢失。
在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展I/O接口电路等也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。
⑤XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路。
石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，fOSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz—16MHz，典型值为12MHz或11.059MHz。电容C01和C02可以帮助起振，典型值为30pf，调节它们可以达到微调fOSC的目的。
MCS-51所需的时钟也可以由外部振荡器提供。外部时钟源应是方波发生器，频率应根据所用MCS-51中的具体机型确定。
3.3.2 A/D转换元件
ADC有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能控制端，可和微机直接接口。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。
1.主要技术指标和特性 （1）分辨率： 8位。
（2）总的不可调误差： ADC0808为±(1/2)LSB,ADC 0809为±1LSB。
（3）转换时间： 取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。 （4）单一电源： +5V。
（5）模拟输入电压范围： 单极性0～5V；双极性±5V,±10V(需外加一定电路)。 （6）具有可控三态输出缓存器。
（7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。
（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。
2．内部结构
ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
李四：基于单片机的流量检测系统的设计
图3-3 ADC0809内部结构
（1）八路模拟开关及地址锁存与译码器
八路模拟开关用于输入IN0—IN7上八路模拟电压。地址锁存和译码器在ALE信号控制下可以锁存ADDA、ADDB和ADDC上地址信息，经译码后控制IN0—IN7上哪一路模拟电压送入比较器。例如：当ADDA、ADDB和ADDC上均为低电平0以及ALE为高电平时，地址锁存和译码器输出使IN0上模拟电压送到比较器输入端VIN。
（2）256电阻阶梯和树状开关
为了简化问题起见，现以二位电阻阶梯和树状开关为例加以说明。其中，四个分压电阻使A、B、C和D四点分压成2.5V、1.5V、0.5V和0V。SAR中高位D1控制左边两只树状电子开关，低位D0控制右边四只树状开关。各开关旁的0和1表示树状开关闭合条件，由D1D0状态决定。例如：D1=1，则上面开关闭合而下面开关断开，D1=0时的情况正好与此相反。树状开关输出电压VST和D1D0关系列出于表3-2。
表3-2 VST和D1D0的关系
D1 D0 0 0 0 1 1 0 1 1 VST 0V 0.5V 1.5V 2.5V 对于8位A/D转换器，SAR为八位，电阻阶梯、树状开关和上述情况类似。只是要有28=256个分压电阻，形成256个标准电压供给树状开关使用。VST送给比较器输入端。
（3）逐次逼近寄存器和比较器
逐次逼近寄存器(SAR)在A/D转换过程中存放暂态数字量，在A/D转换完成后存放