流量计的研制与应用.doc

毕业设计(论文)任务书(理工类)学生姓名： 专 业： 班 级： 学 号：指导教师： 职 称： 完成时间：2010.6.10 毕业设计(论文)题目：流量计的研制与应用题目来源教师科研课 题纵向课题（）题目类型理论研究（ ）注：请直接在所属项目括号内打“”横向课题（）应用研究（）教师自拟课题（）应用设计（ ）学生自拟课题（）其 他（）总体设计要求及技术要点：总体设计要求：以单片机为核心，组成了具有数据采集、LCD液晶显示、按键控制操作、液位信号传送、数据的掉电非易失性存储、实时时钟的低功耗系统。技术要点：掌握单片机的编程技术,掌握基本485通讯技术,了解一些常用的LCD模块和一些存储芯片。工作环境及技术条件：明渠流量计应用场所有城市供水引水渠；火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。对外界环境依赖不大,主要通过测水位和流速来达到测量流量的要求。工作内容及最终成果：工作内容：精确的实时时钟及掉电非易失性的数据存储，测量流速，并根据所测水位及流速值，利用公式计算流量。LCD直观显示测量结果，并可方便的设定参数及修改时间值。设计串行通讯接口，传输测量数据。最终成果：能够完整的测量明渠的断面流量值。时间进度安排：1、第七学期第6周第15周，查阅资料，完成开题报告、文献综述、外文文献翻译2、第七学期第16周第17周，开题报告审阅、答辩3、第八学期第1周第4周，分析所用流量计的控制要求，画出总体流程图4、第八学期第5周第7周，进行流量计主题设计5、第八学期第8周第11周，完成流量计理论设计6、第八学期第12周第15周，完成毕业设计论文指导教师签字： 年 月 日教研室主任意见：教研室主任签字： 年 月 日摘 要明渠流量计是应用于非满管状的敞开渠道自由表面自然流的流量仪表。目前国内外测量明渠流量的仪器依然是以普通转子式为主，这种测量流量的方法一般仍然停留在人工现场记录、计算、校核、复核的低水平上，难以适应水文测量的快速、准确的巡测要求。为此本课题利用51单片机开发了便携式智能流量计，它的特点是：水位、流速、流量的一体化测量；大画面的汉字LCD液晶显示；数据的非易失性存储；精确的实时时钟。 在研制开发整个流量测量系统的过程中，选择适合于被测流体的性质和流动状态，能满足系统测量精度的测量方法是测量系统实现准确、有效的流量计量的前提条件和关键因素之一。因此，在进行整个测量系统的设计时，首先要根据要求和实际情况准确把握被测流体的流动形式与特点，并以此为基础确定合适的测量方法和器件。根据任务要求，完成了明渠流量计的系统软硬件的设计，研究的主要内容有：1利用8051F060为核心硬件，利用其捕捉测脉宽功能，实现了流速信号的采集和处理。2人机接口部分采用了4×4矩阵键盘输入和LCD液晶显示，输入方便，读数清晰，更加直观地显示测量和查询结果。3通过RS485通讯接口与压力变送器通讯实现水位测量。4通过采用铁电存储器FM3164实现了数据的非易失性存储和精确的实时时钟。关键词 明渠流量计 51单片机 RS485通讯 非易失性存储 AbstractOpen channel flow meters are used in non-full tube free surface open channel flow meters of natural flow. Open channel flow measurements at home and abroad is common instrument is still the main rotor, this method of measuring flow rate generally remained in the labor field recording, calculation, verification, review of low level, difficult to adapt to hydrologic measurements quickly and accurately patrol requests. To this end the subject developed a single chip using 51 portable smart meter, which is characterized by: water level, flow, flow, integration of measurement, large character LCD screen liquid crystal display, data in nonvolatile memory, accurate real-time clock.In research and development of the flow measurement system process, select the appropriate nature and the measured fluid flow state, the system can meet the precision measurement method is to measure system for accurate, effective the flow measurement of one of the prerequisite conditions and key factors. Therefore, during the entire measuring system, the first request and the actual situation accurately measured the flow of fluid forms and features, and as a basis for identifying appropriate measurement methods and devices.According to the task required to complete the open channel flow meter hardware and software design, research the main content1. Using 8051F060 core hardware, pulse width measurement using the capture function, to achieve a flow rate of signal acquisition and processing.2. Human interface part is the 4 × 4 matrix keyboard and LCD display, enter the easy, clear reading, and more directly display measurement and query results.3. RS485 communication interface via communication with the pressure transmitter to achieve level measurement.4. Through the use of FRAM FM3164 realize non-volatile data storage and accurate real-time clock.Keywords OpenChannelFlowmeter 51Microcontroller RS485communication Nonvolatile storage目 录第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2 流量计的分类11.3 流量测量原理21.3.1堰式流量测量21.3.2 槽式流量测量31.4 课题的建立以及本文完成的主要工作51.4.1 课题研究的主要内容51.4.2 本课题的主要工作5第2章 系统设计的理论基础62.1 系统流量测量法62.1.1水位的测量62.1.2 流速的测量72.1.3该流量测量法的特点92.2 系统主控芯片的选用9第3章 便携式明渠流量计硬件系统设计113.1 硬件系统总体设计113.2 数据采集单元的设计133.2.1 数据采集基本原理133.2.2 数据信号的捕捉153.3 人机交互单元的设计163.3.1键盘输入电路的设计163.3.2 LCD显示电路的设计163.4 通信单元的设计173.4.1 RS485总线标准173.4.2 RS485 接口电路的设计183.5 铁电存储及实时时钟电路的设计193.5.1 铁电存储器FM31系列的特点193.5.2 SMBUS总线概述203.5.3 实时时钟设计213.5.4 数据/地址的读写流程22第4章 便携式明渠流量计软件系统设计244.1 软件系统总体设计244.2 数据采集部分的软件设计244.2.1 水深测量的软件设计244.2.2 水流流速测量的软件设计264.2.3 流量计算的软件设计274.3 人机交互部分的软件设计274.3.1 键盘输入电路的软件设计274.3.2 LCD显示电路的软件设计284.4 铁电存储器的软件设计29第5章 便携式明渠流量计的测量使用流程33第6章 结论35致 谢36参考文献37流量计的研制与应用第1章 绪论1.1 课题研究背景凡河、渠、水工隧道洞中具有自由表面的水流运动均称为明渠水流。明渠中的水流是在地心引力的直接作用下形成的，明渠流动主要受粘性力、水力梯度、重力和河道边界条件的影响。在工厂及城市污水排放、污水处理厂的某些生产环节和农田水利灌溉等场合，水流多是处于明渠的形式或不满管流动状态。对其流量的测量无法使用常规的流量仪表。随着人们对水资源合理利用意识的提高和日益增长的污水处理的需要，渠用流量计的研究与生产也越来越得到重视。Flow Measuremnt and Instrumentation为明渠流量测量出版了专辑。国际标准化组织ISO设有专门的明渠流体流量技术委员会。在国内，渠用流量计也开始受到人们的关注，已经有若干单位正在研究渠用流量计，并已有一些产品应用于生产过程之中，确实解决了一些实际问题。但是，明渠流量测量装置要扩大应用面、增强适应性还有许多基础性的工作要做。21世纪，工业技术发展迅速，但随之而来的能源问题和环境污染问题也逐渐加剧，国家乃至全世界对能源保护和环境保护问题都非常重视，“工业三废”之一的污水排放的规范化、科学化和定量化的管理已成为国家环境保护法规的一个重要方面，各地环保部门正在根据国家法规的要求，加强对排污口的规范化整治。同时，农业灌溉用水用量的科学化和规范化将成为水资源保护的一个重要方面。在污水流量计量和农业灌溉用水领域，国内外较多采用的是以普通的转子式为主的流量测量仪器，在一定程度上对水流流量的检测起到了作用，但是由于这种测流方法一般停留在现场人工记录、人工计算、校核、复核的低水平上，难以适应水文测量快速、准确的巡测要求。因此，根据单片机具有智能化、操作方便、硬件电路简单的特点的技术思路，开发出了一套新型智能便携式明渠流量计。1.2 流量计的分类流量仪表的性能依赖于使用条件，国际流量界人士曾指出，流量计是使用比制造要艰难得多的仪表，虽然在实验室它有极高的精确度，但是在使用现场条件变化很大，要保持较高的精确度相当困难。流量计出厂检验其误差是±0.5%，可是使用时却有可能造成±3±10%的较大误差。其原因则多种多样，如上下游直管道长度不足，流量计量程选择不正确，液体中含有较多气体，检测件磨损腐蚀，积垢及堵塞等等。就目前市场上的主要流量计的分类及原理如下：1.浮子流量计：浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表。 2.涡轮流量计：涡轮流量计是叶轮式流量(流速)计的主要品种，叶轮式流量计还有风速计、水表等。该流量计在石油、各种液体及天然气、煤气等领域有着广泛应用。3.容积式流量计：容积式流量计是利用机械测量文件把液体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室多次重复地充满和排放该体积部分与流体的次数来测量液体的体积总量。4.差压流量计：差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件所产生的差压，已知的液体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量的仪表。5.电磁流量计：电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律所制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。6.超声波流量计：由于超声波测量原理是长度与时间二个基本量的结合，其导出量溯源性较好，有可能据此建立流量的基准。7.涡街流量计：70 至80 年代是涡街流量计迅速发展时期，开发出众多类型阻流体及检测性的涡街流量计，并大量投放市场。涡街流量计尚属发展中的产品，无论在理论基础或是实验经验尚较差，目前最基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论。1.3 流量测量原理在日常生活和工业生产中，工厂排水和城市下水道中的水流都是自然排放的，流体具有自由流动表面，从物理学的角度来讲是指流体在无压状态下流动，即压力为零。即便对于我们平常所讲的暗渠(非露天形式)中的流体流动，由于是自然流动的，并具有自由表面，因此也属于明渠流动。迄今为止，明渠流量测量的基本方式可分为两大类，即堰式流量测量和槽式流量测量。堰式测量是早已为人们所熟知的明渠流量测量方法，实验资料非常丰富，也提出了各种实验公式。槽式测量虽然起步较晚，但发展迅速，自1910年美国开始研制槽式流量计并投入应用以来，它在美国和欧洲极为普及，并迅速推广到日本等世界上多个国家。1.3.1堰式流量测量堰式流量测量的基本方法是在水路的中途或末段设置上部有缺口的板或壁，这个板或壁叫作堰，流束在这里被堰挡住，然后通过这个缺口向下流侧流去。此时，堰的上流侧水位和这个流束的流量具有一定的关系，所以通过测量这一水位就可以间接得到流量。 图1-l 堰式流量测量原理图1-1描绘了堰式测量的基本原理，其中D为堰缺口底端的相对高度，h为上流侧水位距堰口的相对高度。堰式流量测量的基本部件构造简单、价格便宜并且可靠性高，因此被广泛用于明渠流量的测量。根据缺口部的形状，堰可分为三角形堰、矩形堰、全宽堰以及梯型堰等，如图1-2所示： 90° 图1-2 各种标准型式的堰1.3.2 槽式流量测量对于堰式测量，由于堰的设置会使水头损失很大，并且上流侧的固态物易于沉积。因此，对于平坦地面上的水渠以及工厂排水的流量测量常采用槽式测量的方法。槽式流量测量的基本原理是这样的：在通流渠路中安装具有某一特定形状的水槽，使得渠路中的水流在流经水槽喉管部时产生节流，从而引起流速的变化。根据伯努利原理，节流处的水位能转化为流速能，因此流速的增大将导致节流处水位的下降。通过测量这个水位的下降量，并在已知测量槽各部分尺寸参数的条件下便可利用相关公式计算出流量。在槽式流量测量中，文丘利槽是测量水槽的最基本形式。现今，许多被广泛使用的测量水槽都是以文丘利槽为原型的。如图1-3所示，文丘利水槽的总体结构可分为收缩部、喉管部(即节流部)以及放大部三个组成部分。文丘利水槽按照其喉管部节流形式的不同可分为：侧壁节流、底部隆起节流、以及侧壁与底部隆起节流相结合三种形式。图1.3表示的是侧壁与底部隆起节流相结合的文丘利水槽的基本结构形式。测量水槽由于形状复杂，比堰的价格贵，而且为了提高测量精度，要求水槽各部分尺寸准确，这是其缺点；但它也有这样一些优点：水位损失小、水中固态物质不易沉淀堆积、接近流速影响小等，所以被用来测量工业用水、农业用水和上下水的流量。以前，测量水槽是用木头或金属板制造的，而现在玻璃钢制整体成型的测量水槽也已经在市场上销售，并得到普及。图1-3 文丘利水槽的基本结构1.4 课题的建立以及本文完成的主要工作1.4.1 课题研究的主要内容本课题的主要内容就是开发设计一种新型的智能流量计，实现了对流量的实时性监测智能流量计的具体功能如下：1. 采用铁电存储器芯片FM3164，实现了精确的实时时钟及掉电非易失性的数据存储。2通过RS485 接口和麦克压力变送器通讯获得水位值。3. 通过定时/计数器捕捉旋浆式流速仪的脉冲信号测量流速，并根据所测水位及流速值，利用公式计算流量。4. 通过4×4 矩阵键盘和大屏幕液晶显示芯片LM19264，直观显示测量及查询结果，并可方便的设定参数及修改时间值。1.4.2 本课题的主要工作本课题主要做了以下工作：1）完成了系统硬件的设计，以8051 单片机为核心，组成了具有数据采集、LCD 液晶显示、按键控制操作、液位信号传送、数据的掉电非易失性存储、实时时钟的低功耗系统。2）完成了系统软件的设计，辅助硬件，实现了数据采集、液晶显示、RS485串行通讯、数据处理和铁电存储器的功能。第2章 系统设计的理论基础2.1 系统流量测量法通过测量水位即可求得流通面积，再测出流通通道某局部(点-线-面)流速，用来代表平均流速，并根据局部流速和平均流速间的关系求出流量: 流量=水流速度×过水断面面积。这两个由计算得到的参数可以通过液晶显示屏实时显示；水力螺距系数、仪器阻力系数、转差率及测量断面的参数可由用户通过小键盘预先设定。2.1.1水位的测量水位的测量方法有多种，主要有超声波液位传感器、压力式液位传感器、电容式液位传感器、浮子式液位传感器等。这些液位传感器各有特点，适用范围也各有不同。压力传感器测量水位安装比较简单，成本也不是很高，是一般常采用的水位测量方法。压力水位传感变送器采用一体化的不锈钢隔离膜片扩散硅组件潜入式液位变送器。它安装于死水位之下,当水位低于死水位时,膜片不受压, 。、和构成的电桥平衡,即 电压电流变换放大器V/I的电压输入，它的电流输出。当水位上升高于死水位时,膜片受压,电桥失去平衡,因为： 所以： 即,V/I变换器输入电压于是有 式中:变送系数,常量，H水位高度，正比于水位的高度。电流流经电阻得即就是变送后的水位电压值,它通过电子开关送到双积分A/D转换、显示电路。电路图见图2-1 图2-1 压力传感器原理图为消除大气压力变化对水位计测量值的影响，在与水位计探头连接的电缆中设有通气管使压力检测组件与大气压力连通见图2-2。图2-2 压力传感器探头在使用中应保证通气管畅通，保证传感器连通大气压，否则会造成水位计检测组件外侧和内侧所感受压力不同，并因此产生误差。2.1.2 流速的测量多年来，水文测流大量采用的是转子式流速仪。这一类流速仪有其独特的优点：结构精密、可靠性高、误差小、灵敏度高、综合性能好等。转子式流速仪的测量流速原理是把水流的直线运动转变为转子的旋转运动，再转换为电信号输出。转子式流速仪包括旋杯式和旋桨式流速仪。转子式流速仪作为一种常规基本测流工具，已经沿用了两个多世纪，仍然具有强大的生命力。尽管已经有了许多新的测流方法及新型的仪器，但转子式流速仪在现阶段仍然是许多地方的主要测流工具。旋桨式流速仪是专用于明渠水流流速测量的仪器。它广泛地用于水文水资源行业，电力、地质、环保等行业亦有使用。流速仪使用时一般与流速仪信号检测器配套，后者检测前者传来的信号，经过相应的处理、计算后，确定仪器转子的转数与水流速度之间的关系，从而将机械式触点或干簧式继电器触点产生的信号转变为可以同用户交互的数据，供水文技术工作者确定水流速度和流量。旋桨式流速仪示意图如图2-3 所示。 图2-3 旋桨式流速仪的一种示意图从流速仪得到的信号是由机械式触点或干簧式继电器触点产生的开、合信号。检测转换电路将该信号转换为电信号并经滤波、去抖动后变换为单片机可以识别的脉冲序列，送入单片机的I/O端口。单片机根据实时检测到的信号周期，进行数字滤波，并记录在规定的测量时间内读取到的信号数，由于旋桨的转动角速度与水流流速之间有下式的线性关系：式中：V 为流速；n 为旋桨转动的频率；C 为旋桨的修正值；T 为计测旋转周数所用时间；N 为T 时间内的旋桨周数；K 是倍率或称水力螺距。故只要在一定时间内，测得旋桨的旋转周数，便可以求出旋桨所在位置的瞬时流速值。于是，流量=水流速度×过水断面。这两个由计算得到的参数可以通过液晶显示屏实时显示；水力螺距系数、仪器阻力系数、转差率及测量断面的参数可由用户通过小键盘预先设定。式中旋桨转动的频率可由某段时间内的旋桨周数与所用时间比值求得。故只要在一定时间内，测得旋桨的旋转周数，便可以求出旋桨所在位置的瞬时流速值。2.1.3该流量测量法的特点1.流量范围度宽，渠道截面形状不限于矩形，圆形、倒梯形或U 字形均适用；2.水位离渠床距离从接近零到满位均能测量，暗渠即使达到满管，压力显著增加时还能测量，而水位低于流速传感器而无法测量流速时，还可利用此前的流速信号作流量运算；3.超声流速计和超声液位计组成的仪表几乎不会发生固形物堆积现象；4.对已有渠道无需改造，安装容易；5.易受来流流速分布影响，测量点上下游要有足够长的直渠渠道。2.2 系统主控芯片的选用系统中用的主控芯片是Silicon Laboratories公司出品的C8051F系列单片机。C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)的特点，其性能优势具体体现在以下方面：基于增强的CIP-51内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，可以使用标准的803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51采用流水线结构，70%的的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度可达100MIPS(C8051F120等)，是目前世界上速度最快的8位单片机。增加了中断源。标准的8051只有7个中断源Silicon Labs 公司 C8051F系列单片机扩展了中断处理这对于时实多任务系统的处理是很重要的扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源允许大量的模拟和数字外设中断一个中断处理需要较少的CPU干预却有更高的执行效率。集成了丰富的模拟资源，绝大部分的C8051F系列单片机都集成了单个或两个ADC，在片内模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的采集转换；片内ADC的采样精度最高可达24bit，采样速率最高可达500ksps，部分型号还集成了单个或两个独立的高分辨率DAC，可满足绝大多数混合信号系统的应用并实现与模拟电子系统的无缝接口；片内温度传感器则可以迅速而精确的监测环境温度并通过程序作出相应处理，提高了系统运行的可靠性。 集成了丰富的外部设备接口。具有两路UART和最多可达5个定时器及6个PCA模块，此外还根据不同的需要集成了SMBus、SPI、USB、CAN、LIN等接口，以及RTC部件。外设接口在不使用时可以分别禁止以降低系统功耗。与其他类型的单片机实现相同的功能需要多个芯片的组合才能完成相比，C8051单片机不仅减少了系统成本，更大大降低了功耗。 增强了在信号处理方面的性能，部分型号具有16x16 MAC以及DMA功能，可对所采集信号进行实时有效的算法处理并提高了数据传送能力。 据有独立的片内时钟源(精度最高可达0.5%)，设计人员既可选择外接时钟，也可直接应用片内时钟，同时可以在内外时钟源之间自如切换。片内时钟源降低了系统设计的复杂度，提高了系统可靠性，而时钟切换功能则有利于系统整体功耗的降低。提供空闲模式及停机模式等多种电源管理方式来降低系统功耗 。实现了I/O从固定方式到交叉开关配置。固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。在C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置，外设电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。复位方式多样化，C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位，提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。 从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试。C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口（IEEE1149.1）。C8051F的JTAG接口不仅支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。基于上述特点，Silicon Labs 公司C8051F系列单片机作为SoC芯片的杰出代表能够满足绝大部分场合的复杂功能要求，并在嵌入式领域的各个场合都得到了广泛的应用：在工业控制领域，其丰富的模拟资源可用于工业现场多种物理量的监测、分析及控制和显示；在便携式仪器领域，其低功耗和强大的外设接口也非常适合各种信号的采集、存储和传输。因此，在本设计中我们选用C8051F060型号单片机作为主控芯片。第3章 便携式明渠流量计硬件系统设计智能仪表硬件系统的设计与配置规模是以满足应用系统的功能要求为原则的。因此在硬件系统的设计之前，首先要对应用系统的功能进行分析，从而充分把握其对各组成单元的硬件性能以及系统资源配置的要求。根据流量测量系统的总体设计方案，智能仪表应用系统主要包括以下几项基本功能：1测量信号的采集，将被测流量最终被转化为模拟电压信号并传输给智能测量仪表进行处理。因此，应用系统中必须具备相应的信号采集单元以完成对该电压形式的测量信号的采集和数字化转换，进而将其提供给系统主机进行数据处理。根据系统设计的要求，测量信号的采集应具有一定的实时性。2数据处理与运算在完成对被测信号的采集以后，应用系统的主控单元需要对所采集的数据进行处理，然后根据流量的计算公式和一定的算法求出被测水流的流量值，最终将这些数据以一定的格式存储于外部存储器中，实现串行非易失性数据存储和实时时钟控制。3显示、控制及参数设置智能仪表的参数显示分为两部分：一是在流量计量时对累积流量的显示；二是在进行参数设置时，为便于使用者的查看与修改参数的显示。应用系统所具备的人机交互通道，使操作人员可以对系统的工作状态进行控制并通过数据输入完成相关参数的设定与修改，从而体现出测量仪表智能化和柔性化的特点。4智能仪表应用系统应配置相应的通讯接口电路，并采用一定的通信格式实现数据采集单元与控制单元之间的数据传输与命令交互。3.1 硬件系统总体设计本课题所开发的这种流量测量系统与其它明渠流量计相比，具有简单实用且成本较低的优点。在该流量测量系统系统中包括的主要功能有：流速信号的采集；计算及采集数据的液晶显示；及时方便的键盘输入；具有串行非易失的数据存储及实时时钟功能的芯片FM3164的应用；与液位采集的RS485串行接口通讯。 系统硬件部分主要设计的功能框图如下图3-1所示图3-1 系统硬件原理框图在该系统框图中包括的主要功能有：流速信号的采集；计算及采集数据的液晶显示；及时方便的键盘输入；具有串行非易失的数据存储及实时时钟功能的芯片FM3164的应用；与液位采集的RS485串行接口通讯。系统中用的主控芯片是C8051F060，Silicon Laboratories公司出品的C8051F060单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与MCS-51完全兼容的指令内核。该系列单片机采用流水线处理（pipeline）技术，不再区分时钟周期和机械周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。而且大部分C8051F系列单片机具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS（与I2C兼容）总线以及CAN总线。C8051F060单片机采用FlashROM技术，集成JTAG，支持在线编程。C8051F060型号单片机的典型特性为：高速、流水线结构的与8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；全速非侵入式的在线调试接口（片内）；带有DMA控制器的两个16位、1Msps的ADC组成的ADC子系统；10位、200Ksps的带PGA和模拟多路开关的ADC；带有CAN总线；两路12位的DAC，可编程更新时序；64K字节可在系统编程的FLASH存储器；4352（4096+256）字节的片上RAM；可寻址64k字节地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的SPI、SMBUS、I2C和两个UART串行接口；5个通用的16位定时计数器；具有6个比较捕捉模块的可编程计数器/定时器阵列；片内看门狗定时器、电源电压（VDD）监视器和温度传感器。芯片的内部结构示意图如图3-2示：图3-2 C8051F060 的结构框图3.2 数据采集单元的设计在测量系统中，被测流量最终被转化为模拟电压信号并传输给智能测量仪表进行处理。因此，应用系统中必须具备相应的信号采集单元以完成对该电压形式的测量信号的采集和数字化转换，进而将其提供给系统主机进行数据处理。根据系统设计的要求，测量信号的采集应具有一定的实时性。3.2.1 数据采集基本原理我们使用的旋浆式流速仪是旋浆每转五转发一次脉冲信号，因此只需测出脉冲周期，即可计算出当前流速。原理框图如图3-3 所示。图3-3 流速采集原理设置T3 为方波输出模式，使T3 自减计数，外部T3EX 接地。T4 配置为捕捉模式。T4EX 为外部信号输入端。当T4EX 输入信号产生下降沿时，使T4 产生捕捉中断，可通过EXF4 查询。在T4 中断中需处理两种中断：捕捉中断和溢出中断。中断程序如下：void t4ISR(void) interrupt 16 /T4 捕捉中断处理if(TF4)TF4=0；tf4num+； /记录T4 溢出次数if(EXF4)TMR4L=0；TMR4H=0；EXF4=0；freTime=65536*tf4num；freTime+=RCAP4；tf4num=0；TF4=0；isnewdata=1；当测量脉宽比较长时，T4 溢出，此时可能尚未发生捕捉，所以在中断中将溢出标志位清0，同时使溢出次数自增，来记录T4 的溢出次数，然后利用溢出次数和RCAP4 的值计算一个脉冲的周期，将所有周期时间累加极为总时间，再根据公式v=k*n+c 和公式n=溢出次数*5/总时间，代入数据，计算可得流速。其中k 为水力螺距，c 为仪器常数，不同的仪器对应不同的K，C 值。3.2.2 数据信号的捕捉在捕捉模式下，Tn 为16 位定时/计数器。当EXENn（TMRnCN.3）为1 时，CP/RLn（TMRnCN.0）为1，DCEN 为0 时，Tn 被设置为捕捉模式，TnEX 下降沿信号将使捕捉发生，此时THn 和TLn 被保存到RCAPnH 和RCAPnL 寄存器中。当捕捉触发后，EXFn（TMRnCN.6）被置1，若Tn 中断允许，将产生相应中断。捕捉模式常用来测量脉宽。如下图3-4 所示。图3-4 T2、3 和4 捕捉方式原理框图在捕捉模式下，Tn 时钟源可以是系统时钟分频、外部时钟分频和Tn 输入时钟。不仅仅捕捉时刻会发生中断，时钟溢出也会发生中断。若脉宽超过计数器的计数范围，则可通过溢出次数来累加计算（一次溢出累加65536）。当测量信号频率范围比较宽时，可通过捕捉模式和计数模式相结合来完成计频。3.3 人机交互单元的设计应用系统的人机交互指的是操作人员与系统之间的信息交流，它包括操作人员对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向操作人员报告运行状态和运行结果这两方面的互动行为。目前，键盘和数码显示器是在大多数智能仪表应用系统中使用最为普遍的人机交互设备。人机交互功能几乎是所有单片机应用系统不可或缺的重要功能之一，因此它在应用系统的开发中占有十分重要的地位。3.3.1键盘输入电路的设计键盘识别的功能就是判断键盘中是否有键按下，若有键按下，则确定其所在的行列位置。程序扫描法是一种常用的键识别方法，在这种方法中，只要CPU 空闲，就调用键盘扫描程序，查询键盘并给予处理。在本系统中，由于需要数据的输入，为此，在设计时采用了4×4 的矩阵键盘。矩阵键盘的扫描原理就是：先将列值设置为0，逐行扫描，确定行值，然后再逐列扫描，确定列值。使用4×4 的矩阵键盘，只需使用P5 口即可实现16 个按键，不但可以快速地输入0 到9 的数字及小数点，还可以随时删除不需要的数字，而且还能上下左右随意移动光标，为测量过程中数据的输入及随时的修改提供了很大的便利。按键在按下和松开时，往往会出现所按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合或分离状态的情况，这就是键抖动。抖动的持续时间不一，通常不会大于10ms。键抖动会引起一次按键被误读多次。解决键抖动最方便的方法就是：当检测出有键按下时，不要立即进行逐行扫描，而是延时10ms ，待前沿抖动消失后再检测键的状态，如果仍保持闭合状态则认为真正有键按下（键按下的时间持续上百毫秒）。当检测到有键释放时，也要有10ms的延时，避开按键的后沿抖