超声波流量计.doc

1、 摘 要超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。意义是使流量仪表更能适应铁路站场的环境，计量更方便、经济、准确，而且本身不容易损坏，功耗低，可靠性高。此类产品为国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。基于难度和可实现性因素的考虑，本论文选用传播时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，完成了以下一些主要工作：对超声波时差法测流量原理的研究，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响；超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析

2、及流量修正；设计系统的控制测量电路，包括超声波发射电路、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等，并根据仪器本身实际情况和现场环境研究适合于的硬件抗干扰技术；设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理，在软件上采取适宜的抗干扰措施，进一步增强仪器的运行稳定性；以超声波时差检测的实验为整个实验研究工作的重点，针对现有实验条件进行了实验研究并给出了实验数据和结果分析。关键词：超声波流量计；时差法；传播时间AbstractUltrasonic flowmeter is through the test fluid flow of the ultrasonic bunch of (or

3、 ultrasonic pulse) role to measure flow of meter, the purpose is to solve some difficult problems of measurement. Meaning is that flow meters will be able to adapt the industrial field environment, more convenient, economy, measurement accuracy, and itself does not damage easily, low power consumpti

4、on, high reliability. Such products for the domestic and international advanced level, and can be widely used in petroleum, chemical industry, metallurgy, electric power, water supply and drainage, etc.Based on the difficulty and practical reasons, this thesis chooses spread the method of time diffe

5、rence for research subject, the comprehensive absorbs the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, and on the basis of the following some main work completed；Ultrasonic approach to measure time flow theory research, this paper ultrasonic flowmeter measurement accuracy ea

6、sy effected by temperature problems, using the improved algorithm avoids the influence of temperature on measuring accuracy;The ultrasound in fluid in the analysis of the propagation characteristics of ultrasonic flowmeter, fluid mechanics analysis and flow correction;Design system control measureme

7、nt circuits, including ultrasound circuit, ultrasonic receiving circuit, signal plastic circuit and control circuit system, and based on the instrument itself actual conditions and the environmental research suitable for hardware anti-interference technology;The appropriate design of computer softwa

8、re to the instrument to control and the data processing operations, taking suitable on software anti-interference measures, further strengthen the operation stability of the instrument;The time difference in ultrasonic testing experiment for the whole experiment research focus, in view of the existi

9、ng conditions of the experimental and the experimental data and results.Key words: Ultrasonic Flowmeter；Time Difference Method；Travel Time朗显示对应的拉丁字符的字典 - 查看字典详细内容目 录第一章 绪论11.1研究背景及意义11.1.1研究背景11.1.2超声波流量计的意义11.2国内外发展现状及应用21.2.1国内外发展现状21.2.2应用范围21.3本文主要研究内容2第二章 时差法超声波流量计概述42.1流量的基本概念42.2超声波技术概述42.2.1

10、超声波的传播速度42.2.2超声波的衰减52.3系统的构成和原理52.4系统结构框图7第三章 时差法超声波流量计设计8 3.1超声波发射/接收电路8 3.2采样保持电路9 3.3电压比较电路10 3.4信号采集及控制电路11第四章 硬件电路设计与扩展124.1主单片机系统方案124.2 I/O扩展124.3 RAM扩展134.4时钟扩展144.5定时器扩展164.6串行口扩展174.7输入输出设计18谢辞29参考文献30附录31III大连交通大学2014届本科毕业生设计（论文）第一章 绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景自古以来流量测量都是人类文明一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，

11、它广泛存在于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。早在公元前1000 年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠引水中采用孔板测量流量。1738 年，瑞士人丹尼尔伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果；1886 年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。19111912 年,美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30 年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进

12、展。第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。目前国外投入使用的流量计有100多种，国内定型投产的也有近50 种。随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30。我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20 世纪30 年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50 年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。至今

13、，我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。目前我国的流量装置方面与国际水平仍存在较大差距，现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平。1.1.2超声波流量计的意义超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。意义是使流量仪表更能适应铁路站场的环境，计量更方便、经济、准确，而且本身不容易损坏，

14、功耗低，可靠性高。此类产品为国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。1.2国内外发展现状及应用1.2.1国内外发展现状在国外，利用超声波测量液体和气体流量的研究已有数十年的历史。1931 年，O.Rutten 发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献。但是要使超声波流量计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到107秒，这在当时是很难达到的；50年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环将时差扩大在进行测量，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高。1955年，应用声循环法的MAXSON 流量计在美国研制成功

15、，并用于航空燃料油流量的测量，标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广。60 年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。我国超声波流量计的研究起步较晚，6070年代机械工业部上海工业自动化表研究所、北京大学相继进行超声波流量检测的研究，80 年代中期，开封仪表厂从美国西屋公司，本溪无线电厂从日本富士电机公司相继引进专用技术，生产具有80 年代国际先进水平的超声流量仪表，但是市场基本为国外产品占据。我国超声波流量计年产量90 年代初估计为8001000台。我国于94年正式出版了由中国计量科学院组织有关专家起草、分别经国家技术监督局和建设部批准的“JJG

16、198-94速度式流量计”的国家计量检定规程（包括超声波流量计）JJG（建设）0002-94超声流量计（传播速度差法、多普勒法）的部门计量检定规程。这是我国超声波流量计发展的一个标志。1.2.2应用范围超声波流量计（简称USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。1.3本文主要研究内容随着国内市场的国际化和WTO的加入，我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战。因此，开展高性能流量仪表的研究、开发

17、及产业化，对促进我国流量仪表工业的发展，增强产品的国际竞争力，具有十分重要的意义。超声波流量计本身也存在许多不足之处，如传统时差法测流受声速影响精度不高，不适合小管径、小流量场合等。现有国内的大多数超声波流量计虽然价格比外国的便宜，但总体性能较差；而国外的超声波流量计尽管在精度、性能和操作使用方面都优于国内的产品，但因价格昂贵(每台约为5万元左右)，也不可能在工业界大量使用。因此有必要在现有的基础上对超声流量测量技术加以改进和提高，以便在国内推广和使用，这也是本课题的研究目的之所在。基于难度和可实现性因素的考虑，本论文选用传播时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，

18、完成了以下一些主要工作：超声波时差法测流量原理研究，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响；超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析及流量修正；设计系统的控制测量电路，包括超声波发射电路、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等，并根据仪器本身实际情况和现场环境研究适合于的硬件抗干扰技术；设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理，在软件上采取适宜的抗干扰措施，进一步增强仪器的运行稳定性；以超声波时差检测的实验为整个实验研究工作的重点，针对现有实验条件进行了实验研究并给出了实验数据和结果分析。第二章 时差法超声波流量计

19、概述2.1流量的基本概念超声波流量计采用时差式测量原理：一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被第一个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差t，根据推算可以得出流速V和时间差t之间的换算关系V=(C2/2L)t，进而可以得到流量值Q当超声波波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下列表达式: MD TV= * * 其中 M -声束在液体的直线传播次数 -声束在液体流动方向的夹角 -声束在正方向上的传播时间 -声束在逆方向上的传播时间 T= 2.2超声波技术概述由于

20、超声波传播时，其声速、衰减和声阻抗都和媒质的特性与状态有关，不同性质的媒质不但影响超声波的穿透深度，也影响接收波的强度。因此，要准确地检测到超声信号并非易事，在投入设计前要对超声波及相关的知识进行介绍。2.2.1超声波的传播速度超声波在水中的传播速度不但温度有关，还受水深h和水中含盐量S的影响，如图2-1所示为水中声速与温度T的关系曲线。图2-1 水中声速与温度的关系曲线2.2.2超声波的衰减超声波在媒质中传播时，其振幅将随传播距离的增大而减小，这种现象称为超声波的衰减。造成衰减的主要原因是因为一方面，超声波在传播过程中，在液体分子、固体颗粒、悬浮物和气泡的作用下，有一部分声能会不可逆转地转换

21、成媒质的其他形式的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了，通常认为流体的声吸收衰减系数是与频率的平方成正比的；另一方面，超声波在媒质中传播时，如果媒质中含有大量的散射粒子（如流体媒质中的悬浮粒子、液体中的小气泡、固体媒质中的颗粒状结构缺陷、掺杂物等），则一部分超声波将被散射开来，不再沿原来方向前进，仅有余下的一部分是沿原方向继续前进的，这样就形成了散射衰减，而固体颗粒、悬浮物等散射物质本身又成为声源，又会向所有方向辐射声能，超声工业测量技术中最常遇到的散射衰减情况是由大量的尺寸远小于波长的散射粒子所引起的，通常可认为散射衰减系数与频率的四次方成正比。因此，超声波在水中传播时会不断衰减，甚至

22、会被噪声淹没。在设计过程中必须充分考虑以上两大因素，采取相应的措施确保超声波流量计的实现。2.3系统的构成和原理时差法超声波流量计系统由2部分组成：硬件系统：超声波换能器，超声波发射/接收电路，信号采集及控制电路，信号处理及人机接口电路软件系统：主单片机软件设计，从单片机部分软件设计，单片机软件抗干扰设计。测量原理如下：声学原理：当管道中流体以速度v流动时，超声波信号在流体中的顺、逆流传播时间分别为t1，t2，那么对于V型安装有：但是，由式（3-4）可以看到流体的流速v 与超声波速度C有关，而C又受温度、水深等物理参数的影响，如果直接利用式（3-4）进行流量计算势必会造成比较大的误差，因此，可

23、以采用改进型时差法，利用数学变换将影响测量精度的超声波速度C剔除。由式（3-1）、（3-2）可知：相减得式（3-7）与（3-4）相比，消掉了超声波速度C这一项，因此，改进后的时差法公式消除了C对测量结果的影响，从理论模型上提高了流速的测量精度。如图3-1所示。图2-2 基本声学原理图测时原理：时差法超声波流量计的精度与所检测到的传播时间的准确度有关，采用可靠的传播时间测量方法是确保时差法超声波流量测量的关键问题。由式（3-7）可以看出：由数学知识可以知道：由式（3-9）可以看出，k 越小，v对时间参量要求的精度就越大，也就是说管径越小就越难以测量。根据课题的要求以及计算的方便，所测管径的最小值

24、为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度为1450m/s；发射角为45。当流体流速为v=1m/s时：t197.484s，t297.579s，Dt9.5-2s2.4系统结构框图根据时差法测量的基本原理和时差信号小的特点，本课题研究的时差法超声波流量计主要由两部分组成：时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。时差信号采集部分以从单片机89C51为核心，根据主单片机发来的命令进行相应的操作，主要负责进行超声波的发射和接收以及传播时间的测量，它由超声波发射电路、接收放大电路、顺/逆流切换电路、电压比较电路、计数控制电路等组成；信号处理及人机接口部分则以单片机80C31为核心，主要负责对整个

25、系统的控制、流量的计算还有人机接口服务，包括键盘、LCD 显示、数据存储等。其系统框图如图32所示。图2-3 系统硬件结构框图这里大致介绍一下系统的工作过程：从单片机收到主单片机发出的测量命令后产生一定的波形，先对计数器清6着同步启动发射电路触发超声波换能器发射超声波脉冲，同时使计数电路开始对高频方波进行计数，在接收端接收到脉冲信号后一部分返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部分进入分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲声循环。当完成所定的多脉冲个数后，分频器产生一个信号，关断高频方波，使计数器停止计数。这个过程可以得到顺流传播的传播时间，用同样的方法可以得到逆流方向

26、传播的时间，并通过并行口送到主单片机上。主单片机收到从单片机发来的顺逆流的传播时间计数值后，采用数字滤波技术对这些时间信号进行滤波处理，并根据实际情况计算出相应的流速和流量，保存到存储器中，并送到LCD上显示出来。第三章 时差法超声波流量计设计3.1超声波发射/接收电路多脉冲法超声波发射/接收系统硬件逻辑框图如图3-1所示。图3-1 发射/接收系统硬件逻辑框图在设计中，发射和接收电路都分别只有一个，通过继电器进行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号

27、对接收的影响。3.1.1超声波发射电路在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电路连接如图4-2所示。图3-2 超声波发射电路3.1.2超声波接收电路发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定。为了实现高精度的测量，在信号到达检测电路前必须使信号稳定可靠，根据接收信号的实际情况，对所设计的超声波接收电路主要由放大电路、滤波电路、自动控制增益电路、电压比较电路等部分组成。1、放大电路通常超声波换能器接收到的超声波信号是非常小的，只有几毫伏，而一般ADC需要采样的信号的幅值为5V，所以必须

28、对它进行放大。放大电路采用三级放大，第一级和第三级放大采用固定增益放大，完成信号的基准放大，第二级采用具有程控增益调整功能的芯片AD603来实现，这样当第一级和第三级确定后，可以通过调节AD603控制端的电压来调节整个放大电路的增益，使输出信号达到要求的幅值。2、滤波电路在超声波接收信号中，往往会掺杂一些干扰信号，在电路设计中，应尽可能将这些干扰信号除去。但是要完全把干扰信号除掉是不可能的，只能将这些干扰信号尽可能减小。因为超声波信号的频率大致为1MHz，由运放和电容等器件构成的有源滤波器的带宽一般较窄，通常不适用于高频范围，最大在几百千赫兹，且在这个频率附近不易采用，而若采用专用集成的滤波电

29、路造价又偏高，因此决定采用由电感和电容组成的LC滤波器。3.2采样保持电路超声波接收信号经过放大和滤波后，进入采样保持电路。采样保持电路对接收到的超声波信号的第一个峰值进行采样，并将它保存下来。这样，就可以利用A/D转换器将采样到的信号转化为数字信号，供控制单元进行增益控制，保证测量的准确性。具体电路如图4-3所示。图3-3 采样/保持电路图3.3电压比较电路正确地确定超声波接收信号的到达时刻是整个电路中一个很关键的地方，它直接影响到超声波传播时间的测量精度。在这里，采用了电压比较电路对接收到的信号进行有效性检验，利用设置一个有效信号检测门槛对信号的过零点、0.2V处进行检测。电路主要由高精度

30、的过零比较器MAX913和高速双路电压比较器MAX902组成。由过零比较器可得到过零点信号；由双路电压比较器可得到过+0.2V和-0.2V信号，这三个输出信号最后都送到单片机进行逻辑控制。其电路见图4-4、4-5所示。图3-4 电压比较电路图3-5 控制电路3.4信号采集及控制电路从单片机是信号采集及控制电路的核心，它既要接收主单片机发来的命令，使测量模块的各部分协调工作，同时又要向主单片机回送测量数据和该部分的状态信息。考虑到性价比，选择了ATMEL公司的AT89C51，它是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，其指令系统与8051完全兼容，主要有以下显著特点：4KB可改编程序FLASH存储

31、器，可经受1000次的写入/擦写；全静态工作：0Hz24MHz；3级程序存储器保密；1288字节内部RAM；32条可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行通道；片内时钟振荡器。电路设计如下图4-6所示。图3-6 控制计数部分示意图第四章 硬件电路设计与扩展4.1主单片机系统方案80C31单片机，它是8位高性能单片机。属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，标准MCS-51单片机的体系结构和指令系统。80C31内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数

32、器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。但80C31片内并无程序存储器，需外接ROM。 此外，80C31还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU,而RAM、定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。4.2 I/O扩展 80C31单片机有4个并行I/O口，分别命名为P0、P1、P2、P3，它们是特殊寄存器中的4个，每个I/O口即可以作输入，也可以作输出。 下面分别按照功能介绍。 P0：当不作系统扩展时，可作一般I/O使用，但需要外接上拉电阻来驱动MOS输入；当作系统扩展时，P0

33、担任地址（低8位）/数据复用的总线口，并且可直接驱动MOS电路而不必外接上拉电阻。 P1：是专供用户使用的I/O口。 P2口：当不作系统扩展时，可作一般I/O口使用；当作系统扩展时，作为高8位地址线用。 P3口:是双功能口。该口的每一位均可以独立的定义为第一I/O口功能或者第二I/O口功能（在作外部存储器扩展时使用P3.6和P3.7）。P0口是数据总线口，作I/O口用时只能分时使用，为此，输出数据时需要锁存。74LS373 的输出端Q0Q7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线

34、的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。图4-1 I/O扩展4.3RAM扩展图4-2 RAM扩展1.地址线的连接： 存储器低8位地址线A7A0连接锁存器74LS373输出口。 存储器高8位地址线A15A8连接P2口（P2.7P2.0）。2.数据线的连接 存储器的8位数据线和锁存器输入端连接P0口3：PSEN 信号（外部取指控制，在访问外部ROM时， /PSEN信号会自动产生）连接Flash存储器/OE。4：ALE信号(ALE是地址锁存允许信号,在访问外部存储器RAM或RO）时，通常用它的下降沿来锁存P0口

35、送出的低8位地址信号)连接74LS373的使能端。5：因为单片机是直接使用外部存储器所以/EA（/EA是访问外部存储器的控制信号。当/EA无效（高电平）时，访问内部ROM；当/EA有效（低电平）时，访问外部ROM）直接接地。4.4时钟扩展DS12887是美国DALLAS半导体公司最新推出的8位串行接口并自带RAM的实时日历时钟芯片，内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114 bit作掉电保护用的低功耗RAM。CPU通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制或BCD码初始化芯片的10个时标寄存器，其4个状态寄存器用来控制和指出DS1

36、2887的当前工作状态，114bit非易失性静态RAM可在掉电时保存一些重要数据。DS12887功能强大，应用广泛。其引脚图如下所示： 图4-3 DS12887GND、VCC:直流电源，其中VCC接+5V输入，GND接地，当VCC输入为+5V时，用户可以访问DS12C887内RAM中的数据，并可对其进行读、写操作;当VCC的输入小于+4.25V时，禁止用户对内部RAM进行读、写操作，此时用户不能正确获取芯片内的时间信息;当VCC的输入小于+3V时， DS12C887会自动将电源发换到内部自带的锂电池上。MOT:模式选择脚，DA12C887有两种工作模式，即Motorola模式和Intel模式，

37、当MOT接VCC时，选用的工作模式是Motorola模式，当MOT接GND时，选用的是Intel模式。本文主要讨论Intel模式。QW:方波输出脚，当供电电压VCC大于4.25V时，SQW脚可进行方波输出，此时用户可以通过对控制寄存器编程来得到13种方波信号的输出。AD0AD7:复用地址数据总线，该总线采用时分复用技术，在总线周期的前半部分，出现在AD0AD7上的是地址信息，可用以选通DS12C887内的RAM,总线周期的后半部分出现在AD0AD7上的数据信息。AS:地址选通输入脚，在进行读写操作时，AS的上升沿将AD0AD7上出现的地址信息锁存到DS12C887上，而下一个下降沿清除AD0A

38、D7上的地址信息，不论是否有效，DS12C887都将执行该操作。DS/RD:数据选择或读输入脚，该引脚有两种工作模式，当MOT接VCC时，选用Motorola工作模式，在这种工作模式中，每个总线周期的后一部分的DS为高电平，被称为数据选通。在读操作中，DS的上升沿使DS12C887将内部数据送往总线AD0AD7上，以供外部读取。在写操作中，DS的下降沿将使总线 AD0AD7上的数据锁存在DS12C887中。R/W:读/写输入端，该管脚也有2种工作模式，当MOT接VCC时，R/W工作在Motorola模式。此时，该引脚的作用是区分进行的是读操作还是写操作，当R/W为高电平时为读操作，R/W为低电

39、平时为写操作;当MOT接GND时，该脚工作在Intle模式，此时该作为写允许输入。CS:片选输入，低电平有效。IRQ:中断请求输入，低电平有效，该脚有效对DS12C887内的时钟、日历和RAM中的内容没有任何影响，仅对内部的控制寄存器有影响，在典型的应用中，RESET可以直接接VCC,这样可以保证DS12C887在掉电时，其内部控制寄存器不受影响。图4-4 时钟扩展4.5 定时器扩展图4-5 定时器扩展 写操作：8253的初始化编程刚加电时，8253处于一种未定义状态，工作方式是不确定的，需要对它初始化编程，具体有二项内容设置控制字。需要用几个计数器，就要写几次控制字，不过控制字地址都相同。写

40、入控制字，还起到复位作用：使该计数器清零及OUT端变为规定的初始状态。向已选定的计数器端口地址内写入计数初值，但要注意：编程写入时必须按相应控制字中的要求、顺序写入。例如，当CW中RL1，RL0为11时，应先写入计数初值低8位，再写入计数初值高8位。如果计数初值为0，把初值0000H分两次顺序写入。正确选定初值是二进制数还是BCD码数由于3个计数器完全独立，有各自的端口地址，因此对这3个计数器分别初始化编程并没有先后次序要求。但是，对任一计数器初始化时必须先写控制字，再写计数初值。读操作在实际应用中，常需要读出某计数器某时刻当前计数值，8253的OL寄存器就是为此功能而设计的。在计数过程中，O

41、L实时跟随CE，并不锁存其实时值：只有接到锁存指令时，OL立即锁存当前值不再跟随CE变化，而同时CE仍照常继续减1计数；然后CPU将锁定值用输入指令读走时，锁存器自动失锁，又跟随CE实时变化。这样就保证了在读出当前计数值的过程中不影响计数的进行。具体编程为：先写锁存命令控制字(即设置控制字的RLl，RL0为00)，该锁存命令控制字仅起锁存作用，不影响计数器其它当前工作和状态。再读该计数器口地址。8253的工作方式8253芯片的每个计数器都有6种工作方式可供选用，这6种工作方式主要特点、区别为输出波形不同。启动计数器的触发方式不同(电平触发、边沿触发)。计数过程中门控信号GATE对计数操作的影响

42、不同。该六种方式功能为方式0：计数结束产生中断信号输出。方式1： 可编程单稳态信号输出。方式2：可编程频率发生器分频器。方式3：可编程方波发生器。方式4：可编程软件触发的选通信号输出。方式5：可编程硬件触发的选通信号输出。不论用哪种工作方式，都遵循下面几条基本规则首先写控制字，使控制逻辑电路复位，0UT端进入初始状态。再写计数初值，经过一个CLK脉冲周期(在GATE允许或触发条件下)，计数器才开始计数。在CLK脉沖的上升沿对GATE信号进行采样，以检测是何种触发方式(电平触发边沿触发)。在CLK脉冲的下降沿，计数器作减1计数。0是计数器所能容纳的最大初值。当选用二进制时，0相当于216；当选用

43、BCD码时，0相当于104。4.6串行口扩展可编程串行接口芯片8251A18251A主要特点：可用于串行异步通信，也可用于串行同步通信。对于异步通信，可设定停止位为1位、1位半或2位。对于同步通信，可设为单同步、双同步或外同步。步字符可由用户自己设定。可以设定奇偶校验的方式，也可以不校验。校验位的插入、检出及检错都由芯片本身完成.异步通信的时钟频率可设为波特率的1倍、16倍或64倍。在异步通信时，波特率的可选范围为019.2千波特；在同步通信时，波特率的可选范围为064千波特。提供与外部设备特别是调制解调器的联络信号，便于直接和通信线路相连接。接收、发送数据分别有各自的缓冲器，可进行全双工通信

44、。 图4-6 串行口扩展4.7 输入输出设计4.7.1键盘设计硬件原理图：图4-7 键盘电路 行扫描法行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按钮识别办法，如上图所示键盘，介绍过程如下。判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按钮之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其办法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的

45、电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按钮。程序流程图图4-8 键盘扫描流程图4.7.2液晶显示设计设计原理及方案1、系统框图振荡电路80C31单片机液晶显示OCMC2002复位电路 图4-9 系统框图原理电路图图4-10 液晶电路原理图说明：1、单片机的P0口作为数据口接OCMC2002的D0D7口；2、单片机的P2.0作为控制数据/命令选择端接OCMC2002的RS；3、单片机的P2.1作为控制读/写选择端接OCMC2002的R/W端；4、单片机的P2.2作为控制使能信号端接OCMC2002的E端。5、OCMC2002通过1K的电阻及5V电源驱动6、单片机晶

46、振选择12MHz晶振。LCD功能及接口简介 工业字符型液晶，能够同时显示2*20即40个字符。（20列2行）OCMC2002液晶也叫OCMC2002字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。管脚功能图4-11 OCMC2002OCMC2002采用标准的16脚接口，其中：第1脚：GND为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负