基于无线以太网的液体流量测试平台的研究与设计
基于无线以太网的液体流量测试平台的研究与设计[20191213105004]
摘要
工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础，因此很有必要设计一款对流量进行实时测试的测试平台。
论文研究了基于wifi的流量测试的问题，针对流量的实时监测问题，提出了以单片机为主体，基于C#的软硬件结合的方案，设计了流量AD转换以及数码管显示的硬件电路和上位机软件系统，经过将5V模拟电压值转换为数字信号在数码管显示以及在上位机软件曲线显示的测试，达到了实时监测流量值的目的。
论文综合运用了嵌入式技术、计算机技术、自动控制技术、计算机网络技术、C#程序编写等技术，采用美国Atmel公司的单片机AT89C51作为主控芯片与数据存储器单元，AD转换芯片，四位LED显示等，设计了一款可对流量进行实时检测的流量测试平台，达到了对流量进行实时测试的目的。论文详细论述了基于wifi的流量检测系统的设计方案，主要解决系统的总体设计，硬件电路的设计以及系统软件的设计，对其他的同类实际起到了参考作用。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:AT89C51；PCF8591；流量检测；
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1论文选题来源及意义 1
1.2 国内外相关研究现状及分析 1
1.3 本文主要工作和结构 2
1.3.1本文所要完成的流量测试系统功能 2
1.3.2 解决的技术难点 3
1.3.3论文结构 3
第2章 流量测试平台的总体系统设计研究 4
2.1总体方案 4
2.2流量监测概述 4
2.3流量测试平台组网选型 6
2.3.1现场总线 6
2.3.2 以太网 8
2.3.3无线以太网 9
第3章 流量监测平台下位机设计 10
3.1下位机总体设计 10
3.2单片机最小系统设计 10
3.2.1单片机 11
3.2.2复位电路 14
3.2.3晶振电路 14
3.3 AD转换模块设计 15
3.3.1 AD工作原理 15
3.3.2 AD电路图 15
3.3.3 AD程序设计 17
3.4 显示模块设计 18
3.4.1 LED显示原理 18
3.4.2数码管电路图 19
3.4.3显示模块程序设计 19
3.5 串行通信 20
3.5.1 传输方式的选择 20
3.5.2 RS232协议 20
3.6 WIFI 22
3.6.1功能特性 23
3.6.2主要功能 23
第4章 流量测试平台软件设计 25
4.1 开发平台 25
4.2 数据库模块设计 26
4.2.1数据库选型 26
4.2.2数据库设计 27
4.2.3数据库连接设计 28
4.2.4数据库读写操作 29
4.3 通信模块 30
4.3.1 TCP/IP 30
4.3.2 SOCKET 31
4.3.3 socket程序设计 33
4.4 软件平台设计 35
4.4.1平台界面设计 35
4.4.2控件选型 35
第5章 整机调试 38
5.1硬件调试 38
5.1.1 AD转换模块的调试 38
5.1.2 数码管显示部分 39
5.1.3 串口发送数据 40
5.2 软件调试 40
5.2.1 数据显示模块调试 40
5.2.2上下位机通信模块调试 41
第6章 总结与展望 42
参考文献 43
致 谢 45
附录一 数据显示部分效果图 46
附录二 监测平台部分源程序 46
第1章 绪论
1.1论文选题来源及意义
流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。
流量的测量在工业等领域具有广泛的应用，比如热电生产、石油化工、食品卫生等。随着传感器技术、微电子技术、单片机技术的发展，液体流量的测量手段也越来越多。充分利用单片机丰富的硬件资源，配以适当的检测接口电路，可精确测量由涡街流量传感器或电磁流量传感器输出的代表流量大小的脉冲信号，以及气体在当地状态下的压力、温度等模拟电压信号。由软件计算出流量，以简单的硬件结构实现了一个高可靠性、高精度、多功能的液体流量检测系统。人们通过对生产过程进行监视和控制，以实现对流体流量的正确测量和调节，从而保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。
通过对本课题的研究，训练综合运用已学课程的基本知识，进行单片机应用技术和开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。
1.2 国内外相关研究现状及分析
我国近代流量测量技术发展比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口。中国流量仪表制造业从上世纪30年代中期以仪表修配开始，到解放前后在上海、天津等沿海地区形成了现代流量仪表的民族工业。到改革开放前，经历了仿制、统一设计、自行研究开发过程，目前已近初具规模，基本上能满足中等水平流量仪表的需要。改革开放以来又经历了技术引进，与国际先进技术企业合资、合作，仪表性能和水平有了很大提高。近年国际主流企业纷纷在中国建立生产基地，既增强了研发能力也增添了竞争因素，现在我国流量计产品已很全面，基本覆盖所有行业，满足各行业产生需要，技术革新较快，但在产品生产工艺上仍然有很大提高的空间。
由于测量的目的意义介质物理特性化学特性测量的环境条件等不同，人们研制了各种不同结构原理、不同测量范围、不同测量准确度、不同性价比.适合不同测量要求的流量仪表。流量计也应运而生，流量计是用来测量管道或明沟中的液体、气体或蒸汽等流体流量的工业自动化仪表，种类繁多。按测量方法分，流量计有差压式、变面积式、容积式、速度式和电磁式等。然而，各种不同类型的流量计的测量精度、测量误差、稳定性等重要性能指标的检验测试就需要一套专门的测试系统。课题研究的就是一种能对某种液体的流量进行实时监测的重要测试平台。
无线局域网络是利用射频或是红外线的技术，以无线的方式连接二部或多部需要交换资料的计算机设备，相较于以有线方式所构成的区域网络，无线区域网络能利用简单的存取架构让使用者透过它，利用无线的高移动性来应用于各个需要的应用领域之中。该课题根据实际采集数据和控制的需要，需设计模拟量采集接口电路、开关量采集接口电路、控制电路，系统同时无线通信模块，具备组网功能。
由于无线局域网具有安装便捷、易于扩展、易于进行网络规划和调整，以及很强的灵活性等优点，无线局域网在生活中的应用十分广泛。可使用无线局域网络产品设置临时收银柜台；在医疗方面，使用附无线局域网络产品的手提式计算机取得实时信息，医护人员可藉此避免对伤患救治的迟延、不必要的纸上作业、单据循环的迟延及误诊等，而提升对伤患照顾的品质。课题也正是利用无线局域网进行对流量的实时监测。
1.3 本文主要工作和结构
1.3.1本文所要完成的流量测试系统功能
1 采集到的数据AD转换
2 单片机数据发送
3 上位机接收数据并以曲线形式显示
4 基于wifi的数据传输
1.3.2 解决的技术难点
1 单片机与上位机之间的通信
2 上位机实时曲线显示数据
3 基于wifi的数据传输
1.3.3论文结构
第一章 描述流量测试仪表的发展趋势，无线以太网的应用，国内外在流量测试方面所取得的成果，以及本文的主要任务。
第二章 通过对现在市场上的各种流量计的详细描述，介绍了流量测试所要求实现的主要功能以及需要应用到的各种技术。通过对目前通用的各种组网的详细描述，介绍了各个组网的优缺点。
第三章 介绍了流量测试平台的下位机设计，对单片机最小系统中的各个模块做了详细的描述。
第四章 介绍了流量测试平台的上位机设计。对上位机中的开发语言、控件选型、数据库以及通信模块做了详细的描述。
第五章，对流量测试平台的上下位机的调试做了详细说明。
第六章，对全文做了总结与展望，介绍了本文的主要内容以及不足之处，并对未来的发展趋势做了展望。
第2章 流量测试平台的总体系统设计研究
2.1总体方案
图2.1 流量测试平台的总体设计
课题研究的是将流量值采集以后对其进行AD转换，将转换后的流量值显示在数码管上，同时利用无线网实时传输到上位机上，并且在上位机上对收到的数据进行保存、删除等操作。
2.2流量监测概述
随着科学技术的不断进步，测量仪表已经开始向精密化、小型化等方向发展。尤其是微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力。流量测量仪表种类很多，按测量方法分，流量计有差压式、变面积式、容积式、速度式和电磁式等。下面列出各类流量计的主要性能和特点。
1 差压流量计
差压流量计是应用非常广泛的一类流量测量仪表，它由节流装置和差压计两部分组成。充满圆管的流体流经节流件（如孔板）时，流束在孔板处形成局部收缩，由于流速增加、静压力降低而在孔板前后产生压差。这一压差与流量的平方成正比。测量压差的仪表有应变、电容和振弦式等差压变送器以及双波纹管差压计等类型。
2 变面积流量计
变面积流量计的主要形式是转子流量计， 由锥形玻璃管和浮子组成。浮子能在垂直安装的锥形玻璃管内上下移动。被测流体自下向上流过管壁与浮子之间环隙时，托起浮子向上。这时管与浮子之间的环隙面积增大，直到浮子两边压差所形成的力与浮子重力相等时，浮子便处在一个平衡位置。流量变化时浮子两边压差所形成的力也随之变化，使浮子又在一个新的位置上重新平衡。浮子浮起的高度即为流量计的读数。
3 涡轮流量计
涡轮流量计由传感器和显示仪表组成。传感器主要由磁电感应转换器和涡轮组成。流体流过传感器时，先经过前导流件，再推动铁磁材料制成的涡轮旋转。旋转的涡轮切割固壳体上的磁电感应转换器的磁力线，磁路中的磁阻便发生周期性的变化，从而感应出交流电信号。信号的频率与被测流体的体积流量成正比。传感器的输出信号经前置放大器放大后输至显示仪表，进行流量指示和积算。涡轮转速信号还可用光电效应、霍耳效应等转换器检出。
4 电磁流量计
电磁流量计由传感器、转换器和显示仪表组成，根据法拉第电磁感应定律工作。传感器主要由励磁线圈和一对电极组成。在用非磁性材料制成的、直径为D的管道内，导电液体若以速度V流动，切割由励磁线圈感应出的均匀磁通密度为B的磁场，则在流体方向和磁场方向都垂直的一对电极上感应出电动势ES，则ES=CBDV，经换算可得到体积流量：CV= πED/4KB式中C和K为比例常数。
5.容积式流量计
容积式流量计, 又称定排量流量计, 简称PD 流量计, 在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分, 根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类, 可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。
6.超声流量计
超声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。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法( 直接时差法、时差法、相位差法和频差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样, 因仪表流通通道未设置任何阻碍件, 均属无阻碍流量计, 是适于解决流量测量困难问题的一类流量计, 特别在大口径流量测量方面有较突出的优点, 近年来它是发展迅速的一类流量计之一。
2.3流量测试平台组网选型
摘要
工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础，因此很有必要设计一款对流量进行实时测试的测试平台。
论文研究了基于wifi的流量测试的问题，针对流量的实时监测问题，提出了以单片机为主体，基于C#的软硬件结合的方案，设计了流量AD转换以及数码管显示的硬件电路和上位机软件系统，经过将5V模拟电压值转换为数字信号在数码管显示以及在上位机软件曲线显示的测试，达到了实时监测流量值的目的。
论文综合运用了嵌入式技术、计算机技术、自动控制技术、计算机网络技术、C#程序编写等技术，采用美国Atmel公司的单片机AT89C51作为主控芯片与数据存储器单元，AD转换芯片，四位LED显示等，设计了一款可对流量进行实时检测的流量测试平台，达到了对流量进行实时测试的目的。论文详细论述了基于wifi的流量检测系统的设计方案，主要解决系统的总体设计，硬件电路的设计以及系统软件的设计，对其他的同类实际起到了参考作用。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:AT89C51；PCF8591；流量检测；
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1论文选题来源及意义 1
1.2 国内外相关研究现状及分析 1
1.3 本文主要工作和结构 2
1.3.1本文所要完成的流量测试系统功能 2
1.3.2 解决的技术难点 3
1.3.3论文结构 3
第2章 流量测试平台的总体系统设计研究 4
2.1总体方案 4
2.2流量监测概述 4
2.3流量测试平台组网选型 6
2.3.1现场总线 6
2.3.2 以太网 8
2.3.3无线以太网 9
第3章 流量监测平台下位机设计 10
3.1下位机总体设计 10
3.2单片机最小系统设计 10
3.2.1单片机 11
3.2.2复位电路 14
3.2.3晶振电路 14
3.3 AD转换模块设计 15
3.3.1 AD工作原理 15
3.3.2 AD电路图 15
3.3.3 AD程序设计 17
3.4 显示模块设计 18
3.4.1 LED显示原理 18
3.4.2数码管电路图 19
3.4.3显示模块程序设计 19
3.5 串行通信 20
3.5.1 传输方式的选择 20
3.5.2 RS232协议 20
3.6 WIFI 22
3.6.1功能特性 23
3.6.2主要功能 23
第4章 流量测试平台软件设计 25
4.1 开发平台 25
4.2 数据库模块设计 26
4.2.1数据库选型 26
4.2.2数据库设计 27
4.2.3数据库连接设计 28
4.2.4数据库读写操作 29
4.3 通信模块 30
4.3.1 TCP/IP 30
4.3.2 SOCKET 31
4.3.3 socket程序设计 33
4.4 软件平台设计 35
4.4.1平台界面设计 35
4.4.2控件选型 35
第5章 整机调试 38
5.1硬件调试 38
5.1.1 AD转换模块的调试 38
5.1.2 数码管显示部分 39
5.1.3 串口发送数据 40
5.2 软件调试 40
5.2.1 数据显示模块调试 40
5.2.2上下位机通信模块调试 41
第6章 总结与展望 42
参考文献 43
致 谢 45
附录一 数据显示部分效果图 46
附录二 监测平台部分源程序 46
第1章 绪论
1.1论文选题来源及意义
流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。
流量的测量在工业等领域具有广泛的应用，比如热电生产、石油化工、食品卫生等。随着传感器技术、微电子技术、单片机技术的发展，液体流量的测量手段也越来越多。充分利用单片机丰富的硬件资源，配以适当的检测接口电路，可精确测量由涡街流量传感器或电磁流量传感器输出的代表流量大小的脉冲信号，以及气体在当地状态下的压力、温度等模拟电压信号。由软件计算出流量，以简单的硬件结构实现了一个高可靠性、高精度、多功能的液体流量检测系统。人们通过对生产过程进行监视和控制，以实现对流体流量的正确测量和调节，从而保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。
通过对本课题的研究，训练综合运用已学课程的基本知识，进行单片机应用技术和开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。
1.2 国内外相关研究现状及分析
我国近代流量测量技术发展比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口。中国流量仪表制造业从上世纪30年代中期以仪表修配开始，到解放前后在上海、天津等沿海地区形成了现代流量仪表的民族工业。到改革开放前，经历了仿制、统一设计、自行研究开发过程，目前已近初具规模，基本上能满足中等水平流量仪表的需要。改革开放以来又经历了技术引进，与国际先进技术企业合资、合作，仪表性能和水平有了很大提高。近年国际主流企业纷纷在中国建立生产基地，既增强了研发能力也增添了竞争因素，现在我国流量计产品已很全面，基本覆盖所有行业，满足各行业产生需要，技术革新较快，但在产品生产工艺上仍然有很大提高的空间。
由于测量的目的意义介质物理特性化学特性测量的环境条件等不同，人们研制了各种不同结构原理、不同测量范围、不同测量准确度、不同性价比.适合不同测量要求的流量仪表。流量计也应运而生，流量计是用来测量管道或明沟中的液体、气体或蒸汽等流体流量的工业自动化仪表，种类繁多。按测量方法分，流量计有差压式、变面积式、容积式、速度式和电磁式等。然而，各种不同类型的流量计的测量精度、测量误差、稳定性等重要性能指标的检验测试就需要一套专门的测试系统。课题研究的就是一种能对某种液体的流量进行实时监测的重要测试平台。
无线局域网络是利用射频或是红外线的技术，以无线的方式连接二部或多部需要交换资料的计算机设备，相较于以有线方式所构成的区域网络，无线区域网络能利用简单的存取架构让使用者透过它，利用无线的高移动性来应用于各个需要的应用领域之中。该课题根据实际采集数据和控制的需要，需设计模拟量采集接口电路、开关量采集接口电路、控制电路，系统同时无线通信模块，具备组网功能。
由于无线局域网具有安装便捷、易于扩展、易于进行网络规划和调整，以及很强的灵活性等优点，无线局域网在生活中的应用十分广泛。可使用无线局域网络产品设置临时收银柜台；在医疗方面，使用附无线局域网络产品的手提式计算机取得实时信息，医护人员可藉此避免对伤患救治的迟延、不必要的纸上作业、单据循环的迟延及误诊等，而提升对伤患照顾的品质。课题也正是利用无线局域网进行对流量的实时监测。
1.3 本文主要工作和结构
1.3.1本文所要完成的流量测试系统功能
1 采集到的数据AD转换
2 单片机数据发送
3 上位机接收数据并以曲线形式显示
4 基于wifi的数据传输
1.3.2 解决的技术难点
1 单片机与上位机之间的通信
2 上位机实时曲线显示数据
3 基于wifi的数据传输
1.3.3论文结构
第一章 描述流量测试仪表的发展趋势，无线以太网的应用，国内外在流量测试方面所取得的成果，以及本文的主要任务。
第二章 通过对现在市场上的各种流量计的详细描述，介绍了流量测试所要求实现的主要功能以及需要应用到的各种技术。通过对目前通用的各种组网的详细描述，介绍了各个组网的优缺点。
第三章 介绍了流量测试平台的下位机设计，对单片机最小系统中的各个模块做了详细的描述。
第四章 介绍了流量测试平台的上位机设计。对上位机中的开发语言、控件选型、数据库以及通信模块做了详细的描述。
第五章，对流量测试平台的上下位机的调试做了详细说明。
第六章，对全文做了总结与展望，介绍了本文的主要内容以及不足之处，并对未来的发展趋势做了展望。
第2章 流量测试平台的总体系统设计研究
2.1总体方案
图2.1 流量测试平台的总体设计
课题研究的是将流量值采集以后对其进行AD转换，将转换后的流量值显示在数码管上，同时利用无线网实时传输到上位机上，并且在上位机上对收到的数据进行保存、删除等操作。
2.2流量监测概述
随着科学技术的不断进步，测量仪表已经开始向精密化、小型化等方向发展。尤其是微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力。流量测量仪表种类很多，按测量方法分，流量计有差压式、变面积式、容积式、速度式和电磁式等。下面列出各类流量计的主要性能和特点。
1 差压流量计
差压流量计是应用非常广泛的一类流量测量仪表，它由节流装置和差压计两部分组成。充满圆管的流体流经节流件（如孔板）时，流束在孔板处形成局部收缩，由于流速增加、静压力降低而在孔板前后产生压差。这一压差与流量的平方成正比。测量压差的仪表有应变、电容和振弦式等差压变送器以及双波纹管差压计等类型。
2 变面积流量计
变面积流量计的主要形式是转子流量计， 由锥形玻璃管和浮子组成。浮子能在垂直安装的锥形玻璃管内上下移动。被测流体自下向上流过管壁与浮子之间环隙时，托起浮子向上。这时管与浮子之间的环隙面积增大，直到浮子两边压差所形成的力与浮子重力相等时，浮子便处在一个平衡位置。流量变化时浮子两边压差所形成的力也随之变化，使浮子又在一个新的位置上重新平衡。浮子浮起的高度即为流量计的读数。
3 涡轮流量计
涡轮流量计由传感器和显示仪表组成。传感器主要由磁电感应转换器和涡轮组成。流体流过传感器时，先经过前导流件，再推动铁磁材料制成的涡轮旋转。旋转的涡轮切割固壳体上的磁电感应转换器的磁力线，磁路中的磁阻便发生周期性的变化，从而感应出交流电信号。信号的频率与被测流体的体积流量成正比。传感器的输出信号经前置放大器放大后输至显示仪表，进行流量指示和积算。涡轮转速信号还可用光电效应、霍耳效应等转换器检出。
4 电磁流量计
电磁流量计由传感器、转换器和显示仪表组成，根据法拉第电磁感应定律工作。传感器主要由励磁线圈和一对电极组成。在用非磁性材料制成的、直径为D的管道内，导电液体若以速度V流动，切割由励磁线圈感应出的均匀磁通密度为B的磁场，则在流体方向和磁场方向都垂直的一对电极上感应出电动势ES，则ES=CBDV，经换算可得到体积流量：CV= πED/4KB式中C和K为比例常数。
5.容积式流量计
容积式流量计, 又称定排量流量计, 简称PD 流量计, 在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分, 根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类, 可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。
6.超声流量计
超声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。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法( 直接时差法、时差法、相位差法和频差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样, 因仪表流通通道未设置任何阻碍件, 均属无阻碍流量计, 是适于解决流量测量困难问题的一类流量计, 特别在大口径流量测量方面有较突出的优点, 近年来它是发展迅速的一类流量计之一。
2.3流量测试平台组网选型
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