基于單片機的流量計的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 變化而變化，即流量大，渦輪的轉速也大，再經(jīng)磁電轉換裝置把渦輪的轉速轉換為相應頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大 器放大后，送入顯示儀表進行計數(shù)和顯示，根據(jù)單位時間內的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。渦輪變送器的工作原理是當流體沿著管道的軸線方向流動，并沖擊渦輪葉片時，便有 kQ = f ，其中： Q 是流經(jīng)變送器的流量（ L/s）； f 是電脈沖頻率； k 是儀表系數(shù)，次 /升 ]。管道內流體的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉。在渦輪旋轉的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應原理，在線圈內將感應出脈 動的電勢信號，此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比， k 是渦輪變送器的重要特性參數(shù)，它 是代表每立方米流量有幾個脈沖，或者每升流量有幾個脈沖，不同的儀表有不同的 k。渦輪變送器輸出的脈沖信號，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實現(xiàn)流量的測量。 圖 1 渦輪流量計變送器結構 1緊固件； 2殼體； 3前導向件； 4止推片； 5葉輪； 6電磁感應式信號檢出器； 7軸承； 8后導向件 渦輪流量計的特點 在各種流量計中渦輪流量計、容積式流 量計是可以得到最佳重復性的少數(shù)儀表。二者相比，渦輪流量計又具有自己的特點，如結構簡單、加工零部件少、質量輕、維修方便、成本低的特點。渦輪流量計還具有測量準確度高、測量范圍廣、壓力損失小、惰性小、溫度范圍廣及數(shù)字信號輸出等優(yōu)點。像這樣的技術參數(shù)其他流量計則是難以達到的。因此渦輪流量計在工業(yè)上應用最廣泛，發(fā)展最迅速。除了在石油、化工、電力工業(yè)中用來測量水、油品、燃氣等管流流量及食品工業(yè)中測量牛奶、酒類等流量外，由于其兼有測量準確度高和重復性好的特點，故還可以作為校驗其它流量計的標準表。渦輪流量計雖有很多優(yōu)點，但 由于渦輪必須與流體接觸并轉動，因此對被測流體 的潔凈度要求高。流體的溫度、粘度、密度對儀表指示值也有較大影響。而且由于有轉動部件，會帶來軸承的磨損，使儀表的使用年限受到影響。因此，必須注意根據(jù)被測流體的具體情況恰當?shù)倪x擇變送器型式及其附屬設備，如附加適當?shù)倪^濾器等保護設備。應該指出，隨著新材料、新工藝的發(fā)展，儀表轉動部分的耐磨性、變送器的維修性能和壽命正在不斷提高；隨著對渦輪流量計粘度修正問題研究的不斷深入以及測量線路的完善和微的應用，渦輪流量計可以方便和準確得進行各種參數(shù)的修正，顯示儀表的性能也將更臻完善目 前生產(chǎn)的雙渦輪流量計，由于變送器內串聯(lián)兩個渦輪，可以互相校核，從而提高了儀表使用的可靠性，受到好評。可以語言，隨著渦輪流量計結構和性能的不斷完善，它將在各個領域中越來越廣泛的得到應用，在流量測量和標準傳遞中發(fā)揮更大作用。 除此之外，考慮到價格因素：用于檢測氣體流量的孔板或 渦街流量計 的價格一般在 4000010000元，所以選用渦輪流量計作為檢測元件是性價比比較適合的。 第三章 系統(tǒng)工作原理 總體設計（系統(tǒng)結構，主要是硬件結構，主要組成部件） 通過 AD 轉換器，作為單片機與外部輸入的接口，將外部的模擬量輸入單片機。單片機在系統(tǒng)軟件的控制作用下，對輸入的數(shù)據(jù)進行分析，向外部輸出控制信號，實現(xiàn) LED 顯示。 LED 數(shù)碼管顯示動態(tài)的流量。系統(tǒng)軟件主要包括主程序，顯示程序和供主程序調用的各個小的子程序。主程序實現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，子程序實現(xiàn)相應的具體功能。 工作原理 被測流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時，傳感器內的葉輪借助于流體的動能而產(chǎn)生旋轉，周期性的改變磁電感應轉換系統(tǒng)中的磁阻值，使通過線圈的磁通量周期性的發(fā)生變化而產(chǎn)生電脈沖信號。在一定的流量范圍下，葉輪轉速與流 體流量成正比，即電脈沖數(shù)量與流量成正比。該脈沖信號經(jīng)放大器放大后送至二次儀表進行流量和總量的顯示或積算。 在測量范圍內，傳感器輸出的脈沖總數(shù)與流過傳感器的體積總量成正比，其比值稱為儀表常數(shù)，以 K (次， L)表示。每臺傳感器都經(jīng)過實際標定測得儀表常數(shù)值。當測出脈沖信號的頻率 f’除以儀表常數(shù) K便可求得瞬進流量 q(L／ s)。即 q=f/K。 流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉化為電信號， AD轉換器將模擬電信號轉化為離散信號，傳給單片機。單片機將信號以數(shù)字形式在 LED數(shù)碼管上顯示。 圖 21 原理圖 第二章 硬件設計 根據(jù)對系統(tǒng)機構的分析，針對流量監(jiān)測中存在的（什么問題），我進行改進設計。 檢測電路 硬件電路的總體設計 系統(tǒng)的總體設計思想是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉化為電信號，AD 轉換器將模擬電信號轉化為離散信號，傳給單片機。單片機軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設定值對采集的信息進行處理，輸出離散的數(shù)字型號。數(shù)字先好通過 LED 數(shù)碼管顯示，從而實現(xiàn)對氣體流量的檢測。 片子的簡介 AT89C51 單片機及引腳介紹 AT89C51 屬于 MCS51 系列單片機。在 MCS51系列中，各類單片機是相互兼容的，只是引腳功能略有差異。在器件引腳的封裝上， MCS51 系列機通常有兩種封裝：一種是雙列直插式封裝，常為 HMOS 型器件所用；另一種是方形封裝，大多數(shù)在 CHMOS型器件中使用。其中，引腳 1和引腳 2（方形封裝為引腳 2和引腳 3）的第二功能僅用于 8052/8032， NC 為空引腳。如下圖所示。 AT89C51 有 40 條引腳，共分為端口線、電源線和控制線三類。 1．端口線（ 4 8=32 條） 傳感器 AT89C51 顯示驅動 LED 顯示 ADC0809 8051 共有四個并行 I/O 端口，每個端口都有八條端口線，用于傳送數(shù)據(jù) /地 址。由于每個端口的結構各不相同，因此它們在功能和用途上的差別頗大。現(xiàn)對它們綜述如下： ① — ：這組引腳共有八條，為 P0口所專用，其中 ， 位。這八條引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況之下。第一種情況是 AT89C51 不帶片外存儲器， P0口可以作為通用 I/O 口使用， — CPU的輸入 /輸出數(shù)據(jù)。這時，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性。第二種情況是 AT89C51 帶片外存儲器，— CPU 訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低 8 位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù) 。 圖 AT89C51引腳圖 其中， 8751 的 P0口還有第三種功能，即它們可以用來得 8751 片內 EPROM 編程或進行編程后的讀出校驗。這時， — EPROM 的編程機器碼或讀出校驗碼。 ② — ：這八條引腳和 P0口的八條引腳類似， ， 。當 P1口作為通用 I/O 使用時， — 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)。 8751 的 P1口還有第二功能，既它在 8751 編程 /校驗時用于輸入片內 EPROM 的低 8 位地址。 ③ — ：這組引腳的第一功能和上述兩組引腳的第一功能相同，即它可以作為通用 I/O 使用。它的第二功能和 P0 口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高 8 位地址，共同選 中片外存儲器單元，但并不能像 P0 口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。 8751 的 — ，即它可以配合 — EPROM12位地址中的高八位地址。 ④ — ：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每個引腳并不完全相同，如表 1 所示。 P3 口的位 第二功能 注釋 RXD TXD T0 T1 串行數(shù)據(jù)接收口 串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 外中斷 0 輸入 外中斷 1 輸入 計數(shù)器 0 計數(shù)輸入 計數(shù)器 1 計數(shù)輸入 外部 RAM 寫 選通信號 外部 RAM 讀選通信號 表 1 P3口各位的第二功能 2．電源線（ 2 條） VCC 為 +5V 電源線， VSS 為接地線。 3．控制線（ 6 條） ① ALE/ ：地址鎖存允許 /編程線，配合 P0 口引腳的第二功能使用。在訪問片外存儲器時， 8051CPU 在 — 低 8 位地址的同時還在ALE/ 線上輸出一個高電位脈沖，用于把這個片外存儲器低 8 位地址鎖存到外部專用地址鎖存器。以便空出 — 。在不訪問片外存儲器時， 8051 自動在 ALE/ 線上輸出頻率為 fOSC/6 的脈沖序列。該脈沖序列可用作外部時鐘電源或作為定時脈沖源使用。 對于 8751， ALE/ 線還具有第二功能。它可 以在對 8751 片內 EPROM 編程 /校驗時傳送 52ms 寬的負脈沖。 ② /VPP：允許訪問片外存儲器 /編程電源線，可以控制 8051 使用片內 ROM 還是使用片外 ROM。若 =1，則允許使用片內 ROM；若 =0，則允許使用片外 ROM。 對 8751， /VPP用于在片內 EPROM 編程 /校驗時輸入 21V 編程電源。 ③ ：片外 ROM 選通線，在執(zhí)行訪問片外 ROM 的指令 MOVC 時， 8051 自動在線上產(chǎn)生一個負脈沖，用于為片外 ROM 芯片的選通。其他情況下， 線均為高電平封鎖狀態(tài)。 ④ RST/VPD：復位 /備用電源線，可以時 8051 處于復位（即初始化）工作狀態(tài)。通常， 8051 的復位有自動上電復位和人工按鈕復位兩種。 RST/VPD的第二功能是作為備用電源輸入端。當主電源 VCC發(fā)生故障而降低到規(guī)定低電平時， RST/VPD線上的備用電源自動投入使用，以保證片內 RAM 中信息不丟失。 在單片機應用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復位以外，外部擴展 I/O 接口電路等也需要復位，因此需要一個包括上電和按鈕復位在內的系統(tǒng)同步復位電路。 ⑤ XTAL1和 XTAL2：片內振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容， 即用來連接 8051 片內 OSC 的定時反饋回路。 石英晶振起振后要能在 XTAL2線上輸出一個 3V左右的正弦波，以便使 MCS51片內的 OSC 電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常， fOSC 的輸出時鐘頻率 fOSC 為— 16MHz，典型值為 12MHz 或 。電容 C01和 C02可以幫助起振，典型值為 30pf，調節(jié)它們可以達到微調 fOSC的目的。 MCS51 所需的時鐘也可以由外部振蕩器提供。外部時鐘源應是方波發(fā)生器，頻率應根據(jù)所用 MCS51中的具體機型確定 。 A/D 轉換元件 ADC 有兩大類：一類在電子線路中使用，不帶使能控制端；另一類帶有使能控制端，可和微機直接接口。 ADC0809 是一種 8位逐次逼近式 A/D 轉換器，可以和微機直接接口。 ADC0809 的姐妹芯片是 ADC0808，可以相互代換。 （ 1）分辨率： 8位。 （ 2）總的不可調誤差： ADC0808 為177。 21 LSB,ADC 0809 為177。 1LSB。 （ 3）轉換時間： 取決于芯片時鐘頻率，如 CLK=500kHz 時， TCONV=128μ s。 （ 4）單一電源： +5V。 （ 5）模擬輸入電壓范圍： 單極性 0～ 5V；雙 極性177。 5V,177。 10V(需外加一定電路 )。 （ 6）具有可控三態(tài)輸出緩存器。 （ 7）啟動轉換控制為脈沖式 (正脈沖 )，上升沿使所有內部寄存器清零，下降沿使 A/D 轉換開始。 （ 8）使用時不需進行零點和滿刻度調節(jié)。 2．內部結構 ADC0809 由八路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、 256 電阻階梯、樹狀開關、逐次逼近式寄存器 SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。 圖 ADC0809內部結構 （ 1）八路模擬開關及地址鎖存與譯碼器 八路模擬開關用于輸入 IN0— IN7上八路模擬電壓。地址鎖存和譯碼器在 ALE 信號控制下可以鎖存 ADDA、 ADDB 和 ADDC 上地址信息，經(jīng)譯碼后控制 IN0— IN7上哪一路模擬電壓送入比較器。例如：當 ADDA、 ADDB 和 ADDC 上均為低電平 0 以及 ALE 為高電平時，地址鎖存和譯碼器輸出使 IN0 上模擬電壓送到比較器輸入端 VIN。 （ 2） 256 電阻階梯和樹狀開關 為了簡化問題起見，現(xiàn)以二位電阻階梯和樹狀開關為例加以說明。其中，四個分壓電阻使 A、 B、 C和 D四點分壓成 、 、 和 0V。 SAR 中高位 D1控制左邊兩只樹狀電子開關，低位 D0控制右邊四只樹狀開關。各開關旁的 0 和 1 表示樹 狀開