時差法超聲波流量計設計畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 操作速度快，電路設計靈活，無需在數據寫入前進行預擦除等優點。它的存儲容量為128KB，共有1024個扇區（每個扇區128字節），片內含地址和128字節數據鎖存器，按扇區進行編程操作，編程和擦除可一次完成，重復編程高于10000次；快速讀取時間70ns；單5V電源供電，5V編程；低功耗，即工作電流50mA，空閑電流100μA。 AT29C010A存儲器與單片機的硬件接口電路圖如圖26所示，用 AT89C52 的P0 口作為存儲器的數據輸入/輸出端，通過P0口經74HC373輸出低8位地址，P2 口和8155的PB6輸出端作為存儲器A8～A16地址，CE接ALE，OE接 。用 AT89C52 內部RAM(80H～FFH)作為數據緩沖區存放要寫的數據。設定扇區地址為00000H～007FH 和00080H～000FFH。 圖26 AT29C010A 硬件接口電路 鍵盤顯示電路根據硬件設計思想，在使用超聲波流量計進行測量前需要設定一定的參數，這就需要一個鍵盤陣列來實現這種人機對話的功能。連接原理圖如下圖27所示： 圖27按鍵顯示電路 時鐘電路 DS12887是美國達拉斯半導體公司最新推出的時鐘芯片，采用CMOS技術制成，把時鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關電路集于芯片內部，同時它與目前 IBM AT計算機常用的時鐘芯片MC146818B和DS1287管腳兼容，可直接替換。采用DS12887芯片設計的時鐘電路勿需任何外圍電路并具有良好的微機接口DS12887芯片具有微軾耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩定可靠等優點，可廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘場合中。其主要功能如下： (1)內含一個鋰電池，斷電情況運行十年以上不丟失數據。 (2)計秒、分、時、天、星期、日、月、年，并有閏年補償功能。 (3)二進制數碼或BCD碼表示時間、日歷和定鬧。 (4)12小時或24小時制，12小時時鐘模式帶有PWM和AM指導，有夏令時功能。 (5）MOTOROLA5和INATAEL總線時序選擇。 (6)有128個RAM單元與軟件音響器，其中14個作為字節時鐘和控制寄存器，114字節為通用RAM，所有ARAM單元數據都具有掉電保護功能。(7)可編程方波信號輸出。(8)中斷信號輸出(IRQ)和總線兼容，定鬧中斷、周期性中斷、時鐘更新周期結束中斷可分別由軟件屏蔽，也可分別進行測試。 在實際使用中，為了和89C52單片機統一，我們將MOT管腳接地用于選擇 INTE時序。其與主單片機的接口電路如圖 28所示。 與PC機通訊接口考慮到大部分計算機只有RS－232接口，所以我們專門設計了一個RS－232 接口實現與上位機的通訊。計算機的串行口通常采用一個25針或9針的D型連接器，在本設計中我們選用了9針型的D型連接器，如圖29所示： 圖28 實時時鐘與單片機接口原理圖 圖29 9針D型連接器 要進行通常的串行通信，只需其中的三根線就可以了，即 5 三根線，分別是數據輸入、數據輸出、地線。 由于單片機提供的電平是 TTL 的，而計算機提供的是RS232電平，要實現單片機與計算機的通信，必須對它們進行電平轉換，可用MAX232芯片來實現。具體電路如圖30所示： 圖30 MAX232 芯片接口圖 硬件抗干擾設計超聲波流量測量的準確性很大程度上依賴于系統對超聲波信號的正確識別， 然而超聲波流量計工作的環境通常比較比較惡劣，易受到各種干擾的影響。對于 測量系統來說，這些干擾不僅可能影響到數據的采集、各種控制信號的狀態以及 RAM 的讀寫，還會影響程序計數器的正常工作，使程序失靈，因此，必須采取有效措施來降低干擾。1) 干擾的來源在超聲波流量測量系統中，造成干擾的干擾源有很多種，主要有： ①流量計安裝環境中可能存在的較大的電場和磁場干擾； ②靠近水泵安裝時水泵帶來的接近于超聲波信號的噪音； ③電源的噪聲干擾。系統中我們使用的超聲波頻率為 1MHz，電源在這個頻率上對系統的影響不大，采用通常的電源濾波技術就可以消除其影響； ④發射信號對接收信號的干擾。發射信號功率較大，通過電路和聲路都可以耦合 到接收電路上，如果管徑很小，換能器間距離很近，發波干擾的尾部就會波及接 收波的波形，從而嚴重影響接收信號；2) 抗干擾的措施對于本課題設計的流量計，我們主要采取了如下的硬件措施來提高系統的抗 干擾性能：①電源。在系統使用的各種直流電源（如+5V）的輸入端均跨接一個10～100μF ～ 陶瓷濾波電容，以抑制電源尖峰干擾；收發電路用兩套相互隔離的電源供電，這樣從地線耦合的發波干擾就會大大減小； ②接收范圍門。接收范圍門可以防止發射信號以及開關動作給接收信號帶來 的干擾； ③自動增益技術。自動增益技術除了使信號便于測量外，還可以有效地抑制 噪聲干擾； ④看門狗電路。程序在運行過程中會因為受到干擾導致失控，引起程序亂飛，或陷入“死循環”，此時最直接的抗干擾方法是采用硬件“看門狗”電路。通過 給出復位脈沖可使系統復位，程序重新啟動運行。 本系統采用X5045來實現看門狗功能。X5045是美國Xicor公司生產的集電壓監控、把關定時器和串行 EEPROM 三項功能于一體的專用集成芯片。X5045 的引腳排列見圖31，其功能如下：CS為片選信號；SO為串行輸出；SI為串行輸入；SCK為串行時鐘輸入,WP為EEPROM寫保護輸入；RESET為復位信號輸出；Vss為地；Vcc為電源電壓。 圖31 X5045引腳排列 X5045 使用三線總線串行(SPI)外設接口,對芯片進行操作的所有操作碼、字節地址及寫入的數據都從SI引腳輸入，寫入數據在串行時鐘SCK的上升沿被鎖存；從芯片讀取的數據從SO引腳串行移出，并在SCK的下降沿讀出數據。芯片的把關定時器和電壓監視器都對單片機提供獨立的保護。，RESET引腳立即自動產生高電平復位信號，并一直保持到電源電壓恢復正常；當系統上電或掉電時，RESET 引腳也自動產生一個高電平復位信號；當系統發生故障時，只要把關定時器達到其可編程的超時極限，RESET引腳立即自動產生一個持續200ms的高電平復位信號。這樣，就可有效地防止死機、數據誤寫及誤操作等故障的發生。其與單片機的連接如圖32所示：⑤合理的布線技術。模擬信號線與數字信號線相對分開，信號線與電源線分 開；PCB 布線時，將公共地線與電源線盡量加寬，并使它們盡可能靠近需要供電的 電路；減小電源線和地線的長度，這樣可以減小電源線與地線的公共阻抗，減小 耦合干擾的產生；布線過程中避免回路有重復面積，以減小相互感應； ⑥接地技術。數字地和模擬地分開，它們在一點相連；兩個探頭各自使用相 互獨立的地線，減小地線干擾耦合；儀表及探頭外殼接地； ⑦屏蔽技術。運用屏蔽技術可以隔離通過空間耦合的電磁干擾，采取的措施 是用金屬機殼將測量電路封裝起來。 圖32 看門狗電路 第五章 系統軟件設計時差法超聲波流量計是軟件和硬件共同組成的，硬件是功能得以實現的基礎，而軟件則是通過硬件最終實現全部功能的橋梁。本超聲波流量計的整個軟件包括兩部分，一部分主要完成參數的設定、流量的計算和補償、測量結果的顯示和存儲以及與計算機的通訊；另一部分主要完成測量電路的控制、傳播時間的測量、和傳輸等。為了便于軟件的調試及今后的功能擴展，我們采取模塊化結構設計。本章將簡要介紹整個系統軟件的整體結構，并著重介紹時間測量部分的多脈沖測量原理的算法實現。主程序結束 主程序 開始并行口初始化實時時鐘初始化計數器初始化中斷系統初始化調用發射接收子程序調用實時時鐘子程序調用計算子程序調用中斷服務子程序 結束 系統主流程圖首先對整個裝置進行初始化，然后開始啟動實時時鐘單元，即DS12887芯片，開始工作，對計數單元進行清零初始化；第二步，通過觸發繼電器觸發超聲波發射電路發射超聲波，同時觸發觸發器開始工作，使計數器對高頻方波開始計數。第三步，接收電路接收到高頻方波之后，一方面接替發射方波去觸發超聲波發射電路如此往復，形成連續的多脈沖方波。另一方面接收到的高頻方波經過非門電路輸入到單片機的接口，產生中斷，此時單片機通過P0口讀取所存到74LS245單元中的計數值，并且讀取實時時鐘單元中的時間值，再通過單片機的計算處理，最后送到按鍵顯示電路，顯示出實時的流量。其主流程圖如上圖所示。 顯示部分流程圖 實時時鐘子程序 進入主程序后，DS12C887首先進行初始化設置，若串行口有數據，最后則調用函數從日歷時鐘芯片獲取日歷時鐘信息，調用顯示函數顯示日歷時鐘信息顯示出來，重復進行。這部分包括DS12C887某個單元寫、讀DS12C887某個單元的內容和DS12C887設定時間。 發射接收子程序發射接收部分主要完成的是超聲波的發射接收，通過計算從超聲波發射到接收到這段時間，并且對高頻方波進行計數，再通過調用計算子程序，就可以算出此時的流量。 計算子程序計算子程序是本設計的重點部分，一方面，通過計數本部對高頻方波進行計數，并將計數值所存到計數器里面；另一方面，讀取實時時鐘電路的實時時鐘，單片機讀取值并調用計算公式計算實時的流量，最后通過中斷顯示電路，將其顯示出來。 單片機軟件抗干擾措施超聲波流量計在工業現場使用時，有時大量存在的各種干擾源雖不會造成硬件系統的損壞，但常常使單片機控制系統不能正常運行，使數據采集誤差加大甚 至程序運行失常。要使儀器正常工作，除了第四章所述的硬件抗干擾措施外，在 軟件上也要采取一定的抗干擾措施，以提高系統的可靠性。 在系統輸入信號中含有種種噪音和干擾，它們主要來自被測信號本身、換能 器或者外界的干擾。雖然在數據采集過程中，硬件電路使用了帶通濾波器，對噪 聲的消除有一定的作用，但是這種方法對放大器頻帶那的噪聲不起作用，為此， 通常采用信號處理的方法來消除信號中的噪音，這就是數字濾波。在上一節中我 們已經做了介紹，所以這里不再重復。 控制狀態失常的軟件對策⑴單片機受到干擾后，往往會把操作數當作指令碼來執行，從而引起整個程序的混亂或程序跑飛。如果程序跳到某一條單字節指令上時，就不會發生把操作數當作指令碼的錯誤，程序就自動納入正軌；當程序跳到雙字節或三字節指令上時，程序就將繼續跑飛。因此，可以加入冗余指令，即在程序的關鍵跳轉指令前插入兩個單字節的空操作指令 NOP，就可以保護其后面的指令不被拆散而被完整的執行。 ⑵回波信號有時會因為一些原因發生計數脈沖丟失現象，這樣就會給計數帶 來誤差，需要一個出錯處理。可以通過設置一個中斷標志位專門作為脈沖接收與 否的檢測標志，在關閉接收電路后，軟件測試中斷標志位，如果不為 1，則說明此次發射出現脈沖丟失，手動清零中斷標志位之后，復位各部分電路重新測量。 程序運行失常的軟件對策微機的程序是一步一步執行的，由于外部的干擾或儀器內的硬件瞬時故障， 會使程序計數器 PC 偏離原定的值跳到非程序區，導致程序失控，從而無法完成原設計任務。這種情況對系統來說，比某個數據出差錯造成的危害要嚴重得多，某個數據出錯只會使某個功能不能實現或產生偏差，程序失控則會導致整個系統癱瘓。為防止上述情況的發生，在軟件設計時，可以用在程序存儲器中未使用的內存區，反復用 NOP、NOP、NOP、NOP、LJMP MAIN 的語句填滿，當程序失控時，只要單片機進入這眾多陷阱中的任一個，都會被捕獲，然后連續進行一個或幾個空操作（NOP），程序就會自動跳轉至主程序（LJMP MAIN）重新運行，這樣程序就恢復正常了。 第六章系統誤差分析超聲波流量計屬于間接測量儀表，它對流體流量的測量是將被測流體的聲速、粘度、管道的內徑、管道的壁厚，以及管壁材質的聲速等作為已知條件，通過檢測超聲波信號在流體中沿順流方向和逆流方向的傳播時間，從而計算出流速和流量的。因此，超聲波流量計的實際測量誤差，既包括超聲波流量計本身的誤差，也包括被測流體、被測管道，以及其它現場測量條件在內的整個測量系統的誤差。而它作為一種工業測量儀器，測量精度是一個比較重要的指標，要使系統具有較高的精度，我們就必須對影響流體流量測量的各種因素進行仔細分析、研究，然后在正確分析的基礎上，最大可能的減小各種可能的誤差。誤差是評定精度的尺度。任何計量測試都不可避免的存在誤差，沒有誤差的 測量是不存在的。在測量中，由誤差表示測得值與真值之差。按誤差的性質和特點，誤差可分為隨機誤差、系統誤差和粗大誤差三類，可 用絕對誤差和相對誤差兩種基本方式來表示。絕對誤差的定義為 式中：D x ——絕對誤差； x ——測得值； x0——被測值的真值，常用約定真值代替。絕對誤差的特點：①絕對誤差是一個具有確定的大小、符號和單位的量值。單位給出了被測量的量綱，其單位與測得值相同。 ②絕對誤差不能完全說明測量的準確度。因此用絕對誤差不便于比較不同量 值、不同單位、不同物理量等的準確度。 與誤差絕對值相等、符號相反的值稱為修正值，常用C表示。在測量儀器中