【正文】 論意義或 實(shí)際價(jià)值 符合本學(xué)科的理論發(fā)展，有一定的學(xué)術(shù)意義；對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用性研究中的某個(gè)理論或方法問(wèn)題進(jìn)行研究，具有一定的實(shí)際價(jià)值。 10 研究方案的 設(shè)計(jì)能力 整體思路清晰；研究方案合理可行。 5 寫作水平 論點(diǎn)鮮明；論據(jù)充分；條理清晰；語(yǔ)言流暢。 5 實(shí)評(píng)總分 成績(jī)等級(jí) 評(píng)閱教師評(píng)審意見： 評(píng)閱教師簽名： 說(shuō) 明：評(píng)定成績(jī)分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五個(gè)等級(jí)，實(shí)評(píng)總分 90— 100 分記為優(yōu)秀， 80— 89 分記為良好， 70— 79 分記為中等， 60— 69 分記為及格， 60 分以下記為不及格。并顯示在數(shù)碼管上，或通過(guò) 485 總線將數(shù)據(jù)傳達(dá)送到 PC 機(jī)處理。 ARM。作為其核心部分的流量傳感器更是百花齊放，種類繁多而且發(fā)展較快。從而可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，尤其是在能源危機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高的當(dāng)今時(shí)代，流量傳感器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用越來(lái)越明顯。 而且運(yùn)動(dòng)介質(zhì)和檢測(cè)元件存在慣性力的作用 ， 使準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)態(tài)流量非常困難 。 非接觸式測(cè)量 7 動(dòng)態(tài)流量的測(cè)量還可采用非接觸測(cè)量方法，即在流量測(cè)量時(shí)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的參與，如超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)。被測(cè)流體流過(guò)時(shí)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪相互改變主從驅(qū)動(dòng)關(guān)系作連續(xù)的、沒有死點(diǎn)的不等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（ %～ %） R，可作為工業(yè)流量計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)儀表。通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換裝置將渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn) 換為相應(yīng)的電信號(hào)輸出。差壓式流量傳感器工作原理是利用當(dāng)流體流過(guò)內(nèi)置于管道中的節(jié)流件時(shí)，其前后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與流量有關(guān)的壓力差值，通過(guò)測(cè)量壓差值就可獲得流量值。 8 2 硬件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖 本設(shè)計(jì)總框圖如圖 1 所示， 總體上可以分為流量傳感器、 光電 隔離電路、FPGA、 CPU、數(shù)碼管、按鍵、輸出控制，及電源。 或通過(guò)數(shù)據(jù) 485 總線將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)處理。 在系統(tǒng)上電時(shí)無(wú)需額外FPG A CP USPI 總線光電隔離流量傳感器光電隔離輸出控制數(shù)碼管 按鍵 485 通信接口EEP RO M存儲(chǔ)器電源7 ~ 40 V+ 5 V + 3 . 3 V + 1 . 5 V 9 配置非揮發(fā)內(nèi)存以載入器件配置數(shù)據(jù)，從而減低了成本，增加了安全性核系統(tǒng)穩(wěn)定性。 128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。 特性 16/32 位 ARM7TDMIS 核，超小 LQFP64 封裝。單個(gè)Flash 扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為 400ms。 1 個(gè) 10 位的 D/A 轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生不同的模擬輸出。 向量中斷控制器。 10 通過(guò)片內(nèi) PLL(100us 的設(shè)置時(shí)間 )可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz 的 CPU 操作頻率。 通過(guò)外部中斷或 BOD 將處理器從掉電模式中喚醒。 轉(zhuǎn)輪式流量傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 轉(zhuǎn)輪式流量傳感器的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)輪式流量傳感器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，它由一個(gè)流體進(jìn)口、出口 、內(nèi)部一個(gè)轉(zhuǎn)輪再加上外部的三個(gè)電極引出腳組成。 外部三個(gè)電極為電源，地，脈沖輸出。 測(cè)量方案 由上面可知就是要測(cè)出脈沖 的與體 休重量。并且它的周期隨著流體流動(dòng)的速度變化而變化很大，所以在固定的周期內(nèi)來(lái)得到流體的重量，這樣當(dāng)流量較小時(shí)會(huì)造成測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 通過(guò)比較上述兩種測(cè)量方法，所以選擇計(jì)數(shù)法。 常用的隔離電路主要有兩種：一種 是磁隔離，一種是光隔離。 它的驅(qū)動(dòng)電流非常小，只需要幾個(gè) mA 即可。 圖 4 光電耦合電路 顯示和按鍵電路 顯示與按鍵電 路主要是為了提供很好的人機(jī)交互。 LCD 的種類則比較多。 LED 數(shù)碼管的主要特點(diǎn)如下： (1)能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光，能與 CMOS、 ITL 電路兼容 。 (4)壽命長(zhǎng)，使用壽命在 10 萬(wàn)小時(shí)以上，甚至可達(dá) 100 萬(wàn)小時(shí) ， 成本低。由于數(shù)碼管的顯示占用比較多的 CPU 時(shí)間，所以這里采用了 FPGA 掃描，掃描時(shí)鐘為 1ms。獨(dú)立式鍵盤一個(gè)鍵要占用一個(gè) I/O 口線，其優(yōu)點(diǎn)是 掃描程序比較簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間也較短，而缺點(diǎn)則是當(dāng)系統(tǒng)需要的鍵較多時(shí)，鍵盤就會(huì)占用相當(dāng)多的 I/O 口資源。 本系統(tǒng)所需的鍵盤輸入不需要很多，且系統(tǒng)也有足夠的 I/O 口資源，固采用獨(dú)立式鍵盤， 如圖 6 所示。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（ 常閉觸點(diǎn) ）釋放。所以本系統(tǒng)采用的是大功率晶體管 IRF540。來(lái)控制輸出。 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào) out_cs 和 outcs 都接到 FPGA 的 IO 腳上。 15 G N D 24 VDO0Y 0 0R O C 0T0N P NR O D 01 0KR O D 11 0KR O A 0R O B 0O U T 0UO0V C C _O U TD C 2 4VR 1 3R E S 2V C C 3. 3GNDo ut c sC O _ C SR 1 5V C C 3. 3V C C _O U TQ7o ut _ c sY0NC1A12A23GND4 S D A 5S C L 6WP 7V C C 8U7A T 24 C 0 4V C CR1 R2GNDF S C KF S D O 圖 7 輸出控制電路 存 儲(chǔ)與通信電路 存儲(chǔ)模塊 存儲(chǔ)模塊主要是儲(chǔ)存一些重要的數(shù)據(jù)，防止掉電后丟失。 圖 8 EEPROM 存儲(chǔ)電路 通信模塊 通 信電路主要是 CPU 與 PC 機(jī)的通信。 MAX485 接口芯片是 Maxim 公司的一種 RS－ 485 芯片。 RO 和 DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的 RXD 和 TXD 相連即可； /RE 和 DE 端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng) /RE 為邏輯 0 時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) DE 為邏輯 1 時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)?MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可； A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端 ,當(dāng) A 引腳的電平高于 B 時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當(dāng) A 的電平低于 B 端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。 圖 9 485 通信電路 電源電路 電源電路為整個(gè)系統(tǒng)供電。 +主要是給 CPU、 FPGA 的 IO 等供電， + 則為 FPGA 內(nèi)核供電。 LM2575 系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 1A 集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而在大多數(shù)情況下不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等 。LTH1117 提供電流限制和熱保護(hù)。 其特點(diǎn)有： 節(jié)省空間的 SOT223 和 LLP 封裝 。 圖 10 系統(tǒng)電源電路 18 3 軟件的設(shè)計(jì) 程序流程圖 FPGA 程序流程 對(duì) FPGA 程序流程圖做如下說(shuō)明： FPGA 主要完成的功能就是 負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)傳感器輸出的脈沖數(shù)。 FPGA 外部輸入時(shí)鐘為 ，經(jīng)過(guò)內(nèi)部精確的分頻得到 給 CPU 及各個(gè)模需要的時(shí)鐘。由于 CPU 上電時(shí)所有的引腳都是處于高阻態(tài)的，所以開始1 ms 掃描數(shù)碼管是否開始測(cè)量開始測(cè)量 ， 并且定時(shí)一分鐘測(cè)量完畢 ， 將測(cè)量的結(jié)果放到 RAM 中產(chǎn)生中斷位 ， 通知 CP U測(cè)量是否結(jié)束是是否否 19 需要進(jìn)行配置為普通 IO 或者某些第二功能第三功能。 CPU軟件環(huán)境 開始系統(tǒng)初始化 ， 包括外接芯片及 C PU 所有 IO 的配置掃描按鍵 ， 是否開始測(cè)量 ?發(fā)開始測(cè)量命令給 FPGA ，并定時(shí)一分鐘是否測(cè)量完畢 ？讀 FPGA 內(nèi)部 R AM 數(shù)據(jù) ， 得到測(cè)量結(jié)果 ， 并進(jìn)處數(shù)據(jù)處理將處理后的結(jié)果送 FPGA 顯示緩存區(qū) ， 或者通過(guò) 485 接口送PC 處理 。如圖 13 所示： 圖 13 實(shí)驗(yàn)裝置圖 實(shí)驗(yàn)方法 (1) 首先控制好水箱的注水端的進(jìn)水量，讓水箱里面的水恒定在溢出端的位置保持在溢 出端口的位置。分別記錄下來(lái)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 22 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下 表 1 所示： 分別在水箱溫度為 30 度、 40 度、 50 度時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)。 （ 3） 由于水箱的注水端是來(lái)由自來(lái)水的管道注入，所以難精控制注水的大小，造成水箱的水壓有點(diǎn)偏差。 （ 3）把單純的一個(gè)流量 實(shí)驗(yàn)變成了一個(gè) 流量 、電的綜合實(shí)驗(yàn) ,改變了測(cè) 流量的傳統(tǒng)思想 。 （ 4） 雖然此方法測(cè)出的 流量誤差較小，但也有些不足。 這種傳感器可廣泛應(yīng)用于 熱電廠、石油、礦山、冶金、航空、機(jī)械等領(lǐng)域、通過(guò)不同的標(biāo)定也可用于 醫(yī)療器械等領(lǐng)域。在 實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中流量的大 小也會(huì)隨著水箱里面水的重量變化而變化。 （ 5）用 流量傳感器流量 的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出 ,不僅測(cè)量準(zhǔn)確度高 ,也便于使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量 , 展示 流量的 物理 特性 , 這將有助于理解 液體的 性質(zhì) , 掌握液體 的測(cè)量方法 。此外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得 ： 用 轉(zhuǎn)輪試流量傳感器測(cè)得的流量 與理論值吻合較好 。 表 1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 次數(shù) 溫度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 30 脈沖 52 61 60 54 56 62 60 52 58 55 質(zhì)量 40 脈沖 57 55 54 56 60 52 58 62 65 59 質(zhì)量 50 脈沖 54 58 60 65 63 58 56 52 57 55 質(zhì)量 誤差分析 經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)源出以下幾點(diǎn)： （ 1） 每次按鍵開始測(cè)量時(shí)與接水不同步，造成水的質(zhì)量不精確。多次測(cè)量。 (2) 再調(diào)節(jié)閥門使得傳感器注水端的流量基本穩(wěn)定。 在 Keil 公司提供的軟件 Keil ARM 上調(diào)試通 過(guò)。再送 FPGA 顯示，與控制輸出。 圖 11 FPGA程序流程圖 CPU程序流程 以 CPU 的程序流程說(shuō)明如下： CPU 主要的功能就是完成與 FPGA 通信，讀寫 FPGA 內(nèi)部的 RAM、與 PC 機(jī)通信、數(shù)據(jù)處理、掃描按鍵、存儲(chǔ)一些數(shù)據(jù)到外部的 EEPROM。并且能夠產(chǎn)生中斷通知 CPU 來(lái)及時(shí)讀取 RAM 中的數(shù)據(jù)。 線性調(diào)整率： % (Max)。1%以內(nèi)。其壓差在 輸出，負(fù)載電流為800mA 時(shí)為 。 F1 及 F2 和一些電容一起組成濾波電路。本系統(tǒng)主要提供三種電壓， +5V， +， +。只需要一個(gè)信號(hào)控制 MAX485 的接收和發(fā)送即可。它完成將 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS－ 485 電平的功能。一般的 CPU 都帶有 232 接口，但由于 232 通信的距離比較近，并且抗干擾的能力 16 R S 4 8 5 +R S 4 8 5 R X D 0R / T 0T X D 0V C C 3 . 3 R 1 71 0 KR 1 6 2 . 2 KT X D 0 T X D 0V C C 3 . 3V C CGNDRO1RE2DE3DI4 GND 5A 6B 7V C C 8U4 M A X 4 8 5R3R4比較差。 24C04 是 串行 E2PROM 基于 I2CBUS 的存儲(chǔ)器件， 容量為 512 字節(jié)。由上剛上電 時(shí)電容 CO_CS 要充電，為低電平。 DO0 是一個(gè)吸收二極管， LED 用來(lái)指示輸出的狀態(tài)。 輸出電路也采用了光電隔離。并且體積也比較大 ，開關(guān)噪聲也很大 。 電磁式繼電器一般由鐵芯、 線圈 、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。 一線鍵盤則需要用到 AD，它的優(yōu)點(diǎn)是可以在一個(gè) AD 口接多個(gè)按鍵。 圖 5 數(shù)碼管顯示電路 按鍵模塊主要用于啟動(dòng)測(cè)量和其它參數(shù)的設(shè)置 ， 本系統(tǒng)中設(shè)置了三個(gè)按鍵。 由于本系統(tǒng)只需要提前些較少的信息，所以采用了 三位 共陽(yáng) 數(shù)碼管顯示。s)，高頻特性好，單色性好，亮度高?？刂破饋?lái)也