【正文】 39 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 本文的目的和意義 計(jì)量 是工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。另外本文還設(shè)計(jì)了智能化單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能擴(kuò)展，使整個(gè)系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地反映被測(cè)流量的大小，而且能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸，為系統(tǒng)的智能化遠(yuǎn)程控制提供條件。流量的精確測(cè)量在節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)核算、自動(dòng)控制等方面有著廣泛的應(yīng)用。和溫度、壓力一樣，流量也是生產(chǎn)過(guò)程中的重要變量。 本文詳述了渦街流量計(jì)及壓電式傳感器的原理，并設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，處理來(lái)自壓力傳感器的微弱電壓信號(hào)，使之能夠滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。 SCM。特別是在能源危機(jī)、工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度愈來(lái)愈高的當(dāng)今時(shí)代，流量計(jì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用更加明顯。 由于流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)量，流量測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)。這是流量計(jì)量的主要工作之一。電磁流量計(jì)的計(jì)量精度高，但零點(diǎn)穩(wěn)定性差。%~177。我們要做的就是如何將壓力傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行處理 ，然后送到單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理，得到所需的結(jié)果。盡管如此，由于流量測(cè)量技術(shù)的復(fù)雜化，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展給流量計(jì)量提出更新更高的要求，流量計(jì)量的現(xiàn)況遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計(jì)量技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決。產(chǎn)品在微型化、集成化、智能化、總線化等發(fā)展方向上緊跟國(guó)際發(fā)展的步伐。但目前與國(guó)外同行相比，我國(guó)流量?jī)x表仍存在很大差距 ： 產(chǎn) 品種類系列不全；產(chǎn)品性能指標(biāo)低；高技術(shù)產(chǎn)品少等等， 在國(guó)際上處于落后地位，不符合流量?jī)x表未來(lái)發(fā)展方向。下面對(duì)幾種常見(jiàn)的流量測(cè)量方法 進(jìn)行 簡(jiǎn)要的介紹。 這種測(cè)量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是 ： 1． 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固 ； 2． 適用流體種類多 ； 3． 精度較高 ； 4． 范圍寬 ； 5． 壓損小。 差壓式流量計(jì)就是按照差壓測(cè)量方法設(shè)計(jì)的流量測(cè)量?jī)x表，差壓式流量計(jì)的檢測(cè)件按其作用原理可分為 ： 水力阻力式、離心式、動(dòng)壓頭式、動(dòng)壓頭增益式及射流式等。 這種測(cè)量方法制造的差壓式流量計(jì)在封閉管道的流量測(cè)量中對(duì)環(huán)境適應(yīng)性非常強(qiáng)，各種對(duì)象都有應(yīng)用，如流體方面 ： 單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等 ； 工作狀態(tài)方面 ： 常壓、高壓 、真空、常溫、高溫、低溫等 ； 管徑方面 ： 從幾 mm 到幾 m； 流動(dòng)條件方面 ： 亞音速、音速、脈動(dòng)流等。 70、 80 年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破，使它成為應(yīng)用廣泛的一類流量計(jì)，在流量?jī)x表中其使用量百分?jǐn)?shù)不斷上升。 容積測(cè)量方法 容積式測(cè)量方法利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分，根據(jù)測(cè)量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積總量。 這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是 ： 1． 結(jié)果復(fù)雜，體積龐大 ； 2． 被測(cè)介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大 ； 3． 不適用于高、低溫場(chǎng)合 ； 4． 大部分儀表只適用于潔凈單相流體 ； 5． 產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。它是速度式流量計(jì)中的主要種類。 這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是 ： 1． 不能長(zhǎng) 期保持校準(zhǔn)特性 ； 2． 流體物性對(duì)流量特性有較大影響。 根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理 ， 超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法 (直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法 )、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法 及 噪聲法等。 采用這種測(cè)量方法制造的超聲流量計(jì)有如下的廣泛應(yīng)用 ： ① 傳播時(shí)間法應(yīng)用于清潔、單相液體和氣 體。重點(diǎn)放在了硬件電路的設(shè)計(jì)。當(dāng)流體的流動(dòng)是隨時(shí)間變化的，為非定常流，此時(shí)流量隨時(shí)間不斷變化。 在工程應(yīng)用中，常常同時(shí)要求測(cè)量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間流過(guò)管道的總的流體量，即要求測(cè)量通過(guò)管道的流體的累積流量。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng) 容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。 流量計(jì)的特性曲線可以通過(guò)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行理論分析而得到，而更為準(zhǔn)確可靠的是對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定得到，即在整個(gè)流量計(jì)的流量范圍內(nèi)進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)得到。如將零輸入和滿量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作為擬合直線 。如果傳感器的輸出和輸入之間是線性關(guān)系，則靈敏度 s 是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。上述指標(biāo)若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。 lvvlssvFFmg ???? ??? 2Re (2— 7) 式中的動(dòng)力粘度 ? 用運(yùn)動(dòng)粘度 ? 來(lái)代替，因?yàn)?v??? ，則 ??? vllv ??Re (2— 8) 式中 ： v流體的平均速度 l流束的定型尺寸 ? 在工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)粘度 ?動(dòng)力粘度 ? 被測(cè)流體密度 由上式可知，雷諾數(shù)油的大小取決于三個(gè)參數(shù)，即流體的速度、流束的定型尺寸以及工作狀態(tài)下的粘度。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。當(dāng)這些漩渦排列成兩排 且 當(dāng)兩排漩渦的間距 h 與同列中兩相鄰漩渦的間距 L 之比滿足 h/L= 時(shí)，就能得到穩(wěn)定的交替排列漩渦 。 v 漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速（ m/s） d 漩渦發(fā)生體迎流寬度（ mm） 用管道內(nèi)平均流速 ? 代替 v，根據(jù)流體連續(xù)方程，有 Ddv ??? (3— 2) 其中： ? 管道內(nèi)流體平均速度， m/s D渦街流量計(jì)內(nèi)殼的內(nèi)徑， mm 將 32 式帶入 31 式可以得到： V h 漩渦 漩渦發(fā)生體 V p V L 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 DddStf ??? (3— 3) 對(duì)于許多經(jīng)過(guò)適當(dāng)選擇的柱型，由于 St 數(shù)在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可以看成是常數(shù)。 物理模型 渦街流量計(jì)由殼體、漩渦發(fā)生體和放大器組成。由于渦街流量計(jì) 不 含有運(yùn)動(dòng)部件及對(duì)流體沖刷敏感的部件，因而在使用過(guò)程中，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，并具有一般節(jié)流式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，精確度穩(wěn)定，再現(xiàn)性好。一旦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)確定 ， 流體振蕩就服從一定的客觀規(guī)律，其振蕩頻率不能人為地改變，因而儀表常數(shù)及其變化規(guī)律是客觀的。 柱體具有遠(yuǎn)高于渦街頻率的自振頻率，材質(zhì)要適當(dāng)考慮被測(cè)介質(zhì)的要求，與此同時(shí)要在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)具有恒定的 St 數(shù)。 本章小結(jié) 本章介紹了渦街流量計(jì)，用圖解和公式推導(dǎo)的方法詳細(xì)分析了渦街流量計(jì)的工作原理和基本特性，并詳細(xì)闡明了渦街流量計(jì)如何與漩渦發(fā)生體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力頻率的精確檢測(cè)，對(duì)在實(shí)踐中遇到的影響檢測(cè)精度的因素做了分析并給出了解決方法。 硬件與軟件設(shè)計(jì)是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的重要步驟。 2．力敏元件檢測(cè)方法漩渦分離造成的交變差壓、交變升力或者交變升力引起的機(jī)械振動(dòng)，用差動(dòng)電容、電阻應(yīng)變片、壓電晶體、壓電陶瓷等檢測(cè)。對(duì)上游不同形式的阻力件必須配置足夠長(zhǎng)的滿足不同要求的直管段，以保證儀表的測(cè)量精度。壓變電阻式傳感器的靈敏度高、測(cè)量范圍廣、頻率響應(yīng)快 ，但是易受電阻片結(jié)構(gòu)、貼片用膠、貼片工藝以及工作環(huán)境溫度影響。 TPF 壓力傳感器有一個(gè)流體測(cè)量膜，被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)高粘度液體，而具有內(nèi)部測(cè)量腔的普通傳感器做不到這一點(diǎn)。 MAX1450 能夠?qū)鞲衅餍盘?hào)進(jìn)行補(bǔ)償，這使得它在低功耗和中等精度的應(yīng)用中最理想。 A/D 轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為間接 A/D 轉(zhuǎn)換器和直接 AD/轉(zhuǎn)換器。因此我們?cè)诰C合考慮各種 A/D 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選取了逐次逼近式的具有串行總線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 MAXl87，它僅有 8 個(gè)引腳，外圍接線很少 ,體積小、速度快、精度高。 圖 45 MAX187 引腳圖 各引腳功能如下 ： 1． +SV 電源 ； 2．模擬量輸入 ： 范圍 0~ REFV ； 3．操作模式選擇 ： 低電平為休眠模式，正常操作模式為高電平是使用內(nèi)部參考，懸空時(shí)禁止內(nèi)部參考 ； 4．參考電壓 ： 內(nèi)部參考為 ，使用內(nèi)部參考時(shí)此 的申容，使用外部參考時(shí)，接 ~VDD 的基準(zhǔn)電壓 ； 5．地 ； 6．?dāng)?shù)據(jù)輸出 ； 7．片選端 ； 8．時(shí)鐘，最 高為 5MHZ。 使用內(nèi)參考時(shí)，在電源開啟后，經(jīng)過(guò) 20ms 后參考引腳的 電容充電完成，可進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)換操作。要注意的是 ： 在 CS 置為低電平啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換后，檢測(cè)到 DOUT 有效 (或者延時(shí) 以上 )，才能發(fā) SCLK 移位脈沖讀數(shù)據(jù)， SCLK 至少為 13 個(gè)。 MAX187 電源需要加去耦合電容，常見(jiàn)的方法是用一個(gè) 電容和一個(gè) 電容 并聯(lián)。 圖 46 MAX187 與單片機(jī)連接圖 單片機(jī)硬件電路及周邊設(shè)計(jì) 單片機(jī)介紹 目前在市場(chǎng)常見(jiàn)的有 PHILIPS， SIEMENS， INTEL， ATMEL 等公司生產(chǎn)的 100多種型號(hào)的 80C51 系列單片機(jī)。 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī) 可以滿足 許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。 圖 47 AT89C52 引腳圖 主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 主要功能特性： 1． 8k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） Flash ROM 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 2． 32 個(gè)雙向 I/O 口 3． 2568bit 內(nèi)部 RAM 4． 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 5．時(shí)鐘頻率 024MHz 6． 2 個(gè)串行中斷 7．可編程 UART 串行通道 8． 2 個(gè)外部中斷源 9．共 6 個(gè)中斷源 10． 2 個(gè)讀寫中斷口線 11． 3 級(jí)加密位 12．低功耗空閑和掉電模式 13．軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 液晶顯示電路設(shè)計(jì) 液晶作為一種顯示器件 ,以其特有的優(yōu)勢(shì)正廣泛應(yīng)用于測(cè)試儀器設(shè)備中。本系統(tǒng)采用 MSCG19264型點(diǎn)陣式 LCD，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。 2． CS1~CS3：芯片片選信號(hào)，低電平有效。 4． R/W：讀 /寫選擇信號(hào)。 6． RES：復(fù)位信號(hào)，低電平有效。 8． V0、 Vee： LCD驅(qū)動(dòng)電源。該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效地消除開關(guān)的抖動(dòng)。 4．電源故障輸入端 (PFI)： 當(dāng)該端輸入低于 時(shí)， 5 號(hào)引腳 PFO 輸出的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖健?8 號(hào)引腳 WDO 由高電平變?yōu)榈碗娖健? 圖 為 MAX813L 與單片機(jī)的連接。另外，當(dāng)電源電壓低于門限值 時(shí)，MAX813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。 圖 410 看門狗 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 通訊接口的設(shè)計(jì) AT89C52 內(nèi)部有一個(gè)功能很強(qiáng)的全雙工串行口，該串行口有 4 種工作方式，波特率可用軟件設(shè)置，由片內(nèi)定時(shí) /計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，接收發(fā)送均可觸發(fā)中斷系統(tǒng)，使用方便。它適用于設(shè)備之間的通訊距離不大、傳送速率最大為 20K 波特率的應(yīng)用場(chǎng)合。 在本采集系統(tǒng)中，單片機(jī) 3 個(gè) I/O 口外接 3 個(gè)按鍵，可以實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)鍵盤的輸入 ，即 3 三個(gè)鍵，最多可完成 8 種 任務(wù)。 2. 2 鍵為選擇功能鍵。 獨(dú)立式按鍵的接法是在單片機(jī)的 I/O 口上接一個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)單片機(jī)的一個(gè)輸入端口，按鍵的另一端接電源或者數(shù)字地。 C 語(yǔ)言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并可以調(diào)用匯編語(yǔ)言的子程序。 總體設(shè)計(jì)流程圖如圖 51 所示： 圖 51 總體設(shè)計(jì)流程圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 顯示程序設(shè)計(jì) 主程序中調(diào)用的顯示驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖 5圖 53 所示： 圖 52 顯示驅(qū)動(dòng)程序流程圖 3片 清 屏選 擇 顯 示 模 片液 晶 狀 態(tài) 忙寫 入 指 令 或 數(shù) 據(jù)結(jié) 束否 圖 53 顯示子程序流程圖 鍵盤程序設(shè)計(jì) 在使用單片機(jī)對(duì)鍵盤處理時(shí)，必須消除鍵盤抖動(dòng)的影響。程序清單見(jiàn)附錄，程序流程圖如圖 54 所示： 開 始是 否 有 鍵 閉 合延 遲 去 抖是 否 有 鍵 閉 合掃 描 取 鍵 值閉 合 鍵 釋 放結(jié) 束NNN 圖 54 鍵盤程序流程圖 RS232 接口程序設(shè)計(jì) 在 PC 內(nèi)接有 PC16550（和 8250 兼容）串行接口、 EI