【正文】 39 xx 大學學士學位論文 1 第 1章 緒論 本文的目的和意義 計量 是工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。另外本文還設(shè)計了智能化單片機軟硬件系統(tǒng)并對系統(tǒng)進行了功能擴展，使整個系統(tǒng)不僅能夠準確實時地反映被測流量的大小，而且能夠?qū)崿F(xiàn)信號的遠程傳輸，為系統(tǒng)的智能化遠程控制提供條件。流量的精確測量在節(jié)能降耗、經(jīng)濟核算、自動控制等方面有著廣泛的應用。和溫度、壓力一樣，流量也是生產(chǎn)過程中的重要變量。 本文詳述了渦街流量計及壓電式傳感器的原理，并設(shè)計了信號調(diào)理電路，處理來自壓力傳感器的微弱電壓信號，使之能夠滿足單片機對輸入信號的要求。 SCM。特別是在能源危機、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度愈來愈高的當今時代，流量計在國民經(jīng)濟中的地位與作用更加明顯。 由于流量是一個動態(tài)量，流量測量是一項復雜的技術(shù)。這是流量計量的主要工作之一。電磁流量計的計量精度高，但零點穩(wěn)定性差。%~177。我們要做的就是如何將壓力傳感器發(fā)出的信號進行處理 ，然后送到單片機，進行數(shù)學運算處理，得到所需的結(jié)果。盡管如此，由于流量測量技術(shù)的復雜化，以及科學技術(shù)的迅速發(fā)展給流量計量提出更新更高的要求，流量計量的現(xiàn)況遠不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計量技術(shù)問題有待進一步研究解決。產(chǎn)品在微型化、集成化、智能化、總線化等發(fā)展方向上緊跟國際發(fā)展的步伐。但目前與國外同行相比，我國流量儀表仍存在很大差距 ： 產(chǎn) 品種類系列不全；產(chǎn)品性能指標低；高技術(shù)產(chǎn)品少等等， 在國際上處于落后地位，不符合流量儀表未來發(fā)展方向。下面對幾種常見的流量測量方法 進行 簡要的介紹。 這種測量方法的主要優(yōu)點是 ： 1． 結(jié)構(gòu)簡單牢固 ； 2． 適用流體種類多 ； 3． 精度較高 ； 4． 范圍寬 ； 5． 壓損小。 差壓式流量計就是按照差壓測量方法設(shè)計的流量測量儀表，差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為 ： 水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式等。 這種測量方法制造的差壓式流量計在封閉管道的流量測量中對環(huán)境適應性非常強，各種對象都有應用，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； 流動條件方面 ： 亞音速、音速、脈動流等。 70、 80 年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破，使它成為應用廣泛的一類流量計，在流量儀表中其使用量百分數(shù)不斷上升。 容積測量方法 容積式測量方法利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量。 這種測量方法的缺點是 ： 1． 結(jié)果復雜，體積龐大 ； 2． 被測介質(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。它是速度式流量計中的主要種類。 這種測量方法的缺點是 ： 1． 不能長 期保持校準特性 ； 2． 流體物性對流量特性有較大影響。 根據(jù)對信號檢測的原理 ， 超聲流量計可分為傳播速度差法 (直接時差法、時差法、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。 采用這種測量方法制造的超聲流量計有如下的廣泛應用 ： ① 傳播時間法應用于清潔、單相液體和氣 體。重點放在了硬件電路的設(shè)計。當流體的流動是隨時間變化的，為非定常流，此時流量隨時間不斷變化。 在工程應用中，常常同時要求測量經(jīng)過一段時間流過管道的總的流體量，即要求測量通過管道的流體的累積流量。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應 容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。 流量計的特性曲線可以通過對流量計進行理論分析而得到，而更為準確可靠的是對流量計進行標定得到，即在整個流量計的流量范圍內(nèi)進行一系列的實驗得到。如將零輸入和滿量程輸出點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 是一個常數(shù)。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。 lvvlssvFFmg ???? ??? 2Re (2— 7) 式中的動力粘度 ? 用運動粘度 ? 來代替，因為 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)下流體的運動粘度 ?動力粘度 ? 被測流體密度 由上式可知，雷諾數(shù)油的大小取決于三個參數(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特性。當這些漩渦排列成兩排 且 當兩排漩渦的間距 h 與同列中兩相鄰漩渦的間距 L 之比滿足 h/L= 時，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 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 DddStf ??? (3— 3) 對于許多經(jīng)過適當選擇的柱型，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 渦街流量計由殼體、漩渦發(fā)生體和放大器組成。由于渦街流量計 不 含有運動部件及對流體沖刷敏感的部件，因而在使用過程中，可靠性高，使用壽命長，并具有一般節(jié)流式流量計的優(yōu)點，精確度穩(wěn)定，再現(xiàn)性好。一旦流量計的結(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。 柱體具有遠高于渦街頻率的自振頻率，材質(zhì)要適當考慮被測介質(zhì)的要求，與此同時要在較寬的雷諾數(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，用圖解和公式推導的方法詳細分析了渦街流量計的工作原理和基本特性，并詳細闡明了渦街流量計如何與漩渦發(fā)生體結(jié)合，實現(xiàn)對應力頻率的精確檢測，對在實踐中遇到的影響檢測精度的因素做了分析并給出了解決方法。 硬件與軟件設(shè)計是對單片機系統(tǒng)進行開發(fā)的重要步驟。 2．力敏元件檢測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械振動，用差動電容、電阻應變片、壓電晶體、壓電陶瓷等檢測。對上游不同形式的阻力件必須配置足夠長的滿足不同要求的直管段，以保證儀表的測量精度。壓變電阻式傳感器的靈敏度高、測量范圍廣、頻率響應快 ，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 壓力傳感器有一個流體測量膜，被設(shè)計用于檢測高粘度液體，而具有內(nèi)部測量腔的普通傳感器做不到這一點。 MAX1450 能夠?qū)鞲衅餍盘栠M行補償，這使得它在低功耗和中等精度的應用中最理想。 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。因此我們在綜合考慮各種 A/D 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點的基礎(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)部參考時此 的申容，使用外部參考時，接 ~VDD 的基準電壓 ； 5．地 ； 6．數(shù)據(jù)輸出 ； 7．片選端 ； 8．時鐘，最 高為 5MHZ。 使用內(nèi)參考時，在電源開啟后，經(jīng)過 20ms 后參考引腳的 電容充電完成，可進行正常的轉(zhuǎn)換操作。要注意的是 ： 在 CS 置為低電平啟動A/D 轉(zhuǎn)換后，檢測到 DOUT 有效 (或者延時 以上 )，才能發(fā) SCLK 移位脈沖讀數(shù)據(jù)， SCLK 至少為 13 個。 MAX187 電源需要加去耦合電容，常見的方法是用一個 電容和一個 電容 并聯(lián)。 圖 46 MAX187 與單片機連接圖 單片機硬件電路及周邊設(shè)計 單片機介紹 目前在市場常見的有 PHILIPS， SIEMENS， INTEL， ATMEL 等公司生產(chǎn)的 100多種型號的 80C51 系列單片機。 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機 可以滿足 許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 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 可反復擦寫 (1000 次） Flash ROM 哈爾濱理工大學學士學位論文 19 2． 32 個雙向 I/O 口 3． 2568bit 內(nèi)部 RAM 4． 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 5．時鐘頻率 024MHz 6． 2 個串行中斷 7．可編程 UART 串行通道 8． 2 個外部中斷源 9．共 6 個中斷源 10． 2 個讀寫中斷口線 11． 3 級加密位 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 液晶作為一種顯示器件 ,以其特有的優(yōu)勢正廣泛應用于測試儀器設(shè)備中。本系統(tǒng)采用 MSCG19264型點陣式 LCD，實現(xiàn)電流信號數(shù)據(jù)的實時顯示。 2． CS1~CS3：芯片片選信號，低電平有效。 4． R/W：讀 /寫選擇信號。 6． RES：復位信號，低電平有效。 8． V0、 Vee： LCD驅(qū)動電源。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。 4．電源故障輸入端 (PFI)： 當該端輸入低于 時， 5 號引腳 PFO 輸出的信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?8 號引腳 WDO 由高電平變?yōu)榈碗娖健? 圖 為 MAX813L 與單片機的連接。另外，當電源電壓低于門限值 時，MAX813L也產(chǎn)生復位輸出，使單片機處于復位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復正常，可有效防止因電源電壓較低時單片機產(chǎn)生錯誤的動作。 圖 410 看門狗 哈爾濱理工大學學士學位論文 22 通訊接口的設(shè)計 AT89C52 內(nèi)部有一個功能很強的全雙工串行口，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 /計數(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 波特率的應用場合。 在本采集系統(tǒng)中，單片機 3 個 I/O 口外接 3 個按鍵，可以實現(xiàn) 3 個鍵盤的輸入 ，即 3 三個鍵，最多可完成 8 種 任務(wù)。 2. 2 鍵為選擇功能鍵。 獨立式按鍵的接法是在單片機的 I/O 口上接一個按鍵，每個按鍵對應單片機的一個輸入端口，按鍵的另一端接電源或者數(shù)字地。 C 語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并可以調(diào)用匯編語言的子程序。 總體設(shè)計流程圖如圖 51 所示： 圖 51 總體設(shè)計流程圖 哈爾濱理工大學學士學位論文 25 顯示程序設(shè)計 主程序中調(diào)用的顯示驅(qū)動程序流程圖如圖 5圖 53 所示： 圖 52 顯示驅(qū)動程序流程圖 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 在使用單片機對鍵盤處理時，必須消除鍵盤抖動的影響。程序清單見附錄，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 在 PC 內(nèi)接有 PC16550（和 8250 兼容）串行接口、 EI