【正文】 塊 網(wǎng)絡式電磁流量顯示儀所具有的各個模塊有： 電磁流量傳感器、信號轉換模塊 、 A /D模塊、勵磁模塊 、 RS485 通信模塊 、 I2C數(shù)據(jù)存儲模塊 、 LED 顯示模塊 、 鍵盤控制模塊。 本課題研究的意義 ： 電磁流量檢測儀表是利用法拉弟電磁感應原理制成的測量導電流體體積的儀表，與現(xiàn)有各種非電磁流量檢測儀表相比，性能好，適用范圍廣，是目前應用最廣泛的流量儀表之一。增強系統(tǒng)開放性有利于系統(tǒng)功能擴展、儀表間的互聯(lián)以及系統(tǒng)組網(wǎng)，更有利于操作 和維護。隨著微電子技術和計算機技術的進步，用高性能集成芯片和微處理器來提高信號放大處理精度、拓寬儀表檢測量程、補償檢測 誤差及零點校準己成為當今儀表的發(fā)展方向之一。目前低頻矩形勵磁和三值低頻矩形勵磁己成為國外電磁流量勵磁方式的主流。儀表的 智能性主要是功能上的智能性， 特別是近年來新型微處理器的出現(xiàn)和應用，使儀表通過軟件控制和管理整個測量的工作過程得以實現(xiàn)，充分發(fā)揮出微機的功能和靈活性。但在新技術層出不窮和工業(yè)過程要求日益提高的情況下，電磁流量計的性能必將進一步得到提升。過程變量的自動化檢測儀表是 工業(yè)自動化實現(xiàn)的關鍵。其原因在于 :流量這個參數(shù)受輸送流體的工作條件如壓力、溫度、流動狀態(tài)、流體的種類、形狀等參數(shù)的影響。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究、國防建設領域中，還是在日常生活中都與檢測有著密切的關系 ， 在工業(yè)自動化中 ， 過程變量的自動檢測儀表是主宰自動化系統(tǒng)命運的關鍵，任何控制系統(tǒng)都是從生產(chǎn)過程運行的信息測量開始的。不僅使程序結構清晰，而且也提高了系 統(tǒng)的實時性，可靠性 。本文在分析國內外電磁流量計發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎上 ，提出了基于 AT89C51的 智能 流量顯示儀設計思路 ,并在此基礎上研制了智能電磁流量計的軟、硬件系統(tǒng) 。 流量計在工業(yè)生產(chǎn)過程、能源儲運核算、環(huán)境保護、生物技術、國防建設、科學研究等諸方面發(fā)揮著不可或缺的作用。 在智能流量顯示儀的軟件設計中，采用匯編語言作為軟件開 發(fā)工具，采用模塊化程序設計方式，充分利用 AT89C51的優(yōu)勢，設計出了 設計出了勵磁方式控制子程序 、 A/D采樣控制子程序、輸入數(shù)據(jù)處理與流量計算子程序、鍵盤管理及 LED顯示等模塊化程序。 人們對自然界的認識在很大程度上取決于檢測和儀表。 然而，就流體流動量的檢測而言，要比溫度、壓力等其他參量檢測困難的多。 儀器儀表是研究實現(xiàn)信息的獲取、轉換、傳輸、處理以及根據(jù)處理結果對生產(chǎn)系統(tǒng)進行控制的重要工具。 電磁流量計是一種測量流體流速的速度式流量計，在推向市場后，性 能不斷完善，己經(jīng)成為一種技術成熟而又應用廣泛的新一代流量儀表。具體表現(xiàn)在如下幾個方面 ：提高儀表智能性 、 提高勵磁 技術水平 、 增強信號處理能力 、 提高系統(tǒng)的開放性 幾個方面 : 提高儀表智能性。隨著電磁流量計和電子技術的發(fā)展，勵磁技術也從直流勵磁 、交流勵磁、低頻矩形勵磁發(fā)展到三值低頻矩形勵磁及雙頻勵磁技術階段，其目的就是為了減少干擾、提高檢測精度和儀表零點穩(wěn)定性。 智能化電磁流量計經(jīng)降低勵磁電流、改進傳感器結構及其磁通分布密度，使其小型、輕量一體化的目標得以實現(xiàn)，但其單位流速電感也變得 更小，而對于不同的測量介質，流量傳導內阻變化很大，增加了信號處理的難度。系統(tǒng)的開放性包括硬件電路開放性、軟件結構開放性、通訊接口開放性以及人機界面開放性?？蓮V泛應用于水泥、化工、輕紡、冶金、礦山、造紙、醫(yī)藥、給排水、食品飲料、制糖 、釀造等工業(yè)技術部門，特別是在環(huán)保領域，電磁流量儀表己成為定量管理企業(yè)污水排放的有力手段 。本課題的研究重點在于利用單片機等集成芯片 開發(fā)智能電磁流量計， 充分利用了單片機系統(tǒng)良好的軟硬件資源，達到了增強儀表功能、提高測量精度、可靠性及開放性的目的 。其中流量轉換單元包括 信號轉換模塊、 A/D 轉換模塊、勵磁電流發(fā)生模塊 。 A /D模塊 :將模擬量轉換成數(shù)字量提供給單片機進行處理。 LED顯示模塊 :完成儀表的瞬時流量、累計流量等實時顯示。 3）小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛(wèi)生要求的場所。 V 第 2章 電磁流量儀 工作原理與結構 電磁 流量 傳感器 的工作 原理 法拉第電磁感應定律 1831年， 法拉第最早通過實驗發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象 .實驗表明 ， 通過導體回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時，在回路中就會產(chǎn)生感應電動勢及感應電流。 可以通過右手規(guī)則判定電動勢的方向 ， 在管道直徑確定，磁感應強度不變的條件下，體積流 量與電磁感應電勢有一一對應的線性關系，而與流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率無關 。雖然電磁流量傳感器的使用條件是要求流體是導電的，但它還是有許多優(yōu)點。 (4).測量結果不受流體粘度的影響。% 。 20世紀 50年代，電磁流量計實現(xiàn)了工業(yè)化應用，近年來電磁流量計性能有了很大提高， 得到了廣泛的應用。 圖 電磁流量 傳感器示意圖 如圖 ， 一般情況下傳感器和轉換器是分體的，傳感器安裝在生產(chǎn)過程工藝管道上，它的作用是將流經(jīng)管內的液體流量值線性地 變換成感應電勢信號，并通過傳輸線將此信號送到轉換器中去，主要由 外殼 、 磁路系統(tǒng) 、 測量管 、 襯里 、 電極 組成?；魻柍朔ㄆ饔靡韵齽畲烹妷悍岛皖l率變化引起的誤差。 根據(jù)不同的勵磁方式，轉換器應有相應的措施抑制或消除各干擾信號的影響。本課題利用的是低頻三值勵磁方式很好的解決了正交干擾。在有些學科領域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。選擇傳感器的總的原則是：在滿足對傳感器所有技術要求情況下，成本低廉，工作可靠和容易維修，即所謂性能價格比要大。而如果從另一個角度來看，也可以將傳感器分為基本型與組合型兩類。而組合型傳感器又可分為：流量、流速傳感器，速度傳感器，距離、位置、位移傳感器，重量傳感器，加速度傳感器，轉數(shù)、轉角傳感器，物位傳感器，厚度傳感器等隨著傳感器技術的飛速發(fā)展，其發(fā)展方向有兩個：一個是傳感器本身的研究開發(fā)，另一個是與計算機相連接的傳感器系統(tǒng)的研究開發(fā)。精度高的儀表基本誤差為（ 177。 25%） FS（測量上限或量程的百分率），兩者價格相差 )12倍。使用電 磁流量計的前提是被測液體必須是導電的，不能低于閾值（即下限值）。 低頻三值矩形波恒流勵磁，不受工頻及現(xiàn)場各種雜散干擾的影響，性能穩(wěn)定可靠。測量管內無阻流件，因此無附加壓力損失。使用方便，安裝后只需接上電源，不需其它任何操作，即可輸出標準信號，便于非專業(yè)人員使用。 （ 2） 襯里 — 氯丁橡膠（ Neoprene）耐磨性好，有極好的彈性，高扯斷力，耐一般低濃度酸堿鹽介質的腐蝕。 在本設計中以最大范圍來進行計算即取擴展范圍 15m/s。 2）速度法： 這種方法是先測出管道內的平均流速，再乘以管道截面積求得流體的體積流量。 XII 第 3章 網(wǎng)絡式電磁流量 儀的 輸入通道 設計 流量 儀的功能要求 課題設計的電磁流量顯示儀的全過程為：微處理器采集流量傳感器輸出的電壓信號，然后通過放大濾波適合于 A/D轉換器的輸入要求，將此 信號進行轉換為數(shù)字量，并且把轉換后的數(shù)字量進行數(shù)字濾波后給單片機進行計算，最終將計算后得到的瞬時量和一段時間的累積流量在 LED上進行顯示。 此外，流量顯示儀的高精度、低功耗、可靠性等性能要求也是進行軟、硬件設計所必須考慮的重要因素。充分和合理利用單片機資源不但可以減少外圍電路設計的工作量，而且可以提高整機的可靠性。在所實現(xiàn)功能相同的情況下，都選擇低功耗芯片、元器件及設備。 其它大部分模塊都受單片機控 制器模塊的控制或通過單片機控制器而起作用。 電源供電模塊包括供電電路和設備供電電源。 （ 1）引腳排列與基本電參數(shù) 該芯片的引腳排列如圖 所示。 在單電源電壓 VCC=+5V， RL=10kΩ時的一些典型參數(shù)： 增益范圍： 1~1000 增益誤差為 %（ G=1） 增益非線性為 50ppm，（ G=1～ 1000） 增益溫度變化 5ppm/℃ 輸入失調電壓 VOSI= 25μ V 輸入失調電壓溫度系數(shù) V/℃輸出失調電壓 VISO=200μ V 輸出失調電壓溫度系數(shù) V/℃ 電源電壓抑制比為 100dB（ G=1） 輸入偏置電流 IB=17nA 輸入偏置電流溫度系數(shù) 25pA/℃ 輸入失調電流 IOS= 輸入失調電流溫度系數(shù)為 5pA/℃ 差模輸入阻抗 2GΩ ||2pF 共模輸入阻抗 2GΩ ||2pF 輸入電壓范圍（電源為 +6V）－ ～ +VCC－ 共模抑制比為 80dB（ G=1，在 60Hz， 1kΩ源內阻） 輸出電壓范圍 +～ +（負載電阻 RL=10k） － 3 dB 帶寬 800kHz（ G=1） 擺率 SR=%建立時間 ts=30μ s（ G=1，階躍信號 ） R G 1IN 2IN +3GND4 V R E F 5OUT 6V C C 7R G + 8AD623.... XV 輸入電壓噪聲 eni=35nV/√ Hz（ 1kHz） 輸出電壓噪聲 eno=50nV/√ Hz（ 1kHz） ~10Hz 電壓噪聲， Vpp ~10Hz 電流噪聲， 電源電壓范圍177。 （ 4）參考電位 參考電位 VREF 用于在 0到 VS 之間控制輸出電壓的基礎電平。若是模擬與數(shù)字共用一個電源，則應該采用電感、電容組成的濾波電路隔離模擬電源部分與數(shù)字電源部分。在本課題當中，選的是巴特沃斯低通濾波器，頻率為 3Hz。 所以在選擇需要什么樣的 AD轉換器時我們需要考慮以 下幾個方面： 1. 正確選擇 A/D 轉換器，滿足應用要求 精度、轉換時間、控制接口、基準電源 。另外片內帶有三態(tài)輸出緩沖器，因此可直接與系統(tǒng)總線相連。 ② IN0～ IN7 8路 模擬電壓輸入端，可 連 接 8 路 模擬量輸入。在啟動信號的下降沿，啟動轉換。 ⑦ OE 讀允許信號，高電平有效。 ⑩ GND 電源地 ,也是模擬地和數(shù)字地， VREF(+)， VREF() 參考電壓輸入端。 ALE的下降沿不影響地址鎖存器原來鎖存的數(shù)據(jù)。根據(jù)實際情況 CPU 可選擇延時、查詢、中斷和 DMA 方式讀取轉換后的數(shù)字量，延時方式就是在啟動 A/D 轉 換后等待一段時間 (大于A/D轉換時間 )后，使 OE=1，然后直接讀取轉換后的數(shù)字量；查詢方式就是在啟動 A/D 轉換后檢測到 EOC變?yōu)楦唠娖胶?，?OE=1，然后讀取轉換后的數(shù)字量；中斷方式就是在啟動 A/D 轉換后由 EOC由低電平變?yōu)楦唠娖揭?CPU 的一個外部中斷，然后由 CPU 的中斷服務子程序來讀取轉換后的數(shù)字量。 OE為輸出允許信號，用于控制輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)； D7D0為數(shù)字量輸出線。 XXI 第 4章 網(wǎng)絡式電磁流量 儀控制模塊和 顯示 電路 設計 單片機控制模塊 的 選型 一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如 ROM、 RAM、 I／ O、定時器／計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展 ，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。在醫(yī)療、航空、交通、軍事技術、工業(yè)控制、科學研究等領域，單片機往往是作為一個核心部件來使用，但僅僅具備單片機方面的知識是不夠的，還應結合具體的硬件結構以及應用對象的軟件特點來設計系統(tǒng)。 單片機 在國際 上統(tǒng)稱 為微 控制器(microcontroller, MCU)，就是把中央處理器 CPU,隨機存取存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM,輸入 /輸出端口 I/O等主要的計算機功能部件，都集成在一塊電路芯片上，從而形成一部完整的 微型計算機。 現(xiàn)代的單片機又加入了許多新的功能部件，如模擬 /數(shù)字轉換器（ ADC）、數(shù)字 /模擬轉換器（ DAC）、溫度傳感器、液晶驅動電路、電壓監(jiān)控、 “ 看門狗 ” 電路、低壓檢測電路等 。所以，本項目所選的單片機就是國內很常見的 AT89C51單片 機。 其外觀圖及引腳排列如圖 ， 圖 AT89C51引腳排列 AT89C51單片機的主要特性 ： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8位內部 RAM 32可編程 I/O線 XXIV 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 (2)AT89C51 的管腳說明 VCC：供電電壓。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。當 P3 口寫入“ 1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。石晶振蕩和陶瓷振蕩