【正文】 容積式流量計及其它類型流量計如基于電磁感應(yīng)原理的電磁流量計和超聲波流量計等。自動化技術(shù)可以提高計量準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)可靠性和及時性，為優(yōu)化生產(chǎn)運行、核算經(jīng)濟(jì)效益、強化生產(chǎn)調(diào)度和有效監(jiān)控生產(chǎn)過程，進(jìn)一步降低泵站工業(yè)噪聲污染，改善職工工作條件，減輕勞動強度，避免職業(yè)傷害，延長設(shè)備使用壽命以及企業(yè)節(jié)能降耗工作起到積極作用。其中，硬件電路的搭接是本設(shè)計的重點，控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計是本課題的核心。流量有瞬時流量和累積流量兩種單位。第一章 緒論 1． 1 本課題的來源及研究對象 石油化工是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其所實現(xiàn)的利潤約占全國國有及國有控股企業(yè)總利潤的 1/4 左右。 本系統(tǒng)的研究對象就是液體如石油、水等的流量，通過對流量的檢測，完成對流量的控制。 1． 2 研究目的、意義及研究內(nèi)容 （ 1）研究內(nèi)容：本課題的主要研究內(nèi)容是對 流量進(jìn)行檢測，主要由流量傳感器采集流量信息，然后經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號離散化后傳給單片機，單片機在軟件系統(tǒng)的控制下，根據(jù)預(yù)先的設(shè)置和預(yù)期的控制要求 ,通過步進(jìn)電機來精確控制閥門的開度 ,實現(xiàn)對流量的精確控制。 開展石油化工過程流程模擬、先進(jìn)控制與過程優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實 意義，是當(dāng)前國內(nèi)外石油化工界廣泛關(guān)注的一個話題。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，控制污氣污水的排放以保護(hù)環(huán)境，對管道中流體的測量和控制實現(xiàn)自動化就成為生產(chǎn)過程中必不可少的一項任務(wù)。家用自來水表就是典型的葉輪式流量計，葉輪式自來水表比較簡單價廉，但精確度不高。根據(jù)此原理可以測導(dǎo)電流體的流量。 20 世紀(jì) 70、 80 年代電磁流量計技術(shù)有了突破性的發(fā)展，成為使用廣泛的一類儀表，應(yīng)用領(lǐng)域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，可測介質(zhì)范圍也從電導(dǎo)率很低的蒸餾水到電導(dǎo)率很高的液態(tài)金屬，并有成熟的耐高溫高壓及高腐蝕性的設(shè)計方法。 4）流量計輸出只與被測介質(zhì)的流速有關(guān)，量程范圍寬。 3）在使用金屬做測量管（如不銹鋼）時，整根測量管的內(nèi)側(cè)應(yīng)涂有絕緣層或襯墊絕緣套管，以避免流體中的電流被管壁短路。的干擾信號，途徑之一是導(dǎo)電液體和外電路 構(gòu)成的閉合回路在交變磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；其二是被測導(dǎo)電流體形成流柱，在垂直于磁力線的軸向截面上產(chǎn)生渦電流。 對于測量精度的選擇也應(yīng)視具體情況而定，應(yīng)在經(jīng)濟(jì)允許范圍內(nèi)追求精度等級高的流量計，例如一些高精度的電磁流量計誤差可以達(dá)到177。 本控制系統(tǒng)選用常見的電磁流量計作為傳感器。閥蓋承受與閥體相同的溫度和腐蝕性影響，閥桿密封在經(jīng)過幾百次的循環(huán)動作之后，就會磨損，在工程應(yīng)用中，流體壓力也會導(dǎo)致密封磨損；填料的選擇也是一個問題，填料選擇不 當(dāng)，控制閥的摩擦力增大而導(dǎo)致控制閥死區(qū)增大或者很容易使閥桿密封失效。在工程實際中，波紋管密封形式的選擇應(yīng)充分考慮波紋管密封的壓力的額定值會隨溫度的增高而降低，流體中不能有固體的顆粒存在，及波紋管材料的最長循環(huán)動作壽命等。撥碼盤作為系統(tǒng)的設(shè)定值輸入，數(shù)碼管顯示動態(tài)的流量和累積的流量。 系統(tǒng)原理框圖如下： 圖 系統(tǒng)原理框圖 其中，電磁流量計作為流量傳感器，采集流量信息，經(jīng)放大器放大后送到 AD 轉(zhuǎn)換器。 電磁流量計采用的原理與常見的差壓式流量計不同，后者需要在管道中設(shè)置一定的檢測元件，因此也易造成堵塞，且會帶來一定的壓力損失。隨著計算機的出現(xiàn)，把它移植到計算機控制系統(tǒng)中來 ,將原來的硬件實現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字 PID 控制器，所形成的一整套算法則稱為數(shù)字 PID 算法。由于這一特點，原式中的積分項和微分項不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。于是，產(chǎn)生了一系列圍繞此目的的改進(jìn)算法，滿足不同控制應(yīng)用系統(tǒng)的需求。 DA 轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號轉(zhuǎn)化為模擬電量。該部分完成存儲器分區(qū)、數(shù)據(jù)定義和系統(tǒng)的初始化等，以及調(diào)用各個子程序，完成主要的控制功能；二、流量控制程序。 4． 2 片子簡介 4． 2． 1 AT89C51 單片機及引腳功能介紹 AT89C51 屬于 MCS51 系列單片機。由于每個端口的結(jié)構(gòu)各不相同，因此它們在功能和用途上的差別頗大。 ② — ：這八條引腳和 P0 口的八條引腳類似， 為最高位， 為最低位。 表 1 P3 口各位的第二功能 P3 口的位 第二功能 注釋 RXD TXD 0INT 1INT T0 T1 WR RD 串行數(shù)據(jù)接收口 串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 外中斷 0 輸入 外中斷 1 輸入 計數(shù)器 0 計數(shù)輸入 計數(shù)器 1 計數(shù)輸入 外部 RAM 寫選通信號 外部 RAM 讀選通信號 2．電源線（ 2 條） VCC 為 +5V電源線， VSS 為接地線。 ② EA /VPP：允許訪問片外存儲器 /編程電源線，可以控制 8051 使用片內(nèi)ROM 還是使用片外 ROM。當(dāng)主電源 VCC發(fā)生故障而降低到規(guī)定低電平時， RST/VPD線上的備用電源 自動投入使用，以保證片內(nèi) RAM中信息不丟失。 4． 2． 2 ADC0809 介紹 ADC 有兩大類：一類在電子線路中使用，不帶使能控制端；另一類帶有使能控制端，可和微機直接接口。其中，四個分壓電阻使 A、 B、 C 和 D 四點分壓成 、 、 和 0V。 （ 3）逐次逼近寄存器和比較器 SAR 在 A/D轉(zhuǎn)換過程中存放暫態(tài)數(shù)字量，在 A/D轉(zhuǎn)換完成后存放數(shù)字量，并可送到“三態(tài)輸出鎖存器”。 控制電路用于控制 ADC0809 的操作過程。 21— 28 為數(shù)字量輸出線， 21 為最高位。因此， 8155 廣泛應(yīng)用于 MCS51 系統(tǒng)中。 ⑤ I/O 寄存器：分為 A、 B 和 C 三個端口。 ① AD7— AD0： AD7— AD0 為地址 /數(shù)據(jù)總線，?？珊? MCS51 的 P0 口相接，用于分時地傳送地址 /數(shù)據(jù)信息。 ALE：為允許地址輸入線 ，高電平有效。表 4 列出了端口地址分配。 179。 179。 179。 179。 179。 179。 179。 D6：為定時器中斷標(biāo)志位。 狀態(tài)字存放在 8155 狀態(tài)寄存器中，狀態(tài)寄存器的端口地址為A2A1A0=000B（見表 73）， CPU 通過一條 MOVX A， Ri或 MOVX A，DPTR 指令便可讀取 8155 狀態(tài)字，用于判斷 8155 所處工作狀態(tài)。 表 4 C 口在四種 I/O 工作方式下各位定義 C 口 通用 I/O 方式 選通 I/O 方式 ALT1 ALT2 ALT3 ALT4 PC0 輸入 輸出 A INTR（ A 口中斷） A INTR（ A 口中斷） PC1 輸入 輸出 A BF（ A口緩沖器滿 ） A BF（ A口緩沖器滿 ） PC2 輸入 輸出 ASTB （ A 口選通） ASTB （ A 口選通） PC3 輸入 輸出 輸出 B INTR（ B 口中斷） PC4 輸入 輸出 輸出 B BF（ B口緩沖器滿） PC5 輸入 輸出 輸出 BSTB （ B 口選通） ①通用 I/O 方式：在本方式下， A、 B、 C 三口用作輸入 /輸出，由命令字決定。選通 I/O 數(shù)據(jù)輸入的工作過程和8255A 時的情況類似，現(xiàn)以 A 口為例分述如下： 178。當(dāng)執(zhí)行到從 A 口寄存器讀取輸入數(shù)據(jù)時， RD 上升沿一方面撤消 A INTR 線上中斷請求，另一方面使QABF觸發(fā)器復(fù)位而使 ABF 輸出線變?yōu)榈碗娖剑ㄖ斎朐O(shè)備可以輸入下一個數(shù)據(jù)。 “輸出設(shè)備”收到 ABF 線上高電平后做兩件事：一是從 D7— D0上接收輸出數(shù)據(jù)；二是使 ASTB 線變?yōu)榈碗娖?，以通?8155 輸出設(shè)備已收到輸出數(shù)據(jù)。 BCD 碼撥盤后面有 5 個接點，其中 A 為輸入控制線，另外 4 根是 BCD碼輸出信號線。 + 5VA8 4 2 1A8 4 2 1A8 4 2 1A8 4 2 1A T 89C 51P P P P P P P P 圖 AT89C51 與撥盤的接口電路 控制端 A 接 +5V，當(dāng)撥盤撥至某輸入十進(jìn)制數(shù)時，相應(yīng)的 8， 4， 2， 1 有效端輸出高電平（如撥至“ 6”時， 4， 2 端為有效端）無效端為低電平。 4 片撥盤的 BCD 碼輸出相同端接入同一個 4 個與非門。步進(jìn)電機的步距角和轉(zhuǎn)速只和輸入的脈沖頻率有關(guān)，和環(huán)境溫度、氣壓、沖擊和振動無關(guān)，也不受電網(wǎng)電壓的波動和負(fù)載變化的影響，它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，步進(jìn)精確和步距誤差不會長期積累。圖中，定子A 極上的齒和轉(zhuǎn)子上的齒是對齊的，但 B 極和 C 極上的齒分別和轉(zhuǎn)子上齒錯1/3 齒距（即 3176。 根據(jù)上述原理，若按 ABCA 順序輪流循環(huán)通電，則步進(jìn)馬達(dá)就會沿順時針方向以每個脈沖 3176。步進(jìn)電機控制系統(tǒng)由硬件電路和軟件程序兩部分組成。輸出阻抗跟樣， 變換為 4～ 20mV的輸出信號。為了提高 A A5 的保持特性，輸入級使用結(jié)型場效應(yīng)管的運算放大器。 八段 LED 數(shù)碼顯示管原理很簡單，是通過同名管腳是所加電平高低來控制發(fā)光二極管是否點亮而顯 示不同字形的。為共陰八段 LED 管時，所有發(fā)光二極管陰極共連后接到引腳 G， G 腳為控制端，用于控制 LED 是否點亮。 +14H 40H BFH — （ 1）靜態(tài)顯示 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，常采用 MC14495 芯片作為 LED 的靜態(tài)顯示接口，它可以和 LED 顯示器直接連接。 圖 示出了 89C51 通過 8155 對六只共陽 LED 的接口電路。 MC14495 芯片的作用是輸入被顯字符的二進(jìn)制碼（或 BCD 碼），并把它自動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)字形碼，送給 LED 顯示。因此，共陰和共陽所需 字形碼正好相反，如表 5 所列。八段共陰能顯示的字形及相應(yīng)字形碼如表 75 所列。 LED 有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。 圖 示出了電磁流量計初級輸入放大電路，加入 C5和 C6是為了消除因A A2的輸入偏置電流和失調(diào)電流流過 R R R R6而產(chǎn)生的直流偏壓。 4． 3． 3 電磁流量計電路 電磁流量計電路如圖 和圖 所示，它是利用法拉第法則檢測管內(nèi)流動流體的流量。 對于三相六拍通電方式，即按 AABBBCCCAA 順序循環(huán)通電，步距角將減少一半，每個脈沖只轉(zhuǎn)過 176。）。轉(zhuǎn)子外側(cè)均勻分布有 40個齒，每個齒的齒距為 9176。 例如選中千位時， 置 0， ～ 置 1，此時四個與非門所有其它位連接的輸入端均為 1 狀態(tài)，因此四個與非門輸出的狀態(tài)完全取決于千位數(shù)BCD 撥盤輸出狀態(tài)。如果按照圖 934 的接法， N 位十進(jìn)制撥盤需占用 4179。 撥盤輸入 控制端 A 輸出狀態(tài) 8 4 2 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 2 1 0 0 1 0 3 1 0 0 1 1 4 1 0 1 0 0 5 1 0 1 0 1 6 1 00 1 1 0 7 1 0 1 1 1 8 1 1 0 0 0 9 1 1 0 0 1 *：輸出狀態(tài)為 1 時，表示該輸出線與 A 相遇。這種撥盤為四片 BCD 碼撥盤拼接的 4 位十進(jìn)制輸入撥 盤組。選通 I/O數(shù)據(jù)的輸出過程 也和 8255A時情況類似。 178。此時， A 口和 B 口用作數(shù)據(jù)口， C 口用作 A 口和 B 口的聯(lián) 絡(luò)控制。 3． 8155 工作方式 （ 1）存儲器方式 8155 的存儲器方式用于對片內(nèi) 256 字節(jié) RAM 單元進(jìn)行讀寫，若 IO/M =0和 CE =0，則 8155 立即處于本工作方式。 D4 和 D1：分別為 B 口和 A 口的緩沖器狀態(tài)標(biāo)志位，用于表示 8155B 口和 A 口緩沖器的工作狀態(tài)。 （ 2） 8155 命令字 8155 命令字共有 8 位，用于設(shè)定 8155 的工作方式以及實現(xiàn)對中斷和定時器 /計數(shù)器的控制。 179。 179。 179。 179。 179。 179。 179。 OUT/T 為計數(shù)器輸出線，當(dāng) 14 位計數(shù)器從計滿回零時就可以在該線上輸出脈沖波形，輸出脈沖的形狀和計數(shù)器工作方式有關(guān)。 ③控制總線（ 8 條）： RESET； 8155 總清輸入線，在 RESET 線上輸入一個大于 600ns 寬的正脈沖時， 8155 立即處于總清狀態(tài)， A、 B、 C 三口也定義為輸入方式。命令寄存器存放 CPU 送來的命令字，狀態(tài)寄存器存放 8155 的狀態(tài)字。 ③地址譯碼器和讀寫控制器：地址譯碼器的三位地址由地址鎖存器輸出端送來，譯碼后可以選中命令 /狀態(tài)寄存器、定時器 /計數(shù)器和 A、 B、 C 三個 I/O寄存器中某個工作。 VREF（ +）和 VREF（ ）為參考電壓輸入線，用于給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。 ADDA、 ADDB 和 ADDC 為地址輸入線，用于選擇 IN0— IN7上哪一路模擬電壓送給比較器進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。若 VINVST，則比較器輸出邏輯 0 而使 SAR最高位由 1 變?yōu)?0；若 VIN≥ VST，則比較器輸出使 SAR 最高位保留 1。樹狀開關(guān)輸出電壓 VST 和 D1D0關(guān)系列出于表 2。 （ 1）八路模擬開關(guān)及地址鎖存與譯碼器 八路模擬開關(guān)用于輸入