【文章內(nèi)容簡介】 線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。由于繼電器是感性負(fù)載，所以吸合或者斷開的瞬間的會感生很大的反向電流。并且體積也比較大，開關(guān)噪聲也很大。大功率晶體管一般都具體積小，開關(guān)速度快，功耗小，無噪聲等優(yōu)點。所以本系統(tǒng)采用的是大功率晶體管IRF540。它的最高電壓達(dá)100V，電流達(dá)23A。輸出電路也采用了光電隔離。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號OUT0接CPU的一個IO口。來控制輸出。輸出采用的是大功率晶體管IRF540。DO0是一個吸收二極管，LED用來指示輸出的狀態(tài)。電阻R1CO_CS和Q7等元件是防止上電時輸出抖動。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號out_cs和outcs都接到FPGA的IO腳上。FPGA通過檢測outcs引腳的電平，只有當(dāng)outcs的電平為高電平時，才控制Q7的導(dǎo)通給光耦供電。由上剛上電時電容CO_CS要充電，為低電平。輸出就不會導(dǎo)通，這樣很好的防止了上電輸出抖動。圖7 輸出控制電路 存儲與通信電路 存儲模塊存儲模塊主要是儲存一些重要的數(shù)據(jù)，防止掉電后丟失。由于本系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)不多，所以選用Atmel公司24C04。24C04是串行E2PROM基于I2CBUS 的存儲器件，容量為512字節(jié)。遵循二線制協(xié)議，由于其具有接口方便，體積小，數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點，在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量的應(yīng)用。圖8 EEPROM存儲電路 通信模塊 通信電路主要是CPU與PC機的通信。將數(shù)處發(fā)送到上位機進(jìn)行處理。一般的CPU都帶有232接口，但由于232通信的距離比較近，并且抗干擾的能力比較差。由于485通信采用的是差分通信方式，它的能信距離比較遠(yuǎn)，并且抗干擾能力比較強，所以本系統(tǒng)采用了485通信方式。MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS－485芯片。采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的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，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。圖9 485通信電路 電源電路電源電路為整個系統(tǒng)供電。由于工業(yè)上絕大部公采用的是24V供電，所以本系系統(tǒng)也是采用24V供電。本系統(tǒng)主要提供三種電壓，+5V，+，+。+5V主要給輸入號的光耦、和一些IC供電，如24C04，MAX485等等。+、FPGA的IO等供電，+。+5V由LM2575及外圍電路產(chǎn)生，++。F1及F2和一些電容一起組成濾波電路。提高抗干擾能力。LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導(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是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LTH1117提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含1個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在177。1%以內(nèi)。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。其特點有：節(jié)省空間的SOT223和LLP封裝。電流限制和熱保護(hù)功能 輸出電流可達(dá)800Ma。線性調(diào)整率：% (Max)。 負(fù)載調(diào)整率：% (Max) 溫度范圍－LTH1117：0℃~125℃； －LM1117I：40℃~125℃。圖10 系統(tǒng)電源電路3 軟件的設(shè)計 程序流程圖 FPGA程序流程對FPGA程序流程圖做如下說明：FPGA主要完成的功能就是負(fù)責(zé)計數(shù)傳感器輸出的脈沖數(shù)。存入內(nèi)部的RAM中。并且能夠產(chǎn)生中斷通知CPU來及時讀取RAM中的數(shù)據(jù)。另一個功能就是掃描數(shù)碼管，它在1ms的時鐘驅(qū)動下，進(jìn)行動態(tài)掃描各個數(shù)碼管。FPGA中有一個高速引腳和CPU的復(fù)位引腳一同接到外接的復(fù)位芯片上，實現(xiàn)同步復(fù)位。圖11 FPGA程序流程圖 CPU程序流程以CPU的程序流程說明如下：CPU主要的功能就是完成與FPGA通信，讀寫FPGA內(nèi)部的RAM、與PC機通信、數(shù)據(jù)處理、掃描按鍵、存儲一些數(shù)據(jù)到外部的EEPROM。等等。由于CPU上電時所有的引腳都是處于高阻態(tài)的，所以需要進(jìn)行配置為普通IO或者某些第二功能第三功能。接著就是等待開始測量命令，當(dāng)檢測到啟動鍵按下時，就給FPGA開始測量發(fā)送命令，當(dāng)FPGA測量完了之后，產(chǎn)生一個中斷信號給CPU，CPU即讀出測量數(shù)據(jù)出來進(jìn)行運算處理。再送FPGA顯示，與控制輸出。圖12 CPU程序流程圖 軟件環(huán)境 FPGA軟件環(huán)境 FPGA采用的是Verilog語言，在Actel公司提供的軟件Libero 。 CPU軟件環(huán)境CPU采用的匯編語言與C語言編寫，匯編語言主要是完成ARM的啟動代碼編寫，C語言則是后面的功能實現(xiàn)。在Keil公司提供的軟件Keil ARM上調(diào)試通過。4 實驗與標(biāo)定 實驗裝置實驗的裝置主要由一個水壓恒定的水箱、轉(zhuǎn)輪式流量傳感器、水溫及控制電路構(gòu)成。如圖13所示：調(diào)節(jié)閥傳感器注水端溢出端注水端控制電路恒溫控制 圖13 實驗裝置圖 實驗方法(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。這樣做的目的就是確保流向傳感器的水壓基本上保持不變。(2) 再調(diào)節(jié)閥門使得傳感器注水端的流量基本穩(wěn)定。(3) 調(diào)節(jié)水箱溫度為一定值時，測量10次。分別記錄下來。(4) 再次調(diào)節(jié)水箱溫度。多次測量。(5) 進(jìn)行實驗結(jié)果分析。 實驗結(jié)果和誤差分析 實驗結(jié)果實驗結(jié)果如下表1所示：分別在水箱溫度為30度、40度、50度時所測得的數(shù)據(jù)。由此數(shù)據(jù)可得單位脈沖的流量就等于水的質(zhì)量除以脈沖的個數(shù)。表1 實驗數(shù)據(jù)表 次數(shù)溫度1234567891030脈沖52616054566260525855質(zhì)量40脈沖57555456605258626559質(zhì)量50脈沖54586065635856525755質(zhì)量 誤差分析 經(jīng)過多次實驗得出實驗的誤差主要來源出以下幾點：（1） 每次按鍵開始測量時與接水不同步，造成水的質(zhì)量不精確。（2） 流量傳感器的進(jìn)出口的密封性不是很好，有點漏水，造成測量不精確。（3） 由于水箱的注水端是來由自來水的管道注入，所以難精控制注水的大小，造成水箱的水壓有點偏差。結(jié)論本文設(shè)計了一種基于轉(zhuǎn)輪式流量傳感器的標(biāo)定與試驗的方法，闡述了其基本原理和實現(xiàn)方法，完成了在一定條件下對某一特定的傳感器的標(biāo)定實驗。此外，還具有以下優(yōu)點：（1）從實驗結(jié)果可得：用轉(zhuǎn)輪試流量傳感器測得的流量與理論值吻合較好。（2）本方法測得的相對偏差較其它測量方法偏差要小, 提高了實驗的準(zhǔn)確度, 無需修正。（3）把單純的一個流量實驗變成了一個流量、電的綜合實驗,改變了測流量的傳統(tǒng)思想。目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異,并呈現(xiàn)出多學(xué)科互相滲透、相互綜合的趨勢。（5）用流量傳感器流量的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出,不僅測量準(zhǔn)確度高,也便于使用計算機進(jìn)行實時測量, 展示流量的物理特性, 這將有助于理解液體的性質(zhì), 掌握液體的測量方法。對于科研和教學(xué)具有重要意義。（4）雖然此方法測出的流