【文章內容簡介】 壓傳感元件，并且它比組合柱體的結構更簡單，產生的漩渦強烈、排列規(guī)則，更便于檢測，故本系統(tǒng)的漩渦發(fā)生體采用梯形柱體。 應用中的問題由于溫度和壓力的變化會對流體的密度產生影響，所以在測量的時候必須對密度的實際值進行補償，補償采用以下公式: (3—5)式中， 實際密度，kg/m3 飽和蒸汽密度，kg/m3 水密度，kg/m3 干度影響系數(shù)其中飽和蒸汽密度和水密度，干度影響系數(shù)X依據(jù)蒸汽干度S查表。經(jīng)過查表，得到補償后的實際密度代入公式計算流體的流量（表附在附錄D）。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。第4章 渦街流量計硬件設計 硬件電路總體設計微處理器是智能化儀表的核心，如同人的大腦一樣。在本測量系統(tǒng)中，單片機作為整個系統(tǒng)的核心部件，使系統(tǒng)增強了數(shù)據(jù)處理、自診斷、顯示與報警等功能。單片機的加入，可以用軟件代替硬件實現(xiàn)某些功能，使儀表結構大大簡化、體積減小、成本降低，而工作的可靠性、靈活性及儀表的功能大為提高。硬件與軟件設計是對單片機系統(tǒng)進行開發(fā)的重要步驟。單片機應用系統(tǒng)中軟硬件設計應遵循的要求：1．明確系統(tǒng)測試、控制要求，盡量做到模塊化編程；2．利用單片機指令系統(tǒng)功能強，尋址方式多的優(yōu)點，盡量編制出層次清楚，運行速度快，占內存少的源程序；3．盡量采用己成熟的源程序和模塊；4．盡可能選擇典型電路，使用常規(guī)組件；5．系統(tǒng)擴展與配置應滿足測控功能需要并留有余地，以方便系統(tǒng)軟、硬件調試和二次開發(fā)；6．硬件盡可能簡單，能用軟件完成的功能盡量用軟件完成；7．軟件結構設計時應注意適當?shù)亓粲杏嗟?。單片機系統(tǒng)的硬件主要包括單片機、傳感器、傳感器信號調節(jié)器、A/D轉換、LCD顯示電路、芯片監(jiān)控電路、通信接口電路，如圖41所示：圖 41 硬件總體設計圖 傳感器部分電路 傳感器利用伴隨漩渦分離的物理效應，可以采用熱敏、力敏元件或通過光、聲調制方法等來檢測漩渦分離頻率。至今用于檢測分離頻率的方法和采用的元件是多種多樣的，歸納起來有以下幾種典型方法：1．熱敏元件檢測方法漩渦分離產生的交變環(huán)流所引起的整體表面速度脈動或者交變橫向流的頻率，用加熱的金屬絲、熱敏電阻器等進行檢測。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。3．電磁傳感器檢測方法漩渦的分離所引起的膜片或者梭球等的往復振動的頻率，用電磁傳感器檢測。4．聲、光信號調制檢測方法利用聲束光束通過渦街時受到漩渦的調制，由接收聲強光強或相位的脈動頻率得到漩渦分離頻率。由于渦街流量計是利用流體自身的規(guī)則振蕩來計量流量的，因而對流體的速度分布及流動噪聲，比較敏感，因此在應用過程中對管道安裝狀況要求較高。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。壓力傳感器可分為液柱式壓力傳感器、彈性元件傳感器、壓變電阻式傳感器和壓電式傳感器。液柱式傳感器的結構簡單，測量精度高，但是測量結果只能就地讀取，不能進行遠距離傳送。彈性元件傳感器一般在測量較大壓力的場合使用。壓變電阻式傳感器的靈敏度高、測量范圍廣、頻率響應快，但是易受電阻片結構、貼片用膠、貼片工藝以及工作環(huán)境溫度影響。而壓電晶體傳感器采用半導體硅阻效應原理，在單晶硅片上運用獨有的激光刻蝕修正技術來制作固態(tài)電阻電橋，硅晶體受力后發(fā)生相應的微變形，在應力消失后恢復到原來的形狀，是一種良好的接收應力的材料，其性能遠優(yōu)于金屬材料，靈敏度高(是電阻絲式的50倍)、線性范圍大、體積小、結構簡單、壽命長，尤其是它的動態(tài)響應頻帶寬、動態(tài)誤差小，使它在振動等測量中得到廣泛的應用。因此，研究的渦街流量計系統(tǒng)使用壓電式壓力傳感器來測量流體的壓力。壓力傳感器選擇TPF系列傳感器。TPF壓力傳感器有一個流體測量膜，被設計用于檢測高粘度液體，而具有內部測量腔的普通傳感器做不到這一點。 圖42 TPF傳感器電氣連接圖TPF主要特征：1．壓力范圍：0~10，0~1000 bar / 0~150， 0~15000 pa2．精度等級：%大于50 bar；% 小于或等于5bar3．完全不銹鋼結構4．內部產生標準信號5．保護等級：IP65 傳感器信號調節(jié)器MAX1450傳感器信號調節(jié)器用于處理壓力傳感器送來的信號。它包括一個用于傳感器激勵的可調節(jié)的電流源和一個三字節(jié)的可編程放大器(PGA)。通過外部的可調節(jié)電阻器、電位器或數(shù)模轉換器(DA)，MAX1450可以對傳感器的非線性輸出進行補償。MAX1450能夠對傳感器信號進行補償，這使得它在低功耗和中等精度的應用中最理想。MAX1450主要特點：1．可對1%的傳感器信號進行調節(jié)；2．使用儲存在外部可調節(jié)的電阻器、電位計或數(shù)模轉換器內的系數(shù)來更正傳感器的非線性；3．用于傳感器激勵的可編程電流源；4．快速信道設置時間；5．可接受10mV/V到30mV/V的傳感器信號輸出；6．完全的模擬信道；MAX1450的引腳圖，與單片機的連接圖分別見圖43，44。圖 43 MAX1450引腳圖圖44 MAX1450與單片機連接圖MAX1450的各個引腳功能如下：表41 MAX1450引腳功能管腳號代號功能1INP正傳感器輸入116IC內部連接，斷開連接4SOTC偏移量TC輸入符號位5SOFF偏移量輸入符號位6A1PGA獲得設置輸入7A0PGA獲得設置LSB輸入8OFFOC偏移量TC調節(jié)9OFFSET偏移量調節(jié)輸入10BBUF緩沖橋式電壓輸出11FSOTRIM電橋驅動電源設置輸入13A2PGA獲得設置MSB輸入14OUTPGA輸出電壓15正供電電壓輸出17ISRC電流源參考18SDRIVE傳感器激勵電源輸出19負供電電壓輸出20INM負傳感器信號輸入 信號調理電路的設計為了進行數(shù)字量和控制系統(tǒng)的處理，我們需要設計一個模數(shù)轉化電路，將從濾波器傳來的模擬信號轉換成數(shù)字信號，傳入單片機進行處理。A/D轉換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。A/D轉換器按照轉換原理可分為間接A/D轉換器和直接AD/轉換器。所謂間接A/D轉換器是先把模擬量轉換成中間量，然后再轉換成數(shù)字量，如電壓/時間轉換型(積分型)，電壓/頻率轉換型，電壓/脈寬轉換型等。其中積分型A/D轉換器電路簡單，抗干擾能力強，且能作到高分辨率，但轉換速度較慢；直接A/D轉換器是把模擬信號直接轉換成數(shù)字信號，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型A/D轉換器，易于用集成工藝實現(xiàn)，且能達到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多。因此我們在綜合考慮各種A/D轉換器的優(yōu)缺點的基礎上，選取了逐次逼近式的具有串行總線結構的模數(shù)轉換芯片MAXl87，它僅有8個引腳，外圍接線很少,體積小、速度快、精度高。MAX187是美信公司推出的12位A/D轉換芯片，內部含有采樣/保持電路，單5V操作電源，，模擬量輸入范圍為0~。三線串行接口，兼容SPI，QSPI，Microwire總線。MAX187有8腳DPI封裝和16腳DPI封裝2種，圖45給出封裝的引腳排列。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~；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部參考，懸空時禁止內部參考；4．參考電壓：，使用外部參考時，~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。MAX187用采樣/保持電路和比較寄存器將輸入的模擬信號轉換為12位的數(shù)字信號，其采樣/保持電路不需要外接電容。MAX187有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將SHDN置為低電平進入休眠模式，這時的電流消耗降到10pA以下。SHDN置為高電平或懸空進入正常操作模式。使用內參考時，在電源開啟后，可進行正常的轉換操作。A/D轉換的工作過程是：當CS為低電平時，在下降沿MAX187的T/H電路進入保持狀態(tài)，并開始轉換。這時可在SCLK端輸入一串脈沖將結果從DOUT端移出，讀入單片機中處理。數(shù)據(jù)讀取完成后將CS置為高電平。要注意的是：在CS置為低電平啟動A/D轉換后，檢測到DOUT有效()，才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數(shù)據(jù)，SCLK至少為13個。發(fā)完脈沖后應將CS置為高電平。用單片機AT89C52的P1口來控制MAX187的轉換。MAX187電源需要加去耦合電容。為保證采樣精度，最好將MAX187與單片機分開供電。輸入模擬信號的電壓范圍為0~，如模擬輸入電壓不在這個范圍要外加電路進行電壓范圍的變換。圖46 MAX187與單片機連接圖目前在市場常見的有PHILIPS，SIEMENS，INTEL，ATMEL等公司生產的100多種型號的80C51系列單片機。這類單片機具有集成度高，性能價格比優(yōu)越的特點，在工業(yè)測量控制領域內獲得極為廣泛的應用。AT89C52采用Intel內核技術，結合ATMEL公司閃存技術制造，性能穩(wěn)定可靠，在程序不太復雜的情況下，無需擴展外部存儲器，因此，對于追求輕巧靈便的產品而言，則顯得尤為重要。這也是在課題中采用此產品，而沒有采用16位或準16位單片機的一個主要原因。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含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、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用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。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口。AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。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。RST（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義。 主要功能特性：1．8k可反復擦寫(1000次）Flash ROM 2．32個雙向I/O口3．2568bit內部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．軟件設置睡眠和喚醒功能 液晶顯示電路設計　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備中。以往的測試控制儀器大都采用LED 或筆段式液晶顯示屏進行參數(shù)設定和結果顯示 ,其顯示信息量少、形式單一、缺乏人機交互性 ,同時對操作人員要求較高。而液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、質量輕、超薄和可編程驅動等其它顯示器件無法比擬的優(yōu)點 ,不僅可以顯示數(shù)字、字符 ,還可以顯示各種圖形、曲線及漢字 ,并且可實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本特征顯示等功能 ,日益成為智能儀器儀表和測試設備的首選顯示器件。液晶顯示器按功能分為段位式LCD、字符式LCD和點陣式LCD，前兩者只能顯示有限字符，而點陣式LCD不僅能顯示字符，還可以顯示漢字及各種圖形，并且可實現(xiàn)屏幕的上下左右滾動顯示，反轉顯示以及顯示閃爍等功能，用途十分廣泛。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。MSCG19264型點陣式LCD如圖48所示?！? MSCG19264的圖形LCD為TRULY公司生產的19264單色模塊M19264，其接口為8位并行總線方式，顯示驅動控制電路由三片列驅動器KS0108B和一片行驅動器KS0107B組成，屬行列驅動及控制合一的驅動電路，只需外接振蕩電路即可工作。MSCG19264液晶模塊與微處理器的接口共有21個引腳：1．DB0~DB7：數(shù)據(jù)總線。2．CS1~CS3：芯片片選信號，低電平有效。CS1=0，選左片；CS2=0，選中片；CS3=0，選右片。3．RS：數(shù)據(jù)/指令選擇信號。RS=1，表示出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的是數(shù)據(jù)；RS=0，表示出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的是指令或讀出的狀態(tài)。4．R/W：讀/寫選擇信號。R/W=1，為讀選通；R/W=0，為寫選通。5．E：讀/寫使能信號。在E下降沿，數(shù)據(jù)被鎖存(寫入)；在E高電平期間，數(shù)據(jù)被讀出。6．RES：復位信號，低電平有效。復位信號有效時，關閉液晶顯示，使顯示開始行寄存器設置為0地址。RES可與MPU相連，由MPU控制；也可直接接VCC，使之不起作用。7．Vdd、Vss：邏輯電源。8．V0、Vee：LCD驅動電源。9．SLA、SLK：背光燈電源。圖 48 MSCG19264電路圖為防止單片機程序的跑飛或死機，電路硬件中加入了具有“看門狗”功能的芯片MAX813L，MAX813L是MAXIM公司推出的低成本微處理器監(jiān)控芯片，此芯片可監(jiān)控單片機的工作，在上電和掉電的