【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓傳感元件，并且它比組合柱體的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)烈、排列規(guī)則，更便于檢測(cè)，故本系統(tǒng)的漩渦發(fā)生體采用梯形柱體。 應(yīng)用中的問題由于溫度和壓力的變化會(huì)對(duì)流體的密度產(chǎn)生影響，所以在測(cè)量的時(shí)候必須對(duì)密度的實(shí)際值進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償采用以下公式: (3—5)式中， 實(shí)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(bǔ)償后的實(shí)際密度代入公式計(jì)算流體的流量（表附在附錄D）。本章介紹了渦街流量計(jì)，用圖解和公式推導(dǎo)的方法詳細(xì)分析了渦街流量計(jì)的工作原理和基本特性，并詳細(xì)闡明了渦街流量計(jì)如何與漩渦發(fā)生體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力頻率的精確檢測(cè)，對(duì)在實(shí)踐中遇到的影響檢測(cè)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(jì)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路總體設(shè)計(jì)微處理器是智能化儀表的核心，如同人的大腦一樣。在本測(cè)量系統(tǒng)中，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，使系統(tǒng)增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理、自診斷、顯示與報(bào)警等功能。單片機(jī)的加入，可以用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)某些功能，使儀表結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)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(shè)計(jì)是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的重要步驟。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的要求：1．明確系統(tǒng)測(cè)試、控制要求，盡量做到模塊化編程；2．利用單片機(jī)指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，尋址方式多的優(yōu)點(diǎn)，盡量編制出層次清楚，運(yùn)行速度快，占內(nèi)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(kuò)展與配置應(yīng)滿足測(cè)控功能需要并留有余地，以方便系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試和二次開發(fā)；6．硬件盡可能簡(jiǎn)單，能用軟件完成的功能盡量用軟件完成；7．軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)?shù)亓粲杏嗟?。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件主要包括單片機(jī)、傳感器、傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器、A/D轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)圖 傳感器部分電路 傳感器利用伴隨漩渦分離的物理效應(yīng)，可以采用熱敏、力敏元件或通過光、聲調(diào)制方法等來檢測(cè)漩渦分離頻率。至今用于檢測(cè)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(cè)方法漩渦分離產(chǎn)生的交變環(huán)流所引起的整體表面速度脈動(dòng)或者交變橫向流的頻率，用加熱的金屬絲、熱敏電阻器等進(jìn)行檢測(cè)。2．力敏元件檢測(cè)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(jī)械振動(dòng)，用差動(dòng)電容、電阻應(yīng)變片、壓電晶體、壓電陶瓷等檢測(cè)。3．電磁傳感器檢測(cè)方法漩渦的分離所引起的膜片或者梭球等的往復(fù)振動(dòng)的頻率，用電磁傳感器檢測(cè)。4．聲、光信號(hào)調(diào)制檢測(cè)方法利用聲束光束通過渦街時(shí)受到漩渦的調(diào)制，由接收聲強(qiáng)光強(qiáng)或相位的脈動(dòng)頻率得到漩渦分離頻率。由于渦街流量計(jì)是利用流體自身的規(guī)則振蕩來計(jì)量流量的，因而對(duì)流體的速度分布及流動(dòng)噪聲，比較敏感，因此在應(yīng)用過程中對(duì)管道安裝狀況要求較高。對(duì)上游不同形式的阻力件必須配置足夠長(zhǎng)的滿足不同要求的直管段，以保證儀表的測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，但是測(cè)量結(jié)果只能就地讀取，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。彈性元件傳感器一般在測(cè)量較大壓力的場(chǎng)合使用。壓變電阻式傳感器的靈敏度高、測(cè)量范圍廣、頻率響應(yīng)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。而壓電晶體傳感器采用半導(dǎo)體硅阻效應(yīng)原理，在單晶硅片上運(yùn)用獨(dú)有的激光刻蝕修正技術(shù)來制作固態(tài)電阻電橋，硅晶體受力后發(fā)生相應(yīng)的微變形，在應(yīng)力消失后恢復(fù)到原來的形狀，是一種良好的接收應(yīng)力的材料，其性能遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)，尤其是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻帶寬、動(dòng)態(tài)誤差小，使它在振動(dòng)等測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。因此，研究的渦街流量計(jì)系統(tǒng)使用壓電式壓力傳感器來測(cè)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(gè)流體測(cè)量膜，被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)高粘度液體，而具有內(nèi)部測(cè)量腔的普通傳感器做不到這一點(diǎn)。 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(jí)：%大于50 bar；% 小于或等于5bar3．完全不銹鋼結(jié)構(gòu)4．內(nèi)部產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)5．保護(hù)等級(jí)：IP65 傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器MAX1450傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器用于處理壓力傳感器送來的信號(hào)。它包括一個(gè)用于傳感器激勵(lì)的可調(diào)節(jié)的電流源和一個(gè)三字節(jié)的可編程放大器(PGA)。通過外部的可調(diào)節(jié)電阻器、電位器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)，MAX1450可以對(duì)傳感器的非線性輸出進(jìn)行補(bǔ)償。MAX1450能夠?qū)鞲衅餍盘?hào)進(jìn)行補(bǔ)償，這使得它在低功耗和中等精度的應(yīng)用中最理想。MAX1450主要特點(diǎn)：1．可對(duì)1%的傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)；2．使用儲(chǔ)存在外部可調(diào)節(jié)的電阻器、電位計(jì)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)的系數(shù)來更正傳感器的非線性；3．用于傳感器激勵(lì)的可編程電流源；4．快速信道設(shè)置時(shí)間；5．可接受10mV/V到30mV/V的傳感器信號(hào)輸出；6．完全的模擬信道；MAX1450的引腳圖，與單片機(jī)的連接圖分別見圖43，44。圖 43 MAX1450引腳圖圖44 MAX1450與單片機(jī)連接圖MAX1450的各個(gè)引腳功能如下：表41 MAX1450引腳功能管腳號(hào)代號(hào)功能1INP正傳感器輸入116IC內(nèi)部連接，斷開連接4SOTC偏移量TC輸入符號(hào)位5SOFF偏移量輸入符號(hào)位6A1PGA獲得設(shè)置輸入7A0PGA獲得設(shè)置LSB輸入8OFFOC偏移量TC調(diào)節(jié)9OFFSET偏移量調(diào)節(jié)輸入10BBUF緩沖橋式電壓輸出11FSOTRIM電橋驅(qū)動(dòng)電源設(shè)置輸入13A2PGA獲得設(shè)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(lì)電源輸出19負(fù)供電電壓輸出20INM負(fù)傳感器信號(hào)輸入 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)為了進(jìn)行數(shù)字量和控制系統(tǒng)的處理，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，將從濾波器傳來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。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。所謂間接A/D轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時(shí)間轉(zhuǎn)換型(積分型)，電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，且能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢；直接A/D轉(zhuǎn)換器是把模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)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?cè)诰C合考慮各種A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)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(gè)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(zhuǎn)換芯片，內(nèi)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(nèi)部參考，懸空時(shí)禁止內(nèi)部參考；4．參考電壓：，使用外部參考時(shí)，~VDD的基準(zhǔn)電壓；5．地；6．?dāng)?shù)據(jù)輸出；7．片選端；8．時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)，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(jìn)入休眠模式，這時(shí)的電流消耗降到10pA以下。SHDN置為高電平或懸空進(jìn)入正常操作模式。使用內(nèi)參考時(shí)，在電源開啟后，可進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)換操作。A/D轉(zhuǎn)換的工作過程是：當(dāng)CS為低電平時(shí)，在下降沿MAX187的T/H電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并開始轉(zhuǎn)換。這時(shí)可在SCLK端輸入一串脈沖將結(jié)果從DOUT端移出，讀入單片機(jī)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(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，檢測(cè)到DOUT有效()，才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數(shù)據(jù)，SCLK至少為13個(gè)。發(fā)完脈沖后應(yīng)將CS置為高電平。用單片機(jī)AT89C52的P1口來控制MAX187的轉(zhuǎn)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(jī)分開供電。輸入模擬信號(hào)的電壓范圍為0~，如模擬輸入電壓不在這個(gè)范圍要外加電路進(jìn)行電壓范圍的變換。圖46 MAX187與單片機(jī)連接圖目前在市場(chǎng)常見的有PHILIPS，SIEMENS，INTEL，ATMEL等公司生產(chǎn)的100多種型號(hào)的80C51系列單片機(jī)。這類單片機(jī)具有集成度高，性能價(jià)格比優(yōu)越的特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域內(nèi)獲得極為廣泛的應(yīng)用。AT89C52采用Intel內(nèi)核技術(shù)，結(jié)合ATMEL公司閃存技術(shù)制造，性能穩(wěn)定可靠，在程序不太復(fù)雜的情況下，無需擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，因此，對(duì)于追求輕巧靈便的產(chǎn)品而言，則顯得尤為重要。這也是在課題中采用此產(chǎn)品，而沒有采用16位或準(zhǔn)16位單片機(jī)的一個(gè)主要原因。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可以滿足許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口。AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)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(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)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(fù)擦寫(1000次）Flash ROM 2．32個(gè)雙向I/O口3．2568bit內(nèi)部RAM 4．3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 5．時(shí)鐘頻率024MHz 6．2個(gè)串行中斷 7．可編程UART串行通道 8．2個(gè)外部中斷源 9．共6個(gè)中斷源 10．2個(gè)讀寫中斷口線 11．3級(jí)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(jì)　液晶作為一種顯示器件,以其特有的優(yōu)勢(shì)正廣泛應(yīng)用于測(cè)試儀器設(shè)備中。以往的測(cè)試控制儀器大都采用LED 或筆段式液晶顯示屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和結(jié)果顯示 ,其顯示信息量少、形式單一、缺乏人機(jī)交互性 ,同時(shí)對(duì)操作人員要求較高。而液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等其它顯示器件無法比擬的優(yōu)點(diǎn) ,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(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫、閃爍、文本特征顯示等功能 ,日益成為智能儀器儀表和測(cè)試設(shè)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(diǎn)陣式LCD，前兩者只能顯示有限字符，而點(diǎn)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(shí)現(xiàn)屏幕的上下左右滾動(dòng)顯示，反轉(zhuǎn)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(diǎn)陣式LCD，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。MSCG19264型點(diǎn)陣式LCD如圖48所示?！? MSCG19264的圖形LCD為TRULY公司生產(chǎn)的19264單色模塊M19264，其接口為8位并行總線方式，顯示驅(qū)動(dòng)控制電路由三片列驅(qū)動(dòng)器KS0108B和一片行驅(qū)動(dòng)器KS0107B組成，屬行列驅(qū)動(dòng)及控制合一的驅(qū)動(dòng)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(gè)引腳：1．DB0~DB7：數(shù)據(jù)總線。2．CS1~CS3：芯片片選信號(hào)，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(hào)。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(hào)。R/W=1，為讀選通；R/W=0，為寫選通。5．E：讀/寫使能信號(hào)。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(fù)位信號(hào)，低電平有效。復(fù)位信號(hào)有效時(shí)，關(guān)閉液晶顯示，使顯示開始行寄存器設(shè)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(qū)動(dòng)電源。9．SLA、SLK：背光燈電源。圖 48 MSCG19264電路圖為防止單片機(jī)程序的跑飛或死機(jī)，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(jī)的工作，在上電和掉電的