【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律。結(jié)果由本人承擔(dān)。本論文研究轉(zhuǎn)輪式流量傳感器的特性與標(biāo)定。依據(jù)上述優(yōu)缺點(diǎn)的分析，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、基于FPGA加ARM7的測(cè)量方案。檢測(cè)方案的具體實(shí)現(xiàn)，采用光隔離，并用FPGA采集數(shù)據(jù)，32位CPU處理數(shù)據(jù)。2）2020年12月下旬寫好開題報(bào)告；3）2020年3月設(shè)計(jì)發(fā)硬件電路；4）2020年4月完成畢業(yè)論文；5）2020年5月完成論文答辯。溫度自動(dòng)控制功能，也不具備異常超溫安全保護(hù)功能?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)使用的兩檔調(diào)溫電熱毯會(huì)出現(xiàn)由。引起床上起火燃燒的不安全事故。要避免這些事故，必須從電熱毯溫度控制方面進(jìn)行改造。聯(lián)系本組設(shè)計(jì)成員及畢業(yè)設(shè)計(jì)指。3）工作原理部分補(bǔ)充一個(gè)原理圖，介紹一下流量檢測(cè)原理；

　　

【正文】 于繼電器是感性負(fù)載，所以吸合或者斷開的瞬間的會(huì)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(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)。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(hào) OUT0 接 CPU 的一個(gè) IO 口。來(lái)控制輸出。輸出采用的是大功率晶體管 IRF540。 DO0 是一個(gè)吸收二極管， LED 用來(lái)指示輸出的狀態(tài)。 電阻 R1 CO_CS 和 Q7 等元件是防止上電時(shí)輸出抖動(dòng)。 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào) out_cs 和 outcs 都接到 FPGA 的 IO 腳上。 FPGA 通過(guò)檢測(cè) outcs 引腳的電平，只有當(dāng) outcs 的電平為高電平時(shí)，才控制 Q7 的導(dǎo)通給光耦供電 。由上剛上電 時(shí)電容 CO_CS 要充電，為低電平。輸出就不會(huì)導(dǎo)通，這樣很好的防止了上電輸出抖動(dòng)。 15 G N D 24 VDO0Y 0 0R O C 0T0N P NR O D 01 0KR O D 11 0KR O A 0R O B 0O U T 0UO0V C C _O U TD C 2 4VR 1 3R E S 2V C C 3. 3GNDo ut c sC O _ C SR 1 5V C C 3. 3V C C _O U TQ7o ut _ c sY0NC1A12A23GND4 S D A 5S C L 6WP 7V C C 8U7A T 24 C 0 4V C CR1 R2GNDF S C KF S D O 圖 7 輸出控制電路 存 儲(chǔ)與通信電路 存儲(chǔ)模塊 存儲(chǔ)模塊主要是儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)，在儀器儀表及工業(yè)自動(dòng)化控制中得到大量的應(yīng)用。 圖 8 EEPROM 存儲(chǔ)電路 通信模塊 通 信電路主要是 CPU 與 PC 機(jī)的通信。將數(shù)處發(fā)送到上位機(jī)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 16 R S 4 8 5 +R S 4 8 5 R X D 0R / T 0T X D 0V C C 3 . 3 R 1 71 0 KR 1 6 2 . 2 KT X D 0 T X D 0V C C 3 . 3V C CGNDRO1RE2DE3DI4 GND 5A 6B 7V C C 8U4 M A X 4 8 5R3R4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(qiáng)，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(jiǎn)單 ,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。 RO 和 DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)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(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) DE 為邏輯 1 時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)?MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可； A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端 ,當(dāng) A 引腳的電平高于 B 時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當(dāng) A 的電平低于 B 端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制 MAX485 的接收和發(fā)送即可。同時(shí)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(gè)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(hào)的光耦、和一些 IC 供電，如 24C04， MAX485 等等。 +主要是給 CPU、 FPGA 的 IO 等供電， + 則為 FPGA 內(nèi)核供電。 +5V 由 LM2575及外圍電路 產(chǎn)生， + 和 + 分別由 和 兩個(gè)電源芯片及外圍電 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(guó)國(guó)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(gè)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 。 17 C11 2 3 4 5L M 2 57 5C E 5 D2 L1 C E 16 D1 GNDV C CF1 C 1 1 C 1 2 G N D _2 4GNDD C 2 4+C 1 3 F2 POW5.0C9C 1 0C E 1 C2C4VO4VO2GND1VI3U _ P O W 3. 3GNDV C C 3. 3V C CC5 C6C E 13 C E 3 C3VO4VO2GND1VI3U _ P O W 1. 5GNDV C C 1. 5V C CC7 C8C E 15 C 1 5C A PC 1 4C A PR 4 0VCCC 1 7C A PC 1 6C A PC 1 8C A PC 1 9C A PC 2 0C A PC 2 1C 2 2LTH1117 是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在 輸出，負(fù)載電流為800mA 時(shí)為 。它與國(guó)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(gè)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(gè)至少 10uF 的 鉭電容 來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。 其特點(diǎn)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 18 3 軟件的設(shè)計(jì) 程序流程圖 FPGA 程序流程 對(duì) FPGA 程序流程圖做如下說(shuō)明： FPGA 主要完成的功能就是 負(fù)責(zé)計(jì)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(lái)及時(shí)讀取 RAM 中的數(shù)據(jù)。另一個(gè)功能就是掃描數(shù)碼管，它在 1ms 的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描各個(gè)數(shù)碼管。 FPGA 外部輸入時(shí)鐘為 ，經(jīng)過(guò)內(nèi)部精確的分頻得到 給 CPU 及各個(gè)模需要的時(shí)鐘。 FPGA 中有一個(gè)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(shí)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(shuō)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(jī)通信、數(shù)據(jù)處理、掃描按鍵、存儲(chǔ)一些數(shù)據(jù)到外部的 EEPROM。等等。由于 CPU 上電時(shí)所有的引腳都是處于高阻態(tài)的，所以開始1 ms 掃描數(shù)碼管是否開始測(cè)量開始測(cè)量 ， 并且定時(shí)一分鐘測(cè)量完畢 ， 將測(cè)量的結(jié)果放到 RAM 中產(chǎn)生中斷位 ， 通知 CP U測(cè)量是否結(jié)束是是否否 19 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(cè)量命令， 當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)鍵按下時(shí)，就給 FPGA 開始測(cè)量發(fā)送命令，當(dāng) FPGA 測(cè)量完了之后，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給 CPU， CPU 即讀出測(cè)量數(shù)據(jù)出來(lái)進(jìn)行運(yùn)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(yǔ)言，在 Actel 公司提供的軟件 Libero 上調(diào)試 通過(guò) 。 CPU軟件環(huán)境 開始系統(tǒng)初始化 ， 包括外接芯片及 C PU 所有 IO 的配置掃描按鍵 ， 是否開始測(cè)量 ?發(fā)開始測(cè)量命令給 FPGA ，并定時(shí)一分鐘是否測(cè)量完畢 ？讀 FPGA 內(nèi)部 R AM 數(shù)據(jù) ， 得到測(cè)量結(jié)果 ， 并進(jìn)處數(shù)據(jù)處理將處理后的結(jié)果送 FPGA 顯示緩存區(qū) ， 或者通過(guò) 485 接口送PC 處理 。 并且控制輸出動(dòng)作是是否否 20 CPU 采用的匯編語(yǔ)言與 C 語(yǔ)言編寫，匯編語(yǔ)言主要是完成 ARM 的啟動(dòng)代碼編寫， C 語(yǔ)言則是后面的功能實(shí)現(xiàn)。 在 Keil 公司提供的軟件 Keil ARM 上調(diào)試通 過(guò)。 21 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 4 實(shí)驗(yàn)與標(biāo)定 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)的裝置主要由一個(gè)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： 圖 13 實(shí)驗(yàn)裝置圖 實(shí)驗(yàn)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(shí) ， 測(cè)量 10 次。分別記錄下來(lái)。 (4) 再次調(diào)節(jié)水箱溫度。多次測(cè)量。 (5) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 22 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下 表 1 所示： 分別在水箱溫度為 30 度、 40 度、 50 度時(shí)所測(cè)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(gè)數(shù)。 表 1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 次數(shù) 溫度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 30 脈沖 52 61 60 54 56 62 60 52 58 55 質(zhì)量 40 脈沖 57 55 54 56 60 52 58 62 65 59 質(zhì)量 50 脈沖 54 58 60 65 63 58 56 52 57 55 質(zhì)量 誤差分析 經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)源出以下幾點(diǎn)： （ 1） 每次按鍵開始測(cè)量時(shí)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(diǎn)漏水，造成測(cè)量不精確。 （ 3） 由于水箱的注水端是來(lái)由自來(lái)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(diǎn)偏差。 23 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一種基于 轉(zhuǎn)輪式流量傳感器的標(biāo)定與試驗(yàn) 的方法，闡述了其基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，完成了在一定條件下對(duì)某一特定的傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。此外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得 ： 用 轉(zhuǎn)輪試流量傳感器測(cè)得的流量 與理論值吻合較好 。 （ 2）本方法測(cè)得的相對(duì)偏差 較其它測(cè)量 方法 偏差要小 , 提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度 , 無(wú)需修正 。 （ 3）把單純的一個(gè)流量 實(shí)驗(yàn)變成了一個(gè) 流量 、電的綜合實(shí)驗(yàn) ,改變了測(cè) 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(shì) 。 （ 5）用 流量傳感器流量 的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出 ,不僅測(cè)量準(zhǔn)確度高 ,也便于使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量方法 。 對(duì)于科研和教學(xué)具有重要意義。 （ 4） 雖然此方法測(cè)出的 流量誤差較小，但也有些不足。比如說(shuō)流量會(huì)隨著溫度的變化而變化。在 實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中流量的大 小也會(huì)隨著水箱里面水的重量變化而變化。 （ 5）由于 CPU 運(yùn)行的速度很快，所以很在測(cè)量啟動(dòng)和停止的瞬間精確的得出流體的重量。 這種傳感器可廣泛應(yīng)用于 熱電廠、石油、礦山、冶金、航空、機(jī)械等領(lǐng)域、通過(guò)不同的標(biāo)定也可用于 醫(yī)療器械等領(lǐng)域。