基于单片机的流量计的设计

基于单片机的流量计的设计内容摘要：

变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大 器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。 涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有 kQ = f ，其中： Q 是流经变送器的流量（ L/s）； f 是电脉冲频率； k 是仪表系数，次 /升 ]。 管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。 在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。 根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉 动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比， k 是涡轮变送器的重要特性参数，它 是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪表有不同的 k。 涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。 图 1 涡轮流量计变送器结构 1紧固件； 2壳体； 3前导向件； 4止推片； 5叶轮； 6电磁感应式信号检出器； 7轴承； 8后导向件 涡轮流量计的特点 在各种流量计中涡轮流量计、容积式流 量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。 二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低的特点。 涡轮流量计还具有测量准确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。 像这样的技术参数其他流量计则是难以达到的。 因此涡轮流量计在工业上应用最广泛，发展最迅速。 除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，由于其兼有测量准确度高和重复性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。 涡轮流量计虽有很多优点，但 由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体 的洁净度要求高。 流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。 而且由于有转动部件，会带来轴承的磨损，使仪表的使用年限受到影响。 因此，必须注意根据被测流体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。 应该指出，随着新材料、新工艺的发展，仪表转动部分的耐磨性、变送器的维修性能和寿命正在不断提高；随着对涡轮流量计粘度修正问题研究的不断深入以及测量线路的完善和微的应用，涡轮流量计可以方便和准确得进行各种参数的修正，显示仪表的性能也将更臻完善目 前生产的双涡轮流量计，由于变送器内串联两个涡轮，可以互相校核，从而提高了仪表使用的可靠性，受到好评。 可以语言，随着涡轮流量计结构和性能的不断完善，它将在各个领域中越来越广泛的得到应用，在流量测量和标准传递中发挥更大作用。 除此之外，考虑到价格因素：用于检测气体流量的孔板或 涡街流量计 的价格一般在 4000010000元，所以选用涡轮流量计作为检测元件是性价比比较适合的。 第三章 系统工作原理 总体设计（系统结构，主要是硬件结构，主要组成部件） 通过 AD 转换器，作为单片机与外部输入的接口，将外部的模拟量输入单片机。 单片机在系统软件的控制作用下，对输入的数据进行分析，向外部输出控制信号，实现 LED 显示。 LED 数码管显示动态的流量。 系统软件主要包括主程序，显示程序和供主程序调用的各个小的子程序。 主程序实现系统的总体功能，子程序实现相应的具体功能。 工作原理 被测流体流经涡轮流量传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，周期性的改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性的发生变化而产生电脉冲信号。 在一定的流量范围下，叶轮转速与流 体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。 该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流量和总量的显示或积算。 在测量范围内，传感器输出的脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值称为仪表常数，以 K (次， L)表示。 每台传感器都经过实际标定测得仪表常数值。 当测出脉冲信号的频率 f’除以仪表常数 K便可求得瞬进流量 q(L／ s)。 即 q=f/K。 流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号， AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。 单片机将信号以数字形式在 LED数码管上显示。 图 21 原理图 第二章 硬件设计 根据对系统机构的分析，针对流量监测中存在的（什么问题），我进行改进设计。 检测电路 硬件电路的总体设计 系统的总体设计思想是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD 转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。 单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的数字型号。 数字先好通过 LED 数码管显示，从而实现对气体流量的检测。 片子的简介 AT89C51 单片机及引脚介绍 AT89C51 属于 MCS51 系列单片机。 在 MCS51系列中，各类单片机是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。 在器件引脚的封装上， MCS51 系列机通常有两种封装：一种是双列直插式封装，常为 HMOS 型器件所用；另一种是方形封装，大多数在 CHMOS型器件中使用。 其中，引脚 1和引脚 2（方形封装为引脚 2和引脚 3）的第二功能仅用于 8052/8032， NC 为空引脚。 如下图所示。 AT89C51 有 40 条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。 1．端口线（ 4 8=32 条） 传感器 AT89C51 显示驱动 LED 显示 ADC0809 8051 共有四个并行 I/O 端口，每个端口都有八条端口线，用于传送数据 /地 址。 由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别颇大。 现对它们综述如下： ① — ：这组引脚共有八条，为 P0口所专用，其中 ， 位。 这八条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况之下。 第一种情况是 AT89C51 不带片外存储器， P0口可以作为通用 I/O 口使用， — CPU的输入 /输出数据。 这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。 第二种情况是 AT89C51 带片外存储器，— CPU 访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低 8 位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。 图 AT89C51引脚图 其中， 8751 的 P0口还有第三种功能，即它们可以用来得 8751 片内 EPROM 编程或进行编程后的读出校验。 这时， — EPROM 的编程机器码或读出校验码。 ② — ：这八条引脚和 P0口的八条引脚类似， ，。 当 P1口作为通用 I/O 使用时， — 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于传送用户的输入输出数据。 8751 的 P1口还有第二功能，既它在 8751 编程 /校验时用于输入片内 EPROM 的低 8 位地址。 ③ — ：这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用 I/O 使用。 它的第二功能和 P0 口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高 8 位地址，共同选 中片外存储器单元，但并不能像 P0 口那样还可以传送存储器的读写数据。 8751 的 — ，即它可以配合 — EPROM12位地址中的高八位地址。 ④ — ：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。 第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同，如表 1 所示。 P3 口的位 第二功能 注释 RXD TXD T0 T1 串行数据接收口 串行数据发送口 外中断 0 输入 外中断 1 输入 计数器 0 计数输入 计数器 1 计数输入 外部 RAM 写 选通信号 外部 RAM 读选通信号 表 1 P3口各位的第二功能 2．电源线（ 2 条） VCC 为 +5V 电源线， VSS 为接地线。 3．控制线（ 6 条） ① ALE/ ：地址锁存允许 /编程线，配合 P0 口引脚的第二功能使用。 在访问片外存储器时， 8051CPU 在 — 低 8 位地址的同时还在ALE/ 线上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低 8 位地址锁存到外部专用地址锁存器。 以便空出 —。 在不访问片外存储器时， 8051 自动在 ALE/ 线上输出频率为 fOSC/6 的脉冲序列。 该脉冲序列可用作外部时钟电源或作为定时脉冲源使用。 对于 8751， ALE/ 线还具有第二功能。 它可 以在对 8751 片内 EPROM 编程 /校验时传送 52ms 宽的负脉冲。 ② /VPP：允许访问片外存储器 /编程电源线，可以控制 8051 使用片内 ROM 还是使用片外 ROM。 若 =1，则允许使用片内 ROM；若 =0，则允许使用片外 ROM。 对 8751， /VPP用于在片内 EPROM 编程 /校验时输入 21V 编程电源。 ③ ：片外 ROM 选通线，在执行访问片外 ROM 的指令 MOVC 时， 8051 自动在线上产生一个负脉冲，用于为片外 ROM 芯片的选通。 其他情况下， 线均为高电平封锁状态。 ④ RST/VPD：复位 /备用电源线，可以时 8051 处于复位（即初始化）工作状态。 通常， 8051 的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种。 RST/VPD的第二功能是作为备用电源输入端。 当主电源 VCC发生故障而降低到规定低电平时， RST/VPD线上的备用电源自动投入使用，以保证片内 RAM 中信息不丢失。 在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展 I/O 接口电路等也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。 ⑤ XTAL1和 XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容， 即用来连接 8051 片内 OSC 的定时反馈回路。 石英晶振起振后要能在 XTAL2线上输出一个 3V左右的正弦波，以便使 MCS51片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡。 通常， fOSC 的输出时钟频率 fOSC 为— 16MHz，典型值为 12MHz 或。 电容 C01和 C02可以帮助起振，典型值为 30pf，调节它们可以达到微调 fOSC的目的。 MCS51 所需的时钟也可以由外部振荡器提供。 外部时钟源应是方波发生器，频率应根据所用 MCS51中的具体机型确定。 A/D 转换元件 ADC 有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能控制端，可和微机直接接口。 ADC0809 是一种 8位逐次逼近式 A/D 转换器，可以和微机直接接口。 ADC0809 的姐妹芯片是 ADC0808，可以相互代换。 （ 1）分辨率： 8位。 （ 2）总的不可调误差： ADC0808 为177。 21 LSB,ADC 0809 为177。 1LSB。 （ 3）转换时间： 取决于芯片时钟频率，如 CLK=500kHz 时， TCONV=128μ s。 （ 4）单一电源： +5V。 （ 5）模拟输入电压范围： 单极性 0～ 5V；双 极性177。 5V,177。 10V(需外加一定电路 )。 （ 6）具有可控三态输出缓存器。 （ 7）启动转换控制为脉冲式 (正脉冲 )，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使 A/D 转换开始。 （ 8）使用时不需进行零点和满刻度调节。 2．内部结构 ADC0809 由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 256 电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器 SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。 图 ADC0809内部结构 （ 1）八路模拟开关及地址锁存与译码器 八路模拟开关用于输入 IN0— IN7上八路模拟电压。 地址锁存和译码器在 ALE 信号控制下可以锁存 ADDA、 ADDB 和 ADDC 上地址信息，经译码后控制 IN0— IN7上哪一路模拟电压送入比较器。 例如：当 ADDA、 ADDB 和 ADDC 上均为低电平 0 以及 ALE 为高电平时，地址锁存和译码器输出使 IN0 上模拟电压送到比较器输入端 VIN。 （ 2） 256 电阻阶梯和树状开关 为了简化问题起见，现以二位电阻阶梯和树状开关为例加以说明。 其中，四个分压电阻使 A、 B、 C和 D四点分压成 、 、 和 0V。 SAR 中高位 D1控制左边两只树状电子开关，低位 D0控制右边四只树状开关。 各开关旁的 0 和 1 表示树 状开。