基于单片机总线型流量检测系统设计13

基于单片机总线型流量检测系统设计 摘要 随着现代的控制技术和智能化的发展迅速，控制技术广泛应用于工业生产 和日常生活。工业中和生活中对于流量的检测和控制要求越来越高，对于流量 可以是网络流量，气体流量，液体流量和粒子流量等，那么我们这里所研究的 是对于液体流量的检测和控制，它主要在化工，能源电力，冶金石油等方面应 用广泛。在这里我们设计了一种智能化的装置系统来对流量进行检测和控制， 首先，我们选择特定的流量传感器将流量信息转化成电信号，通过滤波和放大 信号再通过 A/D 转换器将连续的模拟电信号转化成离散的数字信号输送到单片 机中，89c51 单片机的主要将输入的信号进行和键盘输入的设定值进行比较输 出，这个输出包括 LED 数码显示和警报 关键词 流量传感器 A/D 转换器 89c51 单片机 LED 显示 警报 绪论 流量的定义是单位时间流过某一横截面积的量的大小。它区别于总流量， 总浏览量是在某一时间内流量的总和，和时间有关，而流量和时间没有关系 流量是现代工业测量中的一个相当重要的参数，同时据记载人类对流体的测量 具有悠久的历史。流量检测的发展可追随到古代的水利工程和城市的供水系统 中，古罗马时代已经采用孔板测量居民的用水量和饮水量， 20 世纪由于过程工业，能量计量，城市公用事业对流量测量的需求急剧增长， 促使仪表研发和更新换代迅速发展，特别是微电子技术和计算机技术的飞跃发 展极大地推动了仪表的发展趋势，新型的流量计如雨后春笋般的涌现出来，自 今已有上百种流量计投入市场我国近代流量测量技术发展的比晚，我国早期的 使用的流量仪器仪表均从国外进口中国的流量仪表制造业开始于上个世纪 30 年 代中期，主要从事于仪表的修配，到解放前后在上海，天津等地沿海地区开 始形成现代流量仪器仪表民族工商业，到改革开放前经历了仿制，统一设计到 自行研究开发的过程，目前已初具规模，基本上能满足中等水平流量仪器仪表 的市场需要，改革开放后又通过引进外国技术，与国际的先进技术企业合作， 生产的仪器仪表性能和水平有了很大的提高。近些年全球化进程日益加强国际 主流企业到中国发展建立生产基地，即增强了研发能力也增添了竞争因素，目 前，我国流量计产品已经覆盖所以的行业，能满足各行各业的生产需要，技术 革新较快，但在产品生产工艺上仍有较大的提升空间 流量传感器 80c51 单片机单片机 流 量 传 感 器 滤 波 放 大 器 A / D 转 换 器 LED 显示 器 键 盘 警报器 1 流量计的概念 流量计与国民经济，国防建设，科学研究有着紧密的联系，做好这一工作对保 证产品质量，提高产品生产效率，和科学技术研发都具有重要的作用。特别是 在工业生产自动化程度越来越高的今天，流量计在国民经济中的地位与作用更 加重要 流量计的应用十分广泛，如热工流量计量是应用在热工行业中的任何一个环节， 否则将无法正常生产和贸易交流。比如在化工行业中流量计不准确会造成化学 比例成分失调，不能保证产品质量，严重的情况下可能发生严重的安全事故， 在电力行业中，对液体，气体流量的检测和控制也占有很的地位，流量的测量 的准确性也将对发电厂机组运行有很大影响，同时能否实现对电压，频率的调 节起到较大的作用，在发电厂随着高温，高压，大容量的发电机组的发展，流 量的准确检测已成为发电厂安全运行，可靠发电的重要保证，以上这些对流量 的检测装置不仅要求要做到准确测量还要及时地发出警报信号 2 流量计的分类 流量计是测量流量的传感器的一种仪器仪表，是工业自动化实现的重要仪表之 一。近些年来科学技术突飞猛进，工业发展迅速。全球化进程日新月异在这种 情况下我们工业自动化技术更上一层楼，取得了大的突破。为适应各种用途的 工业测量，对于仪器仪表行业中各种流量计被研发登上工业自动化的舞台，目 前已在使用的流量计已超过 100 种。 一 按流量计的结构原理可分为 1 ）容积式流量计：容积式流量计相当于一个标准的容积的容器，它工作在 不断地对不断流动的介质进行度量。流量越大，单位时间内度量的次数就越多。 容积式流量计的原理比较简单，适用于测量高黏度，地雷诺数的流体 2）叶轮式流量计：也称涡轮式流量计，它的工作原理是将叶轮放在被测的 液体中，叶轮受到液体流动的冲击而旋转，以叶轮的旋转快慢来衡量液体流动 的大小，典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计，它们的结构有两种形式一 是机械传动输出式，二是电脉冲输出式 3)压差式流量计：也称变压降式流量计。它有两部分组成一次装置和二次装 置，一次装置称为流量测量元件，一般安装在被测量流体的管道中，产生与流 速成比例的压力差，供二次装置进行流量显示。二次装置称为显示仪表，它接 收一次装置测量的压差信号，通过转换将压差信号为流量大小进行输出和显示。 压差式流量计的一次测通常为动压测定装置或节流装置。二次装置是一系列电 子式，机械式，组合式差压计配一个流量显示仪表。 4）变面积式流量计：又称等压式流量计。原理是由于放在上大下小的锥形 瓶子中流道中的浮子受到自下而上流动的液体的冲击作用力而移动在一根由下 向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而 使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。 主要优点：(1)结构简单，使用方便；(2)适用于小管径和低流速；(3)压力 损失较低。缺点：耐压力低，有玻璃管易碎。 5）电磁流量计 电磁流量计由传感器及转换器及显示器等部分组成，电磁流量计根据法拉 第电磁感应定律制成的一般测量导电流体的流量仪表。电磁流量计具有其它流 量计不能比拟独特优势，特别适用如脏污流体及腐蚀流体的测量。电磁流量计 在 70-80 年代 由于电磁流量在技术上有重大突破，使它成为现代工业领域广泛 应用的流量监测仪表。 主要优点：(1)由于测量通道是段光滑直管，不会阻塞，特别适用于固体颗 粒的液固二相流体，如纸浆、污水、泥浆等；(2)无压损，节能效果好；(3)不受 流体的湿度、密度、粘度、压力和电导率变化影响；(4)流量范围大，口径范围 宽；(5)适用于腐蚀性流体的测量。 主要缺点：(1)不适用测量由释放的石油制品流体；(2)不适用气体、蒸汽及 含有较大气泡的液体；(3)不适用高温场合。 二 按测量原理分类 (1)力学原理：属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式；利 用动量定理的冲量式、可动管式；利用牛顿第二定律的直接质量式；利用流体 动量原理的靶式；利用角动量定理的涡轮式；利用流体振荡原理的旋涡式、涡 街式；利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等等。 (2)电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电 阻式等。 (3)声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式声学式(冲 击波式)等。 (4)热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、 间接量热式等。 (5)光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。 (6)原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是此类原理的仪表 3 流量计的选择 我们根据以上的各种流量计的工作原理，适用范围的分析。且流量计的种类较 多可适应不同用途和功能，在这里我们对比选择电磁流量计和涡轮流量计，电 磁流量计的工作原理根据法拉第电磁感应制作的，它主要应用于能导电的液体 流量的测量，对于测量一些化工废水和污水处理方面的测量完全够用，但对于 不导电的石油化工方面的应用流量就不再适应，为了使我们的这里流量检测装 置使用范围更广我们选择涡轮流量计作为流量测量的传感器 4 涡轮流量传感器 在上面我们讲到了一种流量传感器就是涡轮式的。它的原理就是法拉第电磁 感应，利用液体流量冲击涡轮的叶轮使其转动，和发电机原理一样在转动的过 程中感应电动势，对应着流速越大则叶轮转动的速度越快从而感应的电动势就 越大，所以电动势的大小和流量成正比，电动势能更好的反映出流量的大小。 涡轮传感器本身具有显示的功能的，它仅仅输出电压信号，具有显示功能我们 需要把它与单片机以及一些外围电路组合起来才能实现显示的警报和数据传送 的功能。在各种流量传感器中涡轮式的原理易懂毕竟我们对发电机这么熟悉， 而且 构造简单，基本构造如图所示组要部件为涡轮，感应线圈，永久磁铁 图表 1 涡轮传感器切面图 图表 2 涡轮流量传感器外观图 第二部分 滤波放大 A/D 对于有第一部分涡轮流量传感器输出的连续的模拟电压信号可能存在 谐波，而且由涡轮感应出来的电信号较弱，为防止传输过程的失真和信号损耗， 我们需要采取相应的措施来减少这种对测量的不利影响，我们一般需要加入一 个滤波器把由传感器输出的电信号进行滤波处理，然后经过放大器进行信号放 大，然后的到一个放大的连续的模拟信号，我们再把这个放大的模拟信号再进 行滤波出来。最后得到的是一个放大的，几乎无谐波的模拟连续的电信号 对于有涡轮流量传感器输出的电信号，在送入单片机进行分析处理之前， 我们需要进行一些相关的信号处理，通过前向通道进行处理。前向通道一般包 括检测电路，多路开关，放大器和 A/D 转换器几个主要的环节组成，如下图所 示 检测电 路 多路模 拟开关 放大器 A/D 转 换器 图 4 前向通道组成部分 检测电路：检查电路是模拟信号的处理过程电路，它在实际工作中有两方 面的功能，一是对来自传感器的电信号进行滤波处理，二是对来自传感器的非 电信号进行电信号转换成电信号，在这里我们采用的是涡轮流量传感器它输出 的本身就是电信号，所以在本设计中检测电路就是滤波电路 多路模拟开关：多路模拟开关的主要任务是对于来自传感器的信号不止一 个时，这样利用多模拟开关电路可实现分时选通各路信号，仅使用一个放大器 和一个 A/D 转换器就可以实现对多路信号进行处理的功能，这可以达到节省元 器件成本的目的，而且使得电路更简单。同时对于放大器环节的漂移问题多路 模拟开关可以进行调节，由于我们这个设计中只有一个信号，所以对于多模拟 开关没必要使用，所以在这了我们用不到这个 放大器：它的功能是将检测电路的信号进行放大，使放大后的信号幅度满 足 A/D 转换的要求。本设计中我们用到的涡轮流量传感器输出的电信号较弱必 须采用放大器进行信号放大，一是要满足 A/D 转换的要求，二是减小信号在传 输过程中的信号损失或严重的信号丢失等不利的影响 A/D 转换器：A/D 转换器的主要目的就是把模拟信号转化为数字信号，因 为单片机只能接受数字信号，任何的模拟信号都必须经过转化为数字信号才能 交于单片机处理，一般工业控制过程中参数一般变化较为缓慢，所以在电路图 硬件设计中不必在 A/D 转换器前加采样保持器 1 检测滤波电路 下图是来自传感器的测量电压信号两级 RC 滤波电路，这样可以得到更好 的滤波效果两个电阻取值为 1K 欧姆，两个滤波电容值去 2.2 微法，高频成分可 经过电容流入大地，更好地滤除高频信号 2 放大器 1 单端信号放大器 单端信号一般使用同相放大器，下图是由电阻 R1,R2,R3 和运算放大器 LM324 构成的同相放大器。且此放大器的放大增益由两个偏置电阻决定 2 双端信号放大器 双端信号放大器一般采用差动放大器，由四个电阻 R1,R2,R3,R4 和运算放 大器 LM324 构成差动放大器，则差动放大器的放大倍数是是由偏置电阻 R1,R2 决定的 33 A/D 转换器 A/D 转换器就是把连续的模拟信号转化为离散的数字信号输送到单片机中 进行数据分析和处理，A/D 转换器的选择考虑指标有三项：转换精度，转换速 度，对单片机接口资源的耗用，一般的选择原则是在满足所需要的技术指标的 前提下，尽量采用性价比高的产品类型。 一般影响 A/D 转换器精度的指标有分辨率，量化误差，线性误差三方面。 从目前市场上的个类产品上看量化误差和线性度两方面的指标已经相当高了， 那么转换精度的主要影响取决于分辨率，对于 8 位的 A/D 转换器它的转换精度 为 1/256；对于 10 位的 A/D 转换器它的转换精度为 1/1024；同理对于 12 位的 A/D 转换器转换精度为 1/4096；如果要求的 A/D 转换器转换精度达到 0.1%以上 时，那么选取的转换器的分辨率应当高于 10 位 转换速度的选取的依据是测量信号的变化率，根据香农采样定理，采用 周期至少是测量信号变化率变化周期的 1/2 以下，由于工业过程信号变化比较 缓慢，通常这个变化周期在秒的数量级上，也因为这个我们在工业过程参数检 测使用的 A/D 转换器不需要采样保持器，也不需要使用高速的 A/D 转换器，由 于这个双向积分式 A/D 转换器的转换速度一般在 10 次每秒，以这样的速度可 以满足大多数工业生产场合的要求，并且这个双向积分 A/D 转换器在转换过程 中，本身具有滤波效果，一般不需要进行软件滤波 美国 INTERSIL 公司生产的双积分，41/2 为 A/D 转换器 ILC7135 具有很 高的性价比，它目前是工业生产中应用最广泛的一种 A/D 转换器，因此在本设 计中我们也要使用这种转换器，由于这个 ICL7135 转换器对于我们是比较 陌 生的，因此有必要地了解一下，下面我们简要的介绍以下它的引脚功能，内部 结构，工作原理，外围电路以及与单片机的接口连接方式 图 7 ICL7135 芯片引脚 1）ILC7135 转换器的主要功能与技术指标 （1） 转换精度：1/19999. （2） 双极性转换，满量程输出数字为 19999。 （3） 具有自动稳零功能，当 0V 输入时，保证数码显示为 0 输出。 （4） 高输入阻抗，输入 1pA 漏流。 （5） 具有差分输入的功能。 （6） 具有零点极性自动检查的功能。 （7） 当发生过量程和欠量程的情况时能够自动指示，便于实现量程的自 动转换。 （8） 所有的电平输出均符合 TTL 电平标准。 （9） 具有并行与串行两种信号输出形式。 1 供电电源。要求+5V 与-5V 两组电源供电，+5V 接到引脚 11（V+）,-5V 接到引脚 1（V-） 。且两组电源共地，共地点接引脚 3（AGND） 2 参考电压。我们要知道 ILC7135 内部没有参考电压，必须要外部提供， 接的参考电压的正端接引脚 2，负极接引脚 3，而且参考电压一般为输入 满量程的 1/2 3 输入信号 Vin，要求差动输入，输入信号正端接引脚 10，负端接引脚 9。 输入信号可以双极性范围为-2V 到+2V.。 4 时钟信号。ICL7135 本身不能提供时钟控制，需要外部单独提供时钟电 路，时钟信号从引脚 22 接入，对于单极性模拟输入信号时钟频率取值范围可在 120KHz 到 1KHz.则对于双极性模拟输入信号时钟频率可适当降低些，为印制工 频频率电源的干扰，时钟频率最好选择以下几个数值；100KHz,125KHz,250 KHz 5 外围电路。ILC7135 需要配备相应的外围电路方可正常工作，如下图所示， 图中的外围电路电阻，电容，二极管三种器件组成的，积分电阻，积分电容和 自动稳零参考电容与 A/D 转换精度有密切关系，对这三种元件参数值的选择必 须认真对待，才能保证整个系统的指标正常，其中积分电阻的取值和电路最大 输出电压有关系，当电路的最大输出电压为 2V 时，积分电阻应该取值为 200K 欧姆。对于积分电容一般取值为 0.47 微法，同时要求积分电容的损耗小，一般 要采用聚丙烯电容，剧本丙烯电容。自动稳零参考电容数值的选择和系统噪声 有关 6 输入信号指示引脚，当输入的模拟信号大于 2 倍的参考电压。 ILC7135 与单片机接口连接的两种方式 1）ILC7135 并行输出电路 2）ILC7135 串行输出电路 第三部分 80C51 单片机 单片机对与我们来讲是相当熟悉而又陌生的，我们尽管及经学过单片机这们专 业课程。单片机是计算机技术和集成电路技术，集成电路制造业技术发展的产 物，其实，所谓的单片机就是把中央处理单元 CPU，数据存储器 RAM,程序存 储器 ROM，I/O 接口，定时器计数器，中断系统等集成在一块芯片上实现一台 计算机的基本功能，那么这样一个芯片就是具有微型计算机的属性，因而成为 单片机微型计算机简称单片机 1)微处理器 CPU 51 系列单片机是 8 为数的处理器，一次能同时处理字长为 8 位的二进制 数，微处理器是由三部分组成；运算器 ALU，控制器和专用寄存器 2）数据存储器 RAM 51 系列单片机，内存 128B 数据存储器，对于 52 系列单片机内含 256B 数据存储器，包含在单片机内部的数据存储器一般称为片内数据存储器或者称 为片内 REM。是单片机总要的硬件资源。对于 51 系列单片机中大多数的指令， 包括数据传输，逻辑运算，算术运算等指令中的处理数据，仅支持内部 RAM 数据，还一个就是单片机中的设置的堆栈只能建立在片内 RAM 之上，还有 32 个工作寄存器占用内部 RAM32B 在一般的应用场合单片机内片内 RAM 的资源 比较紧张，在编程的过程中我们要尽量不用或节省着使用， 3）程序存储器 ROM 8031 内部没有程序存储器，对于 8051 而言它的内部有 4KB 的掩膜型 程序存储器，而 8751 内部有 4KB 加强型 ROM 型程序存储器。这种型程序不 支持用户编程使用，对于用户来说相同当于没有，而且这种淹没型程序可通过 专用的编程器加固用户程序，对于固化的程序可通过紫外线扫描擦出该固化的 程序，这样能够满足单片机内的空间的定时清理和俺是更新存储器内容，在不 断的使用过程不断地修改和最后完善程序的过程的需要吗，早期的单片机应用 程序中没有 EPROM 程序存储器，而是通过在片外扩展 EPROM 程序存储器。 4）并行 I/O 接口 对于 51 单片机系列单片机本身带有 4 个 8 位 I/O 接口 P0,P1,P2,P3。但由于 8031，8051 内部没有可共用户使用的程序存储器，在程序运行过程中，必须占 用 P0,P2 两接口作为地址总线和数据总线使用，因此 8031，8051，这两种芯片 只有 2 个 8 位的并行 I/O 接口。而片内的程序存储器的单片机有 4 个 I/O 接口 5）定时器和计数器 对于像 8031，8051，8751 这样的 51 系列单片机片内具有 2 个 16 为定时器和计 数器，而对于 52 系列单片机片内具有 3 个 16 位定时器和计数器 6）通用异步串行接口 单片机有一个通用的异步串行接口，支持双工通信方式，有 4 种工作方 式可用于接口扩展和串行通信，可以支持 8 位和 9 位通信，还支持多机通信方 式 7）中断源 51 系列单片机有 5 个中断源，2 级中断优先。 52 系列有 6 个中断源，二级中断优先 8）特殊功能寄存器 51 系列的单片机具有 21 个殊功能寄存器；52 系列单片机有 27 个特殊功能寄 存器，这些特殊功能的寄存器一般用于对单片机片内的各功能模块进行监视， 管理和控制 单片机引脚功能 P0.0P0.7 为 P0 口的 8 位双向口线 P1.0P1.7 为 P1 口的 8 位双向口线 P2.0P2.7 为 P2 口的 8 位双向口线 P3.0P3.7 为 P3 口的 8 位双向口线 ALE:地址锁存器控制信号输入端口，通常在系统扩展时，它用于控制把 P0 端口输出的低八位地址信号锁存起来，