数字式涡轮流量计的设计.doc

目 录0 绪论21总体设计方案21.1 设计方案21.2 测量原理22 硬件系统设计42.1 单片机最小系统42.2 显示模块设计52.3 报警电路设计62.4 键盘电路设计63 软件系统设计73.1 主程序流程图73.2 键盘扫描子程序设计83.3 报警子程序设计93.4 显示子程序设计104 调试与分析11参考文献11课设总结12附录1 电路原理图13附录2程序清单14沈阳航空航天大学北方科技学院课程设计论文 数字式涡轮流量计的设计数字式涡轮流量计的设计吴佳鑫 沈阳航空航天大学北方科技学院摘 要涡街流量计是60年代末发展起来的一种流量计仪表，它利用流体振动原理来进行流量测量。涡街流量计在工业使用过程中，因其介质适应性强，无可动部件，结构简单、可靠性高、压力损失小、使用寿命长等诸多优点，在许多行业得到了广泛的应用，具有良好的发展形势。但现有的涡街流量计还存在抗干扰性能差、流量计量下限高等不足。此外对功耗要求也较高。鉴于不足之处，本课题组设计了基于数字信号处理的涡街流量计。采用了AT89C52芯片作为系统核心，使用较少外围芯片实现系统低功耗；前置放大电路对传感器输出的电荷信号进行放大，再对放大的信号进行滤波滤掉干扰信号，使涡街信号更适合被DSP处理。用Protues软件。此外增加了按键、LCD显示、等人机接口模块。使得涡街流量计的性能更加完善。 关键词：涡街流量计，单片机，LCD，Protues。0 绪论20世纪以来，由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量计测量质量的要求急剧增长，使得传统的孔板流量计已不能满足发展的要求。与此同时，涡街流量计就应运而生。涡街流量计能在比较短的时间内得到迅速发展并在生产过程中被广泛的应用，正由于其具有诸多显著的优点。同时，应该注意到涡街流量计仍然有许多亟待解决的问题。 一方面涡街流量计本质上是流体振动型流量计，因此它对外界振动、流体的振动特别敏感，如管道的震动、管道流体的冲击力以及流体压力变化的随机脉动压力等，现场的干扰对流量测量产生很大的影响。在进行流量测量中，流场的稳定性、均匀性以及管道及其它部件的振动和抖动，都会产生各种干扰。在传感器的内部装有压电感应器，他不仅可以感受到的涡街力，同时也会感受到传感器受到的其它的力，如管道所传递的振动力。这些外界振动力和涡街力混合在一起，对涡街信号形成噪声振动干扰，使得流量测量精度下降因此抗扰是个不容忽视的问题。 另一方面因为小流量所产生的横向升力较小，原始信号非常弱，易受各种噪声的影响。当噪声较强时，涡街信号将完全被噪声淹没，造成小流量不能测量1总体设计方案1.1 设计方案此次设计的涡街流量计系统主要实现数据采集，数据传输，数据处理，设置限定值结果显示以及报警等功能。整体系统分为四大部分：信号输入调理模块，数字信号处理模块，显示模块以及超标报警模块。 系统的基本工作过程为：涡街流量计中的压电晶体，在漩涡产生的变压力作用下，产生交变的电荷信号，此电荷信号经过前置放大电路处理，成为适合DSP芯片处理的信号，在AT89C52单片机对信号进行处理，得到信号的主频率，进而在LCD上显示，达到超标值时报警。1.2 测量原理涡轮流量计的原理示意图如图1-1所示在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。图1-1 涡轮流量计原理示意图涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值.涡轮流量计总体原理框用见图1-2所示图1-2 涡轮流量计总图原理框图前置放大器由磁电感应转换器与放大整形电路两部分组成，磁电转换器国内一般采用磁阻式，它由永久磁钢及外部缠绕的感应线圈组成当流体通过使讽轮旋转的，叶片在永久磁钢正下方时磁阻最小，两叶片空隙在磁钢下方时磁阻最大，涡轮旅转，不断地改变磁路的磁通量，使线圈中产生变化的感应电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号。输出脉冲的频率与通过流量计的流量成正比，其比例系数为K.式中f涡轮流量计输出脉冲频率；qv通过流量计的流量该比例系数亦称为涡轮流量计的仪表系数。2 硬件系统设计2.1 单片机最小系统在众多的单片机系列中，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，一个响亮2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。故此选用AT89C52单片机。如图3-1所示，为AT89C52的硬件结构图。AT89C52单片机的内部结构与MCS-51系列单片机的构成基本相同。CPU是由运算器和控制器所构成的。运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。控制器是单片机的指挥控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。它的程序存储器为8K字节可重擦写Flash闪速存储器，闪烁存储器允许在线+5V电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。数据存储器比51系列的单片机相比大了许多为256字节RAM。AT89C52单片机的指令系统和引脚功能与MCS-51的完全兼容。具体最小系统如图2-1所示：图2-1 单片机最小系统电路2.2 显示模块设计本次课设是运用LCD液晶显示屏进行显示。LCD液晶显示器是（Liquid Crystal Display）的简称,LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体,两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线,透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向,将光线折射出来产生画面。如图2-2所示 图2-2 显示电路2.3 报警电路设计根据设计设计指标和要求，要实现其指标，那么在设计的电路中应该包含为指示灯闪光提供电能的振荡电路部分、为扬声器发声提供电能的音频振荡电路部分、实现闪光与发声同步的控制部分、音频振荡电路与扬声器之间的功率放大部分。然后根据逻辑关系把各个部分连接起来，这样就从大体上设计出了声光报警电路。声光报警电路的功能框架图如图2-3所示图2-3 报警电路图2.4 键盘电路设计单片机组成的小系统中，有的需要人机交互功能，按键是最常见的输入方式。键盘电路一般由键盘接口电路、按键（由控制系统运行状态的功能键和向系统输入数据的数字键组合）以及键盘扫描程序等部分组成其工作原理是：按下键帽时，按键内的复位弹簧被压缩，动片触点与静片触点相连，按键两个引脚连通，接触电阻大小与按键触点面积及材料有关，一般在数十欧姆以下；松手后，复位弹簧将动片弹开，使动片触点与静片触点脱离接触，两引脚返回断开状态。可见基本工作原理就是利用动片触点和静片触点的接触和断开来实现键盘或按钮两引脚的通、断。如图2-4所示图2-5 键盘电路图3 软件系统设计3.1 主程序流程图根据设计方案，应用计算机Protuse软件进行了模拟仿真，本课题的软件设计采用了模块化设计的思想，总体分为控制模块，输入模块，显示模块，报警模块。程序通过主程序调用子程序来完成各种功能。主程序流程如图3-1所示图3-1 主程序流程图3.2 键盘扫描子程序设计键盘电路一般由键盘接口电路、按键（由控制系统运行状态的功能键和向系统输入数据的数字键组合）以及键盘扫描程序等部分组成。流程图如图3-2所示图3-2 键盘扫描流程图3.3 报警子程序设计报警子程序流程图见图3-3 图3-3 报警子程序流程图3.4 显示子程序设计LCD液晶显示由LM016L芯片来完成，主要分为启动、读取数据、显示数据等几个步骤。流程图如图3-4图3-4 显示子程序流程图4 调试与分析涡轮流量计是流量测量领域应用比较广泛的流量计，具有测量精度高，重复性好，体积小，重量轻，维修方便，加工零部件少及其数字脉冲输出等优点。同时，涡轮流量计的输出信号为脉冲频率，因此适用于总量和瞬时流量的计量与控制，而且易于远距离传输，信号的抗干扰能力也较强。由于时间紧迫，虽然完成了，但是仍然有许多不足之处，具体如下：系统软硬件的各个部分尚需进一步完善调试。涡轮流量计 难以长期保持校准特性，需要定期校验参数；流体的密度粘度等物理性质对仪表的特性也有较大的影响，来流的速度分布和旋转来流对流量计的特性也有较大的影响。总之，本流量计系统对于加强企业管理，降低生产成本，提高企业的竞争力等方面具有十分重要的意义。参考文献1何立民.单片机应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，1990.。2李群芳，肖看.单片机原理、接口及应用：嵌入式系统技术基础M.北京：清华大学出版社，2005。 3.袁希光 传感器技术手册 1986 4.余席桂，赵燕 测试技术 19965.黄长艺, 严普强机械工程测试技术基础 机械工业出版社, 19956.刘金环, 任玉田机械工程测试技术 北京理工大学出版社, 19997.李朝青，单片机原理及其接口技术 北京航空航天大学出版社,20028.马忠梅，单片机的C语言应用程序设计 北京航空航天大学出版社，20069.严天峰，单片机应用系统设计与仿真调试 北京航空航天大学出版社，200110.刘建清，从零开始学单片机技术 国防工业出版社，2006课设总结课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养 了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的。 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关过程控制系统、单片机、仪器仪表等方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 2015年1月16日完成附录1 电路原理图附录2程序清单#include#include#defineucharunsignedchar/uchar的范围是0255sbitADC_CS=P10;/AD片选段sbitADC_CLK=P11;/AD时钟控制引脚定义sbitADC_DO=P12;/AD输出脚sbitADC_DI=P13;/AD输入脚unsignedchardispbuf16=lowup;/unsignedcharwarn16=;/12sbitBEEP=P27;sbitK1=P30;sbitK2=P31;sbitK3=P32;sbitK4=P33; /四个按键定义charlow=10;/下限报警值charup=100;/定义报警值，上限报警值bitflag=0;/定时1s标志位ucharcount=0;/计数externvoidDisplay_String(uchar*str,uchara);/lcd1602显示程序，源文件在1602.c文件里externvoidLCD_Init();/lcd1602初始化程序，源程序在1602.c文件中voidDelayMS(unsignedinti)/延时unsignedintj;for(;i0;i-)for(j=0;j0;i-)for(j=0;j110;j+);unsignedcharReadADC(charj)/把模拟电压值转换成8位二进制数并返回unsignedchari,ch;unsignedcharadval;ch=0;ADC_CS=0;ADC_DO=0;/片选，DO为高阻态for(i=0;i10;i+);ADC_CLK=0;Delay(2);ADC_DI=1;ADC_CLK=1;Delay(2);/第一个脉冲，起始位ADC_CLK=0;Delay(2);ADC_DI=1;ADC_CLK=1;Delay(2);/第二个脉冲，DI=1表示双通道单极性输入ADC_CLK=0;Delay(2);ADC_DI=j;ADC_CLK=1;Delay(2);/第三个脉冲，DI=1表示选择通道1（CH2）ADC_DI=0;ADC_DO=1;/DI转为高阻态，DO脱离高阻态为输出数据作准备ADC_CLK=1;Delay(2);ADC_CLK=0;Delay(2);/经实验，这里加一个脉冲AD便能正确读出数据，/不加的话读出的数据少一位（最低位d0读不出?for(i=0;i8;i+) ADC_CLK=1; Delay(2); ADC_CLK=0; Delay(2); ch=(ch1)|ADC_DO;/在每个脉冲的下降沿DO输出一位数据，最终ch为8位二进制数 ADC_CS=1;/取消片选，一个转换周期结束 adval=ch;returnadval; voidCompareWarn(longinttemp)/比较是否超过警告值if(tempup) /如果超过了上限值 warn15=H;/显示H表示上限报警BEEP=0; /蜂鸣器叫else/正常情况warn15=;BEEP=1;/关闭蜂鸣器dispbuf5=low/100%10+0x30;/取百位,+0x30为了把整形的数字，转化成字符中的数字dispbuf6=low/10%10+0x30;/取十位,+0x30为了把整形的数字，转化成字符中的数字dispbuf7=low%10+0x30;/取个位,+0x30为了把整形的数字，转化成字符中的数字dispbuf13=up/100%10+0x30;/取百位,+0x30为了把整形的数字，转化成字符中的数字dispbuf14=up/10%10+0x30;/取十位,+0x30为了把整形的数字，转化成字符中的数字dispbuf15=up%10+0x30;/取个位,+0x30为了把整形的数字，转化成字符中的数字/把警告值转化为数组，便于显示voidAdjustWarn()/调节警告值 if(K1=0)/k1按下DelayMS(10);/消除抖动if(K1=0)/k1按下if(up(low+1)/如果上限警告值大于下限值，则可以减一up-;while(!K2);if(K3=0)DelayMS(10);/同上if(K3=0)if(low0)/如果下限值大于则可以减一low-;while(!K4);voidTimeInitial()/定时器1初始化TMOD=0x10;/工作在定时模式TH1=(65536-50000)/256;/50msTL1=(65536-50000)%256;/定时初始值，定时50ms，中断一次EA=1;/开总中断ET1=1;/使能中断TR1=1;/开定时器1voidmain()/主函数intcur=0;/当前流量longinttemp=0;/定义变量 BEEP=1;/关闭蜂鸣器LCD_Init();/初始化TimeInitial();/定时器1初始化while(1)AdjustWarn(); /判断按键是否按下if(flag)/如果定时了flag=0;/标志位清cur=ReadADC(0); /吧把ad值保存到temp中warn1=C;warn2=u;warn3=r;warn4=;warn5=;/显示Cur=warn9=cur%10+0x30;/把流量个位取出来warn8=cur/10%10+0x30;/把流量的十位取出来，+0x30为了把整形的数字，转化成字符中的数字warn7=cur/100%10+0x30;/百位warn6=cur/1000%10+0x30;/十位warn10=m;warn11=3;warn12=/;warn13=s;/显示立方米的单位CompareWarn(cur);/是否报警Display_String(dispbuf,0x00);/显示第一行数据Display_String(warn,0x40);/显示第二行数据voidt1(void)interrupt3TH1=(65536-50000)/256;/50msTL1=(65536-50000)%256;count+;if(count=20) count=0;fla