（信号与信息处理专业论文）微小液体流量采集系统的设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 流量的测量在工业中是一个很重要的方面，然而在众多的测量仪器中对 于微小液体的流量尤其是一些特殊的液体测量还存在不足。本论文所要完成 的就是设计一种新型的流量采集装置，给出 采集装置的数学公式，并 给出 信 号处理电路以及控制电路，为了将采集的数据直接送往计算机进行一些数据 的处理，因此还需要设计一个人机交互界面利用单片机的串 行口 进行数据的 传输和数据的显示。 在传感器的设计过程当中不仅从硬件上提高精度还从软 件上进行一些算法的设计用来改善传感器的 特性。主要工作如下: 1 ，根据流体力学原理推导出 采集装置的数学模型和数学公式， 并根据数 学模型设计采集装置， 然后进行多次的试验、 测量、比较， 得出理想的参数。 2 .根据项目所需要测量的温度和压力的范围选择合适的传感器， 并设计 合理的电路进行信号的转换。 3 .整个系统的硬件电路的设计与实现， 包括传感器的激励信号电路和主 要控制单元的选择以 及外围电路的设计，对于影响系统性能的一些电路本文 进行了一个详细的讨论。 4 。在硬件完成之后主要是软件的设计， 软件的设计应该能够完成所要求 的任务，并且在提高精度方面采取一些必要的软件补偿方法。 5 ，试验数据的获得，以及实验数据的处理。 6 .基于v c + + 6 .0 设计了一个人机交互界面，能 够实现数据的显示和接 收上位机的指令。 关键词:流量采集;温度采集;压力采集;单片机;数据处理 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ab s t r a c t i t i s i m p o rt a n t f o r m e a s u r i n g v e l o c i t y o f fl o w in i n d u s t r y . t h e r e a r e m a n y d e v i c e s t o m e a s u r e h i g h v e l o c i t y , b u t t h e r e a r e f e w o f d e v i c e s t o m e a s u r e l o w v e l o c i t y o f fl o w , e s p e c i a l l y f o r s p e c i a l l i q u i d . i n t h i s a c q u i s i t i o n o f fl o w m e t e r . t h e h a r d w a r e c i r c u i t a n d p a p e r , w e d e s i g n a n e w d a t a s i g n a l p r o c e s s i n g c i r c u i t a r e d e s i g n e d . f o r im p r o v i n g a c c u r a c y , w e u s e a n a r i t h m e t i c t o d e a l w i t h t h e d a t a . t h e w o r k f in i s h e d i n t h i s p a p e r i s a s f o l l o w s : 1 . b a s e d o n ma t h e ma t i c s mo d e l a n d ma t h e ma t i c s f o r mu l a wh i c h a r e c o n c l u d e d f r o m t h e h y d r o k i n e t i c s , w e d e s i g n e d a n e w t y p e d e v i c e t o m e a s u r e v e l o c i t y o f fl o w a n d m e a s u r e t e m p e r a t u r e a n d l i q u i d s t r e s s 2 . s e l e c t t h e r i g h t s e n s o r i n a c c o r d i n g t o t h e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e , a n d d e s i g n t h e c i r c u it t o t r a n s f o r m t h e s i gna l 3 . t h e d e s i g n a n d c o m p l e t i o n o f t h e h a r d w a r e c i r c u i t , i n c l u d e t h e c i r c u i t o f s e n s o r s s i gna l a n d t h e s e l e c t i o n o f c o n t r o l l i n g c i r c u i t , a s t h e s a m e t i m e , t h e p e r i 灿e r a l . we i n t r o d u c e d s o m e c i r c u i t w h i c h i s i m p o rt a n t . 4 . w e d e s i gn t h e s o f t w a r e , a l s o . t h e s o ft w a r e m u s t c a n c o m p l e t e m i s s i o n f o r i m p r o v i n g t h e a c c u r a c y , w e a d a p t s o m e c o m p e n s a t i o n w a y s . 5 . t h e a c q u i s i t i o n a n d t h e d e al i n g o f t e s t d a t a . 6 . b a s e d o n t h e v c + + 6 .0 , w e d e s i g n e d t h e in t e r f a c e w h i c h c a n d i s p l a y t h e d a t a a n d r e c e i v e t h e o r d e r o f t h e p c . k e y w o r d s . fl o w a c q u i s i t i o n ; t e m p e r a t u r e a c q u i s i t i o n ; s t r e s s a c q u i s i t i o n ; s i n g l e c h i p ; d a t a p r o c e s s i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 本论文的所有工作， 是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用 的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均 已 在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者 ( 签字): 歇卫4 j 日 期 : 2 0 3 年)z 月 z 7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1 . 1 引言 流量是工业测量中极其重要的几种参数之一，随着工业生产的发展，对 流量测量的准确度和范围的要求越来越高。流量测量技术日新月异，在以往 的测量中常用的有电磁流量计，但该方法的缺点是在测量非导电液体时误差 大，而且也不适用小流量m ;还有超声流量计，该流量计有着压力损失低测 量范围宽的特点，但也有一缺点，成本高而且对于不同的液体测量情况也不 一样z 1 :另外象一些传统涡街流量计，容积流量计等，都有自己的优点，但 共同的缺点是在流量较小的 情况下测量误差较大， 容易出 现偏差，而且在液 体较为特殊时候有的根本无法使用 3 1 。以 往的微小流量传感器在小流量测量 时 ， 液 体 的 粘 度 和 脉 动 对 测 量 精 度 的 影 响 比 较 大 ， 导 致 测 量 精 度 不 准 ， 达 不 到使用要求。 有鉴于此， 研制了基于转子流量原理而设计的c l l - z z - 5 0 1 型 高 精度微流量传感器，由 敏感元件感受转子位移变化而输出 信号，然后对信 号进行滤波、 放大等调理， 输出信号幅度较大的电压信号， 通过a / d转换进 入c p u ， 经过计算、温度补偿得到流量值，数字化显示流量值，并通过标准 r s 2 3 2 输出。 本课题成功地设计出具有高精度、高可靠性、响应时间 短、 低 功耗、体积小、结构简单、智能化等特点的 传感器14 1 用于微小流量测量的仪表和传感器国外己经研究了多年， 在众多的仪器 中具有代表性的微小流量测量的仪表是美国 c o l e - p a r m e :公司生产的 u - 3 2 9 1 6 - 0 6 型差压式微流量传感器和一种可变面积流量传感器， 这两 种流量传感器在用于微小流量测量时， 前者受液体粘度的影响比较大， 在 小流量时还会出现脉动现象;后者是玻璃结构的直读式结构，强度低、承受 不了液体的压力。早在十九世纪末就出现了利用这种原理的仪表， 但是广泛 哈尔滨工程大学硕士学位论文 奋亩目西由曰亩目困百.曰亩亩亩亩.亩亩困亩亩亩 应用于工业测量还是近几年的事，这是一种具有广泛发展前途的仪表。我国 从一九五五年开始研制，多年来在锥管及转子的材料、形状、信号远传方式 等方面作了不少的研究和改进 5 1 1 . 2 系统技术指标及总体结构 该 项目 是根据 d f - 3 1 a . .1 l - 2工程的实际需要由 航天科技集团第一研究 院提出， 中电集团4 9 所承担设计。 本系统的任务是对一种特殊液体在极低流 量时测量出 其流量大小，并给出 环境z度及流体压力大小， 数据不仅要显示 出 来并还可以与计算机进行数据的交换， 可传输给计算机。下面首先列出 系 统的主要功能和技术指标，然后根据要求，从整体上设计整个系统的结构。 1 . 2 . 1主要功能 .能实时 采集流量温度压力的 大小并显示。 .进行数据的远传与计算机进行串 行通信。 1 . 2 . 2 系统的技术指标 1 . 流量量程: 2-20m1/min; 2 . 基本误差:小于5 %; 3 ，迟滞性:小于 5 %; 4 .重复性:小于5 %; 5 分 辨率: 。 5 m 1 / m i n ; 6 . 输出:数码管显示; 7 .电源电压:1 2 v d c ; 8 ，工作温度: 一 1 0 8 5 c ; 9 .高 温8 5 口 连续工作时间2 4 0 h ; 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一.亩 1 0 . 加速度: 1 8 g ， 共3 0 m i n ; 1 1 . 外形 尺 寸: 最 大为1 0 0( 长)x 2 0 0( 高)x 8 0 ( 宽) m m ( 含 变送 器 及显示仪表) ; 1 2 能满足d f - 3 1 a . j l - 2 平台总体技术条件中规定的冲击、 过载、 震动、 温循等要求。 1 . 2 . 3系统的总体结构 根据系统所提出的具体要求，可画出整个系统的结构框图:参看图1 . 1 图1 1总体框图 1 . 3 本论文的主要研究内容 本论文主要完成根据流体力学原理推导出采集装置的数学模型和数学公 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式，并根据数学模型设计采集装置，然后进行多次的试验测量比较得出理想 的 各种参数。根据项目 所需要测量的温度和压力的范围选择合适的传感器， 并设计合理的电路进行信号的转换。 完成整个系统的硬件电路的设计与实现， 包括传感器的激励信号电路和主要控制单元的选择以及外围电路的设计，对 于影响系统性能的一些电 路本文进行了一个详细的 讨论。 在硬件完成之后主 要是软件的设计，软件的设计应该能够完成所要求的任务，并且在提高精度 方面采取一些必要的软件补偿方法。 试验数据的获得， 以及实验数据的处理， 计算机进行曲线的拟合以及误差分析和补偿部分的实现。为了能够进行数据 的远传和实时处理以及显示，需要能够和上位机进行通信，为此本文基于 v c + + 6 . 0 设计了一个人机交互界面，能够实现数据的显示和接收上位机的指 令。信号采集前端的传感器设计，以及原理的推导，以 及信号的处理部分的 设计，在这一部分中主要是模拟电路和数字电路的设计，另外还有控制单元 电路的及其外围电路和接口设计，上下位机的通信硬件和软件设计.及整个 系统软件控制的设计。 本章进行比较得出本系统的实用性，然后根据系统的设计要求给出了本 系统的结构框图。 在以后的各章中主要是分别介绍各个功能的实现，对于各个部分的功能 作一分析并给出电 路的原理图。 对于所选型号的数字和模拟芯片进行介绍， 说明选取准则。论文的第一章首先从实际的应用当中出发，说明了研发该装 置的必要性，接着根据国内外的一些研究情况总结出一些优缺点，并与该系 统进行了比较。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章传感器的基本原理及实现 2 . 1 总体说明 在这一部分中主要介绍三种传感器的原理以及器件的选取，重要的是流 量传感器原理的推导，并给出流量传感器的结构图。然后给出所选用的温度 和压力传感器的型号，并对其原理作简单介绍。 2 . 2 流量计原理及设计实现 转子流量计本体原理结构如图2 . 1 所示6 ，由一个锥形管和一个置于锥 华价 1户了才.j 甲 子 一于 二 二 分 _ _少 图2 . 1 转子流量计本体原理结构图 形管中可以 上下自由移动的转子 ( 或称浮子)组成。被测流体流量的大小是 由 转子相对于锥管发生的位移变化来反映的。当被测流体在锥形管中处于静 止状态时，由于转子材料的密度大于流体的密度，流体的 “ 浮力效应”还不 足以 使转子浮起来。当流体从锥形管下部向 上部流动时， 受到转子的阻 挡， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在转子上下产生一个压力差，对转子施加一个向上的作用力，只有当 这个作 用力超过转子的“ 显重量”( 即转子本身的重量减去它所受流体的浮力) 后， 转子才被流动的流体举起来，向上运动。由于锥形管下部的截面积小，上部 的截面积大，因此转子上升的时候，锥形管内壁与转子之间环形流通截面积 便增大，转子对流体的阻力减小，流体在转子上下的压力差也减小。当 流体 在转子上的向 上作用力与转子的 “ 显重量”平衡时，转子便停止在这一位置 上。被测流体流量再增加， 流速随之增大，转子继续上升， 直到新的平衡位 置为止。 以上是转子平衡过程的定性分析。转子高度与流量之间的关系， 还可从 流量方程式的推导得到进一步的说明。 被测流体对转子 施加向 上作 用力， 大小与 流体介质的 密度、 流速的 平方 以 及转子的最大横截面积成正比 参见式( 2 - 1 ) 0 户一 。 尸 v 2 。 r,牛 -j 2 ( 2 - 1 ) 式中 f . 一 作用于转子向 上作用力: p - - 一被测流体的密度: v - - - 一锥形管与转子之间的环形横截面上的流体平均流速; s - - 一 转子 垂 直 于 流向 的 最 大 横截 面; 咨 - - 一 比 例系数 ( 与转子形 状、 流体的 粘度有关) 。 转子由 于重力作用而 产生的向 下 力， 等于 转子的 重力 减去被 测流体 对转 子的浮力，可表示为: f = v , p : g 一 v p g = v g ( p : 一 p ) ( 2 - 2 ) 式中 f一 作 用于 转子 上 的向 下 作 用力; v . - 一转子的体积; p : 一 转子 材料密 度: 9 - 一 重力加速度 值; 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p - - - 一被测流体密度。 当转子在某一位置平衡时，f ,. 和f必然大小相等而方向 相反， 则有: : 尸 v 2 。 4 口 ， 2 = v g ( p : 一 p )( 2 - 3 ) 即得 2 v , g ( p : 一 p ) 勿s : ( 2 - 4 ) 由 于容积容量q= s v ，则得容积流量q 的表达式 q二 沁 2 g k( p : 一 p ) p s , ( 2 - 5 ) “ 中 w 一 1v 6 “ ” “ 子 流 量 计 的 “ 量 系 ” 。 由于质量流量m = p q，则得质量流量系 数m的表达式: m =p 沁 2 g 代( p : 一 p ) p s = v l s 2 vk( p : 一 p ) s , ( 2 - 6 ) 环形截面积s 为 s = 与d 2 一 d 2 ) 4月z ( 2 - 7 ) 式中 d h - 一转子平衡在h 高 度时锥形管的直径; 试 一 转 子 的 最 大 直 径 ; d h 由 下式确定: d 。 =d o 十 2 h t g a ( 2 - 8 ) 式 中 d 。 一标 尺零点 处 锥形 管 直 径; a - 一 锥形管锥半角。 转子流量计测量部分尺寸见图 2 . 1 0 将式( 2 - 7 ) , ( 2 - 8 ) 代入式( 2 - 5 ) ， 得容 积流量与 转子在 锥形管中 所处高 度的 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 关系 7 1 : q 一 尹( d , 斗 一 d 2 )f 2 g k( p : 一 p ) s 2 p = v 普 (d o 十 2 h tg a ) 一 2 g v .( p : 一 p ) s p 一 v/ 粤 阮十 4 d o h tg a + 4 ( h tg a ) 一 引、 马 2 g k( p : 一 p ) s r p ( 2 - 9 ) 在制 造上， 当 满足d p = d , ， 则 q 一 。 d o h tg a + 9 h tg a ) 2 2 g k( p : 一 p ) s p ( 2 - 1 0 ) 由上式可以看出， 并非一次函数的关系。 容积流量q 与转子高度h 之间因多一项( h t g a ) z ， 所以 但 是， 锥半角a 很小 ( 一 般a 二 1 2 一1 1 0 3 0 ) ， tg a 很小， ( h tg a ) ， 项可以 忽略， 则 q” y r g d o h t g a 2 g k( p : 一 p ) s s p ( 2 - 1 1 ) 由上式可以看出， 改变锥管的锥度和转子的体积和重量均可改变仪表量 程。 使用同一规格的转子流量计，几， a , 代 , s : 均为常数，令 ;rd otga厚= “ (” ” ， 则 式 (2-11)可 表 示 “ q 二 a vh i p : - p ( 2 - 1 2 ) vp 由 式 ( 2 - 1 2 ) 可知， 当 被测介质一定时， 流量q 与 转子高 度h 间 关 系决定于 y/ 。 实 验 证明 ， q 与w 的 关 系 不 是 线 性 关 系 ， v 值 不 是 常 数， 它 随 雷 诺 数r e d 的变化而变化， 变化规律与转子几何形状及被测介质性质有关。因 此， 流量 与 转子高 度间 的关系 若按线 性关系处理， 既若把1v 视为常 数， 必将带 来流量 甲一声盆票票誓梁鉴婴昌一 测 量 误 差。 加 之， 在 推导 式 ( 2 - 1 1 ) 过 程中 略 去了 ( h tg a ) z ， 这 样， 随 着 锥 角。 增 大， 也将带来较大非线 性误差。 故 转子流量 计应该单独标定个别刻 度。 实 验还证明， 几何形 状相似的 转子， 当 其 锥形管 相同 时， 测量同 一种流 体， 其中v - r e 。 曲 线 也是 相 通的 。 因 此， 只要 在 制造 上 严 格控 制 转子 和 锥 形管的 尺寸公 差并保证 转子的 重量， 在一定的 准确度范围内 ， 同 一型号的 流 量计转子可做到通用。 转 子 形 状多 种， 可 根据 流 量 测 量范围 、 转 子 工 作时的 稳定 性、 流 量系 数 对 介 质 粘 度的 适 用范围以 及制 造工 艺 等因 素 进行 选 择。 转 子的 材 料 应 根 据被 测 介 质的 化 学 性 质 选 用， 一 般由 硬铝、 硬橡 胶、 胶 木、 塑 料 等 制 成。 锥 管 的 锥 度 根 据 流 量 大 小 及 流 量 测 量 范 围 ( q m e. / q m in ) 而 定 。 管 子 锥 度 越 大， 则 所 测 流量 范围 越 大， 但灵 敏 度随 之降 低( 即 单 位流 量引 起的 转子 位 移量变小) 。 2 . 3 温度传感器的设计 2 . 3 . 1 温度传感器概述 对于温度传感器来说， 技术比 较成熟， 温度传感器的类型主要有下面几 种:分立式温度传感器， 模拟集成温度传感器， 智能 温度传感器，内 含温度 传感器的专用集成电路芯片等等。 在今后的一段时间内 传感器正在朝着高精 度、多功能、总线标准化、高可靠性发展。对于传感器的选取大多数情况采 用传统的模拟集成温度传感器，但近几年伴随着数字化的潮流一些新型的数 字温度传感器也多了 起来，在这里我们查阅了国内外的一些资料，将以下各 种数字式的温度传感器进行比 较见表2 . 1 18 1 。 在这里我们选用了一款a d公司 的数字式温度芯片 a d 7 4 1 6 ， 下面来简单介绍一下该芯片。 该芯片有以 下特 点: 哈尔滨工程大学硕士学位论文 芯片内部包含带隙温度传感器，1 0 位a / d转换器， 设定点比较器， 数据 寄存器和地址指针寄存器。 利用a / d转换器不仅能将温度传感器输出电压转 换成数字量，还能监视被测温度是否越限。转换速率极快，只需 4 0 0 u s o测 温范围一5 5 到1 2 5 摄氏度， 分辨率为0 .2 5 摄氏度， 误差不超过2 摄氏度。 具 有1 1 c总 线兼容的串 行接口 ， 能 很容易的与 单片 机进行 连接。 片内 还有一 个 可编程的故障排队计数器， 用来设定允许温度读数值超过温度上下限的次数， 这样能有效地避免因受到噪声干扰而导致的误触发现象。 低电 压，低功耗。 工作电压+2 . 7 v 到+5 .5 v，典型值为+3 . 3 v 或+5 v。正常工作电流仅为 3 5 0 u a. 表2 . 1型号比较 型号 最大误差测量范围电源电压 封装形式特点 v ad7 41 5土3 乃 - 5 5 - +1 2 5十2 . 7 -+ 5 . 5ms op - 81 2 c总线 ad7 4 1 6士2 . 0- 5 5 -+1 2 5+2 . 7 - + 5 . 5s ot 2 3 1 c总线 ad7 8 1 4士2 . 0 - 5 5 +1 2 5+2 . 7 -+ 5 . 5 s o- 8 s p i 总线 ad7 8 1 6士2 . 0 - 5 5 - + 1 2 5十2 . 7 + 5 . 5 s o- 1 6 s p i 总线 ma x 1 6 6 8士3 刀 - 5 5 - + 1 2 5+3 . 0 - + 5 . 5q s o p - 1 6s mb u s总线 lm7 4士3 . 0 - 5 5 - +1 2 5+3 刀+ 5 . 5s o - 8s p i 总线 2 . 3 . 2工作原理 我们采用8 脚封装的芯片，芯片电路如下图2 .2 : 图2 .2 a d 7 4 1 6电路图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 亩函亩亩亩亩亩面百亩亩亩亩亩亩亩 各引脚功能如下: u d d , g n d为电源接口; s d a为串行数据输入输出端; s c l为串行时钟端; o t i 为漏极开路的逻辑输出端，超温时输出报警信号; a o - a 2 为地址码输入端，用于设定芯片地址。 a d 7 4 1 6内部含有一个带隙式单片温度传感器，将被测温度转化成电压 信号， 再经过t 0 位a i d转换器转换为数字量。 在完成读温度值的操作之后， a / d就被复位一次，以便开始下一次转换。它内部有5 个寄存器，分别为地 址指针寄 存器、 温度数 据寄 存器、 t o t i 设定 点寄 存器、 t h y s t 设 定点寄 存 器和 配置寄存器， 后面4 个寄 存器均属于数据寄存器。 下面分别介绍这些寄存器。 1 . 地址指针寄存器。 它是一个8 位寄存器， 用来存贮每个数据寄存器的 地址指针。 对a d 7 4 1 6 每次写操作的第一个数据字节， 都是数据寄存器的地 址， 这也 是随 后的 数 据 字 节 所要 写 入的 地 址。 该 寄 存 器高 位 必须 -w 氰 其 最 后两位用来选择某个数据寄存器，具体如下表2 .2 和2 .3 . 表 2 : 2 地址指针寄存器 p 7p 6p5p 4p 3p 2 pip o 000000 表2 .3 数据寄存器地址 pip o 所选择的数据寄存器 00 温度数据寄存器 01 配置寄存器 i0 t h y s t 设定点寄 存器 i1 t o t i 设 定 点 寄 存 器 哈尔滨_ 1 一 程人学硕十学位论文 2 . 温度数据寄存器。 它是一个1 6 位只读寄 存器， 其高1 0 位是以2 的补 码形式来存储由a i d转换器送来的 1 0 位温度值，低6 位未用。温度的数字 格式见表2 .4 . 3 . t o t i 设定寄存器。它是一个1 6 位读写寄存器，它的高9 位以2的补 码形式来存储t o t i 的设定值，其余位未用。 4 . t h y s t 设定寄存器。 格式同上。 表2 .4 温度格式 温度 二进制数据输出 ( ) - 7 51 0 1 1 0 1 0 1 0 0 5 01 1 0 0 1 1 1 0 0 0 - 2 51 1 1 0 0 1 1 1 0 0 - 0 .2 51 1 1 1 1 1 1 1 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 .2 50 0 0 0 0 0 0 0 0 l +1 00 0 0 0 1 0 1 0 0 0 + 2 50 0 0 1 1 0 0 1 0 0 + 5 00 0 1 1 0 0 1 0 0 0 + 7 50 1 0 0 1 0 1 1 0 0 +1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 0 0 +1 2 5 01 1 1 1 1 01 0 0 5 .配置寄存器。配置寄存器是一个 8位读写寄存器，专门用来设置 a d 7 4 1 6 的工作方式。格式如下表2 . 5 . 表2 . 5 配置寄存器 d7d6d5d4 d3d2d1d0 000 设定故障排 队长度 o t i 输出的有效电 平 ( 0 为 低电 平1 为 高电 平) 比较方式和中断方 式设定( 0 为比 较! 为 中断) 掉电 ( 0 为 仁 作 1 休 眠) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 里先简要做一个介绍。 2 . 4 压力传感器概述 压力大小也是测量当中的一个重要的参量，压力的测量主要是根据弹性 器件在受到外界压力情况下会发生变化，导致其自身的特性出现变化，我们 利用这种特点来测量压力的大小。在现在的压力测量中，我们通常使用集成 的 压力传感芯片， 它的 测量范围 广而且方便使用19 1 。 这里采用型号为c y g 1 0 5 型的压力传感器， 该型号具有体积小、 精度高、 重复性好、 灵敏度高的优点， 其满量程输出为1 0 0 m v ，供电电压为6 v ，可承受两倍的过压。 2 . 5 本章小节 本章根据流体力学的一些知识推导出该采集装置的数学模型和数学公 式 ， 并 给 出 了 设 计 结 构 图 ， 讨 论 了 其 中 的 一 些 参 数 在 试 验 中 的 作 用 。 对 于 温 度和压力测量主要给出了 其中两种传感器的型号，对于其功能 和特点作一个 简单的介绍，在以 后的 章节中 我们还将对于其工作的原理进行详细讨论。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章硬件接口电路设计 3 . 1概述 在这一章中主要介绍如何三个传感器信号采集，信号处理电路。给出一 些选用器件的特点并对一些器件做了一个简单的介绍，还重点给出了以单片 机为核心的外围电路和接口电路的设计。 3 . 2 所选控制器a t 8 9 c 5 2 的概述 在目 前的控制领域中单片机有着很重要的地位，目 前在市场上流行的主 要是5 1 系列的单片机， 我们常见的有p h i l i p s , s i e me n s , i n t e l , a t m e l 等公司生产的1 0 0 多种型号的8 o c 5 1 系列单片机。 这类单片机具有集成度高、 性能 价 格比 优越的 特点， 在工业测量 控制领 域内 获得极为 广泛的 应用。 为此 我们在这里也采用了单片机的控制。 我们选取a t m e l公司的a t 8 9 c 5 2 型的 单片机p o i 。 现在我们简要介绍一下该芯片: 该芯片的主要特点为: 可编程的8 k字节的存贮器; 可擦写1 0 0 0 次; 工作频率从o h z到2 4 mh z ; 2 5 6 x 8 比 特的内部r a m; 3 2 个输入输出v 0口; 3 个1 6 位的定时 / 计数器; 8 个中断源; 可编程的总线通道。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 . 3外围接口的扩展 我们在这里采用可 编程外围 并行接口8 2 5 5 作为 接口 的 扩展i i i 。 利用一 片8 2 5 5 可将接口 扩展为3 个a 位的1/ 0口。8 2 5 5 输出有a , b , c三个8 位 的v 0 ，内部控制电 路分为两组， a组控制a口 和c口 的高4 位;b组控制 b口 和c口的低4 位。控制电路包括了命令寄存器，用来存放方式控制字。 对于端口 的选择由a 1 和a o 来控制。 0 0 选a口。 0 1 选b口。1 0 选c口。 1 1 为命令字口。8 2 5 5 有两个命令字: 方式选择字和c口的置位复位命令字。 8 2 5 5 有三种工作方式选择:方式0 、方式 1 和方式2 。方式0 是基本输入输 出方式，端口 按方式选择命令字指定的方式输入输出，输出时具有端口 锁存 功能，输入时只有a口 有此功能。c口的高低4 位可以分别确定输入输出。 方式1 是选通输入输出方式。在此方式下，三个端口 被分成a组和b组。 a 组中a口为u o口， c口的三位为其提供联络信号。 b组中b口 为1 / 0口，c 口的三位为其提供联络信号。方式2为双向传输口，只适用a o具体选择方 式如图3 卜 1 !d 6d 5d 4d 3 i d 2!d 1d o! 图3 . 1 方式控制格式 d o :为c口下半部控制。1 为输入，0 为输出; d1 :为b口控制。1 为输入，0 为输出; d 2 :为b口方式选择。1 为方式 1 . 0 为方式0 ; d 3 :为c口 上半部控制。1 为输入， 0 为输出: d 4 :为a口控制。1 为输入，0 为输出: d 5 . d 6 :为a口 方式选择。 0 0 为方式0 , 0 1 为方式1 , 1 0 为方式2 ; 1 :工作方式字特征位。 对于其连接电路图见3 .4 . 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面 . 面 .甲 3 . 4程序存贮器的扩展 考 虑的 单片 机内 部e p r o m的 容量， 我们 还需在 外部扩展程序存贮器， 这 里我 们选 用了 一 片2 7 3 2 e p r o m ， 它 是4 k字 节的 程 序 存贮 器， 有1 2 根 地 址线a o 到a l l ， 它们分别与单片 机的p 。 口 和p 2 口 的4 根线 连接n = 1 。 在这 里由 于 连接了8 2 5 5 和2 7 3 2 ， 容易 产生 地址重叠的问 题， 他们都是 采用了 线 选地 址法， 单片 机的p o 作为 地 址的 低8 位， p 2 口 作 为 高8 位。 8 2 5 5 没 有 连 接高8 位， 为了 保 证不 产生 地 址冲 突， 我 们 将 两 个 芯片 的 片 选端 分 别接 在p 2 口 乘 下的口 线上，这样就保证了 地址的有效性。 连接图见3 .4 . 3 . 5 复位电路和时钟电路的设计 复 位电 路 采 用了 一 种具 有“ 看门 狗” 功能 的 芯片m a x 8 1 3 l ， 此 芯片 可 监 控单片 机的 工作， 在上电 和 掉电 的 情况下可 输出 一个复 位信号r e s e t ， 同 时具有 “ 看门狗” 框图如下3 . 2 : 功能以 监视程序的 运行。我们来看一下其工作原理。 它的 r澳刃 r 能 c 宁一 下 只 凡 匀万 拟月 名 井璐 c1 们r 9ifz 协3 恩 3 .2 ma x 8 1 3 原理图 如图所示 wd i 为看门狗的输入信号，当 此信号在高电 位或低电位保持 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 .6 s ， 则 看门 狗 的 输出 雨 云 石 为 低电 平， 如 果 我 们 将m r 人工 复 位 端与 其 连 接， 在程序运行过程中出现错误时，也可输出一个复位信号 3 e s e t e v c c连接 电源， 它可以监控电源的工作， 当供电电压低于4 .6 5 v时输出一个复位信号。 在一般应用中其它管脚可以不用。这里需要注意的是当出现r e s e t信号时， w d o的输出不论在什么情况总被置高电平。 下面我们来看一下工作时序逻辑 图3 . 3 w di w do res e t 图3 .3 逻辑时序 其电路的连接见图3 .4 . 时钟电路为内部芯片的工作提供一个时钟信号。单片机时钟电路的设计 有两种方式， 一种是内 部方式另一种是外部方式。 在这里我们采用内 部方式， 在外部接上一个 1 2 m的晶振，具体的电路见图3 .4 . 3 . 6 传感器激励电路设计与分析 对于流量传感器来说， 它需要工作在一定的 频率下， 为此我们需要给出 一个激励电路来使其工作n 3 1 。 在数字电 路当中， 可有多种方法来产生自 激振 荡电路来以输出一定频率的信号，最为普遍的有利用与非门组成对称式多谐 振荡器和非对称式多谐振荡器，还有就是利用 n e 5 5 5芯片来产生n 4 1 ， 这里 我们采取一个改进型的 利用与非门 组成的多谐振荡器，电路图 如3 . 5 . 图3 .4 单片机外围电路 i 吕 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 .5激励电路 3 . 7传感器信号处理电路 为了 将流量传感器输出的电信号转化为我们处理的电信号，我们需进行 一个信号的转换。处理一个交流的电信号不很方便， 我们可将其转化为一个 比 较稳定的直流信号，在这里选用l t c 1 9 6 6 ，该芯片是一个将交流信号转化 为直流信号的芯片，有以 下特点， 习 : 1 .连接方便只需一个外接电 容; 2 .高精度，在5 0 h z到1 k h z的区间只有0 .2 5 %的误差; 3 .高线性性; 4 ，低功耗和小的体积。 下面我们来介绍一下该芯片的工作原理:该芯片是一个将有效值转化为 直流 ( r m s - t o - d c ) 的集成电 路。 它采用了 一种特殊的处理方法， 比 传统的 处 理电 路具有很多 优点。 它更为 简单和 使用更加精确、 功 耗低。 该电 路的 应 用电 路如下图3 .6 - i 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 out 图3 .6测量电路 下面本文对有效值转化电路的原理作一个分析传统的有效值电路框图如 下图3 . 7 . vi n / vo u t _ _” / * vi n r lp f vo u t 图3 7原理框图 我们对其原理进行一下分析，由 上图可得: f v i n i v o u t=i i l v o u t i ( 3 - 1 ) 因为输出是直流信号，所以 ( v in ) i v o u t 一 ( v in 2 ) l v o u t( 3 - 2 ) 由此可得出 v o u t = ( v in ) / v o u t ( 3 - 3 ) v o u t = 寸 ( v i n ) = r m s ( v i n ) ( 3 - 4 ) 该电路由于采用了模拟乘法器，因此它的线性性不好，温度的变化对其 影响也很大。 为了 解决这一问 题， l t c 1 9 6 6 采用了一种特殊的结构来代替乘 法器。其电路框图如图3 . 8 : 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 . 8 原理框图 这里采用一个 y-作为一个除法器，一个单极性的开关用作乘法器。单 独的输出用来控制是转换输入信号还是缓冲输入信号。在这里 e和单极性 开关的 共同 作用就与上面图3 .7 中的乘法除法器一样，以 后的原理分析都相 同。下面我们比较一下二者的差别。 c s 图3 . 9 输入信号波形 2 0 m v / di 丫 10 0m y t ( s ) 图3 . 1 0 传统电路输出 波形 从以 上图中我们看出 在同样的 信号输入下， 传统的的电 路输出 脉动最大 可达 1 0 m v ，脉动系数为 1 o m v / 1 0 0 m v = 1 0 %。而采用了改进的电路之后脉动 最大为5 m v ，可以看出明显改善了输出。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 0 m v /d i v t ( s ) 图3 . 1 1 l t c 1 9 6 6输出 波形 为了让输出的直流更稳定， 该电路的后接滤波电 路也是一个重要的部分， 由于该电路要求精度高，而且本身的信号较微弱，因此滤波的好坏决定了该 电路的精度。因此采用一般的多级的压控有源滤波电路或r c滤波效果不是 很好，为此采用一种特株的电路如下图3 . 1 2 : iii一一 卫 gnd _ . _ _ _ 卜 一 -月 l _t . iv a h l l i 7. a c i n p u t - - 0 - i wr i wd 卜 一 + 5 v -1 in n 2 o u t r n 比-4u i1 v s s 二 t- i卜一 主 r 1牛 c 2 0 o u t 图3 . 1 2测量电 路 3 . 8 滤波电 路的设计 滤波器的设计在这个电路中也是重要的一个环节， 因为滤波器性能的好 坏决定了最终的测量精度。滤波器的设计中分为两种方法，一种是模拟滤波 器，一种是数字滤波器。在常用的滤波器设计中我们一般采用巴 特沃斯、切 比雪夫、反切比雪夫和椭圆函数四种形式” 6 。巴 特沃斯具有单调变化幅频特 性曲线;切比雪夫幅频特性在通带内是波动的， 但在阻带内是单调变化的; 反切比 雪夫则正好与之相反; 椭圆函数则在通带和阻带都是波动的;由于巴 2 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 特沃思 ( b u t t e r w o r t h ) 滤波器在通带内具有最平坦特性而被选用。巴特 沃思滤波器的另一个特性是阻带内幅度特性是单调的。 n阶模拟巴特沃 思滤波器的幅度平方函数为 jh v n = 1 1 + 俩j q j zx ( 3 - 6 ) 随着参数 n的增加，滤波器特性变得越来越好，这就是a，在截止频 率 0 处 的 幅 度 函 数 始 终 为 1/ ,/ 2 ， 但 它 们 在 通 带 内 会 有 更 多 的 部 分 接 近 于1 , 而在阻带内会更快地趋近于零。它是一种全极点滤波器，其传递函数的表达 式为: h( s ) = k b o s + b _ ,s - i + + b ,s + b o ( 3 - 7 ) 在这里k 为常数。 若n为偶数2 , 4 , 6 . . . ，传递函数还可分解为下列形 式一般为二阶的级联形式: h ( s ) 一 n a , s 2 + a k s + b k ( 3 - 8 ) 若n 为奇数3 , 5 , 7 . . . ，传递函数可分为: h( s ) =a竹 s+o o 飞二 a k s z +a k s +b , ( 3 - 9 ) 在上述的两种情况下， 设定b o = 1 ， 并令k = 1 , 2 ,则各项的系数如一 f 式: a k =2 s i n ( 2 k 一 1 ) l r 2 n b k = 1( 3 一 1 0 ) 在确定了 滤波器的传递函数之后， 我们就该考虑如何选择相关参数和进 行电路的设计。首先我们应确定滤波器的阶数， 一般我们选择满足要求的最 低阶数，其计算公式如下: 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。 二 ，lo g ( 1 0 0 - 卫 2 1 o g ( w , / w , ) 其 中w , _ w , - w + 1 w,w。 ( 3 - 1 1 ) 这 里w , - w 。 为 过 渡带 频 率， w 。 为 截 至 频 率， a ， 为 最 大 通 带 衰 减， a , 为 最 小 阻 带 衰 减 一 般 我 们 取a , = 3 d b 。 在