（测试计量技术及仪器专业论文）水力学实验仪器开发与管理系统的研制.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：奎查盘西年3 月2 01 1 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：奎壹遘 导师签名：逊b 、年5 月坪日 摘要 水力学实验仪器开发与管理系统的研制 学科领域测试计量技术及仪器 作者姓名李书涛 导师姓名高宗海副教授 李大成副教授 答辩日期 2 0 0 5 3 签名：辅骑 签名：漱 专赤瓯 摘要 本文提出了以pc 机为平台的水力学实验仪器及其管理系统的设计方法分析了 当前水力学系统测量仪器的缺点，详细阐述了运用单片机技术、多机通信技术和数据 库技术实现的操作简便、安全的水利学实验系统的设计思想及设计过程。除此以外， 在微弱直流信号放大以及双积分a d 的控制方面提出了创新，提高了水力学实验仪 器的测量精度和抗干扰能力。 论文由实验仪器的开发和管理系统的研制两大部分构成。结合水力学的基本理论 及其数学模型，确定了测量系统需要测量的主要参数及实验装置的总体设计方案提 出双积分a d 控制的新方法，完成了实验测量仪器的硬件及软件设计。管理系统中 介绍了应用多机通讯技术，实现测量系统的计算机管理与控制的方案，包括通信网络 的软硬件构成和基于数据库技术的系统软件设计。 大量实验表明，该套水力学实验仪器及其管理系统的应用可以自动地完成数据 测量、数据传输、数据处理、数据管理和报表打印等各项任务，操作方便快捷，大大 提高了实验效率，减小了实验操作人员的主观误差和劳动强度；实验数据可靠，测量 过程仪器性能稳定，智能化程度高；除此以外，对其它实验设备的完善和改进具有一 定的借鉴意义。 关键词：单片机；双积分a d ；数据库；串行通讯：信号放大； l 摘要 s u b j e c t ：t h e e x p l o i t a t i o n o fh y d r a u l i c s e p e r i m e n t si n s t r u m e n t s a n dt h e d e v e l o p m e n t0 fm a n g e m e n t s y s t e m s p e c i a l t y ：t e s t i n g m e t r o l o g yt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t s c a n d i d a t e ：l is h u t a o i n s t r u c t o r ：g a oz o n g - h a i l i d a c h e n g d a t e ：m a r c h 2 0 0 5 i ( s i g n a t u r e ) 厶3 “伽 ( s 2 9 n a u r e ) 6 如勺舢 ( s i s ；n a t u r e ) 厶砒吻 a b s t r a c t t h et h e s i sp r o p o s e dt h ed e s i g nm e t h o do fh y d r a u l i c se x p e r i m e n ti n s t r u m e n ta n d m a n a g e m e n ts y s t e mo np cp l a t f o r m ，a n a l y z e dt h ed i s a d v a n t a g e so fc u r r e n tm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t so fh y d r a u l i c s ，e x p a t i a t e dd e s i g ni d e aa n dd e s i g np m c o s so fe x p e r i m e n ts y s t e m o fh y d r a u l i c sw i t hs i m p l eo p e r a t i o na n dc r e d i b l ep e r f o r m a n c eb a s e do nt h es c mt e c h n i q u e ， m u l t i - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dd a t a b a s et e c h n i q u e o t h e r w i s e ，i nt h e m e a s u r e m e n ts y s t e m ，i n n o v a t i o nw a sp e s a n t e di nl o wd cs i g n a lm a g n i f i c a t i o na n dc o n t r o l o fd o u b l ei n t e g r a t ea d ，m e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n da n t i d i s t u r bc a p a b i l i t yw e r gp r o v e d o b v i o u s l y t h et h e s i sw a sf o r m e do ft h ed e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n ti n s t r u m e n ta n dt h er e s e a r c ho f m a n a g e m e n ts y s t e m c o n n e c t e db a s i ct h e o r yo fh y d r a u l i c sa sw e l la sm a t h e m a t i cm o d e l ， m a i np a r a m e t e r s ，w h i c hn e e db em e a s u r e di nm e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n dt h ew h o l ed e s i g n h 摘要 s c h e m eo fe x p e r i m e n te q u i p m e n tw e r ea s c e r t a i n e d ，t h en e wc o n t r o lm e t h o do fd o u b l e i n t e g r a t ea dw a sp r o p o s e d ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe x p e r i m e n t m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tw e r ef u l f i l l e d i nt h em a n a g e m e n ts y s t e m ，t h es c h e m eo f m e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hw a sm a n a g e da n dc o n t r o l l e dt h r o u g hc o m p u t e rb a s e do n m u l t i m a c h i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，w a s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e s t r u c t u r eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dt h es o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m a p p l i e dd a t a b a s et e c h n i q u e e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea p p l i c a t i o no fe x p e r i m e n ti n s t r u m e n t so f h y d r a u l i c sa n dm a n a g e m e n ts y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yf u l f i l lm a n yt a s k s s u c ha sd a t a m e a s u r e m e n t ，d a t at r a n s m i s s i o n ，d a t ap m c a s s i n g ，d a t am a n a g e m e n t ，r e p o r tp r i n t i n ga n ds o o u o p e r a t i o nw a ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tt oi m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y , r e d u c el a b o u r i n t e n s i t ya n dp e r s o n a le r r o ro fo p e r a t o r t h ee x p e r i m e n td a t aw a sc r e d i b l ea n dt h e p e r f o r m a n c eo fi n s t m m e n t sw a ss t a b l ew i t hh i g hi n t e l l i g e n tg r a n d b e s i d e s ，t h es t u d yw a s u s e f u la n dr e f e r e n t i a lf o rp e r f e c ta n da m e l i o r a t i o no f o t h e re x p e r i m e n te q u i p m e n t s k e y w o r d s ：s c m ，b i - i n t e g r a la d ，d a t a - b a s e s e r i a lc o m m u n i c a t i o n s i g n a lm a g n i f y i i i 前言 刖舌 本课题是根据我校水利水电学院的实际需要，完成的以p c 机为平台的 水力学实验仪器及其管理系统的设计。 当前的水力学系统实验仪器比较笨重，多采用手动操作，一方面测量效 率低，另一方面由于人为因素影响造成的测量误差较大，还有的实验具有 一定的危险性，采用手动的方法容易对人身造成伤害( 如文丘里实验测量 液体为水银，操作不当容易使水银溢出) ，因此设计一套操作简便、功能 完备的以p c 机为平台的水力实验仪器与管理系统是非常必要的。 本文分别介绍了水力学实验仪器的开发和管理系统的研制。在水力学实 验仪器的开发部分，文中阐述了采用数字方法对模拟信号进行放大的原理， 提出了采用时钟信号控制a d 转换器停启的方法：对于称重传感器非线性 化误差的数字式方法；数字采样中非线性误差的消除方法；以及减小信号 干扰的p c b 布线等。在管理系统的设计部分，采用串行通信技术完成数据 的采集，基于数据库技术技术实现实验数据的存储和管理，并用高级语言 编制的应用程序完成各种实验数据的处理。 总之，本系统具有重要的创新意义、现实意义和实用价值，操作简便， 功能完备，涉及到单片机、串行通讯、数据库、界面设计等知识领域， 覆盖面较广，并具有相当大的工作量和一定的难度。 课题综述 1 课题综述 1 。1 基于单片机的智能仪器发展概况1 随着微电子技术的不断发展，已经可以在一块芯片上集成c p u 、存储器、 定时器计数器、各种输入输出接口( 如并行“o 口、串行i o 口和a d 转 换器) 等。人们把这种超大规模集成电路芯片称作“单片微型控制器”，简称 为单片机。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多 场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、 使用方便、性能可靠、价格低廉等特点，因此可以容易的将其与测量控制技 术结合在一起，组成新代的“智能化仪器”。这种新型的智能仪器在测量过 程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进 展。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能化仪器，能解决许多传 统仪器中不能或不易解决的难题，同时还能简化仪器仪表电路，提高仪表的 可靠性，降低仪表的成本以及新产品的开发速度。目前智能仪器已经能够实 现四则运算、逻辑判断、命令识别、自诊断自校正等功能。 基于以上优势考虑，本课题的下位机测量系统采用基于单片机的智能仪 器来完成，设计完成的智能仪器具有以下几个优点： ( 1 ) 操作界面友好。 ( 2 ) 具有信息存储功能。 ( 3 ) 处理信息功能：按设置的程序进行数据处理。 ( 4 ) 自补偿、自适应、自校准、自学习功能。 ( 5 ) 控制功能：根据监测、分析结果输出相应的控制信息。 ( 6 ) 通信接口：可以很方便的与计算机和其他仪器一起组成通信网络。 同时，智能仪器也是电子界的一个发展趋势，随着科学技术的进步发 展，这类仪表的智能程度必将越来越高。 2 西安理工大学硕士学位论文 1 2 管理系统在智能仪器中的应用 1 2 1 网络技术在智能仪器中的应用 在自动化测量和控制系统中，单台智能仪表的使用已经不能满足用户的需 要，不仅各台仪器之间需要不断地进行各种信息的交换和传输，而且p c 机 和各台仪器之间也需要不断地进行各种信息的交换和传输。这就需要通过网 络联接来满足整个测控系统的要求。网络的使用给用户带来了很多好处，这 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 基于网络的智能仪器使用户能够远程监测控制过程和实验数据，达到 实时性的要求。当控制过程或操作过程发生问题，有关数据会立即展现在用 户面前，使之采取相应措施，使可靠性大大增强。 ( 2 ) 基于网络的智能仪器使一个用户能监控多个过程，提高了用户的工作 效率，节省了用户的工作时间。 ( 3 ) 基于网络的智能仪器大大增强了用户的工作能力。用户可利用普通仪 器设备采集数据，然后指示另一台功能强大的远方计算机分析数据，并在网 络上实时发布。 总之，基于网络技术的智能仪器改变了测量技术的以往面貌，打破了在 同一地点进行采集、分析和显示的传统模式：依靠网络技术，人们己能够控 制远程仪器设备，有效地进行采集、数据分析和显示等。智能仪器的网络化 也成为大型测控系统的发展方向。 1 2 2 数据库技术在智能仪器发展中的应用 数据库技术是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支。数据 库系统把大量的数据按照一定的结构存储起来，对数据进行集中管理，实 现数据的共享，它具有数据结构化、最低冗余度、较高的程序与数据独立 课题综述 性、易于扩充、易于编制应用程序等优点，被广泛地应用于各种管理信息 系统l 4j i 。在当今信息化的社会里，数据库已成为管理和利用信息资源不可 缺少的工具，不仅大型计算机及中小型计算机，甚至微型机都配有数据库 管理系统。不仅如此，数据库还广泛应用于办公自动化、计算机辅助设计、 实时控制、人工智能等领域。可以毫不夸张地说，计算机的广泛应用和普 及，与数据库应用是不无关系的。 将数据库技术与网络技术结合起来应用于智能仪器的管理系统既能够实 时将数据进行传输，又能够保证对数据的合理化管理，为提高实验室的自动 化程度创造了强有力的技术支持。 1 3 课题来源及意义 本课题是根据西安理工大学水利学院的实际需要研制的一个以p c 机 为平台的水力学实验开发与管理系统。 迄今为止，国内大多数实验室所采用的水力学实验仪器，功能比较单 一，而且自动化程度不高，通常进行一次水力学实验要用到多种仪器进行 参数测量，工作量很大，容易给实验带来操作误差；而且有的水力学实验 采用水银等有毒物质，不小心接触会给人造成一定的伤害。因此设计一套 操作简单、功能完备的水利学实验仪器与管理系统是非常有必要的。 本系统利用基于单片机技术的智能仪器作为下位机系统，实现数据的 自动测量和存储，提高了测量精度，减少了读数误差；利用串行通信技术 组成小型通信网络，实现下位机数据的实时传输；采用数据库技术对传输 数据进行管理，使数据存取迅速、准确；同时上位机程序可以对传输数据 进行数据处理，大大提高了实验效率。 因此这套系统具有重要的实用价值和现实意义，这套系统的研制对于 单片机通信网络的组建也有一定的参考价值。 西安理工大学硕士学位论文 1 4 课题要求 课题要求设计能够完成流动型态的雷诺实验、管道沿程阻力系数 测定、文丘里流量计系数测定实验、孔口出流实验和管咀出流 实验5 个水力学实验的智能仪器，及一套完整的管理系统控制计算机与 智能仪器通信，并要求设计出相应的数据库系统和操作界面对实验数据进 行管理、存储和绘图，完成图形及数据的打印。 5 个水力学实验均要求测量差压、质量和时间这三个基本参数。要 求差压的误差范围为o 1c r r # ；i 程为。一9 9 9c m ；质量测量误差范围为 士2 0g ，量程为o - 9 9 9 9g ；时间的测量误差为1s ，量程为0 9 9s 。设计 3 2 台测量仪器既可以自动对每次测量的实验数据进行存储，也可以通过 键盘操作浏览历史数据，达到智能化的要求。 1 5 小结 单片机既具有体积小、价格低、功能强、可靠性高以及使用方便灵活的 特点，通过它能够很容易的将测量技术与控制技术结合组成“智能仪器”。研 制基于单片机技术的各种智能仪器，周期短、成本低、易于升级、维修方便， 在仪器设计中有着其它微型计算机无可比拟的优势。 随着网络技术的发展进行多台智能仪器之间以及智能仪器与p c 机之间 的通信已经变成可能，同时将网络技术与数据库技术相结合组成的管理系统 能够为用户提供良好的操作环境，使用户能够进行远程监控，提高用户的工 作效率。 本课题的主要任务是设计基于单片机技术的智能仪器，并组建智能通信 网络，利用数据库技术建立实验管理系统，实现实验自动化。提高了实验效 率，减少了操作误差和工作强度。 数学模型的建立与实验介绍 2 数学模型的建立与实验介绍 根据水力学的三个基本方程分别建立了流动型态的霄诺实验、管道 沿程阻力系数测定、文丘里流量计系数测定实验、孔口出流实验和 管咀出流实验的数学模型，介绍五个水力学实验的实验装置。 2 1 建立数学模型的三个水力学方程1 2 1 1 流量计算公式 单位时间内通过一水断面的液体体积称为流量。一般以符号q 表示， 其单位为m 3 i s 。设在总流内任取一微小流速，其过水断面积为幽，令谢 面上流速为“，则 u d ai d q ( 2 - 1 ) 即 q 。上坦。豇幽 ( 2 - 2 ) 设水断面平均流速为v ，则 o - 正“d 4 正w h 一咀d a - v a ( 2 。3 ) 或 。；垒(2-4) a 2 1 2 能量方程 不可压缩实际液体恒定总流的能量方程，反映总流中不同过水断面上 ( z + 旦) 值和断面平均流速，的变化规律及其相互关系，它和水流连续性 v 方程联合使用，可以解决许多水力学计算问题。其具体形式如下 6 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 - 5 ) 其中z 代表静止液体几何高度，称位置水头；旦代表该点压强高度，称压强 r 水头：1 2 生g 代表动能； 。代表单位重量液体由一个断面流至另一个断面的 平均能量损失。 2 1 3 水流连续性方程 在不可压缩液体恒定总流中，任意两个过水断面所通过的流量必然相 等，即 q1 4 l h _ 彳2 v 2( 2 6 ) 则 2 2 文丘里试验 2 2 1 实验介绍 ( 2 7 ) 文丘里流量计是测量管道中流量大小的一种装置，它是由两段锥形管 和一段较细的管子连接而成如图2 - 1 所示。前面部分a 为收缩段，中间b 叫喉管，后面部分c 称为扩散段。若欲测某管子中通过流量，则把文丘里 流量计连在管段当中，在管道和喉管上分别设置测压管，用以测得该两断 面上测压管高度差h ，跟据h 计算管中流量。 文丘里实验的目的是测定文丘里流量计系数u ，并绘出文丘里流量 7 帆 噬幻皿， 吃 监幻4 ， 数学模型的建立与实验介绍 计系数p 与q 实的关系曲线。 2 2 2 数学模型 c 图2 - 1 文丘里管 # 一q 羹 q 许 由流量的定义可知 q 宴- v t y 苎 p 由式( 2 - 5 ) ，若以管轴线为基准面则， z 1 - 2 2t 0 设 旦h l ，p _ 2 。h 2 yy ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) r 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 口1 一口2 - 1( 2 - 1 3 ) 因距离相近，暂时不计水头损失，令 则 h 。- 0 f 2 - 1 4 ) 西安理工大学硕士学位论文 由式( 2 - 9 ) 得 ”一= 警2 由式( 2 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 所以 令 则 。：叫粤) ： 4 ”j 棼 昕却1 普厮 k 。丝 4 q 计t k 4 h 式中， 文丘里流量计系数，是一个无量纲数 q 实- - - 实验测得的流量 q 计计算出的流量 k 系数 m 一水的质量 f - 时间 d ，入口圆筒部a 段管径 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) f 2 1 7 ) f 2 1 8 ) r 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 数学模型的建立与实验介绍 d ，喉管c 段管径 p 一一水的密度( 1 9 c m 3 ) v 一一水的体积 h 一差压 g 一一重力加速度 其中s t ；，p ，g 为常数，d 。，d ：为已知参数，则待测参数为m ，t ，h 。 2 2 3 实验装置 文丘里流量计系数测定实验的实验装置如图2 - 2 所示，调节阀至一定 位置，打开供水泵。拉开抽屉，将水导入容器中，经过一段时间后，将 抽屉推进，水流入连体容器中，测量仪器将测出这一段时间t 以及这一段 时间内流入容器中的水的质量m 和差压h ，。容器中的水可用小水泵抽到 连体容器中进入水循环。实验结果可自动存入测量仪器中。调节调节阀， 重复以上操作多次，完成实验。 伯 图2 - 2 文丘里流量计系数测定实验的实验装置示意图 西安理工大学硕士学位论文 2 3 流动形态的雷诺试验 2 3 1 实验介绍 同一液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体可以有两种不同形 态的运动：当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊的运动，互不混 杂，这种形态的流动叫做层流；当流速较大时，各流层的液体质点形成涡 体，在流动过程中，互相混掺，这种形态的流动叫做紊流；介于两者之间 的是过渡状态流动。 2 3 2 数学模型 该试验是要测出水头损失6 ，和雷诺数足的关系曲线， 流和紊流时沿程水头损失 ，随流速v 变化规律的不同。 也。丛。堕 “u 由式( 2 - 4 ) 得 。垒 爿 由流量定义式得 q 。一v r 由质量计算公式 v m p 由截面积计算公式 爿生 从而证实在层 r 2 - 2 1 ) r 2 2 2 ) f 2 - 2 3 ) f 2 2 4 ) f 2 - 2 5 ) 数学模型的建立与实验介绍 运动粘滞系数与水的温度有关 ”。丽面00+1775(cm2s)(2-2600 3 3 7 t 0 0 0 0 2 2 1 t ) 1 + + 7 见一雷诺数 v 一一断面平均流速 q 一一一流量 4 一管的横截面积 m 一水的质量 ，一一一日寸间 d 一管径 p 一一水的密度( 1 9 c m 3 ) ” 一一运动粘滞系数 矿一水的体积 r 一水的温度 联立式( 2 - 2 1 ) 一( 2 2 6 ) 可得 r 。- 4 m ( 1 + 0 0 面3 3 而7 丽+ 0 磊0 0 0 2 2 1 1 2 ) ( 2 - 2 7 ) 0 0 1 7 花面谢 式中z ，p 为常数，d 已知，因此只要量出温度r ，并测出m 和f ， 即可计算出见 2 3 3 实验装置 其实验装置如图2 - 3 所示，打开供水泵，使水箱充满水，并保持稳定 的水位( 使箱内有少量水溢出) 。调节调节阀至一定位置，拉开抽屉，将 水导入容器中，经过一段时间后，将抽屉推进，水流入连体容器中，测 量仪器将测出这一段时间f 以及这一段时问内流入容器中的水的质量。 和差压 厂。容器中的水可用小水泵抽到连体容器中进入水循环。实验结 西安理工大学硕士学位论文 果可自动存入测量仪器中。重复以上操作多次，完成实验。另外，水温 的测量是用温度计完成的。 图2 3 流动形态的雷诺实验和管道沿程阻力实验的实验装置示意图 2 4 管道沿程阻力实验 2 4 1 实验介绍 管道沿程阻力实验是要测出管道沿程阻力系数a ，并绘出沿程阻力系 数a 与雷诺数足的关系曲线。 2 4 2 数学模型 沿程阻力系数a 与雷诺数r 。的测定： a - ，孝蓦( 达西一魏斯巴赫( 。a r c r _ w i s b a c h ) 公式 ( 2 2 8 ) 由雷诺公式 r 堕( 2 2 9 ) 数学模型的建立与实验介绍 由流量公式 。；垒 a 又由流量定义 o 。v 由质量定义式 矿。竺 p 面积计算公式 一堑 4 运动粘滞系数与温度有关 ”- i 面面0 r 0 + 1 7 u 7 5 叫2 2 1 = f ，( e r a 2 厶) r 一雷诺数 v 一一断面平均流速 q 流量 a 一管的横截面积 m 一水的质量 t 一时间 d 一一管径 p 一水的密度( 1 9 c m 3 ) ”一运动粘滞系数 y 一一水的体积 t 一水的温度 l 管道长度 h ，一一差压 g 重力加速度 1 4 r 2 - 3 0 ) r 2 - 3 1 ) 佗一3 2 ) ( 2 - 3 3 ) 佗- 3 4 ) 西安理工大学硕士学位论文 由以上七个式子可得 疋。4 m ( 1 + 0 0 磊3 3 7 t + 0 0 0 0 2 2 1 t 2 ) ( 2 - 3 5 ) 。 0 0 1 7 7 5 m , o d 旯。g ：r 2 p 2 d s ：_ t 2 h i 8 l m ( 2 - 3 6 ) 式中z ，p ，g 为常数，d ，l 已知，因此只要量出温度丁，并测出h ，m 和t 即可计算出r 。和a ，从而可绘出a 和r 。的曲线图。 2 4 3 实验装置 其实验装置与雷诺实验装置相同，如图2 3 所示。 2 5 孔口出流实验和管咀出流实验 孔口出流实验和管咀出流实验这两个实验的实验装置相同，计算公 式类似，因此在一起进行介绍。 2 5 1 实验介绍 若在某容器侧壁开一孔，液体将从孔口流出，这种水流现象称为孔口 出流。通过能量方程可以计算出孔口的流速和流量，从而可以确定孔口流 量系数。 若在孔口上连接一段长为( 3 4 ) d 的短管( d 为孔径) 液体经短管而 流出的现象，称为管咀出流，通过能量公式可以计算出管咀的流量，从而 确定其流量系数。 数学模型的建立与实验介绍 2 5 2 数学模型 由水力学公式可推出，孔1 3 流量系数为0 6 2 。 孔口出流实验的目的是要测出孔口流量系数， 计算相符。 ；_ v v 。苎 p q 计一爿屈万 4 一捌么 式中，岸孔1 3 流量系数，是一个无量纲数 q 实实验测得的流量 q 计计算出的流量 a 一管的横截面积 m 一水的质量 t 时间 d 管径 p 一水的密度( 1 9 c m 3 ) v 水的体积 ，一一差压 g 一重力力口速度 由以上公式可得： 验证一下是否与理论 ( 2 3 7 ) f 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 陀一4 0 ) f 2 4 1 ) 西安理工大学硕士学位论文 4 m 胪丽币苏 m j 砸0 2 醇f 其中z ，p ，g 为常数，d 为已知参数，则待测参数为m ，t ，h ，。 管咀出流实验同孔口出流实验，只是流量系数为0 8 2 2 5 3 实验装置 r 2 - 4 2 ) 孔1 5 1 出流实验和管咀出流实验的实验装置示意图如图( 2 5 ) 所示： 调节调节杆至定位置，打开供水泵，使水箱保持稳定的水位( 使箱 内有少量水溢出) 。拉开抽屉，将水导入容器中，经过一段时间后，将抽 屉推进，水流入连体容器中，测量仪器将测出这一段时间f 以及这一段 时间内流入容器中的水的质量m 和差压h ，。容器中的水可用小水泵抽到 连体容器中进入水循环。实验结果可自动存入测量仪器中。调节调节杆， 重复以上操作多次，完成实验。 图2 _ 4 孔口出流实验和管咀出流实验实验装置示意图 ( 孔口出流实验没有管咀) 数学模型的建立与实验介绍 2 6 小结 本章主要介绍了五个水力学实验的实验原理；给出了各自的数学模型， 并通过其数学模型分析出它们所要测量的参数；详细介绍了各自的实验装 置，以及传感器和抽水装置的安装。 通过对数学模型的分析，可以把水力学参数的测量转化为质量、差压、 时间等参数的测量，同时抽屉行程信号可以作为测量过程中的检测信号， 实验仪同时还应当包括对水泵的控制等。这也是下位机实验仪设计的主要 依据。 单片机测量系统硬件设计 3 单片机测量系统硬件设计 在该实验系统中，下位机测量系统主要由单片机系统构成，其主要功 能包括：差压、质量、时间等参数的获取、显示、自动存储、取消不合格 数据的存储，数据浏览，仪器的校准，以及与上位机的通信等。内容较丰 富，涵盖面广。单片机系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面 的内容。本章主要介绍单片机部分的硬件设计和抗干扰技术。 3 1 硬件原理图 单片机设计的硬件原理框图如下 图3 - 1 测量仪器结构图 差压传感器和称重传感器分别将压力和重量参数转换成电信号，模拟 开关控制对两路信号进行分时数据采集，a d 转换电路用来将模拟的电信 号转换成数字信号送入单片机系统进行数据采集。其外围电路包括，2 c 存 储器件、显示单元电路、与上位机通讯的串口接口电路、用来实现功能选 择的键盘电路等。时间是用单片机中的计数器定时器t 1 来测量的，控制 信号用来控制抽水电泵的启动。实验者使用键盘可进行各种操作如复位、 测量、参数输入、数据发送、数据浏览、数据删除、开泵放水等等。 西安理工大学硕士学位论文 3 2 硬件设计分析 测量系统的硬件设计主要包括电源设计、称重传感器电路设计、差压 传感器的选择、仪器放大电路的设计、a ，d 转换电路设计、显示电路设计、 键盘电路设计等，下面将对各部分的设计进行详细分析。 3 2 1 电源设计 电源是整个系统的能源系统，电源输出的稳定性关系到整个电路的抗 干扰能力，系统电源设计分为模拟电源和数字电源两部分，模拟电源部分 输出5 v 电压，数字电源部分输出+ 5 v 电压，模拟地和数字地在电源板上 不共地，在a d 转换芯片上共地，提高了系统的抗干扰能力。外部输入2 2 0 v 电压，经过变压器输出9 v 电压，再经过整流二级管整流，通过电解电容滤 波，并通过7 8 0 5 和7 9 0 5 进行稳压，同时要经过滤波电容进行二次滤波， 最大限度的消除工频干扰后，分别输出5 v 电压，通过示波器观察电源输 出稳定，无毛刺输出。 3 2 2 称重传感器电路的设计 测量电路中使用的称重传感器为应变式传感器，采用直流电桥电路将 重量信号转换为电信号。电路如图3 - 2 所示( r 为r ，e 为电源，u 为输出， 且- r ：- r ，- r 。) 。为了提高电桥灵敏度，抑制干扰信号，并进行温度补偿， 本系统采用四等臂电桥。其优点是高稳定度直流电源易于获得。电桥调节 平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线的分布参数影响小等。电桥 输出 1 2 1 ： u 。e 二( 3 1 ) r 1 单片机测量系统硬件设计 3 2 3 差压传感器 图3 - 2 电桥电路 差压传感器采用美国霍尼韦尔公司生产的4 e f 6 d 型号的差压传感器， 性能良好，能够满足测量要求。 3 2 4 仪器放大电路的设计 差压传感器和称重传感器输出的为微弱的电信号，因此要在前置电路 对其进行放大，本系统所采用的仪器放大器为t i 公司的i n a l 2 2 ，它具有高 集成度、高精度、低噪声、高共模抑制比等特点，其电路原理图如图3 - 3 所示。为了使系统放大稳定，还应在v + 端对地0 1 1 “、v - 端对地接0 2 2 p 去 耦电容。 其输出v o ：( 瞄一) g ，其中放大倍数g 。5 + 鱼竽 ， 西安理工大学硕士学位论文 图3 - 3i n a l 2 2 放大电路原理国 3 2 5 模拟开关的控制 系统模拟开关选用a d g 2 0 1 ，片2 0 1 有4 路模拟开关，其s 1 、s 2 分别 接差压信号和称重信号经仪器放大器放大后的电压输出端，其d 1 、d 2 短路 接a d 转换电路的输入端，模拟开关控制端分别接单片机的p 1 4 和p 1 1 口，当控制端为低时s 端和d 端导通，可以通过改变p 1 4 和p 1 5 的输出 电平实现两路信号的分时采样。 3 2 6a d 转换电路 a 小信号放大的难点 。 系统要测量的是微小的电压量，因此必须对被测信号进行放大，这也 是模拟部分的一个难点所在。若在模拟电路部分把被测的信号的放大倍数 提高，同时也会提高干扰信号的影响，必然会给后续电路的处理带来很大 的困难，大大降低测量精度。由于双积分器具有一定的抗干扰能力，因此 系统对被测信号的放大可由该部分电路实现。 单片机测量系统硬件设计 b 用双积分a d 实现小信号放大的结构框图及其工作原理 积分器采用自己设计的双积分a d 转换电路，这是系统的核心部分， 其结构框图如图3 3 所示。 其工作过程可分为三个阶段： 调零阶段( t o t 1 ) ： 在该阶段，积分器输入、输出电压为零，零比较器输出为低电平。 定时积分阶段( t l t 2 ) ： 在该阶段，对输入信号u ，进行积分，零比较器输出高电平，模拟开关 s 5 闭合、s 6 断开，积分电阻为r l ， 计数器预制初值n 1 ，计数器进行减计数，计数值为0 时，定时积分结 束，此时积分器输出 ”一譬 2 ) t 2 一t lt n l 瓦 ( 3 3 ) 卜积分电容值瓦时钟脉冲宽度 定值积分阶段( t 2 一f 31 ： 在该阶段，对基准电压进行积分，模拟开关s 6 闭合、s 5 断开，积分电 阻为r ：，计数器从0 开始加法计数，积分结束时【，。输出为零，零比较器输 出低电平，设此时计数器数值是n ：。 u 。一去幽出- 。 ( 3 4 ) 西安理工大学硕士学位论文 则 图3 - 4 双积分电路原理图 ( 3 5 ) 因此选择合适的r l 和r 2 的值，就可以实现小信号的放大：用计数器计 得：值，即可得到被测电压值u ，。 c 基准电压的选择 本系统的称重系统采用的是电桥式压力传感器，电阻桥式传感器包括 各种应变式传感器、压阻式传感器和热电阻式传感器，广泛应用于测力、称 重、测温、测压领域，是性能比较好的传感器类。但这类传感器需要提供一 个稳定的桥压：并且伴随着载荷的增加。会出现一定的非线性误差。下面将 队本系统电阻桥式传感器的非线性误差的补偿方法进行论述。 其补偿方法分为多种，而本系统采用的是非线性数字式补偿法，其原 理如下1 ： 单片机测量系统硬件设计 图3 5 数字式非线性补偿方法示意图【5 】 数字式非线性补偿方法如上图所示，图中4 x r 0 为传感器电桥，k 为仪 器放大器的放大倍数。假定由于负载变化，传感器的某一电阻由r 0 变为 r 0 + a r ，则送到a d 传感器的电压u 为 u 一等兹 争e ， 4 1 + 黝。 而a d 转换器的基准比较v g 压, u 取此传感器输出一端，则 【，r j 夏石r 。：0 1 i i 。e 2i e ：砸1 ( 3 7 ) z r 0 a d 转换器输出的数字信号最大值为 n = n m x 万u ( 3 - 8 ) 联合以上3 式可得： 虬一赢篑一互i k n 。；竺r 0 ( 3 - 9 ) 由上式可知采用这种方法 ( 1 ) 输出信号与o ) 戎i e l t ，消除了电桥输出的非线性误差，实现了非 线性误差全补偿。 ( 2 ) 输出数字信号与桥压无关，也就是说桥压波动变化对数字量不产生 西安理工大学硕士学位论文 影响。这样在使用电桥式传感器时，无需对传感器的桥压和a d 转 换器基准电压的稳定性要求过高。当桥压由1 0 v 变化t l o ，所得到 的数据误差不超过0 0 5 。 ( 3 )电桥、放大器和a d 转换器可以共用一个电源。降低了桥压和a d 基准电压源的要求，且节省了一个电源。 ( 4 )由式( 3 - 5 ) 所知如果适当减小基准电压源的值可以提高数字量输出 的放大倍数，从而也可以起到用数字的方法对模拟量进行放大的目 的。 3 2 7 单片机的选择 本系统采用的单片机为8 9 c 5 2 ，它是8 位单片机，具有片内振荡器；4 k 的e e p r o m ，1 2 8 b 的片内r a m 2 1 个特殊功能寄存器；3 2 根i o 线；可寻址 各6 4 k 的外部数据、程序存储器空间：3 个1 6 位的定时器计数器；中断结 构：具有两个优先级、五个中断源；一个全双工串行口；有位寻址功能， 适于布尔处理的位处理机2 跗。 3 2 8i2 c 存储器 a 器件选择 本系统的存储器件选用a t 2 4 c 0 2 ，a t 2 4 c 0 2 为2 5 6 x 8e 2 p r o m 。由于其 半导体工艺特性，写入时间为5 l o m s ，从外部直接写入，每个字节要等候 5 1 0 m s 2 2 1 。 b 电路设计 a t 2 4 c 0 2 的t e s t 脚为测试端，系统中做接地处理。a 2 、a 1 、a 0 可任接， 最多可接8 片，系统中只使用一片，为其选定引脚地址为0 0 0 ，其器件地址 是l o l o ，a t 2 4 c 0 2 在系统中的寻址字节s l a w = a o h ，s l a r - a 1 h 。 单片机测量系统硬件设计 3 2 9 显示电路的设计 系统采用1 2 位l e d 显示，显示电路原理图见附录，通过7 4 l s l 6 4 进行 串并转换，进行显示，由于l e d 显示耗电量大，需要系统供电电流大，使 系统发热量大，因此系统选用高散热量的基准电压源芯片对系统进行供电： 数码管位数较多，因此电路中加了消隐显示。系统显示采用模拟串口。方 式进行显示，采用两根数据线，其中一条用来提供时钟，另一条用来发送 要显示的数据。在时钟的作用下，8 9 c 5 1 将显示缓冲区中待显示的数据通过 数据线传送给7 4 l s l 6 4 ，7 4 l s l 6 4 是串行输入、并行输出的8 位移位寄存器， 将数据向高位传输，驱动数码管显示。 3 2 1 0 键盘电路的设计 键盘电路设计是单片机系统中的关键部分，它能实现向计算机输入命 令和传输数据等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘可分为两类： 矩阵式和独立式 a 独立式键盘 独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输 入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。因此，通过检 测输入线的电平状态即可判断哪个按键被按下。独立式按键电路配置灵活， 软件结构简单、可靠。但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多 时，输入口浪费大，电路结构很繁杂，故这种键盘适用于按键较少或操作 速度较高的场合。 b 矩阵式键盘 矩阵式键盘按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开 关的两端。行线通过上拉电阻接到十5 v 上。平时无按键动作时，行线处于 高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线 西安理工大学硕士学位论文 电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行 线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。由于 矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电压。 因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作 适当的处理，才能确定闭合键的位置。矩阵式键盘适用于按键数量较多的 场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。一个3 x 3 的行、 列结构可以构成一个有9 个按键的键盘。同理一个4 1 4 的行、列结构可以 构成一个含有1 6 个按键的键盘等等。很明显，在按键数量较多的场合，矩 阵键盘与独立式按键键盘相比，要节省很多的i o 口。本系统所采用的就 是3 * 3 矩阵式键盘，用p o 口做键盘状态扫描口，各行线和列线均接上拉电 阻，对键盘进行扫描时分别输出行线为“1 ”列线为“0 ”和列线为“1 ”行 线为“0 ”，根据p o 口的不同状态，来判断是否有键按下，其电路原理如下 所示： 3 2 1 1 串口电路的设计 图3 - 6 矩阵式键盘示意图