[精品论文] 智能石油产品运动粘度测定仪设计.pdf

分类号： u d c ：一 密级：互笙丑 编号= 一 智能石油产品运动粘度测定仪设计 d e s i g n0 ft h ei n t e l l i g e n tk j n e m a t i cv l s c o s i t y t e s t e ro fp e t r o l e u mp r o d u c t s 学位授予单位及代鸠：篮查型王盔芏( 1 q ! 墅2 学科专业名称及代码：盟越皇王王崔! q 8 q 2 丝2 研咒方向：丑虫垂缝壁型墨基查 指导教帅： 差萱鲤嚣亟 论文起止时间：垫! q 至! q 旦= 垫! i 芏1 2 旦 甲请学位级别： 亟 研宄生： 任垄 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，智能石油产品运动粘度测定仪设计是 本人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研宄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， 作者签名： 也；! ! ! 兰年三一月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士，博士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。 指导导师签名 作者签名：盟坦l 年土月盟日 竺丝年三月盟口 摘要 运动粘度的测量在石油、化工、纺织、医疗等众多国民经济领域应用非常广泛 对生产环节的流程控制以及最终产品的性能评价起着重要作】；1 j ；随着工业现代化的不 断发展相关领域对运动粘度的测量精度要求越来越高我国传统的运动粘度测量技 术已经难以满足现代石油d 中对石油运动粘度测量的高精度要求的需要，本文提出 了一种智能石油产品运动粘度测定仪。 论文首先介绍了国内外在粘度测量技术方面的发展现状详细叙述了毛细管法测 量运动粘度的理论依据根据毛细管法测量运动粘度原理，设计一款集温度控制、液 位检测、粘度计算、打印报告单于一体的全自动化的石油产品运动粘度测定仪。智能 石油产品运动粘度测定仅采用a v r a t m e g a l 2 8 单片机为控制系统的核心进行数据处 理，由于温度对石油运动粘度的测量影响巨大，所以采用模糊p i d 温度控制原理控制 水浴的温度以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心咀p t l 0 0 铂电阻及其优化电路为温度传感器、 联合半导体制冷片t e c 1 2 7 0 6 共同组成一个恒温控制系统。实现了水浴温度的快速的、 准确的控制。传统的液位检测是通过人眼判断被剥液体的凸液面流经粘度仪计时刻度 线本文采集红外传感器来代替人眼来实现液位的自动检测提高了剥量的精度和仪 表的自动化程度。采用v b 编制上位机管理软件用户可己通过人机界面进行数据的 管理、查询，修改、打印等相应的操作，对油管的石油粘度进行实时的监删。 该运动粘度测定仪具有使用简单，测量速度快、测量精度高等优点，在国内石油 运动粘度测量方面有较高的商业价值。 关键词：石油产品运动粘度单片机模糊p i d 红外传感器 a b s t r a c 丁 k i n e m a t i cv i s c o s i t y m e a s u r e m e n t s i s w i d e l yu s e d i n t h ep e t r o l e u m 、c h e m i c a l i n d u s u 3 , 、 t e x t i l e 、m e d i c a la n d m a n yo t h e ra r e a so f n a t i o n a le c o n o m y ，i t p l a y sa r t i m p o r t a n tr o l e i n f l o w c o n t r o lo fp r o d u c t i o np r o c e s s e sa n dt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fe n dp r o d u c tw i t ht h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lm o d e r n i z a t i o n ，t h er e q u i r e m e n ti nr e l a t e df i e l d so f k i n e m a t i cv i s c o s i d , m e a s u r e m e n ti s h i g h e ra n dh i g h e r t r a d i t i o n a lk i n e m a t i cv i s c o s i l ) m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ) h a sb e e nd i f f i c u l tt om e e tt h em o d e mp e t r o l e u mi n d u s t r yf o rt h e n e e do f h i l ； lp r e c i s i o no f o i lk i n e m a t i cv i s c o s i t ) m e a s u r e m e n t sd e m a n di nc h i n at h i sp a p e r p r e s e n t sai n t e l l i g e n tk i n e m a t i cv i s c o s i t yt e s t e ro f p o t r o l e u mp r o d u c t s t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t a t u so f v i s c o s i t ym e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ) a th o m ea n d a b r o a d tt h a td e t a i l e dd e s c r i b e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rk i n e m a t i cv i s c o s i t ) m e a s u r e m e n t s 埘t l c a p i l l a r y m e t h o da c c o r d i n g t o p r i n c i p l e k i n e m a t i cv i s c o s i t ym e a s u r e m e n t sw i t h c a p i l l a r ym e t l l o d - w h i c hd e s i g n saa u t o m a t i c k i n e m a t i cv i s c o s i “t e s t e ri nt h ei n t e g r a t i o no f t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，l i q u i dl e v e ld e t e c t i o n tv i s c o s i t yc a l c u l a t i o n p r i n t i n gr e p o r t s t h e i n t e l l i g e n tk i n e m a t i cv i s c o s i t yt e s t e ro f p e t r o l e u mp r o d u c t su s e sa v ra t m e g a l 2 8m c ua s t h ec o r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mf o rd a t ap r o c e s s i n gb e c a u s et h et e m p o m t u r ei sv e r yi m p o r t a n t o nt h eo i lk i n e m a t i cv i s c o s i t ym e a s u r e m e n t s p r o d u c t st e s t e ru s e sf o z , p i dt e m p e r a t u r e c o n t r o lp r i n c i p l ec o n t r o l t h e t e m p e r a t u r eo f w a t e rb a t h ，u s e s a t 8 9 s 5 2 m c ua s t h ec o r e u s e s t h ep t l 0 0p l a t i n u mr e s i s t a n c ea n du s et h eo p t i m i z a t i o nc i r c u i ta st e m p e r a t u r es e n s o r c o m b i n e dw i t ht h es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o np i e c et e c - 1 2 7 0 6t oc o m p o s e da t e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mi tr e a l i z e sr a p i da n da c c u r a t ec o n w o lw a t e rb a t ht e m p e r a t u r et h et r a d i t i o n a l l i q u i dl e v e ld e t e c t i o n i sa c h i e v e db yu s i n gt h eh u m a ne y et od e t e r m i n et h ev i s c o s i e i n s t r u m e n ts c a l e l i n e w h i c h i s m e s s u r e d l i q u i d f l o w s t h r o u g h t h ec o n c a v es u r f a c e ，t h i sp a p e r u s e si n f r a r e ds e n s o ri n s t e a do fe y e st or e a l i z ea u t o m a t i cd e t e c t i o no fl i q u i dl e v e l t h a t i m p r o v e st h ep r e c i s i o no f m e a s u r e m e n ta n di n s t r u m e n t a t i o na u t o m a t i o nd e g r e e i tu s e sv b m a k ep cm a n a g e m e n ts o f t w a r e t h eu s e rc a r l t h r o u g hm a n m a c h i n ei n t e r f a c ef o rd a t a m a n a g e m e n t tq u e u m o d i f 、- p r i n ta n do t h e rc o r r e s p o n d i n go p e r a t i o n si tc a l s ob eo n t u b i n go i lv i s c o st yf o rr e a l - t i m em o n i t o r i n g t h ek i n e m a t i cv i s c o s i t yt e s t e rh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l et ou s ef a s tm e a s u r e m e n t s p e e d h i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n t h a th a sah i g hc o m m e r c i a l 、a l u ei nd o m e s t i ck i n e m a t i c vs c o st ，vm e a s u r e m e n t s k e yw o r d s ：p e t r o l e u mp r o d u c t s k i n e m a t i cv i s c o s i d s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r f u z z ) p i di n f r a r e ds e n s o r 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一毫绪论1 i i 课题的研究目的以及意义 1 2 国内外粘度测量技术的发展现状 2 3 论文的主要研究内容 一 6 第二毒控制系统的总体设计8 2i 运动粘度测定仪控制系统的总方案 8 2 1 1 运动粘度测定仅的功能 8 2 12 运动粘度测定仪的工作流程 1 0 2 2 a v r a t m e g a l 2 8 单片机 1 0 2 3 电源模块设计 1 3 23 1 电源模块结构 1 3 2 32 电源电路设计 1 4 24 液晶显示电路设计 1 5 2 4 1s m g l 2 8 6 4 液晶显示器 一 1 5 2 42 液晶显示器的电路设计 1 7 25 按键功能设计 一 1 7 2 6 t i a r d 0 2 0 e 3 2 5 打印机 1 9 27 报警电路设计 2 0 2 8j t a g 调试接口 2 0 第三章恒温控制单元设计2 3 3 1 恒温控制单元整体方案 2 3 3 2 模糊p i d 恒温控制器 2 3 3 2 1 a t 8 9 s 5 2 单片机简介 2 3 3 22 模糊p i d 控制器 2 6 3 23 模糊p i d 控制算法分析 2 8 3 3p t l 0 0 温度传感器 3 0 3 3 1 测温电路的设计 3 3 32 a d 数据转换电路 一 3 2 3 4 半导体制冷片t e c 1 2 7 0 6 3 3 35 模糊p i d 温度控制m a t l a b 仿真 3 4 第四章液位自动检测单元设计3 8 4 l 本章引言一 一3 8 42 红外传感器的液位自动检测 3 8 43 毛细管粘度计的选择 3 9 44 液位检测的算法设计 4 0 4 4 1 拟台起点的确定 4 0 4 42 间歇采样时间的确定方法 4 1 4 , 43 基于最小二乘法的计时起点与终点确定 4 2 第五章控制系统的软件设计4 4 5 l 控制系统主程序结构 4 4 5 2 功能按键控制程序设计 4 5 5 3 液晶显示程序设计 4 6 5 4 恒温控制程序设计一 4 8 5 5 上位机设计 一 4 9 第六章实验数据分析5 4 结论与展望5 5 致谢5 6 参考文献5 7 附录5 9 第一章绪论 11 课题的研究目的以及意义 石油是制约现代工业社会发展的重要因素是维持世界经济高速发展的主要能源。 1 9 6 5 年石油消费就已经超过煤炭占据全球能源消费主导地位，由此开始进入“石油时 代”。进入2 l 世纪以后，石油短缺问题已经成为制约我国经济持续快速发展的瓶颈。 能否保证石油的正常供应关系到我国社会主义现代化建设的成败j 。 粘炭是评价油品流动性能的指标，国际单位m m 2 s 通常也用厘斯( c s t ) 表示 粘度指数反映油品在温度变化中粘度的稳定性能。粘度指数的概念是摇述石油产品粘 度与温度之间关系的一个特性参数，其英文代号为“v l ”。粘度指数越大油品粘度随 温度变化就越小反之如果粘度指数越小，则油品粘度就会随温度变化越大”刊。在油 品的流动和输送过程中粘度对油品的流量和压力降的影口自很大因此在工艺设计计 算中油品的粘度是不可缺少的物理参数之一。粘度是喷气燃料油的重要指标之一。 因为喷气燃料的粘度对燃料雾化程度影响最大。而燃料油雾化的好坏是决定喷气发动 机在不同温度下所必须的雾化程度所以在喷气燃料规格标准中，规定了2 0 及4 0 时的粘度要求。粘度是柴油的重要性质之一它决定了柴油在内燃机内雾化以及燃烧 的情况当粘度过大时，喷油嚣喷出的油滴颗粒大。雾化状态不好空气混台的不充 分燃烧不完全，影响了发动机功率消耗：当粘度过小时，容易挥发，损失太大同 时会影响油泵润滑程度，增加拉塞磨损。粘度是润滑油最重要的质量指标之一，若使 用过大粘度的润滑油时，则会降低发动机的功率。增大燃料的消耗，同时容易造成 发动机启动困难。若使用粘度过小的润滑油时，则导致该润滑部位难形成油膜，造成 两相蘑擦面之间成为“干磨擦一，达不到润滑目的增大机器的磨耗。润滑油的牌号大 部分在产品标准中，以运动粘度的平均值来划分。如冷冻机油、机械油等以5 0 c 运动 粘度的平均厘斯数划分，内燃机润滑油、汽缸油、齿轮油等按1 0 0 c 运动粘度的平均厘 斯数划分。 石油的运动粘度是在同一个温度下油品的动力粘度与油品的密度之比，它表征油 品在自身重力的作用下流动时摩擦力的量度。石油的运动粘度反映了石油产品的枯稠 情况，单位是平方毫米每秒。毛细管法运动粘度的测量为在某一恒定的温度下测量 一定体积的油品在自身重力作用下流过玻璃毛细管粘度计两个标定刻度线的时间t 毛 细管粘度计的系数与流过玻璃毛细管粘度计两个标定刻度线的时f o j 的乘积即为该温度 下被测油品的运动粘度。很多石油产品的使用性能与其运动粘度情况密切相关，为了 保证石油的使用性能，石油产品在出厂之前都需要测量其运动粘度值。举课题设计一 种基于单片机技术的全自动石油产品运动粘度测定仅，智能石油产品运动粘度测定仪 的功能包括恒温控制、液位检测、粘度计算、打印报告单全过程自动化。目前国内毛 细管法测量运动粘度测定方法是使用手动粘度测定仪，自动化程度不高、操作复杂、 系统误差大而且劳动量大。所以设计一种智能石油产品运动粘度测定仪是很有意义的。 2 国内外粘度测量技术的发展现状 粘度测量技术是以1 7 世纪提出的牛顿粘性定律作为理论基础由于不同流体的粘 性特征差异很大各国的粘度测量标准各不相同但是粘度测量方法大体可以归纳成 旋转法、落球法和毛细管法三种方法州”。 ( 1 ) 旋转法 旋转法测液体粘度是适用范围最广的测量方法它适用于所有牛顿型流体和非牛 顿型流体。旋转法测量液体粘度的原理为：旋转体在液体内旋转时，由于受到流体粘 性阻力的力矩作用旋转体的转矩或转速发生了改变根据测量旋转体的转速来确定 流体的粘度叫。其示意图如图ll 所示： 国1 j 旋转法结构示意图 其中r 和r 分别为同轴内外的半径。设w 为旋转体的角速度：h 为旋转体浸没在 液体的深度。若流体作层流流动液体与旋转体没有相对位移。通过流体的摩擦力作 用在相对静止的旋转体侧面的转动力矩为： ”= 蒜】l r z 嘉】 1 1 ”i 忑i 悟一萨j 式( 】) 中浸没深度h ，旋转主体的半径f 和容器半径r 是已知的所以要计算 液体粘度值测定角速度w 和力矩m 成为旋转法测量液体粘度的关键。 旋转法粘度计是最早实现商业化的粘度计美国的b r o o k f i e l d 研制的圆盘式旋转 粘度计的应用就非常广泛【“l 。同步电机连接刻度盘当电机以某一恒定的角速度做匀 速旋转运动时，游丝和转轴带动转子做旋转运动。在旋转体没有受到液体的粘滞阻力 时，游丝指针的转速与刻度盘的转速同步指针与刻度盘没有发生相对位移t 指针指 在刻度盘的零刻度位置e ：当受到液体粘滞阻力后，为了与液体粘滞阻力所产生的转 矩相平衡游丝产生了相应的扭矩，此时指针与刻度盘发生相对位移，指针在刻度盘 上指向一定的数值，将此转角经相应的数学运算后。代入式c 11 ) ，计算出被测液体的 粘度值。此类的仪表也有缺点：如果游丝产生了过大的扭矩时，会产生蠕变会损毁 游丝。所以液体粘度的转子转速与测量范围都是有所限制的。测试的原理图如图1 2 所示： 女崾盘 图i2 旋转法粘度计示意图 世界上许多国家都开发了此类产品，如美国c a n n o n 公司的v 2 0 0 0 系列，日本东 京计器的b 型，还有英国、澳大利亚和法国等国家也有相似的产品投放市场。在国内 也有同类的产品，如我国成都仪器厂的n d j 9 9 型、上海天平仪器厂的n d j 系列等。 ( 2 ) 落球法 常温环境下测量液体粘度晟常用的方法是落球法1 】5 j 。常温下当固体小球在静止 的被测液体中垂直下落时对小球受力分析小球受到三个力的作用即浮力、重力 和阻力当受力平衡时即重力等于浮力和阻力之和时，小球以速度做匀速运动。 当密度为风、半径为r 的光捃小球的在密度为n 的液体中匀速下沉时此时粘度 为： ”：三e ，= ( 12 ) 1 2 i 旷气 “ 式( 12 ) 是在理想状态中，假设液体体积为无穷大时导出的公式但是现实中粘 度计的尺寸是有限的，在实际测量中，容器的高h 和半径r 对测量结果是有影响的。 对于半径为r 的小球，它的修正式公式为： 目：一2 r - 上 旦 ( 1 3 ) ”铲。忑# 羔再 一 根据式( 1 3 ，可知，要计算出该液体在此温度下的粘度值，需要先知道小球半径 r 、容器半径r 、小球的密度p s 、液体密度n 和小球的速度。所以测定小球的速度 成为计算液体运动粘度的关键。但是当测量非透明液体的枯度时必须有特殊的装置 才能测定小球的速度地- 从而得出其粘度值c 最早的落球式粘度计是德国的一位化学家在2 0 世纪3 0 年代发明的，这种落球式 粘度计是即精确又简单的粘度计，适用于测量低粘度的液体，如饮料、啤酒、人体血 浆等。后来日本东京大学研制了测量高温熔体的落球型粘度计，该粘度计装有x 射 线的高分辨率c c d ，来观察小球在熔体中的下落过程。 ( 3 ) 毛细管法 毛细管法也是现在普遍使用的一种测量液体粘度的方法。特别是在低温测量领域。 毛细试管粘度计测定液体运动粘度的原理是根据1 9 世纪的法国科学家提出了泊萧叶定 律即： v 袅( e 圳f ( 1 4 ) 式( 14 ) 中： 一液体的运动粘度：r 毛细管半径：v _ 在时间r 内液体流出 的体积；l 毛细管的长度；r 一液体流出v 体积所用的时间：p lp r 流体单元所受的 压力。 玉盟 ，一、 l _ _ _ 。_ ，l _ 。- e _ 。_ ，4 一 一一一 l 二l 一* 一一 一 一 ，。1。 三：l _ i i i i i ；i 二_ 1 - - ， 图l3 存管中流体所受的阻力和速匿的舒布 如图i3 所示流体在试管中做层流流动但是在试管两端不能完全做层流流动， 还有径向流动于是引入附加管长修正项一”j 。由于在试管两端流体有动能损失得 出： r ：7 c r 4 ( p l - p , _ ) r - 旦! 二一 ( 1s ) 8 ( l + n o v 8 ，r ( l + n r ) r 式( 1 5 ) 中：p 一液体的密度：m 一常数；将式( 1 5 ) 改写为： ”：a r b 旦1 i6 1 f a ：! ! 驾二型 ( 17 ) 8 ( l + n r ) v b ： 里! ( 18 ) 8 州l + n r ) 毛细管粘度计结构如图l4 所示粘度计的支管处接橡皮管管身的管口插入承油 品的烧杯中通过连接支管处橡皮管的洗耳球将油品吸至下刻度线上部的扩张部分 不能出现气泡，取出粘度计擦干粘度计壁将粘度计垂直放置在水浴中，用洗耳球 将油品试样吸至上刻度线以上少许，设定好水浴的温度t ，加热水浴使水治的温度恒定 在t 度，恒温后使油品自由流下，观察液面当液体的凸液面流到上刻度线时开始计时， 液体的凸液面经过下刻度线时停止计时重复测定4 次，取不少于3 次的流动时间所 得算数平均值作为平均流动时间。通过粘度计的常数计算的出所测试样的运动粘度值。 艘线 圈i4 毛细管粘度计结构 针对某一种毛细管运动粘度计而言其中a 、b 是仪器常数：用运动粘度己知的 液体进行测量来确定a 、b 的值。当a b 的值确定后通过记录液体通过的时间来 计算出所测液体的运动粘度。 近年来，毛细管粘度计在人们不断改良的基础上已经得到了很好的发展。美国 c a n n o n 公司生产的直管式、英国s t a n h o p e - - s e t a 公司与法国i s l 公司生产的折 管式都是采用特别设计的毛细管粘度计。 上世纪8 0 年代我国开始研发毛细管粘度计自动测量法，福建的泉州电子仪器厂 研发出国内第一代毛细管粘度计产品，至今已有多代更新换代产品投放到市场。近1 0 年来，一些科研单位也进行毛细管粘度计的研制并且有相关产品投放到市场中石 油产品的粘度测量多数应用毛细管粘度计。 3 论文的主要研究内容 本文介绍了国内外粘度测量技术及其原理，分析了毛细管法的原理，根据毛细管 法测运动粘度原理提出设计一种智能石油产品运动粘度测定仪，它是以a v r 单片机 为主控制芯片、红外传感器精确记录液位信息、采用模糊p i d 温度控制器控制恒温环 境的全自动化石油运动粘度测定仪，实现了集恒温控制、液位检测、粘度计算、打印 报告单全过程自动化。本文设计了模糊p i d 恒温控制器、p t l 0 0 温度传感器的测温电 路，红外传感器检测电路、最小二乘法确定计时起点与终点的方法、石油运动粘度测 定仪的下位机程序以及上位机人机交换界面。全文分为六章各章的主要内容如下： 第一章：主要介绍了粘度测定的意义、粘度测定技术的国内外的现状，并指出本 文的研究内容。 第二章：制定了智能石油产品运动粘度测定仪设计的总体方案，介绍了智能石油 产品运动粘度测定仪的功能及其技术指标，根据仪表的功能需要，设计智能石油产品 运动粘度测定仪的各个硬件部分。 第三章：控制系统中恒温控制单元的设计，根据模糊p i d 原理，提出一种以a t 8 9 s 5 2 单片机为控制核心的模糊p i d 恒温控制器，以p t l 0 0 铂电阻及其优化电路为温度传感 器联合半导体制冷片t e c ，1 2 7 0 6 共同组成一个恒温控制系统。并用m a t l a b 做模糊 p i d 温度控制仿真。 第四章：液位自动检测单元设计采用光电传感器来自动测液位，设计了红外传 感器测量的电路，提出一种以最d 、二乘法减小测量液位误差的方法。 第五章：控制系统的软件设计包括各个模块的下位机设计和上位机人机交换界 面。 第六章：实验数据分析分别用智能石油产品运动粘度测定仪和传统的手动测量 方法对渊柴油、变压油、重油等多种石油产品做运动粘度测量实验。作对比实验根 据实验结果，分析智能石油产品运动粘度测定仪的性能。 第二章控制系统的总体设计 21 运动粘度测定仪控制系统的总方案 智能石油产品运动粘度测定仪采用a v r 单片机为控制系统的核心根据模糊p i d 温度控制原理进行恒温控制a t 8 9 s 5 2 单片机为模糊p 1 d 温度控制器的控制芯片 p t l 0 0 温度传感器采集温度信息，联合半导体制冷片t e c 一1 2 7 0 6 来控制恒温水箱的温 度放弃了传统的人眼观察液位信息，换红外传感器采集液位信息，提高了检测的精 度和仪器的自动化程度用s m g l 2 8 6 4 液晶显示器作为人机平台t 1 a r d 0 2 0 e 3 2 5 打 印机打印报告单。智能石油产品运动粘度测定仅的结构如图2i 所示： 3 毛自管# 雠” b - - f ”h # 线 1 叶1 1 温旺传g 2 一热x 【。惜铆怙h n $ 目$ v r m h n4 * w 目- - a t 8 9 s 5 2 单片机 图21 智能石油产品运动牯度测定仪的结构 2 1i 运动粘度测定仪的功能 智能石油产品运动粘度测定仪采用模块化设计思想温度控制、液位测量、信息 传送与数据管理等功能由各功能模块分工完成。智能石油产品运动粘度测定仪包括主 机控制模块、按键功能模块、液位检测模块、液品显示模块、温度控制模块以及打印 机模块。智能石油产品运动粘度测定仪的功能模块图如22 所示 图2 2 智能石油产品运动粘度测定披的功能攥块 ( 1 ) 主机模块：系统的核心芯片采用a v ra t m e g a l 2 8 单片机，a v ra t m e g a l 2 8 是一款基于a v rr i s c 结构的低功耗c m o s8 位单片机。主机模块主要负责接受信号、 数据处理、运动粘度计算、液面自动检测、声音报警咀及和其它模块之间的通信。 ( 2 ) 温度控制模块：由于石油运动粘度的测量需要恒温环境所以要求系统必须 严格控制水浴的恒温环境。根据模糊p i d 恒温控制原理设计一款模糊p i d 温度控制器， 采用p t l 0 0 温度传感器采集温度信息，由a d 数模转换器把模拟信号转换成数字信号 送给a t 8 9 s 5 2 单片机。温度的设定值与测量值进行比较，经模糊p i d 运算后，给半导 体制冷片t e c 一1 2 7 0 6 信号。实现温度控制。 ( 3 ) 液晶显示模块：采用s m g l 2 8 6 4 液晶显示器，主要负责显示运动粘度测定仪 的工作信息包括：初始化状态信息、设定温度、即时温度、采集的时间等。使操作 人员清晰地观察运动粘度测定仪的工作状态。 ( 4 ) 液面检测模块：负责采集油品流经毛细管的上下计时标线的时间传送a v r a t m e g a l 2 8 给单片机。以红外传感器采集液位信息用最小二乘法拟台的方法确定计 时的起点和终点。 ( 5 ) 打印模块：接打印机，打印测量结果的报告单。 ( 6 ) 按键功能模块：运动粘度测定仪系统的按键有5 个分别为k 1 k 5 ，k i 为 整机复位键：k 2 为启动键：k 3 为设置键；k 4 为下箭头：k 5 为上箭头。 212 运动粘度测定仪的工作流程 在系统上电以后，液晶显示器提示输入设定温度，恒温控制系统开始工作，当恒 温水箱中的温度稳定在设定温度时，蜂鸣器开始报警，将油品注入毛细管中保持2 0 分 钟开始测量，当油品流过毛细管上下两个标刻线时红外传感器自动检测液位信息， 在设定温度下，将油品在自身重力作用下通过两个标刻线的时间送给a v r a t m e g a l 2 8 单片机，通过计算将油品的运动粘度值显示在液晶屏上打印报告单，测量结束。 智能石油产品运动粘度测定仪的工作流程如酗23 所示； i i 一、 输入设定温度 恒温控制 注入特测油品 液位检测 运动粘度计算 显示运动粘度值 打印报告单 、塑一 图2 3 智能石油产品运动粘度测定仪的工作流程 智能石油产品运动粘度测定杖主要技术指标： ( 1 ) 测量精度：乌氏粘度计测试符台g b 2 6 5 - 8 8 标准：逆流法测试符台 g b t l l l 3 7 - 8 9 标准。 ( 2 ) 温控精度：工o2 。 ( 3 ) 计量精度：00 1 秒。 智能石油产品运动粘度测定仪工作条件： ( 1 ) 电源：2 2 0 v - 1 0 5 0 1 - 1 z 。 ( 2 ) 环境温度：0 - 4 0 。 2 2a v r a t m e g a l 2 8 单片机 雏片机是在硅片上毹成了数据存储器、程序存储器、中央处理器、定时器计数器 和多种i o 接口的单芯片微型计算机。1 9 9 7 年a t m e l 公司推出了a v r 单片机t 它是一 款内载f l a s h 、低功耗、高性能、增强r i s c 指令架构的新型单片机i l z l l l g l 。 a v r 单片机是第一个具有i m i p s m h z 速度的p d s c 结构单片机，它之所以可以在 执行现行指令的时候就取出下一条指令以及它的数据存储器和程序存储器是分开寻址 和组织的就是因为采用了h a r v a r d 结构。它的寻址空间可以直接访问8 m b 的数据存 储器或者直接访问8 m b 的程序存储器。用c m o s 工艺制造的a v r 单片机其内部集 成了f l a s h 、s r a m 和e 2 p r o m 三种不同用途和性能的存储器可以通过编程器对 a v r 单片机的e 2 p r o m 数据存储器和f l a s h 程序存储器编程一般的a v r 啦片机还具 有线编程，极大的方便了对a v r 单片机的使用。a v r 单片机的内部结构如图2 4 所示： e # 0 4 图24 a v r 单片机的内部结构 a t m e g a l 2 8 的主要特点如下1 2 1 j i 捌： ( i ) 先进的p d s c 精简指令： 高性能，低功耗的r i s c 结构： 一一13 3 条功能强大的指令，大多数为单指令周期： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o 1 6 m h z ( a t m e g a 2 8 ) a t m e g a l 2 8 引脚如醇2 5 所示 lglll llll llg llllgll ll l l l lg l l l a t m e g a l 2 8 1 6 ： ! = 目目r ；矿一p g o 黼 ll 23 电源模块设计 2 3 】电源模块结构 l 9 3 l l l lll 圈2 5 a t m e g a l 2 8 的引脚 电源电路是智能石油产品运动粘度测定仪的供电核心。石油运动粘度测定仪由外部 输入2 2 0 v 的交流进行供电。但是由于本测定仪的内部器件的工作电压分别为5 v 的直 流电压和9 v 的直流电压。所以设计一个将2 2 0 v 交流电转换成5 v 的直流电压和9 v 的直流电压的电路。电源控制模块的结构如圈2 6 所示： n“犯时”m 。爱薰囊罴三 loop 2 2 0 v 交谶电- 1 2 v 交流电- - 桥式整流 - 5 v 直流电压 + 9 v 直流电压 目2 6 电源控制模块的结构 从电源控制模块的结构图上分析，该电源模块主要是为了得到两种电压，9 v 直流 电压是为了给红外传感器进行供电5 v 直流电压是为了给单片机、液晶显示器以及其 它辅助电路供电。 二32 电源电路设计 由图2 6 可知，首先把2 2 0 v 的交流电压经变压器进行降压，降压后得1 2 v 的交流 电压，随后经由二极管d l 、d 2 、d 3 、d 4 组成的桥式整流电路整流后就得到一个电 压波动很大的直流电源，所以在这里接一个3 3 0 0 9 f 的电容进行德波得到1 2 v 的直 流电压经过三端稳压芯片l m 7 8 0 5 可输出的5 v 直流电压，得到的s v 直流电压为单 片机、液晶显示器以及其它辅助电路供电。在井联电路上，1 2 v 的直流电压再经过 三端稳压芯片l m 7 8 0 9 可输出的9 v 直流电压，经过电容c 3 滤波后便得到稳定的9 v 直流电压，得到的9 v 直流电压给红外传感嚣进行供电。其电源电路如图2 7 所示： v c c l m 7 8 0 5 一二_ 丽! 型 $ m l ”噬i 自墼? t l 粤娶。 o 一 ；二刮；3 3 0 0 u f 上逾w 一一 4 一- v o d 304j啦 c 2 g n d 圈27 电潍电路 表2 - 1 电源电路中得元件清单： 标号名称规格 t l变压器2 2 0 v - 9 v d 1 一d 5 整流二极管 s l a b 7 0 8 5三端稳压芯片l m 7 8 0 5 c l电容 3 3 0 0 8 f c 2 、c 3电容1 0 u f 2 4 液晶显示电路设计 智能石油产品运动粘度测定仪正常工作时 的各种状态信息包括：工作时间、设定温度 显示计算结果等。 2 4is m g l 2 8 6 4 液晶显示器 需要显示器来显示出运动粘度测定仪 水槽温度、红外传感器是否接到信号、 本课题石油运动粘度测定仪采用s m g l 2 8 6 4 液晶显示器，s m g l 2 8 6 4 液晶显示器 可以显示图形和汉字存有国标g b 2 3 1 2 码简体中文字库、1 2 8 字符及6 4 2 5 6 点砗显 示r a m 。s m g l 2 8 6 4 液晶显示器可以用串行及8 位并行两种方式直接连接控制芯片 具有光标显示、睡眠模式、画面移位等。s m g1 2 8 6 4 液晶显示器外形如图2 8 所示： 图2 8s m g1 2 8 6 4 液晶显示器外形 岍什啡 s m g l 2 8 6 4 显示器接【；号说明如表2 - 2 所示 表2 2s m g l 2 8 6 4 显示器接口信号说明 名称 引脚 说明 v s sl 电源负极 v d d2电源正板( + 5 v ) v 0 l c d 偏压输入 r s4 数据命令选择端( i - f l ) 州5 读写控制信号( h i ) e 6使能信号 d b 07i ，o d b l 8 i o d b 29i ，o d b 31 01 ，0 d b 41 1i ，o d b 51 2o d b 61 3i ，0 d b 7 1 4 i ，o p s b l5h ：并行数据模式l 串行数据模式 n c j 6空脚 ，r s t1 7复位端( h 正常工作l ：复位) n c18空脚 l e d + 1 9背光源正极 l e d 一2 0 背光源负极 袁2 - 3s m g l 2 8 6 4 显示器的技术参数 显示容量1 2 8 6 4 点阵( s t n 型) 电尺寸 04 8 x 04 8 ( w x h ) m m 工作电流 5 l m a i 工作电压 48 - 5 2 v i 背光源工作电流 1 4 00 m a f 模块蹬佳工作电压 50 v 背光源颜色 白色( 5 0 ) 蓝膜负显s 1 - n 2 42 液晶显示器的电路设计 s m g l 2 5 6 4 液晶显示器的工作电压为+ 5 v ，一共有2 0 个引脚。3 脚是显示器的对 比度，使液晶显示器显示最佳的效果：1 7 脚为复位引脚：1 9 脚是显示背光的正极：2 0 脚是显示背光的负极：r s 脚接a t m e g m 2 8 的p g 0 ：r w 脚接a t m e g a 2 8 的p g l ：e 脚接a t m e g a l 2 8 的p g 2 ：s m g l 2 8 6 4 的d b l d b 7 为数据传送脚分别接在p b 7 一p b 0 引脚上进行数据传递。液晶显示器的电路设计如图2 9 所示： 2 ；罄l 。营i 目目自蓉自岔霉l 。i 自 虬 = 而i i i i 孑i j ；j i 1 百i f 可i g 自量目* 目莹 望2 坚j ， 5 0 k 享 ：5 按键功能设计 圈2 9 液晶显示器的电路设计 按键是单片机最基础的、最简单的输入设各，是人工干预单片机的主要手段之一， 通过按键输入命令实现向单片机输入数据、传送命令等功能。编程扫描工作方式、中 断工作方式和定时扫描工作方式为键盘最常见的三种工作方式。按键本质是机械触点 闭合和断开来实现其功能。在按键输入信号时，系统耍做两个工作，一是确认按键是 否被按下及其是哪个按键被按f ：二是消除抖动现象的影响。 ( 1 ) 按键的确认 系统检测是否有按键被按下，就是在检测按键所相连引脚的电平是高电平还是低 电平。当有按键被按下时按键所相连的引脚为高电平通过判断单片机引脚的电平 的高低就可以判断是否有按键被按下及其哪个按键被按下。 ( 2 ) 消除抖动现象的影响 当按键桩按下时，会发生抖动现象，按键的抖动现象会使系统判断按键被按下的 次数有误。为了确保每次按下按键，只执行一次按键对应的功能需要消除抖动现象 的影响。键抖动的波形如图2 】0 所示： 盏；# 1n 广一 九川fj l 1 1 o r 1u lfi 门 uuyp l _ 一 圈21 0