以IC卡为信息载体的智能IC卡燃气表毕业设计 - 副本.doc

兰州理工大学毕业设计(论文)以IC卡为信息载体的智能IC卡燃气表毕业设计目录第1章 接触式预付费燃气表的研究意义11.1课题的研制背景11.2燃气计量收费的发展历程11.3产品市场及发展21.3.1国内外IC卡的应用现状及发展趋势21.3.2 IC卡燃气表的发展历史及国内外现状3第2章 接触式预付费燃气表的总体设计方案及原理42.1 方案比较42.2 接触式预付费燃气表的总体设计方案42.2.1 系统总体的控制过程42.2.2接触式预付费燃气表的控制算法52.3 接触式预付费燃气表的原理52.4 接触式预付费燃气表的功能5第3章 接触式预付费燃气表的硬件设计73.1 主要系统组成73.2 传感器的功能及其技术参数73.2.1概述73.2.2 工作原理、结构及选择计算83.3（RCV420）变换器的设计163.3.1 变换器的介绍163.3.2 工作原理173.3.3 注意事项183.4 A/D转换器的设计193.5 TLC549与AT89S52芯片的连接方法203.6 单片机的设计213.6.1 AT89S52芯片及片内功能213.6.2 AT89S52各引脚功能213.6.3 AT89S52最小应用系统设计233.7 储存器的设计243.7.1 AT24C02内部芯片结构及使用方法243.7.1 AT24C02与单片机连接253.8显示电路263.9 IC卡接口电路283.10 报警装置设置293.11 电磁阀电路设置30第4章 软件设计354.1主程序354.2 显示子程序354.3 IC卡读写程序364.4插卡中断374.5用气中断子程序374.6定时中断374.7气量处理子程序384.8掉电处理子程序384.9延时子程序384.10计数处理子程序39第5章 总结40参考文献41中英文翻译42致 谢65附录1程序清单67附录2硬件图8585第1章 接触式预付费燃气表的研究意义1.1课题的研制背景 随着社会的进步，人民生活水平不断提高，城市管道燃气已经逐渐进入千家万户。据不完全统计，截至2000年，我国城市燃气用户已经达到了1200万户，其中北京56万户、上海114万户、重庆80万户、武汉30万户。随着大西北“西气东输”计划的正式启动，管道燃气已成为城镇居民的主要生活用燃料，管道燃气己经和水、电一样成为城市的基础设施。近年来，随着信息技术的高速发展，IC卡技术以其广泛的应用领域和巨大的产品市场成为近几年来我国信息产业的一大热点。智能型水表、电表等民用产品相继进入到人们家庭，极大的方便了家庭用户和物业管理部门。 随着信息化的到来，城市管道燃气计量仪表的发展相对落后，大部分地区仍然采用传统的容积式燃气表，它只能显示用户累计用气量，燃气管理部门需要派抄表人员按月到每家用户进行抄表，然后再计费、收费。采用这种方式，严重影响居民生活，抄表既麻烦又劳累，收费时间长，人力浪费严重;另外居民交费不方便，收费也不易管理，并且效率低，特别是对欠费者难以限制。因此，燃气销售管理部门和城镇居民迫切要求改变目前的收费方式，而采用IC卡预付费燃气表是解决上述问题的有效方法。 IC卡燃气表是近十几年发展起来的新型燃气表，目前市场上已有相关产品，全国已有近数十家生产、研发企业。它主要由如下几部分组成:低功耗单片机、燃气计量电路、低功耗阀门、电源电压检测电路、燃气流量检测电路等。与传统的容积式燃气表相比较，它更具备了记数准确、自动进行阀门处理、识别非法操作并进行处理、电源欠压及掉电处理以及数据显示与声音提示报警等功能。另外，随着国家“金卡工程”的深入开展，从根本上解决了上述收费方式存在的问题，兼顾了企业和用户的利益。因此，智能IC卡燃气表具有广阔的发展前景。本课题的提出也具有了十分重要的意义。1.2燃气计量收费的发展历程自从有了燃气计量仪表以来，国内外多年来一直是采取极为原始的查表收费的模式，即由查表员入户查表计费，然后再由收费员入户收费或将帐单送到用户通过银行进行结算。我国自从一百年前上海使用燃气以来，至今基本上是一直沿用该种计费方式。随着人们住宅条件的不断改善，使用燃气已成为新建住宅的必备设施，以往的查表收费方式存在的弊端越来越突出，主要表现为:(1)入户困难。由于社会的发展，居民生活水平的不断提高，人们越来越重视隐私权，越来越讲文明;人员流动性大，查表收费只能在早、晚居民休息时间，特别是夏季入户查表，给用户带来极大不便。因而查表收费率要达到企业要求很 难，企业资金回收困难。(2)生产企业管理费用过高。据有关资料统计，100万燃气用户，查表和管理人员约需6001000人，年费用1000万元左右，增加了相应的生产成本。(3)费用流失不好控制。用户和收费人员窃气、作弊、拒交费用时有发生，造成燃气费少收、漏收，费用流失严重。如日供气100万m3能力下，收费率提高一个百分点，每年就可征收365万立方米的燃气费。而实际上少收、漏收费远高于此。(4)查表收费人员工作条件差，效率低，劳动强度大。据调查，平均每人每天入户数高达130多户，每月26003000块。现行收费大多人工计费，手工结算，效率低，误差大，已不适应企业管理现代化的要求。 为了解决上述问题，人们一直在努力地寻找更好、更合理的收费方式。目前，许多发达国家是在采用遥读方式读取用户用气量后，到银行通过帐户进行结算，彻底解决查表收费问题。在美国等国家多半是采用无线遥读方式，而在欧洲许多国家采用的是有线集中读取，用户在银行结算的方式。近几年日本等国家又发展了通过电话线采集用户消费量，银行结算的方式，与欧美等国家相比技术上有一定的优势，具有遥读和遥控双向功能，且方便、准确。目前，我国燃气的收费正从人工抄表收费方式向IC卡收费方式过渡，由于我国人口众多，再加上工作繁忙，从安全角度考虑，各楼宇大多都装有防盗门，人工收费非常不便，而管理部门还不具备资金和技术实力来进行网络化的自动抄表收费管理，因此，IC卡收费方式恰好成为最佳选择。1.3产品市场及发展1.3.1国内外IC卡的应用现状及发展趋势IC卡是一种集成电路卡，是英文Integrated Circuit(集成电路)卡的缩写。它是伴随着社会对信息安全性和存储容量的要求日益提高以及半导体技术的迅速发展应运而生的，是一种将存储、加密、处理能力的集成电路芯片嵌装于塑料基片上而制成的一种卡片。IC卡分为仅能存储信息的被动式存储卡和既能存储信息又能处理信息的主动式智能卡两大类，具有存储容量大、体积小、保密性强等特点。IC卡的概念是20世纪70年代初提出来的，自问世以来快速发展。据不完全统计，从1992年到2000年，国外IC卡的发行量由2.6亿张发展到20.6亿张。按应用类别上来看，其中电话卡占的比重较多。目前，国际上IC卡的应用已经进入高速发展的时期。世界上最早使用IC卡的国家应属法国，其应用主要在交通管理、高速公路管理以及地铁上。另外，韩国、新加坡、日本和美国等其他一些国家IC卡应用也发展快速，并应用日常生活的各个领域。作为金卡工程的代表，IC卡技术无疑是当今世界最优秀的应用技术。我国政府提出的以“金卡工程”为代表的信息化应用工程，加速了我国向全球经济一体化迈进的步伐。IC卡技术的大力开发意义十分重大。目前在金融、交通、医疗、身份证明等多个行业己广泛应用IC卡，实现现金支付和存兑的电子化、公用事业预付费等功能。近年来，它又结合微电子技术，进一步提高了人们生活和工作的现代化程度。目前，我国的IC卡应用已不仅仅是银行业务与传统的通信功能，它也与其它产业联袂发展。它的付费功能可用于水、电、燃气、车船、电话、医疗、保险等领域。随着我国“金卡工程”的大力开展，IC卡在各行各业的应用越来越广泛，但是存在的问题也逐渐显露，其中很重要的一点就是彼此之间互不通用，使得持卡人有诸多不便，也造成了大量的资源浪费，因此，“一卡多用”是以后的发展趋势，最终可实现资源共享，互通互联。1.3.2 IC卡燃气表的发展历史及国内外现状IC卡燃气表自产生以来，解决了许多实际问题，给人们的生活带来了很大改变，但是由于技术上的不成熟，再加上管理上的不完善，在应用过程中很容易出现计量误差，给一些早期的使用者带来了很大的经济损失，燃气用户在使用上存在担心，这就使得IC卡燃气表的推广举步维艰。 近些年，各燃气企业不断加大资金投入进行技术研发，使得IC卡燃气表的技术和质量得到了很大的提高，并且获得燃气公司和用户的认可，IC卡燃气表也得到了广泛的使用。 另外，国家建设部为加强智能IC卡燃气表的统一标准和质量管理，提高国内燃气行业的经营管理水平，制定了CJ/T112-2000CIC卡家用膜式燃气表行业标准，它是在GB/T6968-1997膜式煤气表的基础上，增加了预付费控制器有关技术要求，并遵循有关电子产品的标准要求。针对我们燃气行业，IC卡燃气表的应用时间还很短暂，我们要不断的进行探索，对目前存在的问题和以后应用中出现的问题进行分析和研究，坚定不移地支持IC卡新技术、新工艺的应用推广工作。第2章 接触式预付费燃气表的总体设计方案及原理2.1 方案比较方案一、采用PLC设计接触式燃气表，PLC设备价格相对较高，体积较大，主要应用于工业设备的设计，对于燃气表设计不宜用PLC。 方案二：利用DCS控制系统可靠性高，灵活性强，易于维护，功能齐全，但由于价格昂贵，考虑到经济性，本次设计中不选用这种控制方法。 方案三、采用单片机系统设计，对于本设计从成本、功能方面考虑更适合应用单片机设计，单片机价格较低，体积较小，也能满足设计要求，故选用单片机系统设计。2.2 接触式预付费燃气表的总体设计方案2.2.1 系统总体的控制过程 智能IC卡燃气表系统主要由单片机，IC卡、电磁阀、传感器、I/V转换器、A/D转换器、LCD显示器、报警器等组成。总体框图如图2.1所示。燃气用户在燃气公司开户,购买一定气量后,即得到加密的IC卡。用户用气时将卡插入燃气表中,卡中气量自动输入燃气表并在IC卡中消除气量,供气阀门打开。当气量不足时,燃气表提示用户购气；气量用完时,燃气表自动切断供气管路。 图2.1 系统总体控制原理图2.2.2接触式预付费燃气表的控制算法 本文设计的是对智能IC卡燃气表流量的控制，这个控制是这样一个反馈调节过程：比较实际流量和需要控制的流量得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节调节阀，从而实现对流量的控制。该系统采用过程控制中应用最广泛的PID控制形式。2.3 接触式预付费燃气表的原理 当用户将购买到得含有一定购气量的IC卡插入表内时,电磁阀在单片机控制下打开气路阀门。用户每使用一个微小的计量单位的气体时,计量电路便发出1个计量脉冲,该脉冲如经电控系统判定为有效,即进入软件进行累计,当达到一定数目(如1/100方)时可以从存于SAM模块中的已购气量中减去1个计量单位。当剩余气量为某一设定值时,燃气表进入报警状态,并关闭电磁阀,切断气路以便提醒用户购气。用户此时按一次按键后,仍然可以打开阀门继续用气;当剩余气量为零时,控制阀再次关闭,用户只有将存储一定购气量的卡插入后才能打开阀门。用户所剩气量由LCD显示。 本设计具有燃气流量的累积，燃气可用数的递减；LCD显示燃气累积数，燃气可用数以及卡中的购气数；“欠量”，“过流”，“异常”等情况下有报警竟声音等功能。2.4 接触式预付费燃气表的功能接触式预付费燃气表，应具有以下基本功能:a) 提示功能:IC卡燃气表控制器的液晶有简洁汉字提示和蜂鸣器鸣叫等提示功能。b) 正确计量功能:系统的最终目标是计量准确。因此，在硬件上和软件上均采取了一些有效措施(主要考虑软件滤波、抗干扰以及漏计量处理)，确保用户每用0.01m3时气量，气表计量一次。c) 燃气表预付费及用气控制功能:当表内剩余气量低于预设值时，控制器液晶显示购气、蜂鸣器鸣叫提示，当剩余气量为零时自动关阀、切断气源。用户通过IC卡购买燃气并输入气量后，自动恢复供气，新购买的气量输入后，可以累计加在燃气表的剩余气量上。d) 掉电数据存储功能:在外置电源突然停止供电的情况下要保证将一些重要数据完整无误的保存下来，以便系统复位后，能重新调入重要数据。e) 低电压检测功能:由于本燃气表是采用电池供电，因此在使用的过程中进行电压检测。即当电源电压下降到某一值时，系统应能识别，并提示用户更换电池，系统自动关闭阀门。f) 阀门驱动功能:阀门驱动主要实现阀门的开和关。g) 报警功能:气量不足报警:燃气表剩余量低于报警设定值时，有蜂鸣器报警和液晶显示报警。若继续使用，燃气表剩余量为零时，关闭阀门并鸣叫提示。电池欠压报警:电池的电压低于报警值时，蜂鸣器报警和液晶显示报警。若继续使用，当电池电压低于设计的最低电压值时，关闭阀门并鸣叫提不。 h) 读写IC卡功能:应能正确无误的读写IC卡。第3章 接触式预付费燃气表的硬件设计3.1 主要系统组成1. 单片机 AT89S52单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序储存器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）可灵活应用于各种控制领域。2.电磁阀 本文采用的是新型双稳态电磁阀MP15A-5V，电源电压低。正常供气情况下，电磁阀处于常开状态，驱动机构不消耗电能；只有当上一级的气体数完时，电磁阀关闭并自锁于常闭状态。它具有启动气压低及关闭可靠等优点。3. IC卡电路 IC 卡读/写器是IC卡煤气表的输入接口。当IC卡插入读/写器时，首先读入的是卡中的密码，以此判断IC卡的合法性。煤气表在判断了卡的合法性后，读入所购气量并与煤气表内剩余气体累加，同时将卡上购气量单元清零，回写煤气表上用气量、剩余气体等信息，以便下次购气时煤气公司读取，实现煤气表信息的回馈功能。4. 传感器 本设计的传感器选用SWINGIRL电容式涡街流量传感器。它的基本原理是以卡门涡街器理论为基础。适用范围广，压力损失小，长期稳定性好，工作寿命长。5. LCD显示本系统采用液晶显示器。其特点是显示内容丰富（可显示汉字），功耗小，可靠性高，电路简单。器件型号是：SMG12232B-2，显示容量为122*32点阵。3.2 传感器的功能及其技术参数3.2.1概述 在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。流体振动流量计具有以下一些特点：1）输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响；2）测量范围宽，一般范围度可达10：1以上；3）精确度为中上水平；4）无可动部件，可靠性高；5）结构简单牢固，安装方便，维护费较低；6）应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。 本文仅介绍涡街流量汁（以下简称VSF或流量计）。 VSF是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluff body），流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。 早在1878年斯特劳哈尔（Strouhal）就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准则。人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪50年代，如风速计和船速计等。60年代末开始研制封闭管道流量计-涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法VSF。70、80年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量生产投放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。我国VSF的生产亦有飞速发展，全国生产厂达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。应该看到，VSF尚属发展中的流量计，无论其理论基础或实践经验尚较差。至今最基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞（均匀流场）中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不均匀流场其旋涡分离的规律是不一样的。至于实践经验更是需要通过长期应用才能积累。一般流量计出厂校验是在实验室参考条件下进行的，在现场偏离这些条件不可避免。工作条件的偏离到底会带来多大的附加误差至今在标准及生产厂资料中尚不明确。这些都说明流量计的迅速发展需求基础研究工作必须跟上，否则在实用中经常会出现一些预料不到的问题，这就是用户对VSF存在一些疑虑的原因，它亟需探索解决。VSF已跻身通用流量计之列，无论国内外皆已开发出多品种。全系列、规格齐全的产品，对于标准化工作亦很重视，流量计存在一些问题是发展中的正常现象3.2.2 工作原理、结构及选择计算1. 工作原理在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图3.1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式 f=SrU1/d=SrU/md （1） 式中U1-旋涡发生体两侧平均流速，m/s；Sr-斯特劳哈尔数；m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比管道内体积流量qv为 qv=D2U/4=D2mdf/4Sr （2） K=f/qv=D2md/4Sr- （3） 式中 K-流量计的仪表系数，脉冲数/m3（P/m3）。K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔图3.1 卡曼涡街数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图3.2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图可见，在ReD=21047106范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，VSF的流量计算式为qVn= P Tn Zn/Pn T Z=f PTn Zn/k Pn T Z（4）式中 qVn，qV-分别为标准状态下（0oC或20oC，101.325kPa）和工况下的体积流量，m3/h；Pn，P-分别为标准状态下和工况下的绝对压力，Pa； Tn，T-分别为标准状态下和工况下的热力学温度，K； Zn，Z-分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。图3.2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线由上式可见，VSF输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量，这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度，流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。2. 结构VSF由传感器和转换器两部分组成，如图3.3所示。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、DA转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。（1）旋涡发生体旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关，对它的要求如下。1） 能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离；2） 在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数；3） 能产生强烈的涡街，信号的信噪比高；4） 形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装和组合；5） 材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化；6） 固有频率在涡街信号的频带外。 已经开发出形状繁多的旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类，如图3.4所示。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种，如图3.5所示。图中D为仪表口径。为提高涡街强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，不过它的应用并不普遍。图3.3 涡街流量计（a）单旋涡发生体（b）双、多旋涡发生体图3.4 旋涡发生体图3.5 三角柱旋涡发生体d/D=0.20.3;c/D=0.10.2;b/d=11.5;=15o65o3.电容式VSF电容式VSF应用检测方式1）、2），安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁（见图3.6所示）。当旋涡产生时，在两侧形成微小的压差，使振动体绕支点产生微小变形，从而导致一个电容间隙减少（电容量增大），另一个电容间隙增大（电容量下降），通过差分电路检测电容差值。当管道有振动时，不管振动是何方向，由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上，使振动体与电极都在同方向上产生变形，由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配，使它们的变形量一致，差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。虽然由于制造工艺的误差，不可能完全消除振动的影响，但大大提高了耐振性能。试验证明，其耐振性能超过1g。电容式另一个优点是可耐高温达400oC，温度对电容检测元件的影响有两方面：温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸随温度而变，这些导致电容值发生变化，另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。试验证明，当温度升高至400oC时无论电容值变化或漏电流增大都未影响仪表的基本性能。4. 局限性VSF不适用于低雷诺数测量（ReD2104），故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。力敏检测法VSF对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈低，一般满管式流量计用于DN300以下。仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。5. 传感器的口径选择传感器的仪表口径及规格选择很重要，它类似于差压流量计节流装置的设计计算，要遵循一些原则进行选择。仪表口径选择步骤如下。首先必须明确以下工作参数。1) 流体名称，组分； 2）工作状态的最大、常用、最小流量；3）最高、常用、最低工作压力和工作温度；4）工作状态介质的粘度。传感器的输出信号是与工作状态的体积流量成正比的，因此如已知气体流量是标准状态体积流量或质量流量时，应把它换算成工作状态下的体积流量qvqv=qn（pnTZ/pTnZn） m3h （5）式中 qv，qn-分别为工作状态和标准状态下的体积流量，m3h；图3.6 电容式检测元件 P，Pn-分别为工作状态和标准状态下的绝对压力，Pa； T，Tn-分别为工作状态和标准状态下的热力学温度，K； Z，Zn-分别为工作状态和标准状态下的气体压缩系数。工作状态下介质的密度和体积流量qv=n（pTnZn/ pnTZ） （6）式中，n-分别为工作状态和标准状态下的介质密度，kg/m3；其余符号同上。qv=qm （7）式中 qm-质量流量，kg/h。下面需要选择传感器口径。传感器口径选择主要是对流量下限值进行核算。它应该满足 两个条件：最小雷诺数不应低于界限雷诺数（ReC2104）和对于应力式传感器在下限流量 时旋涡强度应大于传感器旋涡强度的允许值（旋涡强度与升力U2成比例关系），对于液体 还应检查最小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸气压，即是否会产生气穴现象。这些条件用数学式可表示如下（8-10）(qVmin ) = qVmin0/ (qVmin )v=qVmin/0 Pmin=2.7p+1.3 PV 式中 qVmin，qV0min-分别为工作状态和校准状态下的最小体积流量，m3/h；（qVmin）-满足旋涡强度要求时最小体积流量，m3/h；（qVmin）-满足最小雷诺数要求时最小体积流量，m3/h；，0-分别为工作状态和校准状态下介质的密度，kg/m3；，0-分别为工作状态和校准状态下介质的运动粘度，m2/s；Pmin-最小工作压力，Pa；p-最大流量时传感器的压力损失，Pa，p=CD（U2/2），CD2 （11）U-管道平均流速，ms；PV-工作温度下液体的饱和蒸气压，Pa。比较（qVmin），和（qVmin）：若（qVmin）（qVmin），可测流量范围为（qVmin）qVmax，线性范围为（qVmin）qVmax；若（qVmin）（qVmin），可测流量范围和线性范围为（qVmin）qVmax。流量测量范围的确定还应检查是否处于仪表的最佳工作范围（即上限流量的1/22/3处）。表3.1示有某型号涡街流量计特定校准条件下各种口径的流量测量范围。 表3.1 某型号涡街流量计特定校准条件下流量测量范围口径DN/mm液体/（m3/h）气体/（m3/h）标准测量范围可选测量范围标准测量范围可选测量范围201.212115650577251.6161.618860812040230248181801831050350370303003048080151501017070700701230100202001527010010001001920125363602545015015001403000150505004063020020002004000200100100080120040040003208000250150150012018006006000550110003002002000180250010001000080018000注：校准条件如下：1液体：常温水，t=20，=998.2kg/m3，=1.00610-6m2/s。2气体：常温常压空气，t=20，P=0.1MPa（绝），=1.205 kg/m3，=1510-6m2/s。根据上述原则选择的仪表口径不定与管道通径相一致，如不同时应连接异形管并配置一段必要的直管段长度。6. VSF的精确度VSF的精确度对于液体大致在0.5%R2%R，对于气体在l%R2%R，重复性一般为0.2%0.5%。由于VSF的仪表系数较低，频率分辨率低，口径愈大愈低，故仪表口径不宜过大（DN300以下）。范围度宽是VSF的特点，但重要的是下限流量为多少。一般液体平均流速下限为0.5m/s，气体为45ms。VSF的正常流量最好在正常测量范围的1/22/3处。VSF的仪表系数不受测量介质物性的影响，这是很大的优点，可以用一种典型介质校验而应用到其他介质去，对于解决校验设备问题提供便利。但是应该看到由于液、气的流速范围差别很大，因此频率范围亦差别很大。处理涡街信号的放大器电路中，滤波器的通带不 同，电路参数亦不同，因此，同一电路参数是不能用于不同测量介质的。介质改变，电路参数亦应随之改变。另外，气体和液体的密度差别很大，旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比。因此信号强度差别亦很大，液、气放大器电路的增益，触发灵敏度等皆不一样，压电电荷差别大， 电荷放大器的参数也不同。即使同为气体（或液体、蒸汽）随着介质压力、温度不同，密度不同，使用的流量范围不同，信号强度亦不同，电路参数同样要改变。因此一台VSF不经硬件或软件修改，改变使用介质或改变仪表口径是不可行的。7. 主要问题VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，总结起来主要有以下几点原因。1）产品质量问题，设计原理或设计方案有严重缺陷，产品材料、工艺质量不良。尤其近年来，一些生产厂片面追求利润，产品粗制滥造，败坏了VSF的声誉。2）仪表选型和使用问题，用户给定工艺参数不准确，使得选型不当；安装地点选择有问题，安装不符合规定要求。3）现场调整问题，现场投运缺乏调整或调整不当，正确的调整是用好的关键。 8.传感器选择本设计采用的是SWINGIRL电容式涡街流量传感器。其工作原理为：当管道中流体流经漩涡发生体而交换成两侧列漩涡即卡门旋街时，由于在漩涡分离点引起低压，结果在漩涡发生体两侧产生反向的周期性压力脉冲，并通过侧面孔传到漩涡发生体中心孔内部而作用到振动舌上，使它沿着X轴做周期性横向偏移，但由于振动舌上端固定，故这种周期性偏移实际上演变为扰性振动，其频率和相位严格与涡街压力脉冲一致，但振幅甚微，振动舌始终不会碰触漩涡发生体中心孔内壁和电极支座。另一方面，流体漩涡压力脉冲不会使电极支座发生任何偏移。所以在漩涡压力作用下仅是振动舌的下端相对于静止的支座相对运动。在某一时刻，振动舌与支座上一个电极之间的距离缩短，而与另一个电极之间的距离增大；前置放大器电容检测电路分别向两个电容充电，而振动体与支座相对运动引起的电容变化发应为电流大小的变化，从而实现机电转换。电容检测电路按“差动开关电容”原理设计。仅产生一个与两个电容差值所决定的差动信号，而原来的两个基本电容值则在形成差动电容时被抵消，其频率和流量成正比，其工作原理图如图3.7所示。 其适用范围：SWINGWIRL电容式涡街流量传感器是采用差动开关电容（DSC）作为检测元件，来感测涡街发生体产生的涡街频率的一种器材，压力损失小；长期稳定性好；工作寿命长；测量准确度高等。广泛应用于测量封闭福安道中的气体、蒸汽和液体的流量。例如：煤气、天然气、压缩空气、柴油；变温液体及液化的二氧化碳、氮、天然气等低温液体。图3.7 SWINGIRL电容式涡街流量传感器工作原理3.3（RCV420）变换器的设计3.3.1 变换器的介绍由于SWINGWIRL电容式涡街流量传感器输出的是020mA或420mA的电流信号，所以必须先将电流信号转换为电压信号。传感器输出的信号为010mA或420mA的电流信号，这一方面提高了信号远距离传送过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减；另一方面为与标准化仪表和执行器匹配提供了方便。当模拟量输入为电流信号时，就要经过电流/电压（I/V）转换处理，得到适合A/D转换器使用的电压信号。本文采用的RCV420变换器是美国RURR-BROWN 公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将420mA输入信号转换成为05V输出信号，它具有很高的性能价格比。它包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准。其总转换精度为0.1，共模抑制比CMR达86dB，共模输入范围达40V。芯片如图3.8所示。RCV420在满量程时的电压下降仅为1.5V，在环路中串有其他仪表负载，或者在对变送器电压有严格限制的应用场合非常有用。10V电压基准提供了一个典型温漂为5ppm/的精密10V输出。RCV420无需其它外围器件辅助，就能实现诸多功能。增益、偏置和CMR无需调节，较之由分立器件设计的印制板电路，RCV420具有更低的开发成本、制造成本和现场维护费用。图3.8 RCV420变换器3.3.2 工作原理 图3.9是RCV420的功能框图。当420mA电流输入对应05V电压输出时，要求电路的传输阻抗为：VOUT/IIN=5V/16mA=0.3125V/mA为了得到期望的输出（4mA时0V，20mA时5V），放大器的输出必须有一个偏置:VOS=4mA（0.3125V/mA）=1.25V输入电流信号接至+IN端还是接至IN端取决与信号的极性，并经过中心抽头CT返回地端。两个匹配的75检测电阻Rs构成对称输入，可最程度地抑制CT脚的共模电压信号，消除不同输入端电流在差分电压转换时的不均衡。检测电阻将输入的电流信号经差分放大器放大，转换成一个与之成正比的电压。位于放大器反馈通道中的T型网络节点用于产生所需要的1.25V偏置电压。输入电阻网络提供了很高的输入阻抗，并将共模输入电压衰减至运算放大器的共模信号容限内。图3.9 功能框图3.3.3 注意事项 电源和信号的连接图3.10所示是RCV420电源和信号的正确接法。正负电源脚各接一个1F的退耦电容，并尽能地靠近放大器。为避免由外部电路引入的增益和CMR误差，应按图示方法接地，并确保最小接地电阻。输入信号视其极性或接至+IN脚，或接至IN脚，经中心抽头CT脚返回地端。电压基准的输出Ref OUT脚应接至Ref IN，以产生电平偏置。Ref IN脚不用时必须接地，以维持高共模抑制。RCV420的增益调节电路。在运放的反馈通道插入一个小电阻R1，可以增大增益。采用此方法增大增益将导致CMR下降，因此，增益调节应尽可能的小，以满足前期的设置。例如，用一个125电阻可使增益增大1%，但CMR将下降约6dB。在检测电阻上并联匹配电阻RX，可以减小增益。增益值由下式表示：VOUT/IIN=0.315RX/（RX+RS）并联7.5k电阻可使增益减小1%。为了维持高共模抑制，并联电阻的匹配很重要。并联电阻的温度参数的任何不一致，都将引起增益误差和CMR的漂移。 偏置调零有两个方法可对RCV420的输出偏置电压进行调零。一是用片内10V基准作电平移动，对电压基准的输出进行调整。在Rcv Com脚外接低输出阻抗运放，这种方法可对输出偏置电压进行较大范围地调节。采用这个办法调零，Ref IN脚必须与Rcv Com脚相连，且要求Rcv Com脚对地端为低阻抗，以维持高共模抑制。 图3.10电源信号的基本接法3.4 A/D转换器的设计 TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/O CLOCK、CS、DATA OUT三条口线进行串接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最小可达17s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。起作用是将模拟量转换为数字量。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换。如图3.11所示。REF+：正基准电压输入 2.5VREF+Vcc+0.1。REF：负基准电压输入端，-0.1VREF-2.5V。且要求：（REF+）（REF-）1V。 VCC：系统电源3VVcc6V。GND：接地端。图3.11TLC549引脚/CS：芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN2V，输入低电平 VIN0.8V。DATA OUT：转换结果数据串行输出端，与 TTL 电平兼容，输出时高位在前，低位在后。ANALOGIN：模拟信号输入端，0ANALOGINVcc，当 ANALOGINREF+电压时，转换结果为全“1”(0FFH)，ANALOGINREF-电压时，转换结果为全“0”(00H)。I/OCLOCK：外接输入/输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。当/CS变为低电平后， TLC549芯片被选中， 同时前次转换结果的最高有效位MSB （A7）自 DATA OUT 端输出，接着要求自 I/O CLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个 I/O CLOCK信号的作用，是配合 TLC549 输出前次转换结果的 A6-A0 位，并为本次转换做准备：在第4个 I/O CLOCK 信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个 I/O CLOCK 信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动 A/D开始转换。转换时间为 36 个系统时钟周期，最大为 17us。直到 A/D转换完成前的这段时间内，TLC549 的控制逻辑要求：或者/CS保持高电平，或者 I/O CLOCK 时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。由此可见，在自 TLC549的 I/O CLOCK 端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次 A/D转换开始。如图3.12所示。图3.12 TLC549工作时序3.5 TLC549与AT89S52芯片的连接方法TLC548/549采用串行方式来传送数据，在和单片机连接时只需占用3根口线。其I/O CLOCK和DATA OUT 可以和另外的TLC548/549或外部单元共用。具体的接口方法如图3.13所示。图3.13 TLC549与89S52的连接 图中P1.2接转换与输出控制信号端，INT0输入I/O口与串行数据输出连接，ALE地址所存于TLC549的输入/ 输出时钟口相连接。 当CS为高时，数据输出（DATA OUT）端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC548、TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少多路A/D并用时I/O控制端口。一组通常的时序为：（1）将CS置低。内部电路在测得SC下降沿后，在等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位（D7）输出到DATA OUT 端上。（2）前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第五个位（D6、D5、D4、D3），片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。（3）接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿将将移出6、7、8（D2、D0）个转换位（4）最后，片上采样保持电路在8个I/O CLOCK周期下降沿将移出第6、7、8（D2、D1、D0）个转换位保持功能将保持4内部周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，CS必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效地干扰脉冲，则微处理器/控制器将于起降的I/O时序失去同步；若果CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤（1）（4）可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止。此时的输出时前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在待定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时钟对应，因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。3.6 单片机的设计3.6.1 AT89S52芯片及片内功能 AT89S52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-52指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.6.2 AT89S52各引脚功能AT89S52单片机引脚图如图3.14所示VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口