微小流量信号检测系统设计开题报告

1本课题研究的目的和意义2国内外研究现状3拟采取的研究路线4进度安排1本课题研究的目的和意义流量的测量在热电生产、石油化工、食品卫生等工业领域具有广泛的应用。随着传感器技术，微电子技术、单片机技术的发展，为微弱流量的精确测量提供了新的手段训练综合运用已学课程的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系统进行仿真与试验。2国内外研究现状目前国外投入使用的流量计有100多种，随着工业生产的自动化、管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的1530。随着仪表智能化技术的发展，流量仪表的发展非常迅猛。尽管如此，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展给流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求。特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、微小流量等的检测，市场产品有待进一步发展更有效的测量手段。目前国内已形成了相当规模的开发和制造流量仪表行业，我国现有各类仪器仪表企业6千多家，仪器仪表已经形成门类品种比较齐全，具有一定技术基础和生产规模的工业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。产品在微型化、集成化、智能化、总线化等发展方向上紧跟国际发展的步伐。但我国仪器仪表产品，绝大部分属于中低档技术水平，而且可靠性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要求。高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口。近年来，我国广大科技工作者借鉴国外一些先进的自动计量技术，并结合我国国情进行改进，将先进的传感器技术与微电脑技术引入到流量计中，使得流量计向多功能、高精度、易安装、高性价比、便于集散控制的方向跨进了一步。但目前与国外同行相比，我国流量仪表仍存在很大差距产品种类系列不全；产品性能指标低；高技术产品少等等，在国际上处于落后地位，不符合流量仪表未来发展方向。所有这些给我国科技工作者提出了要求制出性能更强、更加符合生产需要的流量测量系统，迎头赶上国际先进水平31数字流量计设计具体思路如下要对流量进行检测，首先主要由流量传感器采集流量信息，通过一个具有有效值放大、滤波等完整功能的信号调理电路,然后经过AD转换器将放大的连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的数字信号。数字信号通过LCD1062液晶屏显示，从而实现对流量信息的实时显示；另外还可设置最低和最高警戒流量值，当流量不在正常范围内时，报警电路便会识别同时发出报警声，提醒流量超出正常范围，需及时采取措施。此设计采用AT89S52八位单片机为核心，是因为单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对液位传感器控制工作，还可以与PC机通信。另外AT89S52在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。流量传感器选用涡轮传感器，在测量范围内，传感器输出的脉冲总数与流过传感器的流体体积成正比，其比值为仪表常数。A/D转换器采用的是AD0809型号，它是8位逐次逼近型A/D转换器。报警元件采用蜂鸣器和发光二极管，实现声光报警。32基于单片机的流量检测系统的硬件结构框图如下微弱流量信号信号调理电路51单片机最小系统1062液晶显示电路报警电路AD转换电路通信电路4设计工作进度安排第1周第4周资料收集，完成开题报告的撰写，英文资料的翻译第5周第6周拟定控制方案，进行系统总体设计第7周第9周电路设计电路制作程序编写第10周第13周调试测试电路调试软件调试第14周第15周数据整理，撰写论文第16周准备答辩文献综述张卫刚，张滨华，赵春辉1在微流量计的信号调理电路的微流量信号的有效值转换电路中采用了LTC1966芯片该芯片是一个将有效值转化为直流的集成电路。它采用数字处理技术对信号进行调理,克服了传统转换电路因采用模拟乘法器而造成的线性不好,受温度影响大的缺点。该方案适用于流量在2毫升/分到20毫升/分的流体测试中,克服了目前的一些流量计在微流量时误差较大的缺点。该微流量计的试验标定结果达到了设计指标要求误差在3以内,实验误差为12。不足之处就是没有用微机系统对该电路进行进一步的扩展。陈亮才，吕锋杰，马丹2在基于CIS的微小流量实时测量系统研究一文中文针对石油产品蒸馏流量的特点1流量很小，基本为45MLMIN；2液体不充满流通管道；3管道内基本上为无压差流动；4在管道出口处呈滴状流出；5一般要求传感器不与被测液体接触。用接触式图像传感器CIS采集透射光携带的液位信号，用可编程逻辑器件GAI产生CIS的驱动时序以PICI6F877单片机作控制核心，对图像作二值化处理可以实时测得微小流量。整个测量系统结构简单，性能可靠。很好的解决了测微小流量的普通流量计，如差压式层流流量计、浮子式、电磁式、涡轮式等难以满足上述微小流量检测的要求。不足就是用CIS测量微小流量对传感器CIS本身的分辨率要求较高。苏艳茹3在微小流量信号检测系统的研究及应用一文中利用浮子流量计及差动变压器的原理并设计了信号调理电路，最后用单片机软硬件系统对系统进行了功能扩展，整个系统不仅能准确的反映实时流量的大小，还可以实现信号的远程传输，为系统的远程智能化控制提供条件。其中她还考虑到了流体温度对流体粘度的影响，通过对流体温度的检测，动态地修正流量计算参数，从而准确地反映被测流量的流速，考虑的很全面。王赣，李鸿儒，马松林4等在智能流量积算仪一文中开发了一种电子式的LJY1型智能流量积算仪。充分利用单片机智能化的特点,用软件修正的方法解决影响一次表精度的某些问题,增加了智能化性能,用软硬件结合的办法增加仪表抗干扰能力,提高了仪表可靠性。不足就是适用范围不是很广泛，它只适用于各种容积式、涡轮式流量计。党瑞荣石浩亮杨灏5在基于TMS320VC33和TDCGP2的流量测量电路设计一文中利用高速的数字信号处理器DSP，TMS320VC33和丰富的软件和硬件资源以及TDCGP2以下简称GP2灵活的可编程的特点，设计了一种测量流量和温度的电路。系统电路通过采用小型封装的芯片以及低频芯片，使系统的总功耗很低。对于测量石油流量具有良好的效果。张淼，周晨6在基于PIC系列单片机的智能流量积算仪一文中采用PIC系列单片机中的PIC16LF627作为数据处理芯片,性能优良、价格低廉。每05S计算一次瞬时流量，每5秒将累积流量值保存入E2PROM一次。所有单片机内部E2PROM中的数据和参数在断电情况下可长期保存。电路采用全CMOS芯片设计,功耗很低,3V锂电池供电,电池寿命正常情况下为2年以上。当电池电量不足时,会自动提醒用户更换电池。辛晓宁汪滢王淑梅7基于P89C668和串行扩展技术的智能流量积算仪，它通过对来自不同类型流量变送器的流量信号,以及来自温度传感器和压力变送器的温度、压力等辅助信号的测量,对各种不同的流体按不同的算法进行实时流量补偿,以实现对质量流量或折合到标准状态下的体积流量的测量、显示、累积及输出。除上述基本功能外,还需具有记录、通信、打印等附加功能,并有一定的故障诊断和防作弊能力。还具有精度高,抗干扰能力强存储量大,存储时间长得优点。李亚南,姜印平,李志丹8基于MSP430单片机的智能型流量积算仪，该文针对目前国内许多测量天然气的场合还在大量应用机械式罗茨流量计的现状,研制了一种基于零功耗脉冲传感器的智能流量积算仪。积算仪将罗茨流量计的计量原理与单片机结合起来,采用先进的电子线路和软件,开发成具有多种功能、数字显示的智能型表头。经过理论推导和实验研究,证明这种智能流量积算仪能够在低功耗和高精度2个方面取得很好的效果,并且设计方案切实可行,已经逐步在市场上应用。张榆平9在新型智能流量积算系统的研究一文中采用PHILIPS公司带下载功能的高性能P89C51RD2单片机作为控制核心，设计了LED并配以小键盘构成了便捷的人机对话接口，辅以打印输出，数据存储，开关量输出，构成了高精度数据采集处理平台。田冠亚10在生物医药微小流量计量标准装置的研究一文中针对医药微小流量采用PLC与LABVIE相结合的控制系统。下位机控制系统以PLC为核心，实现了运动控制，阀门控制和模拟量的采集，上位机检定系统采用LABVIE图形化编程平台进行设计，用于设计人机交互，数据显示，数据存储和报表打印。比较新颖和智能化。孙昌权11基于AT89C52单片机的智能流量积算仪设计该智能流量积算仪是一种智能化，多功能，高精度，高可靠性，使用方便的流量测量仪，它能测量并显示各种液体，气体，饱和蒸汽和过热蒸汽的瞬时流量和累计流量，并能自动补偿温度和压力的变化申明会12基于ATMEGA16单片机的流量控制器的开发，前文中有用DSP和传统51单片机作为流量测量系统的微处理器的，用DSP成本高，有些大材小用。传统51单片机处理能力不太理想，而ATMEGA16单片机的出现使这些问题得到了解决。池兆明13在基于89C52单片机的智能流量演算仪一文中针对工业现场智能化流量仪表的抗干扰性提出了一些有效的方法，（1）为了保证仪表电源的纯洁，变压器采用隔离变压器，交流侧设置了交流滤波器（2）主电路板中数字地与模拟地分开布线，然后在一点接地（3）频率信号输入采用光电隔离器件隔离，以消除输入通道对系统的影响。黄金华14在微小流量控制系统的设计及应用利用电子天平，工控机，变频调速器组成的微小流量控制系统，检测精度很高，控制精度也很高。不足就是由于系统进油量很小，对电子天平的分辨率要求很高，使其应用受到了一定的限制。张卫刚15一种基于LTC1966的新型微流量计的信号调理电路中设计的信号调理电路适用于流量在每分钟2毫升到20毫升的流体测试中,精度高,克服了目前的一些流量计在微流量时误差较大的缺点。SUNZHIQIANG和ZHANGHONGJIAN16在APPLICATIONOFEMPIRICALMODEDECOMPOSITIONBASEDENERGYRATIOTOVORTEXFLOWMETERSTATEDIAGNOSIS一文中主要讨论了涡街流量计传感器。它有如下优缺点。1、优点（1）涡街流量计无可动部件，测量元件结构简单，性能可靠，使用寿命长。（2）涡街流量计测量范围宽。量程比一般能达到110。（3）涡街流量计的体积流量不受被测流体的温度、压力、密度或粘度等热工参数的影响。一般不需单独标定。它可以测量液体、气体或蒸汽的流量。（4）它造成的压力损失小。（5）准确度较高，重复性为05，且维护量小。2、缺点（1）涡街流量计工作状态下的体积流量不受被测流体温度、压力、密度等热工参数的影响，但液体或蒸汽的最终测量结果应是质量流量，对于气体，最终测量结果应是标准体积流量。质量流量或标准体积流量都必须通过流体密度进行换算，必须考虑流体工况变化引起的流体密度变化。（2）造成流量测量误差的因素主要有管道流速不均造成的测量误差；不能准确确定流体工况变化时的介质密度；将湿饱和蒸汽假设成干饱和蒸汽进行测量。这些误差如果不加以限制或消除，涡街流量计的总测量误差会很大。（3）抗振性能差。外来振动会使涡街流量计产生测量误差，甚至不能正常工作。通道流体高流速冲击会使涡街发生体的悬臂产生附加振动，使测量精度降低。大管径影响为明显。（4）对测量脏污介质适应性差。涡街流量计的发生体极易被介质脏污或被污物缠绕，改变几何体尺寸，对测量精度造成极大影响。（5）直管段要求高。专家指出，涡街流量计直管段一定要保证前40D后20D，才能满足测量要求。（6）耐温性能差。涡街流量计一般只能测量300以下介质的流体流量。总之没有一种所谓完美的流量计，针对于特定的工况总有种最适宜的流量计倒是不可否认参考文献1张卫刚，张滨华，赵春辉微流量计的信号调理电路J仪表技术，2002241422陈亮才，吕锋杰，马丹，基于CIS的微小流量实时测量系统研究J计量与测试技术2004NO13苏艳茹，微小流量信号检测系统的研究及应用J4王赣，李鸿儒，马松林，智能流量积算仪J仪表技术与传感器1998年5党瑞荣石浩亮杨灏，基于TMS320VC33和TDCGP2的流量测量电路设计J计算机与通讯技术，2007年第21卷第6期6张淼，周晨基于PIC系列单片机的智能流量积算仪自动化仪表第23卷第4期2002年4月7辛晓宁汪滢王淑梅基于P89C668和串行扩展技术的智能流量积算仪J自动化仪表6第23卷第9期2002年9月8李亚南,姜印平,李志丹基于MSP430单片机的智能型流量积算仪9张榆平新型智能流量积算系统的研究J西南交通大学研究生学位论文10田冠亚，生物医药微小流量计量标准装置的研究J中国计量学院研究生学位论文11孙昌权基于AT89C52单片机的智能流量积算仪设计J计算机与信息技术第12期2010年12月12申明会基于ATMEGA16单片机的流量控制器的开发J四川大学研究生学位论文13池兆明基于89C52单片机的智能流量演算仪J中国仪器仪表1998414黄金华微小流量控制系统的设计及应用J自动化与仪器仪表1997年第5期15张卫刚赵春晖张滨华一种基于LTC1966的新型微流量计的信号调理电路J电子技术2003年第5期16SUNZHIQIANG和ZHANGHONGJIAN16在APPLICATIONOFEMPIRICALMODEDECOMPOSITIONBASEDENERGYRATIOTOVORTEXFLOWMETERSTATEDIAGNOSISJCENTSOUTHUNIVTECHNOL2009160154015917PANKANINGLTHEVORTEXFLOWMETERVARIOUSMETHODSOFINVESTIGATINGPHENOMENAJMEASUREMENTSCIENCEANDTECHNOLOGY,2005,163R1R1618WAKUIH,WADAM,YOSHIOKAT,ANDOHT“DIGITALYEWFLOMULTIVARIABLETYPE”VORTEXFLOWMETERWITHBUILTINTEMPERATURESENSORRYOKOGAWATECHNICALREPORT,2004212419AMADIECHENDUJE,ZHUHSIGNALANALYSISAPPLIEDTOVORTEXFLOWMETERJIEEETRANSACTIONSONINSTRUMENTATIONANDMEASUREMENT,1992,4161001100420GHAOUDT,CLARKEDWMODELINGANDTRACKINGAVORTEXFLOWMETERSIGNALJFLOWMEASUREMENTANDINSTRUMENTATION,2002,133103117BASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERTEMPERATUREANDHUMIDITYDATAACQUISITIONSYSTEMDESIGNXUYANGUOTAOZHUJIE（KEYLABORATORYOFINSTRUMENTATIONSCIENCE2C8051F60MICROCONTROLLER,3THECANBUSINTERFACECIRCUIT4PCTHESYSTEMFRAMEASSHOWNINFIGURE1FIG1THECHARTOFSYSTEMUSINGC8051F060MCUP26MOUTHTOVIRTUALDATA,USINGDATAP20MOUTHTOVIRTUALCLOCKLINES,THUSDIRECTLYWITHSHT75DIGITALTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORSCONNECTEDANDCARRIESONTHECONTROL,AFTERPOWERUPSHT75AFTER10MSTIMECAMEINTOSLEEPMODE,BEFORETHISSHOULDNOTTRANSMITANYORDERSWHENMAKEDATALINEATAHIGHLEVELS,TRIGGERINGSCKNINETIMESABOVECONTAINNINETIMES,ANDTHENSENDA“TRANSMISSIONSTART“COMMANDTOACTIVATESHT75,CHIPISEVOCATIONTHENANMEASUREMENTCOMMANDMEASURINGTEMPERATURECOMMANDFOR00000011,MEASURINGRELATIVEHUMIDITYORDERSFOR00000101,CWILLSTARTSCKUNTILCOMPLETEMEASUREMENTWILLTHENENTERSDRAWNINTOALOWLEVEL,CAGAINRESTARTSCK,THENTRANSMITTWOMEASUREMENTDATABYTESCDATAMUSTBEDRAWNINTOALOWLEVEL,ABILITYFOREACHBYTEPRODUCERESPONSESIGNAL4TRANSMISSIONORDERFROMHIGHESTBITSMSBTOBYTEALIGNEDLSBWHENSENSORELECTRICITYREATTACHMENT,PROGRAMWILLENTERWAITINGOUTSIDEINSTRUCTIONSCYCLE5IFACCEPTEDTOLETSENSORSINSTRUCTIONS,SENSOR,ANDMEASUREMENTPROCESSWILLSTARTOFTEMPERATUREORHUMIDITYREALTIMEDATAACQUISITIONANDSTORAGE,WAITINGFORPCTAKESEVERALORDERSPROGRAMFLOWCHARTBELOWFIG2TEMPERATUREANDHUMIDITYDATAACQUISITIONPROCESSBECAUSEOFTHETEMPERATUREANDHUMIDITYOFTHESHT75COLLECTEDDATAMUSTNONLINEARCOMPENSATIONTOGETTHEACTUALENVIRONMENTTEMPERATUREANDHUMIDITYTOCOMPENSATEFORTHENONLINEARHUMIDITYSENSORSTOGAINACCURATEDATA,USETHEFOLLOWINGTYPE1CORRECTIONOUTPUTVALUERH1C1C2SORHC3SORH21AMONGTHEMFORRH1COMPENSATEDFORSORHHUMIDITYVALUE,SHT75OUTPUTOF8BITSORL2BITSHUMIDITYSENSORVALUEC1,C2ANDC2VALUE,ASSHOWNINTABLE1ANDOUTPUTHUMIDITYDATAABOUTMEDIANTABLE1HUMIDITYTRANSFORMCOEFFICIENTSORHC1C2C312BIT400405281068BIT4064872104WHENMEASURINGTEMPERATUREWITH25LARGEDIFFERENCE,INORDERTOCOMPENSATEFORTEMPERATUREOFHUMIDITYMEASUREMENTIMPACT,USETYPE2CORRECTIONOUTPUTVALUERHTRUET25T1T2SORHRH12AMONGTHEMFORRHTRUERH1COMPENSATIONTEMPERATUREINFLUENCEAFTERTHEHUMIDITYVALUE,T1ANDT2VALUESASSHOWNINCHART2,ANDOUTPUTHUMIDITYDATADIGITSARECONCERNEDTABLE2TEMPERATURECOMPENSATIONCOEFFICIENTSSORHT1T212BIT0010000088BIT001000128SHT75BYGAPMATERIALSPTATISPROPORTIONALTOTHEABSOLUTETEMPERATURER2）C8051F60单片机，3）CAN总线接口电路4）的PC。如图1中的系统框架。图1系统的图使用C8051F060单片机的P26口为虚拟数据，使用数据P20口来虚拟时钟线，从而直接与SHT75数字式温湿度连接传感器和进行控制，功率高达SHT75后后10MS的时间进入睡眠模式，在此之前不应发送任何命令。当使数据线在一个较高的水平，触发SCK上述九次（包括九次），然后发送一个“传输启动”命令来激活SHT75，芯片是招魂。然后，一个测量命令（测量温度命令00000011，00000101为测量相对湿度的订单），C将启动SCK，直到完整的测量。然后将进入吸入到一个较低的水平，C再次重新启动SCK，然后传送两个测量数据字节。C数据必须被吸入到一个较低的水平，能力的每个字节产生响应信号4。传输顺序从最高位（MSB）到字节对齐（LSB）。当传感器电复位后，程序将进入在外面等候指令周期5。如果接受，让传感器的指示，传感器和测量程序将启动温度或湿度的实时数据采集和存储，等待电脑拿几个数量级。下面的程序流程图。图2温度和湿度数据采集过程因为SHT75的温湿度采集的数据必须非线性补偿，以获得实际的环境温度和湿度。为了补偿非线性湿度传感器来获得准确的数据，使用下列类型（1）校正输出值RH1C1C2SORHC3SORH2（1）其中对于RH1为SORH湿度值补偿，8位或L2位湿度传感器SHT75值输出C1，C2和C2的值，如表1所示，并输出关于湿度的数据。中位数表1湿度变换系数SORHC1C2C312BIT400405281068BIT4064872104当与25相差较大测量温度，以补偿的湿度测量冲击温度，使用型（2）校正输出值RHTRUE（T25）（T1T2SORH）RH1（2）其中为RHTRUERH1补偿温度影响的湿度值，T1和T2值后，如表2所示，输出湿度数据位数关注表2温度补偿系数SORHT1T212BIT0010000088BIT001000128温度D1D2SOT其中用于SHT75采用SOT输出12或14的温度测量值。D1和SHT75工作电压有关，D2和大约例如表3所示温度数据数字输出表3温度换算系数D1VDDD1D15V40404V3975395035V396639353V3960392825V39553923D2位数D2D214BIT001001812BIT0040072温湿度采集软件部分在本文中用于SILICONLABORATORIES的IDE中的软件。程序主要是对传感器的操作，收集温度和湿度数据处理和THECAN通信。湿度传感器接收PC发送数据传输命令时，开始收集提取存储在RAMC8051F060的温度和湿度数据的温度和湿度，然后启动THECAN传输，向上放置机器发送数据6。SILICONLABS的可以工作的比特率可以达到1米比特/秒，实际速率可能会受到所选择的数据传输的物理限制的CAN总线。可配置为发送或接收数据THECAN处理器32消息对象。输入数据，消息对象及其标志面膜储存在RAM中的CAN消息。所有发送和接收数据过滤协议可以处理全部完成，不需要CIP控制器51的干预，这样会使CPU的CAN通信带宽是最小的。CIP51通过特殊功能寄存器配置CAN控制器，读取接收到的数据，并写入准备发送数据。CAN控制器时钟等于CIP51单片机的时钟（系统时钟）。四。测试和结果分析本文介绍调试好系