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单片机蒸气涡轮流量计毕业设计论文
单片机蒸气涡轮流量计
摘要
计量是工业生产的眼睛。
流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济有着密切的关系。
尤其在当今能源危机，工业生产自动化越来越高，能源使用浪费现象严重的时代情况下。
流量计有了越来越重要的地位，受到人们越来越多的关注。
在当今社会流量计已经广泛运用于工农业生产，交通运输，国防建设，科学研究，对外贸易，以及人民生活的各个角落，由此可见对流量计的研究与开发认知，有着广泛的意义和作用！
根据实现功能的需要，本课题设计了一款基于AT89C51为核心的单片机气体涡轮流量计。
该流量计具有测量精度高，能耗低，稳定性好，测量范围广，维修方便等优势。
控制器主芯片AT89C51具有低功耗，驱动能力强，稳定性好等特点。
根据设计要求硬件部分主要分四个模块，即流量传感变送模块，主控CPU智能模块，LED数码管显示模块和上位机通讯模块。
各模块能独立工作，并通过通讯接口，键盘模块等功能模块组成功能完善的整体。
流量计的设计结构合理，运行稳定可靠，同时具有了RS-485通信接口，适合应用于远程分布式系统的流量检测
关键词：
涡轮气体流量传感器AT89C51芯片RS-485通讯接口
ABSTRACT
Measurementistheeyesofindustrialproduction.Flowmeasurementisthemeasurementofscienceandtechnology,itispartofthenationaleconomyandhaveacloserelationship..Especiallyintoday'senergycrisis,industrialproductionandhighautomation,energyuseseriouswasteoftimesituation..Flowmeterhaveanincreasinglyimportantposition,getsmoreandmoreattention..Intoday'ssocietyflowmeterhavebeenwidelyusedinindustrialproduction,transportation,nationaldefenseconstruction,scientificresearch,trade,andpeople'slife.Thustheresearchanddevelopmentofflowmeteriswidelycognitive,thesignificanceandroleof!
Accordingtotherealizationofthefunction,thistopicdesignbasedonAT89C51microcontrollerasthecoreofgasturbineflowmeter.Themeterhashighaccuracy,goodstability,lowenergyconsumption,measuringrange,convenientmaintenanceandotheradvantages.Mainchipcontrollerwithlowconsumption,driveAT89C51ability,goodstability.Accordingtothedesignrequirementsofthehardwarepartfourmodules,namelyflowsensorandcontrolvariablesendmoduleCPUintelligentmodule,LEDdigitaldisplaymoduleandtubecomputercommunicationmodule.Eachmodulecanworkindependently,andthroughthecommunicationinterfacemodule,keyboardfunctionmodulefunctionperfectoverall.Thedesignflowwithreasonablestructure,stableoperation,alsohastheRS-five485communicationinterface,suitableforapplicationofremotedistributedsystemflowtesting.
Keywords：
Turbinewheelgasflowamountsensor；AT89C51chip；RS-485communicationconnection；
第一章绪论…………………………………………………1
1.1课题背景…………………………………………………1
1.2流量计的发展……………………………………………1
1.3流量计的分类及其工作原理……………………………2
1.4研究的内容与目的………………………………………7
第二章流量计的设计基本原理……………………………8
2.1涡轮流量计的基本工作原理……………………………8
2.2流量计的结构……………………………………………9
第三章流量计的硬件电路设计……………………………10
3.1流量传感变送模块………………………………………10
3.2AT89C51单片机模块设计………………………………11
3.3键盘液晶显示部分………………………………………11
3.4通信模块…………………………………………………16
第四章软件部分设计…………………………………………19
4.1主程序设计………………………………………………19
4.2中断程序…………………………………………………20
4.3流量检测程序……………………………………………21
4.4功能块程序………………………………………………22
第五章总结……………………………………………………23
参考文献……………………………………………………24
外文资料
中文译文
致谢
第一章绪论
1.1课题背景
流量作为工业生产过程中检测控制中一个重要的参数，在工业生产、交通运输、能源计量、国防建设、环境保护、科学研究以及人民生活各个领域中都有着重要的作用。
伴随科学技术的进步，对流量计量人们提出了更高的要求，而且在全球自然资源供应日趋紧张的今天，提高流量测量精度有着举足轻重的现实意义。
流量计量是计量科学的重要组成部分之一，凡涉及到有流动介质的工艺过程，无论是气体，液体，还是固体粉料，都有一个流量的检测与控制环节。
所以，流量计量在各行各业以及人们生活中都扮演着极其重要的角色，是人们对生产流程进行监督控制、保障安全、改进工艺、经济核算的基础。
因此，流量计量技术的发展，直接关系到整个国民经济，民生的发展，尤其在工业技术迅速发展和能源问题日益突出的今天，流量的对象、环境日趋多样化，对流量测量精度的要求也越来越高。
对流体流量的精确测量和调节，不但是保证工艺过程处于最佳运行状态的重要前提，也是正确评价生产过程经济性的保证。
同时，随着工业生产自动化、管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占的比重也越来越大，目前已广泛应用于生物、石油、化工、冶金、电力、医药、食品、能源管理、航空航天、机械制造等行业的流量积算和定量控制。
1.2流量计发展
流量测量仪表是用来测量管道或明沟中的液体、气体或蒸汽等流体流量的工业自动化仪表，又称流量计。
流量是指单位时间内流经管道有效截面的流体数量，流体数量用体积表示者称为体积流量，单位为米3/时、升/时等；流体数量用质量表示者称为质量流量，单位为吨/时、千克/时等。
早在1738年，瑞士人丹尼尔第一·伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。
20世纪初期到中期，原有的测量原理逐渐成熟，人们开始探索新的测量原理。
自1910年起,美国开始研制测量明沟中水流量的槽式流量计。
1922年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽。
1911～1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展，直到1955年才有应用声循环法的马克森流量计，用于测量航空燃料的流量。
1945年，科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况。
二十世纪60年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。
例如，为了提高差压仪表的精确度，出现了力平衡差压变送器和电容式差压变送器；为使电磁流量计的传感器小型化和改善信噪比，出现了用非均匀磁场和低频励磁方式的电磁流量计。
此外，具有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在70年代问世。
随着集成电路技术的迅速发展，具有锁相环路技术的超声（波）流量计也得到了普遍应用。
微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机后，可处理较为复杂的信号。
1.3流量计的分类及其工作原理
流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。
至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。
品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。
这60多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。
按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计[2]。
总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发讯装置。
因此,以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。
按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。
按照目前最流行、最广泛的分类法,可分为:
容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，我们就通过这种分类方法，来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。
1.31差压式流量计
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。
优点:
（1）应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;
（2）应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;
（3）检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。
缺点:
（1）测量精度普遍偏低;
（2）范围度窄,一般仅3:
1~4:
1;
（3）现场安装条件要求高;
（4）压损大（指孔板、喷嘴等）。
1.32浮子流量计
浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计[5]的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的,从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。
（1）玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;
（2）适用于小管径和低流速;
（3）压力损失较低。
1.3.3容积式流量计
容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD流量计,在流量仪表中是精度最高的一类。
它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
优点:
（1）计量精度高;
（2）安装管道条件对计量精度没有影响;
（3）可用于高粘度液体的测量;
（4）范围度宽;
（5）直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。
缺点:
（1）结果复杂,体积庞大;
（2）被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大;
（3）不适用于高、低温场合;
（4）大部分仪表只适用于洁净单相流体;
1.3.4涡轮流量计
涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速,从而且推导出流量或总量的仪表。
优点:
（1）高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计;
（2）重复性好;
（3）元零点漂移,抗干扰能力好;
（4）范围度宽;
缺点:
（1）不能长期保持校准特性;
（2）流体物性对流量特性有较大影响。
1.3.5电磁流量计
电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。
优点:
（1）测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等
（2）流量范围大，口径范围宽；
（3）不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；
（4）所测得体积流量实际上不受流体粘度、密度、压力、温度和电导率变化的明显影响；
（5）可应用腐蚀性流体。
缺点：
（1）不能测量电导率很低的液体，如石油制品；
（2）不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；
（3）不能用于较高温度。
1.3.6涡街流量计
涡街流量计是利用流体振荡原理来测量流量或流速。
优点：
（1）精度较高；
（2）适用流体种类多；
（3）结构简单牢固；
（4）压损小；
缺点：
（1）不适用于低雷诺数测量；
（2）仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验；
（3）仪表系数较低（与涡轮流量计相比）；
（4）需较长直管段。
1.3.7超声流量计
优点：
（1）可做非接触式测量；
（2）为无流动阻挠测量，无压力损失；
（3）可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。
缺点：
（1）超声波时差法只能用于清洁液体和气体；而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体；
（2）多普勒法测量精度不高。
应用概况：
（1）超声波时差法应用于清洁、单相液体和气体。
典型应用有工厂排放液、液化天然气、烃液等；
（2）气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验；
（3）多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体。
1.4研究内容与目的前景
本课题主要研究基于AT89C51芯片的流量计，主要通过流量传感变送模块，主控CPU智能模块，LED数码管显示模块和上位机通讯模块四个模块实现气体流量数据的脉冲信号产生，脉冲信号采集，信号的处理，和基于RS-485通讯接口的数据传输，从而最终达到流量数据在显示单元的显示的目的。
第二章涡轮流量计的设计原理
2.1涡轮流量计的基本工作原理
涡轮传感器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有与流量Q流速V和流体密度P乘积成比例的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。
在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线改变线圈的磁通量。
根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。
此时叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周周期性变化，因而在检出线圈两端感应出与流量成正比的电脉冲信号，经前置放大后送至后续电路。
然后送入显示仪表，就可以实现流量的测量。
流量计算式为：
Q=f／K，（2-1）
式中：
Q——流经传感器的体积流量（L/s或m3/s）
ƒ——脉冲频率（Hz）（它同叶轮转动频率成正比关系）
K——涡轮流量计的仪表系数（1/L或1/m3）
K是涡轮传感器的重要特性参数，它代表单位体积流量通过涡轮流量传感器时传感器输出的信号脉冲数。
不同的仪表有不同的K，并随仪表长期使用的磨损情况而变化。
尽管涡轮流量计的设计尺寸相同，但实际加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样，因而每台涡轮传感器的仪表常数K也不完全一样，它通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的
2.1.1工作原理结构图
根据设计要求，可以将流量测量仪的硬件系统分解为四大模块，即流量传感变送模块、主控CPU智能模块、LED数码管显示模块和上位机通信模块系统结构如图2-1所示。
看门狗电路
与上位机通信
图2-1
2.2流量计结构
涡轮流量传感器主要由仪表壳体、导流器、叶轮、轴、轴承和信号检测传感器等组成。
其结构图如图2-2所示
图2-2
（1）仪表壳体一般采用不导磁的不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）或硬质合金制成，对于大口径传感器也可用碳钢与不锈钢的镶嵌结构。
壳体是传感器的主体部分，它起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，壳体内装有、导流器、叶轮、轴和轴承，壳体外壁装信号检测放大器。
（2）涡轮亦称叶轮，一般由高导磁材料制成（如2Cr13或Cr17Ni2等），是传感器的检测部件，它的作用是把流体动能转换为机械能。
叶轮有直板叶片、螺旋叶片、和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定.叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命.
（3）轴和轴承通常选用不锈钢（如2Cr13、4Cr13、Cr17Ni2或1Cr18Ni9Ti等）或硬质合金制作它们组成一对运动副，支持和保证叶轮自由旋转。
它需有足够的刚度，强度和硬度，耐磨性，耐腐性等。
它决定着传感器的可靠性和使用期限。
传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题.
（4）信号检测传感器，信号检测传感器主要由高频信号传感器，压力传感器等构成，并且附带信号的发达器，国内常用信号检测放大器一般采用变磁阻式，它由永久磁钢、导磁棒（铁芯）、线圈等组成。
它的作用是把涡轮的机械转动信号转换成脉冲信号输出。
由于永久磁钢对高导磁材料的叶片有吸引力而产生磁阻力矩，对于小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在各种阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。
一般线圈感应得到的电信号较小，需配上前置放大器放大、整形输出幅值较大的电脉冲信号，当线圈输出信号有效值在lOmV以上的可直接配用计算机显示控制流量。
第三章流量计硬件电路设计
根据设计要求，以及可行性分析，该流量计硬件部分主要可分为四个基本模块进行设计。
分别是流量传感变送模块、主控CPU智能模块、LED数码管显示模块、上位机通信模块
流量积算仪通过计量传感器产生的脉冲数来测量流量大小。
硬件设计主要由流量传感器（霍尔转速传感器）、微处理器AT89C51芯片、液晶显示按键等组成。
该系统以AT89C51单片机为核心，配合外围器件，实现了信号采集，数据处理，现场显示，按键设置的人机界面等功能
3.1流量传感变送模块
涡轮流量仪的关键便是在于如何获取频率量，该模块作为流量计频率信号的检测传送单元，是流量计工作开始的第一步，该单元工作对整个流量计的正常工作有着重要意义。
转速的测量可以采用多种转速传感器来实现。
按其机理转速传感器可以分为：
磁电式转速传感器、电涡流式传感器、、光电式转速传感器、红外式转速传感器、电容式转速传感器等
在此我们选用霍尔转速传感器（霍尔转速传感器工作原理图如下图3-1）
图3-1
其工作原理是。
霍尔转速传感器是基于霍尔效应原理设计的。
霍尔效应就是当放在磁场中的半导体基片（即霍尔元件）有电流通过，且电流方向与磁场方向垂直时，半导体基片中电荷在洛仑兹力作用下向一侧偏移，在垂直于电流与磁通的霍尔元件的横向侧面上即产生一个与电流和磁场强度成正比的电压，即霍尔电压。
因此，当信号转子旋转运动使得磁通量发生改变时，霍尔元件输出变化的电信号。
然后频率信号通过电容C1滤波，再送入单片机TO端口。
霍尔效应式转速传感器特点是可以在任意慢速下检测运动物体的速度，它的另一个重要特点是信号处理电路通常也集成在同一封装中，所以无需外加信号处理电路。
但是霍尔传感器由于灵敏度较低，使其与齿轮要保持比较近的检测距离。
由于安装位置太近，容易与齿轮碰撞造成传感器损坏。
3.2AT89C51单片机
本系统采用了AT89C51单片机作为核心CPU
AT89C51芯片是Atmel公司的产品，是一种低电压，高性能CMOS8位微处理器.。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，片内含有4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失存储技术生产。
与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元。
功能强大，能够满足各种控制领域，提供给许多高性价比的应用场合。
是一种灵活性高并且价廉的方案。
（其引脚图如下图2-3）
图3-3
1主要特性：
与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2管脚说明：
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口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于
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