流量检测系统的设计.docx

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流量检测系统的设计

附件5：

《DSP应用系统设计》课程创新性实验总结报告参模板

山东科技大学电工电子实验教学中心

创新性实验研究报告

课程名称：

测控系统设计

实验项目名称＿＿流量检测系统的设计＿＿＿

姓名XXXXX＿学号＿**********

手机159XXXXX751Emailxxxx**************

专业＿＿电子信息工程＿班级＿电信09-1

指导教师及职称＿＿＿xx＿＿

开课学期2011至2012学年＿二＿学期

提交时间2012年07月13日

一、实验摘要

流量是现代工业测量过程中的一个重要参数，人类对流体的测量具有悠久的历史。

流量检测的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统，古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量；公元前1000年左右古埃及用堰法测量古尼罗河的流量；我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观察水量大小等等。

流量仪表应用范围很广，在工业生产、能源计量、环境保护工程、交通运输、生物技术、科学实验领域都有涉及。

为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世，投入使用的类型有上百种。

根据其测量方法和结构原理大致分为差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、电磁流量计、涡街流量计、科里奥利质量流量计、超声流量计、插入式流量计等。

20世纪随着各领域对流量测量需求的牵引，使得流量计得到快速发展，尤其是微电子技术的迅速发展，为流量计的制造技术提供各种新型的元器件，进一步推动了流量计从机械式向智能化、模块化发展。

新技术、新器件、新材料和新工艺及新软件的开发应用，使得流量计的测量准确度越来越高，流量的测量范围越来越广。

同时流量计对测量介质的要求在降低，适用范围也越来越宽，智能化程度及可靠性得到了很大的提高。

工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。

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。

在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了人们的特别关注，因为在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量和控制准确度和可靠性要求特别高。

流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。

本文从经济实用的角度出发，采用美国Atmel公司的单片机AT89C51作为主控芯片与数据存储器单元，结合涡轮流量传感器，AD转换器，四位LED显示，声光报警器等，采用C语音编程，设计了一款可对流量进行实时检测，并具有上下限报警功能的涡轮流量计，可实现对管道内天然气的流量的实时检测。

本文详细论述了基于单片机的流量检测系统的设计方案，主要解决系统的总体设计，硬件电路的设计以及系统软件的设计。

关键词：

AT89C51；ADC0809；流量检测；涡轮流量传感器

二、实验目的

深入理解和掌握所学过的电子信息工程领域的专业基础课和专业课，掌握电子、检测、控制等方面系统的设计步骤和方法，能够熟练地使用Protel、Matlab、EWB等EDA设计、开发、仿真软件，并进一步学习和掌握创新性实验报告乃至科技报告的撰写方法。

基于单片机的流量检测系统的设计，实现对管道内天然气的流量的检测，并将流量值实时显示在LED数码管上，且如果流量值超过上下限范围，即调用报警系统，实现声光报警。

解决系统的总体设计，硬件电路的设计以及系统软件的设计。

其中硬件电路设计包括单片机最小系统、流量传感器的设计、放大器的设计、AD转换器接口设计、LED显示接口设计、报警器设计等，软件设计包括主程序、信号采集与AD转换程序、显示程序及报警程序。

由于实际应用中传感器输出的信号比较微弱，易受到内部干扰及外部干扰的影响，所以在设计结尾描述了一些抗干扰措施。

三、实验场地及仪器、设备和材料：

地点：

山东科技大学信息与电气工程学院

设备：

PC兼容机一台，安装Protell、Matlab、EWB等EDA开发、仿真软件。

四、实验内容

1、实验原理

1.1涡轮流量计的结构与原理

涡轮流量计：

液体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图2-1所示。

它是由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。

涡轮变送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kQ=f，其中：

Q是流经变送器的流量（L/s）；f是电脉冲频率（Hz）；k是仪表系数（次/升）。

管道内流体的力作用在叶片上，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，k是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪表有不同的k。

涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。

根据单位时间内的脉冲数和累积脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。

图1涡轮流量传感器结构图

1.2总体设计

由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机。

单片机在系统软件的控制作用下，对输入的数据进行分析，向外部输出控制信号，实现LED显示。

LED数码管显示动态的流量，同时，若流量超过上下限范围，报警电路产生声光报警信号，提醒流量不在正常范围内，需采取相应控制。

系统软件主要包括主程序，显示程序等供主程序调用的子程序。

主程序实现系统的总体功能，子程序实现相应的具体功能。

系统硬件结构图如图2所示。

图2系统硬件结构图

1.3工作原理

被测流体流经涡轮流量传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，周期性的改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性的发生变化而产生电脉冲信号。

在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。

该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流量和总量的显示或积算。

在测量范围内，传感器输出的脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值称为仪表常数，以K（次/L）表示。

每台传感器都经过实际标定测得仪表常数值。

当测出脉冲信号的频率f除以仪表常数K便可求得瞬进流量q（L/s）。

即q=f/K。

流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。

单片机将信号以数字形式在LED数码管上显示。

2、实验内容

2.1单片机

AT89C51是一种带4K宇节闪速可编程可擦除只读存储器（PEROM）的低功耗、高性能CMOS8位微控制器。

由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，AT她L的

89C51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而价廉的方案。

AT89C51有4个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，

3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。

其引脚排列图如图3所示。

AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图3AT89C51引脚图

AT89C51的40个引脚共分为端口线、电源线和控制线三类。

2.2A/D转换元件

ADC有两大类：

一类在电子线路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能控制端，可和微机直接接口。

ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。

1）.主要技术指标和特性

（1）分辨率：

8位。

（2）总的不可调误差：

ADC0808为±（1/2）LSB,ADC0809为±1LSB。

（3）转换时间：

取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。

（4）单一电源：

+5V。

（5）模拟输入电压范围：

单极性0～5V；双极性±5V,±10V（需外加一定电路）。

（6）具有可控三态输出缓存器。

（7）启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。

（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。

图4ADC0809内部结构

2）.时序

图5ADC0808/0809工作时序

2.3LED数码管

地址偏移量

共阴字形码

共阳字形码

所显字符

SGTB+0H

3FH

C0H

0

+1H

06H

F9H

1

+2H

5BH

A4H

3H

4FH

B0H

3

+4H

66H

99H

4

+5H

6DH

92H

5

+6H

7DH

82H

6

+7H

07H

F8H

7

+8H

7FH

80H

8

+9H

6FH

90H

9

+AH

77H

88H

A

+BH

7CH

83H

b

+CH

39H

C6H

C

+DH

5EH

A1H

d

+EH

79H

86H

E

+FH

71H

8EH

F

+10H

00H

FFH

空格

+11H

F3H

0CH

P

+12H

76H

89H

H

+13H

80H

FH

·

+14H

40H

BFH

—

3、实验步骤

3.1传感器的设计与信号的采集

流量信号通过涡轮流量传感器采集，本设计应用霍尔效应设计传感器。

3.1.1霍尔效应

当一块通有电流的金属或半导薄片垂直的放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。

两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为

U=（K×I×B）/d

其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度。

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

图6霍尔元件的基本电路

3.1.2实体电路

根据霍尔效应原理，如图7所示，将一块永久磁钢固定在转体转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，霍尔电路通电后，受磁钢所产生的磁场的影响，磁体每经过霍尔电路一次，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。

在转轴上固定一个叶轮，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流量传感器。

我们可确定流量的计算公式为：

累积流量：

Q=K×M=K×D

其中，Q为累积流量（L），K为仪表常数（L/r），M为转数（r），D为脉冲数。

瞬时流量：

q=K×m=K×f

其中，q为瞬时流量（L/s），m为转体角速度（r/s），f为脉冲频率（Hz）。

图7旋转传感器磁体设置

3.2放大电路的设计

涡轮传感器中霍尔元件输出的模拟信号都很微弱（通常在毫伏级），必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才一能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，这种情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

放大器的选型很多，本设计选择一种用途非常广泛的仪表放大器，即典型的差动放大器。

差动放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器。

差动放大器的优点是能抑制零点漂移，差动放大器是一个对称电路，可使漂移信号相互抵消，从而使电路稳定。

因电路对称，由温度变化等因素引起两管的输出漂移电压必然是大小相等，极性相同，即为共模信号。

当愉入信号为共模信号时，由于电路对称，两管的集电极电流产生相等的电流增量。

双端输出时的共模输出电压为零，共模放大倍数也为零。

即使单输出电路，由于共模电阻取值较大，产生较大的反馈电压，把放大倍数压的很低，也能很好的抑制共模信号，因此稳定了工作点，抑制了零点漂移，对共模放大信数抑制作用越强，表明放大器的性能越好。

在本设计中放大电路只需三个廉价的普通运算放大器和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。

电路图参见图8，要使电路满足平衡，则R1=R2、R3=R4、RS=R6，因为每个运放的特性不可能完全一致，在A1和A2的Pin1、Pin8处增设了调零电位器VR1和VR2，这在实际的应用中是非常有用的。

我们假设A1、A2的失配、失调电压和电流均为零的情况下，其差模电压增益为:

整个电路采用正负两组电源供电，这样可对正或负输入电压进行放大。

电源电压一般可取±5～±15V，但对其稳定度有一定的要求。

图中的电容C用于除抖动和抗干扰。

图8放大器原理图

3.3系统时钟电路

单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。

通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，系统时钟电路结构如图9所示，我们选择12MHz的石英晶体，补偿电容通常选择20-30pF左右的瓷片电容。

图9系统时钟电路

3.4复位电路

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。

单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。

复位电路结构如图10所示。

上电自动复位通过电容C3充电来实现。

手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC接通来实现。

图10复位电路

3.5单片机与A/D接口

MCS-51和ADC接口必须弄清和处理好三个问题：

①要给START线送一个100ns宽的起动正脉冲；

②获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志；

③要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。

MCS-51和ADC接口通常可以采用查询和中断两种方式。

采用查询法传送数据时，MCS-51应对EOC线查询它的状态：

若它为低电平，表示A/D转换正在进行，则MCS-51应当继续查询；若查询到EOC变为高电平，则就给OE线一个高电平，以便2-1—2-6线上提取A/D转换后的数字量。

采用中断方式传送数据时，EOC线作为CPU的中断请求输入线。

CPU响应中断后，应在中断服务程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。

图3-4中的P2.7/A15线作为整个ADC0809芯片的片选线，当P2.7/A15=0时，或非门敞开，允许写信号通过，将单片机负的写脉冲转换为ADC0809所需要的正脉冲，以选中ADC0809某一通道并启动转换。

采用74LS373作为地址锁存器使用，其中输入端1D～8D接至单片机的PO口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。

输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。

A/D接口电路如图11所示。

图11A/D接口电路

3.6单片机与LED显示的接口

3.6.1静态显示

在单片机应用系统中，常采用MC14495芯片作为LED的静态显示接口，它可以和LED显示器直接连接。

MC14495芯片是由4位锁存器、地址译码器和笔段ROM阵列以及带有限流电阻的驱动电路（输出电流为10mA）等三部分电路组成。

A、B、C、D为二进制码（或BCD码）输入端；

为锁存控制端，

为低电平时可以输入数据。

为高电平时锁存输入数据，h+I为输入数据大于等于10指示位，若输入数据大于或等于10，则h+I输出高电平，否则输出为低电平；

为输入等于15指示位，若输入数据等于15，则

输出高电平，否则为高阻状态。

MC14495芯片的作用是输入被显字符的二进制码（或BCD码），并把它自动转换成相应字形码，送给LED显示。

3.6.2动态显示

为了减少硬件开锁，提高系统可靠性和降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。

动态显示采用软件法把欲显示十六进制数（或BCD码）转换为相应字形码，故它通常需要在RAM区建立一个显示缓冲区。

显示缓冲区内包含的存储单元个数常和系统中LED显示器个数相等。

显示缓冲区的起始地址很重要，它决定了显示缓冲区在RAM中的位置。

显示缓冲区中每个存储单元用于存放相应LED显示器欲显示的字形码地址偏移量，故CPU可以根据这个地址偏移量通过查字形码表来找出所需显示字符的字形码，以便送到字形口显示。

当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是适合的。

当位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示方法。

本设计采用四联排共阴极数码管进行显示，具有四位数码管，这四个数码管的段选a、b、c、d、e、f、g分别接在一起，每一个都拥有一个共阴的位选端。

P3口控制数码管的点亮情况。

因为单片机的IO口输出功率有限，需要使用74LS374芯片进行锁存。

此外还用一个电阻R-PACK8来保护LED。

LED接口电路如图12所示。

图12LED接口电路

3.7报警电路

报警电路中加一PNP三极管驱动，基极接单片机P2.0口，当端口变成低电平时，驱动三极管导通，可使蜂鸣器发生、报警发光二极管亮，如图13。

图13报警电路

3.8软件流程图

图14主程序流程图

五、实验结果与分析

1、实验现象、数据记录

通过系统调试，理论上应该能实现所应有的功能。

下面是放大电路的仿真结果

、

图15放大电路输入

图16放大电路输出

上图是输出信号的波形，在原信号的基础上进行了放大，效果较为理想。

2、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论：

通过电路分析，对系统的整体硬件和软件都有一个非常完整的规划，信号通过涡轮传感器就行采集，进过霍尔元件进行转变，再由放大电路进行放大在经过ad的转换最终数字量输入到单片机。

放大输出波形有较为理想的放大结果。

并且能够稳定的输出，这给我们平日的测量提供了可靠地保障。

3、关键点：

1.放大器的设计。

2.传感器的选择。

3.程序编写。

4.电容电阻的选择。

5.Ad时序的读懂。

六、实验结论

实际的应用加深了我对大学所学的软、硬件知识的理解。

单片机的选用与学习增强了我们的实际分析解决问题的能力。

这次设计让我初次体验了产品设计开发的过程，学习了开发应用的主要方法，也让我意识到理论知识与实际应用之间的距离。

在这三个多月里，无论是在专业知识，还是在专业技能方面自己都得到了很好的锻炼，并有相应的提高，作为大学四年学习的总结，使我认识到学习过程中的许多缺陷与不足，并对所学的专业知识进行了重新温习与整理，使许多独立的专业课程在实践中得到了融会贯通。

这将对我今后的学习和工作起到了很大的帮助作用，让我认识到了必须踏踏实实的学习，决不能眼高手低，要注重理论与实践的结合。

本设计的一个缺陷在于没有键盘来手动设置流量值的上下限，而是将流量的上下限固化在程序中，这样系统的灵活性就大大降低，另外就软件设计而言也存在着一些不足之处，我相信这些不足之处在以后的工作和学习中会得到改进。

毕业设计作为大学阶段的最后一项任务，是对自己大学四年来学习水平的综合检验。

它能使我对所学的知识有一个系统的把握，并在此基础上做到融会贯通。

同时，对自己自学能力的培养等都大有裨益。

七、指导老师评语及得分：

签名：

年月日

附件：

源程序等。

原理图：

附1

Pcb图如下：

附二