基于单片机的多变量检测装置的研究与设计论文毕设论文.docx
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基于单片机的多变量检测装置的研究与设计论文毕设论文
学号：
常州大学
毕业设计（论文）
（2012届）
题目
学生
学院专业班级
校内指导教师专业技术职务
校外指导老师专业技术职务
二○一二年六月
基于单片机的多变量检测装置的研究与设计
摘要：
现如今，在工业检测领域的流量检测这块，将介质的温度和管道压力纳入检测范围，并把前两者波动对流量检测产生的影响通过特定的算法来进行补偿已经成了一个基本环节。
本文以V型流量计的工业应用为背景，针对受温度、压力影响最大的蒸汽介质研究了基于单片机的多变量变送器的流量补偿装置。
主要包括前端温度、压力信号采集电路、核心控制电路及显示模块。
其中主控制器采用MSP430芯片，完成对采集信号的处理和外围芯片的控制；温度传感器采用DS18B20芯片，完成对环境温度的采集并以数字量输出；压力传感器采用日本松下的D3B集成电路压力采集模块，完成对环境压力的采集并以电压值输出；显示模块采用LCD1602液晶，完成待查看数据的显示。
经测试，该系统能完整实现对温度和压力的检测和显示，为以后流量补偿装置的具体实现打下良好的基础。
关键词：
单片机；多变量检测；流量补偿
Researchanddesignofmultivariabledetectingdevicethatbasedonmicrocontroller
Abstract:
Nowadays,inthefieldofindustrialinspectionandtobealittlemoreprecise,intheprocessofflowamountdetection,itisthemostbasiconetotakethemediumtemperatureandpipelinepressureintoaccount.
ThispaperisonthebackgroundofindustrialapplicationsoftheV-typeflowmeter,inallusiontosteammediawhichcouldbeeasilyaffectedbytemperatureandpressure.Hencethemulti-variabletransmitterthatbasedonsinglechipisresearched.Thefront-endtemperatureandpressuresignalacquisitioncircuit,thecorecontrolcircuitandthedisplaymoduleisincludedinthisdesign.Amongthis,theMSP430chipisadoptedasthemaincontrollertocompletetheprocessofsignalcolletingandthecontrolofperipheralchips;theDS18B20isadoptedasthetemperaturesensortocollectenvironmentaltemperatureandtooutputthedigitalquantity;TheD3BICpressureacquisitionfromJAPANisadoptedtocollectenvironmentalpressureandtooutputthevoltagevalues;theLCD1602moduleisadoptedtocompletedatadisplay.
Aftertesting,thesystemcancompleteimplementationofthedetectionanddisplayoftemperatureandpressure,tolayagoodfoundationfortheconcreterealizationoftheafterflowcompensationdevice.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;Multivariatedetection;Flowcompensation
1绪论
1.1课题的背景及研究意义
各种流动介质的计量问题及流量的精确测量和调节已经成为当前工业测控系统、能源计量管理、环境保护等领域的一个重要内容，用一台变送器同时检测温度、压力、差压等参数，如被测介质是气体、蒸汽，并通过补偿公式得到测量成分不变的工况密度，从而实现气体、蒸汽的质量流量测量。
传统的流量计主要是差压式流量计，距今已有百年的历史。
经过实际使用和实验的证明，文丘里管流量计等有测量精度低，压差阻力大等缺点。
而V型流量计的独特设计，可以使它克服其它差压流量计的一些不足。
1.2V型流量计的测量原理
下面简要介绍一下V型流量计的测量原理。
图1-1V型流量计的结构图
V型流量计是一种差压式流量计，和其它的差压式流量计一样，都是基于密闭管道中的能量相互转化的伯努利定律。
如图1-1所示，它是通过在管线的中心悬挂一个锥形体来节流的。
在管道中，理想流体的流速分布为：
越靠近管壁处流速越接近零，越靠近管线中心处流速越大，在管线中心处流速达到最大。
当流体通过V型流量计的时候，正居中心处的锥体和流体相互作用，使得高速中心和接近管壁处的低速流体流速均匀化，从而产生正确的差压。
流体的流量和它经过的V型锥所产生的前后压差的平方根成线性关系。
这即是基于封闭管道中能量相互转换的伯努利定理，而且在测量低速流体时更有用。
相比较而言，在中心处开孔的差压流量计（比如说孔板流量计），就不可以测量流速过低的流体。
差压式流量计由于实际情况的限制，在现实中很难达到理论环境的要求，从而使一般的差压式流量计难以精确测量。
实践表明，在比较恶劣的情况下，V型流量计也能够保证测量的精度[1]。
现实中的油气储运灌区油品运输过程中，直径超过十米的储油罐十分常见，小批量的油品运输可以通过过磅来测量油品质量，但在油品的火车装车过程中，过磅显然不现实，这个时候，流量计或者质量计的精度就显得十分重要，温度、压力补偿可以使企业避免由于进厂的物料亏损或者出场物料多付所带来的不应有的经济损失[2]。
一般的差压流量计只能测量工况体积流量，然而在工业生产的配比和品质控制，物料和能量平衡以及贸易储运中往往需要知道的量是质量流量，因此开发多变量变送器具有工业实用价值。
本课题设计研究了基于V形内锥式节流装置的多变量变送器，针对工业背景中的蒸汽流量介质的检测，克服了传统节流装置的缺点，将温度传感器、压力传感器用于流量检测，实现多变量测量。
1.3课题的现状及发展趋势
当前的流量监测已经是质量流量计主导的时代。
广泛应用于国内外的质量流量计的测量方法包括直接式流量测量法和间接式流量检测方法两类[3]。
直接测量法是直接测量和质量流量有函数关系的变量，以算出质量流量。
直接式质量流量计中，科里奥利质量流量计是比较好的一种。
但是在非液体测量中，比如说蒸汽测量中科里奥利质量流量计并不多见，受其测量原理的影响，在蒸汽测量中的推广受到限制。
目前，以国内的油气储运这块为例，比较实用的都是采用间接测量法，即把非质量流量仪表（比如说体积流量计）和温度传感器、压力传感器等结合起来，以实现流体密度变化的补偿。
最后把所测的密度和体积流量相乘，得出质量流量的数值。
这种思想得到认同的初期，包括现在不少工业现场，都是通过分立的温度、压力检测仪表获得这些变量的信息而非集成化的多变量智能流量计，采集到专门的处理器上分析，进而得出实际油品运输的流量。
这种测量方法虽然解决了温度、压力等对流量检测的影响，但也不可避免地有成本高、体积太大占用空间、故障率较高等缺点。
因此，开发多变量变送器具有工业使用价值。
差压流量变送器是传统差压流量测量的核心。
从1997年起，国外一些国家开始推出以差压变送器为基础的多变量变送器。
即用一台变送器同时检测温度、压力、差压等信号，并通过补偿公式得到测量组分的工况密度，从而实现对诸如气体的质量流量测量。
这种测量技术相当于用一台变送器实现了之前的三台现场变送器的功能，实现了一个差压变送器实现测量、温度补偿、流量积累、液位测量等一系列的功能[3]。
几年来，随着多变量变送器技术和现场总线技术的成熟和发展，流量监测仪表的广泛使用，越来越多的厂家相继推出自己的仪表，包括E+H，艾默生，横河，ABB。
国内的有上海光华仪表厂等仪表生产厂商。
一般而言，这类仪表都是测量流体的差压、温度等参数，通过压力、温度补偿后，转换为4-20mA的标准电流输出。
1.4本设计的主要内容
本课题设计研究了基于V形内锥式节流装置的多变量变送器，克服了传统节流装置的缺点，并将V形内锥式节流装置、温度传感器、压力传感器用于流量检测，实现多变量测量。
课题的主要内容包括：
（1）在掌握V形内锥式节流装置的基本工作原理和结构的基础上，对仪表的前端传感器进行设计，实现多传感器的一体化。
（2）设计和制作一套用于变送器的测量电路，包括温度、压力测量电路，前端传感器信号采集电路及核心电路（包括CPU、显示等）。
（3）编写A／D、D／A、显示等各功能子程序。
1.5本设计的难点及论文的结构安排
温度传感器与核心板是一线连接，数据线与电源线合二为一，虽是方便，但也给数据的读写带来了困难，而且不是普通的模拟电压输出，是需要核心板直接读取的九位数据，读取、保存都是一个不小的挑战。
MSP430核心板使用的晶振有三个来源：
LC震荡电路和两个不同频率的晶振。
在系统工作的时钟源选择和ADC模块的转换频率选取等方面，需要对430的工作模块有比较清晰的了解。
此外，LCD1602液晶相对而言比较简单，但是数据线比较多，对于使用杜邦线连接的测试来说，线太多显然不是一件好事，检测单元的排布等都需要注意。
本文以基于单片机的传感器信号采集为主线，从硬件电路、软件编写两方面来阐述。
其中，章一为绪论，介绍了设计的背景和设计的要求、指标；章二为课题设计方案及原理，着重阐述了元器件的选择及其特性；章三为系统硬件的电路设计；章四为软件的编写，介绍了显示程序、温度检测程序、压力检测和AD转换程序及运行的流程图；章五为调试部分，介绍了软硬件调试的方法和使用的工具；章六为结论篇，介绍了系统设计的一些经验体会及不够理想的地方。
2课题设计方案及原理
多通道数据采集系统分为硬件和软件两大部分，其中硬件由单片机和温度、压力传感器以及显示模块组成，软件包括主程序、初始化模块和延时、中断子程序等组成。
在设计中，硬件的设计是软件的基础，硬件的构架决定了软件编写的难易；软件和硬件也是密不可分的，软件的设计也需要考虑硬件资源的调度和了解硬件工作原理。
2.1系统的总体方案
如图2-1所示，系统由五大模块组成：
（1）系统的核心模块：
单片机最小系统，负责数据处理和控制功能模块；
（2）温度传感器：
负责将环境温度转换为单片机可以直接识别的数字量或
者电压量；
（3）压力传感器：
负责将环境中的压力转换为对应的数字量或电压量；
（4）AD转换模块：
负责将单片机无法直接识别的模拟量转换为数字量；
（5）显示模块：
将单片机处理好的数据显示出来给使用者查看。
图2-1系统总体结构框图
作为核心处理模块的单片机在开机后执行初始化程序，首先调用温度传感器和压力传感器的检测信号，温度信号直接通过一位数据线读入单片机，进制转换后送到显示模块；压力信号先通过AD转换模块变成数字信号，再经过进制转换后送给显示模块。
2.2单片机的方案比较与选择
作为本设计的核心器件，单片机担当了处理数据和功能控制的作用，是硬件设计的基石。
作为芯片级的微型计算机，单片机具有RAM、ROM，多种I/O口，中断系统和定时、计数器功能，部分高档单片机甚至集成了驱动电路，AD、DA转换电路和PWM脉冲调制电路等。
控制好单片机的成本，对于大规模的基于单片机的仪表生产有非常重要的影响，选择单片机的时候，并不是说配置越高越好，而是越适合越好。
以下为几种可以挑选的方案：
方案一：
采用作为单片机入门级STC89C52单片机，由于普及率很高，首先成本很低，可以大规模使用。
更重要的是，在对处理速度要求不是很高的场合，AT89C52作为一种低功耗高性能的8位控制器，可以说具备了大部分使用者所需要的硬件配置：
包括3个16位定时、计数器，两级中断，片内有8K的Flash存储空间，支持空闲状态下的CPU休眠、RAM和中断等继续工作的低功耗模式；就缺点而言，就是为了降低成本没有把类似PWM、AD/DA等几个十分实用的模块集成在芯片上，如果需要使用，必须另外购置专用的模块，一方面会增加费用，另一方面会给接线等造成不便[4]。
方案二：
采用TI的MSP430单片机，首先它是一个16位的低功耗微处理器，具有较高的处理速度和精简的指令集[5]。
支持三种时钟源的选择，保证可以在最适合的频率下工作，降低功耗。
最重要的是，它具有丰富的外设，比如说硬件看门狗，AD/DA转换硬件、PWM发生器等等；如果说有缺点，那就是资源比较多，选择的空间比较大，要想能够顺畅地使用需要花时间熟悉它丰富的资源和指令[6]。
综上所述，鉴于本系统需要AD转换模块，LCD1602液晶驱动模块等模块，且430最小系统的价格适中，从方便操作和简化器件的角度，选择用方案二。
2.3温度传感器的选择
2.3.1温度传感器的应用简介
温度传感器作为机电设备、仪器仪表的“感官”器件，广泛应用于国民经济各领域及人们的日常生活中。
不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等。
以计算机为例，当中的中央处理器的运行速度愈快，所耗散的热量便愈多，为避免计算机系统受热而受损，有关系统必须将强温度过高保护功能，另一方面，若系统进行高速无线传输，便需要进行频率的转变而提供温度补偿。
相对传统的温度传感器而言，现在的温度传感器不但体积更小，线性度更好，而且功耗更低、准确率更高。
最重要的一点就是，使用起来更方便。
从实际的使用情况看，在门类众多的传感器中较为突出的有力敏、热敏、光敏、（电）压敏、气敏、湿敏等传感器。
从使用的层次来分，一种是直接使用集成电路温度传感器，另一种是就是采用热敏电阻器。
若使用前者，即使在较高的温度范围内，一样会有较高的准确度；若使用热敏电阻器，就需要靠查表或者加外设电路才能得到输出电压和温度的关系。
2.3.2温度传感器应用方案选择
作为本设计的信号采集元器件，温度传感器需要将外界的温度转换为单片机可以直接首先需要有比较小巧的体积，能够直接使用单片机最小系统板提供的5V电源。
方案一：
DS18B20数字温度传感器
图2-2DS18B20实物图
如图2-2所示，为DS18B20的实物图。
DS18B20是一种以9位数字量的形式反映器件的温度值的数字温度计。
因为它可以通过一个单线接口发送或接收信息，故在微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。
用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。
因为每个DS18B20都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。
这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。
方案二：
精密集成温度传感器AD590
图2-3AD590实物图
如上图2-3所示，为美国哈里斯（Harris）公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器——AD590。
AD590有3种封装形式：
TO-52封装、陶瓷封装（测温范围均在-50到+150℃）、TO-92封装（测温范围是0~+70℃）。
比较常见到就是TO-52三管脚封装形式，该常见的外形和符号见图2-3。
其外形和小功率晶体管相仿，共有3个管脚；1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳。
使用的时候，将第3脚接地，可以起到屏蔽作用。
相对DS18B20而言，AD590并不能直接输出可用的电压或者数字量值，它等效于一个高阻抗的恒流源。
在工作电压为+4—+150℃范围之内，对应于热力学温度T每变化1K，就输出1uA的电流。
在298.2K（对应于25.2℃）时恰好输出电流298.2uA。
可见，AD590的精度是非常之高的。
当把AD590接到微安表上，再进行标定，即可作模拟式温度计使用；当把AD590配以ICL7106型单片AD转换转换器，就可以构成数字温度计。
综上所述，结合本设计的基本要求，从最简单的单片机学习板上面都可以看得到这款芯片的使用来说，不管是从价格还是从使用的方便角度来讲，DS18B20都是最具了优势的（而AD590还需要另外使用AD转换模块）。
DS18B20一共有两种封装，方便起见，如图2-2所示，选择只有三根管脚的前者（16根管脚的后者中，标有NC的13根管脚都是未定义不需要连接的）。
2.3.3温度传感器DS18B20的原理及特点
如图2-4所示，DS18B20有三个主要的数字部分：
（1）64位的激光ROM；
（2）温度传感器；（3）非易失性温度报警器。
它采用如下的方式从单线通讯线上汲取能量：
在信号线处于高电平期间把能量存储在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来时再给寄生电源充电。
当然，DS18B20也可以使用外部的5V电源供电。
图2-4DS18B20内部单元图示
DS18B20是这样测量温度的：
用一个高温度系数的的震荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个温度系数的振荡器的脉冲进行技术来得到温度值。
计数器被与之到对应于-55℃的一个值。
如果计数器在门周期结束前达到0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。
同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。
然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。
由于DS18B20是单线操作的，只有建立了ROM操作协议，才能对DS18B20进行控制操作。
操作命令一共五个：
（1）ReadROM；
（2）MatchROM；（3）SearchROM；（4）SkipROM；（5）AlarmSearch。
成功进行一次ROM操作之后，就可以对DS18B20进行特定的操作。
2.4压力传感器的选择
2.4.1压力传感器的应用简介
压力传感器是工业应用中最为常用的一种传感器，被广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
随着现今电子科技的突飞猛进，世界各国研究领域都已广泛使用压力传感器，各国政府都对这领域加大投入力度，几乎渗透到了各行各业。
由于压力传感器大部分是直接输出电压或者电流信号，不可以直接送给单片机直接使用，需要先送给模数转换器将模拟量变换为单片机可以直接识别的数字信号，故在此将传感器和转换模块的选择放在一起。
2.4.2压力传感器及AD转换模块的方案选择
压力传感器的种类繁多，其性能也有较大的差异，在实际应用中，应根据具体的使用场合、条件和要求，选择较为适用的传感器，做到经济、合理。
对压力传感器而言，需要考虑以下一些因素：
额定压力范围、损坏压力、线性度、压力迟滞等。
图2-5压力传感器MPS20N0200D-S及其引脚图
方案一：
MPS20N0200D-S搭配运算放大器
如图2-5所示，MPS20N0200D-S是一款SMD封装的芯片，此款产品被广泛应用于气压相关的产品，并且具有良好的可重复性和长时间的工作稳定性。
作为一款芯片级产品，成本很低，可以工作在-40℃~+125℃之间，可以测量0~200Kpa的气压值。
它一共有六个引脚，除了脚4为空之外，其余为电源输入输出和信号的输入输出。
因为没有集成放大器输出，它的输出信号为mA级别的，满量程输出的典型值为100mA，范围为
70~100mV。
方案二：
直接使用集成电路压力传感器D3B
如图2-6所示，D3B为日本松下的一款集成电路压力传感器，可以直接在4.2~6.2V直流供电的情况下，检测1~9.8KPa的水压或者大气压力，并且能够以0.2%的线性度输出。
相对前者而言，D3B最大的一个好处就是，可以直接输出较大的电压，不用外加放大器电路。
图2-6D3B温度传感器和其内部拆解图
综上所述，并结合本设计的需要，只是在常温下模拟工业现场的温度检测过程，对额定的压力范围和最大的压力范围等要求不是很高。
并且考虑到实际操作情况，要求传感器的体积、操作的方便性以及传感器的可选购性，最终选择了D3B这款陶瓷压力传感器。
可以直接选用单片机上最常用的5V电源供电，压力范围为0~1000mm水柱，可以完全满足设计演示的需要。
2.4.3压力传感器的原理及特点
如图2-7所示，为压力传感器的接线端子和压力输入端。
其中，最上方为5V电源接线端，中间端子为输出端，最下面为接地端。
在5V电源和电压输出端间要接一个2.2K的电阻。
另外，在接线端子的对面，有一个压力检测口，如图已经使用外接软管了，可以通过对着管子吹气。
图2-7压力传感器实物图
工作电压：
4.2V~6.2V；压力范围：
0~1000mm水柱，即0~0.1Kg/c㎡；电压输出：
0.23V~4.9V；线性度：
0.2%。
2.5显示模块的方案选择
根据任务书的安排，需要在单片机外接一个显示模块，以实现温度和压力的就地显示。
方案一：
数码管。
七段数码管属于LED发光器件的一种，分为7段：
A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP是小数点位，还包括一个公共端COM端。
从电气上，7段数码管又分为共阴和共阳两种。
共阴指数码管的公共端接负极，而各段接正极；共阳则正好相反。
数码管显示虽然简单编程容易，但是它只能够显示简单的数字和字母，而且功耗较大。
方案二：
LCD1602液晶。
它为工业字符型液晶，能够同时显示16x2即32个字符（16列2行），具有显示形式丰富，显示质量高，接口简单，体积小重量轻，功耗小的特点。
液晶显示模块根据显示方式和内容的不同可以分为，数显液晶模块，液晶点阵字符模块和点阵图形液晶模块三种。
数显液晶模块是一种段型液晶显示器件和专用的集成电路组成一体的功能部件，只能显示数字和一些标识符号；液晶点阵字符模块是有点阵字符液晶显示器件与驱动器、控制器等装配而成，可以显示数字和西文字符，但不能显示图形；点阵图形液晶模块的点阵像素连续排列，行和列在排布中均没有空隔。
因此不仅可以显示字符，而且也可以显示连续完整的图形。
LCD1602液晶点阵字符模块，为操作方便，带有内置的192种字符。
显示时只要按照其时序要求初始化好显示方式，并把要显示的数据写入相应的位置RAM就可以了。
LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就显示黑色，这样就显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点。
考虑到本系统进行显示的内容比较多，故采用方案二数LCD1602液晶显示便可满足条件。
3系统单元电路设计
3.1最小系统的硬件设计
3.1.1MSP430单片机简介
MSP430系列
升级会员 