毕业设计微小流量信号检测系统设计.docx
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毕业设计微小流量信号检测系统设计
编号
本科生毕业设计
微小流量信号检测系统设计
DesignofMicroFlowSignalDetectionSystem
学生姓名
专业
学号
指导教师
学院
二〇一四年六月
毕业设计（论文）原创承诺书
1．本人承诺：
所呈交的毕业设计（论文）《微小流量信号检测系统设计》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。
2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。
3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。
4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。
以上承诺的法律结果将完全由本人承担！
作者签名：
年月日
摘要
流量的精确测量在节能降耗、经济核算、自动控制等方面有着广泛的应用。
在微小流量测量中,浮子流量测量方法起着非常重要的作用。
本文研究了一种适用于微小流量信号检测的流量测量系统，它是基于浮子流量测量原理,应用差动变压器式位移传感器，把浮子位移的变化通过互感转变为电压变化，并设计了信号调理电路，处理来自传感器的微弱电压信号，使之经过放大滤波后能够满足单片机对输入信号的要求。
设计了智能化单片机软硬件系统并对系统进行了功能扩展,使整个系统不仅能够准确实时地反映被测流量的大小，还能够在流量范围超出正常时进行报警提示，最后设计了通信模块电路，能够实现流量信息在单片机和电脑之间的传输,为系统的智能化远程控制提供了条件。
关键词:
微小流量浮子测量差动变压器单片机
Abstract
Accuratemeasurementofflowinsavingenergyandreducingconsumption，economicaccounting.Withthewidelyusedautomaticcontroletc.Inthesmallflowmeasurement，turbineflowmeterplaysaveryimportantrole．
Flowmeasurementsystembasedonasuitableforsmallflowsignaldetection,itisfloatflowmeasurementbasedontheprinciple,applicationofdifferentialtransformerdisplacementsensor,thedisplacementofthefloatintothechangeofvoltagebytransformer,themicroflowsignalafteramplifyingandfilteringcanmeettherequirementsontheinputsignal.Designofintelligentcomputersoftwareand
hardwaresystemandthefunctionofthesystemisextended,sothatthewholesystemcannotonlyaccuratelyreflectmeasuredthesizeoftheflow,butalsocanalarminnormalflowbeyondtherange,thefinaldesignofthecommunicationmodulecircuit,cantransmittheflowofinformationbetweensingle-chipcomputerandcomputer，provideconditionsforthesystemofintelligentremotecontrol.
Keywords:
microflow;floatmeasurement;Differentialvoltageregulator;MCU
第1章绪论
1.1选题的背景和意义
流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。
这个量用流体的体积来表示，称为瞬时体积流量，简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质量流量，简称质量流量。
这一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值称为累积流量。
对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。
流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。
因此，流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。
流量参数可谓工业生产过程、科学实验、计量和进行各种经济核算所必须的重要参数，是能源计量的重要组成部分。
特别是在热电厂、石油、矿山、冶金、航空、机械等领域[1-2]。
现在又扩展到医疗器械等领域[3-5]。
随着传感器技术，微电子技术、单片机技术的发展，为微小流量的精确测量提供了新的手段。
充分利用单片机丰富的硬件资源，配以适当的检测接口电路，可精确测量由流量传感器输出的信号，由软件计算出流量[6-12]。
对微小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[13-16]。
通过对本课题的研究，训练综合运用已学课程的基本知识，独立进行单片机系统设计，掌握单片机程序设计、调试和应用电路的设计、分析及调试检测。
1.2国内外研究现状及发展趋势
目前国外投入使用的流量传感器有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。
据国内外资料表明,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15-30%。
随着科学技术的发展,超声波、激光、电磁及微计算机等新技术引入流量计量领域,使得无接触无活动部件间接技术大大发展,流量传感器趋向电子化和数字化,为流量计量开拓新的领域。
新型流量计要求非接触式流量数字模型简明；量程比宽、线性化、数字化；价格低廉,维修方便。
目前国内已形成了相当规模的开发和制造流量仪表行业，已接近和达到国外原型产品水平，部分产品还在企业产值中占有举足轻重的比例。
迄今已开业生产流量传感器的合资厂有7家，生产电磁流量传感器、金属管浮子流量传感器、科里奥质量流量传感器、涡街流量传感器、双浮子流量传感器；此外，生产流量仪表的小型企业日益增加，据统计流量仪表产值约占全部工业自动化检测仪表与装置的五分之一。
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量中来，使得流量计量向多功能、高精度、易安装、高性能价格比、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：
产品种类不齐、系列不全；产品性能指标低；高技术产品少。
在国际上处于落后地位，不符合流量仪表未来发展方向。
流量显示仪表的发展经过了机械运算记录图表式，模拟运算机械计数式，简单逻辑运算数显示和微处理器运算及多功能数字显示四个过程。
自从单片机出现后，各种各样的智能流量显示仪不断出现，取代了原有的传统的机械式或者纯模拟、数字电路构成的流量显示仪。
智能流里显示仪以单片机为核心可以进行各种流最计算、累加、显示等功能。
流量显示仪具有使用方便、工作可靠、可进行补偿计算等优点。
从上世纪80年代以来，各种智能流量显示仪就不断出现，功能也不断拓展、完善。
智能流量显示仪正朝着低功耗、智能化、网络化、多功能方向发展。
具体来说，智能流量显示仪可以实现流量及其它信号的采集、流量计算累加及补偿计算、数据示、数据远程传输及打印等功能。
根据用户的不同需要，开发人员可以设计出具有不同功能的智能流量显示仪，软件编程非常灵活。
1.3常用流量传感器的分类
流量测量方法种类繁多，至今为止,工业用的流量传感器种类达60种之多，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传感器。
这60多种流量传感器，每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。
按照目前最流行的分类法，可分为：
容积式、差压式、浮子式、涡轮式、电磁式。
以下分别阐述各种流量传感器的原理、特点、应用概况及发展情况。
1、涡轮流量传感器
涡轮流量传感器是速度式流量传感器，它采用多叶片的涡轮感受流体流速，从而推导出流量。
它重复性、精度好，其产品己发展为多品种、多系列批量生产的规模。
2、电磁流量传感器
电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。
它有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。
70、80年代电磁流量在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中其使用量百分数不断上升。
3、差压式流量传感器
差压式流量传感器是根据安装于管道中流量检测元件产生的差压，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。
4、浮子流量传感器
浮子流量传感器，是变面积式流量传感器的一种，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。
浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计，特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。
5、容积式流量传感器
容积式流量传感器，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。
6、超声流量传感器
超声流量传感器是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的传感器。
它和电磁流量传感器一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，近年来它是发展迅速的流量传感器之一。
1.4研究工作重点及系统的技术指标
1.4.1工作重点
本文主要研究的是基于单片机的微小流量信号检测系统的设计，利用浮子内嵌的衔铁，把浮子位移的变化通过互感转变为差动变压器式位移传感器输出电压的变化，从而实现对微小流量的检测，并将流量值实时显示在LCD液晶显示屏上，如果流量值超过上下限范围，就调用报警系统，实现蜂鸣器报警，并将流量值信息通过通信电路发送给电脑。
本文详细论述了该设计的具体方案，首先介绍了基于浮子流量测量的差动变压器，然后主要解决系统的总体设计，系统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差动放大器电路的设计、滤波电路设计、电源电路设计、LCD显示电路设计、通信电路设计、报警电路设计。
软件设计包括主程序、显示程序、通信程序、报警程序。
一个产品的具体设计是复杂与艰巨的，设计的好坏直接影响到工业生产的效率和安全。
本设计的难点在于设计简单易行的微小流量传感器以及各模块电路的合理搭接，而实现软件程序的简洁无误也是一个难点，在实际设计中需不断克服改进，力求方案的可行性。
1.4.2系统的技术指标
1、流量量程:
2-20ml/min；
2、精度:
6-16ml/min小于5%；
3、分辨率:
0.5ml/min；
4、输出:
LCD显示；
5、电源电压:
12VDC；
6、工作温度:
-10-85℃；
第2章浮子流量测量方法的研究
2.1流量概念
流量的定义是流体流过一定截面的体积或者质量与时间之比称为通过该截面的流量。
其中，体积与时间之比，称为体积流量；质量与时间之比，称为质量流量。
如果流体的流动是不随时间变化的，是定常流，流量就可以用流体在单位时间内通过一定截面的体积或质量来表示。
当流体的流动是随时间变化的，为非定常流，此时流量随时间不断变化。
因此，对某一时刻的流量，可以假定在该时刻前后某一微小的△t时间内流动为恒定，用该微小时间间隔内流过的流体体积或质量来表示。
设流体通过截面中的某一微小面积为
，并且选取通过该微小面积流体的流速为
，则流体通过微小面积
的体积流量
，为：
（2-1）
流体通过整个截面积的体积流量q，可用对截面积F积分求出：
（2-2）
质量流量可以用流体体积流量与流体密度之积来表示。
若质量流量为
，流体密度为
，则：
（2-3）
上式中，体积流量的单位为m3/
或m3/
；质量流量的单位为kg/s或kg/h。
在工程应用中，常常同时要求测量经过一段时间流过管道的总的流体量，即要求测量通过管道的流体的累积流量。
如果流体的体积流量为
，质量流量为
，那么，在时间间隔△t内流体流过的累积流量，可用下式表示：
流体质量累积流量：
（2-4）
流体体积累积流量：
（2-5）
累积体积流量的单位为m3，累积质量流量的单位为kg。
所以，如果流动为稳定流，流体密度为
，由上式可以得到：
（2-6）
从上面可以看出，累计流量的测量就是流体体积的测量或者流体质量的测量。
2.2浮子测量方法的物理结构模型
浮子测量方法的物理结构模型如图2-1所示。
流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个置于锥形管中可以上下移动的浮子所组成。
其中D0为浮子的最大直径，d0为浮子的最小直径，h为浮子的位移高度，Dh为浮子平衡在h高度时锥形管的直径，
为锥形管的锥半角。
图2-1物理结构模型
当被测流体从下向上经过锥管和浮子形成的环隙时，浮子上下端产生差压，形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。
浮子在锥管中的位移高度和通过锥管的液体流量有对应关系。
其中
（2-7）
其中
为浮子体积，
为浮子材料密度，
为被测流体密度，
为重力加速度，
为锥形管环形截面积，
为浮子流量计的流量系数。
2.3浮子位移检测原理
由公式（2-7）可知，对于选定的浮子传感器,用于测量某特定液体时，浮子材料、尺寸、锥形管的锥度、液体密度确定，即除了h外其他量都为常数，则实现流量测量的精度取决于对浮子高度h的准确测量。
目前国内用于微小流量测量的浮子流量计的引进产品和国产产品中，大多采用凸轮机械结构进行流量计算，由此而引出以下三方面不足：
首先，凸轮机械结构不能进行流量的精确计算；其次，必须根据被测介质的密度、温度、工作压力等工况条件及流量范围进行逐台设计制造，给生产厂商和使用部门带来不便；再次，凸轮机械结构接触磨损大，长期使用准确性得不到保证。
必须定期进行校准，给使用部门带来极大的不便。
为了提高检测精度，对于浮子位移高度的检测，我们采用差动变压器式传感器原理。
差动变压器可以测量0.0l
~50
的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、线性好、结构简单、性能可靠等优点。
2.3.1差动变压器的结构和工作原理
差动变压器是电感传感器的一种，通过改变衔铁的位置，把被测位移量转换为传感器的互感变化，使次级线圈也产生相应的变化。
由于此传感器常常做成差动形式，所以称差动变压器[17]。
差动变压器的结构如图2-2所示，它的等效电路图如图2-3所示。
图2-2差动变压器结构图
图2-3差动变压器等效电路图
从图中知，差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架组成。
初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边；而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反极性串接而成，相当于变压器的副边。
因此可以讲，差动变压器的结构可以等效成一般变压器。
但结构不同之处是：
一般变压器是闭合磁路,而差动变压器是开磁路；一般变压器原、副边之间的互感是常数（有确定的磁路尺寸），而差动变压器原、副边之间的互感随衔铁移动作相应变化。
差动变压器正是通过互感的变化来反映衔铁的相对位置的。
它的工作原理：
当在初级线圈加上一定的交流电压时，由于互感的作用，在2个次级线圈分别产生感应电动势E2-1和E2-2，把2个次级线圈的同名端相接，在另一个同名端就可以获得一个与铁芯位移成线性函数关系的的输出电压E2。
E2=KX（2-8）
（其中X表示衔铁偏离中心位置的距离,K表示比例常数）
2.3.2基于差动变压器的浮子位移检测原理
当将差动变压器用于浮子位置检测时，将差动变压器的初次级线圈呈管状套在锥形管的外侧。
将图图2-1中差动变压器的衔铁用内嵌铁芯的浮子代替，得到位移检测结构简图如图2-4所示：
图2-4位移检测原理结构简图
根据式（2-8），可将浮子高度h与电感线圈的输出电压U2的正比关系表示为：
（2-9）
C为比例系数，U0为电感线圈的零点残余电压（由于两个次级线圈结构上的不完全一致性，以及激励电压波形中含有高次谐波等因素，当差动变压器的铁芯处于中间位置时，输出电压不为零，而是存在一个零点几毫伏到数毫伏的微小电压，这个电压就是零点残余电压）。
将式（2-9）代入（2-7）得
（2-10）
其中
，
，近似为常数。
由式（2-10）知，差动变压器的输出直接反映了被测液体的体积流速。
通过试验标定的方法，即可求得（2-10）式中的比例常数C1。
将差动变压器原理应用于浮子的位移检测中，由于浮子与差动变压器的电感线圈是非接触式的，理论重复性误差和回差为零，而且结构简单、测量准确度高、灵敏度高，很好地实现了对浮子位移量向电信号的转换。
2.4零点残压及处理方法
零点残余电压会造成零点附近的不灵敏区，并使测量造成误差。
传统的消除零点残余电压的方法通常是在放大电路前加相敏整流电路或采用补偿电路，但是在实际应用中实用价值不大，并且使电路结构和后期调试复杂化。
在流量测量系统中，我们直接将差动变压器次级线圈的输出电压输入到差动放大器，利用差动放大器对共模信号的抑制作用达到消除零点残压的作用，同时也实现了信号的相位调整和放大的作用，使电路得以简化。
第3章系统硬件电路设计
系统硬件电路是系统精确稳定工作的基础，硬件电路的设计包括了信号调理电路的设计、电源电路的设计、单片机硬件电路及其外围电路的设计两大部分，系统硬件电路总体框图如图3-1所示，下面分别加以介绍。
图3-1系统硬件电路总体框图
3.1信号调理电路设计
由于本身流量微小，差动变压器式位移传感器的输出电压信号只有十毫伏左右，远不能满足传感器数字电路的要求。
因而一个具有有效值放大、滤波等完整功能的信号调理电路就尤为重要。
它将位移传感器输出的，和流量成正比例的毫伏级电压信号进行放大滤波，以便后面送入单片机进行处理。
信号调理电路包括差动放大电路、滤波电路。
3.1.1差动放大电路设计
从前端传感器输出的信号十分微弱，只有毫伏数量级。
在工作现场有时还有大功率的电机及其控制设备，它们在起动、调度、制动过程中会产生根强的干扰。
为了有效地传输信号，应采取许多措施，如隔离、屏蔽、合理的接地等。
另一个重要的措施是选择具有强干扰性和低噪声的前置放大器。
由于差动放大器具有放大差模信号，抑制共模信号的特点，能够有效的对前端的微弱信号进行放大,同时能够抑制由于环境因素所带来的误差。
所以选择了差动放大器来放大来自前端传感器的微弱信号。
电路构成及元件参数如图图3-2所示，其中R1=R8=50K,R4=R5=0.1K,其所提供的放大倍数为：
（3-1）
即此差动放大器所提供的放大倍数为500倍，可以满足微小信号放大的要求。
图3-2差动放大电路
3.1.2滤波电路设计
尽管前端采用了差动放大器等措施来抑制噪声的干扰，但是难免还有一些不可忽视的噪声混杂在传感器的测量电路之中，为此传感器的检测电路中还需要设置滤波电路，对由于各种外界干扰所引入的噪声信号加以滤除。
滤波电路的功是使一种频率的信号顺利通过，而将另一部分频率进行较大的衰减，由于流量传感器输出信号是缓慢变化的，因而对其输出信号采用低通滤波器，它只允许低频信号通过而不能通过高频信号。
一、滤波器的选型
有源低通滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：
（1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。
（2）选择具体的电路形式。
（3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。
（4）解方程组求出电路中元件的具体数值。
（5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。
由于巴特沃斯滤波器通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带内则逐渐下降为零，根据系统设计要求选择巴特沃斯滤波器[18]。
由于一阶巴特沃斯滤波器通带到阻带衰减较慢，而高阶巴特沃斯滤波器设计复杂，需要的元器件较多，故此处选择二阶巴特沃斯滤波器电路。
有源2阶低通滤波器原理如图3-3所示，它是一种常见的压控电压源二阶滤波器电路。
图3-3有源低通滤波器原理图
二阶巴特沃斯低通滤波器的归一化传递函数可以表示成两个多项式的比:
（3-2）
其中Av为通带内的电压放大倍数，C为截止角频率，Q为品质因子，其中
（3-3）
（3-4）
二、元器件的选择
一般设计滤波器时都要给定截止频率fc、带内增益Av以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）,在设计时经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之数目，因此有许多组元件值均可满足给定的要求。
一般从选定电容入手，因为电容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配。
此处取Av=1，根据公式（3–4），选择
，
，即一处开路，一处短路；
为简化计算设定
，
，初步确定电容值
。
根据微小流量信号的频率，取fc=400HZ，根据截至频率
，得
本电路选择了UA741运放，最后代入设计值得到的简化电路图3-4。
图3-4有源2阶低通滤波器电路图
此2阶有源低通滤波器由集成运放与2节RC滤波网络构成，在电路中RC网络起着滤波的作用，滤掉干扰的高频信号，它对波形的选取上起着至关重要的作用。
运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出的阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调整。
其中第一级电容C1接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。
3.2电源电路设计
传感器部分的电源可以采用12V直流稳压开关电源直接供电，但是12V的电压不能同时给单片机系统供电，因此在单片机系统中采用LM2940来供电。
LM2940是输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5V，输出电流1A；输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作温度
-40～+125℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。
该模块采用LM2940作为稳压芯片，其输入为12V，输出为+5V，为整个系统提供稳定的+5V电源，该设计可以提高系
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