流量检测系统.docx

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流量检测系统

课设题目流量检测系统

摘要

流量是三大工业过程控制量之一，流量计量直接关系到国家利益和国计民生。

电磁流量计因测量时不受被测介质的温度、粘度、密度等影响，应用领域非常广泛。

因此，设计一个流量检测系统。

设计的流量检测系统以AT89C51单片机为核心，管道流量的检查采用电磁流量计，电磁流量计输入4～20mA的电流信号，通过I/A转为0～5V的电压信号，经AD转换送与单片机转换为流量数据，在液晶屏幕LCD1602中显示。

该流量检测系统可检测小口径管道流量,因不受流体材料的限制，常应用于食品工业。

关键词：

电磁流量计，AT89C51单片机

一、绪论

1.1课题开发的背景和现状

1.2课题开发的目的和意义

1.3课题技术性能指标

二、流量计种类选择方案

三、系统总体方案设计

四、主要器件的方案选择

4.1、HR-LDG系列电磁流量传感器

4.2、单片机的方案选择

五、模块电路的设计

5.1、MCU主控电路

5.2、LCD1602液晶显示电路

5.3、电流/电压转换电路

5.4、A/D转换电路

5.5、电源模块

六、电磁流量计安装时注意事项

七、系统软件开发流程及代码分析

八、设计总结

九、参考文献

附录

1、总电路图

2、元器件清单

一、绪论

1.1课题开发的背景和现状

工业生产中过程控制是流量测量和仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起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。

流量的检测与控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。

例如：

在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量收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，其中流量蠩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训。

此外，在环境保护领域，流量测量仪表也分演着重要角色。

人们为了控制大气的污染，必须对污染大气的烟气以及其分温室气体排放进行监测；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理对象。

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，流量计在现代家业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也有广泛的应用。

1.2课题开发的目的和意义

在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。

流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。

同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。

所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。

例如：

由于石油是重要的能源，无论上从节约能源的角度，还是从经济性角度来看,对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。

在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计量与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。

开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。

自动化技术可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。

1.3课题技术性能指标

（1）小口径的电磁流量计，应用于食品工业；

（2）检测管道的流量；

（3）所测流量送液晶显示。

二、流量计种类选择方案

目前，常用的流量计有：

涡轮流量计、电磁流量计和明渠流量计3种。

因此，初步有三种方案设计可选用。

1、方案一

采用明渠流量计进行流量的检测。

HOH-L-01多普勒明渠流量计测量系统的组成方法一般由一台流量显示仪、一台流速计、一台液位计组成；也可由一台流量显示仪、多台流速计、一台液位计组成的多点流速测量的明渠流量系统。

　　HOH-L-01多普勒明渠流量计系统，适用于水库、河流、水利工程、城市供水、污水处理、农田灌溉、水政水资源等矩形、梯形明渠及涵洞的流量测量，此次设计中应用于食品工业，故不适合使用明渠流量计。

2、方案二

采用涡轮流量计进行流量检测。

涡轮流量计由涡轮、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。

涡轮流量计在一些对于准确度要求不高的场合得到了广泛的应用，但其不能长期保持校准特性，流体对流量特性有较大影响，对于食品安全流量检测，不适合于用此涡轮流量计。

3、方案三

采用电磁流量计进行流量检测。

电磁流量计的测量管是一个内衬绝綠材料非导磁合金短管。

两只电极沿径方向透壁固定在测量管上，其电极头与衬头内表面基本齐平。

励磁线圈由双向方波脉冲劢磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为B的工作磁场，此时，如果具有一定电导率的液体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。

电动势E正比于磁通量密度B、测量管内径d与平均流速V的乘积。

电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器。

转换器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，用于流量的控制与调节。

电流量计有如下特点：

（1）属于非接触性仪表，测量管段是光滑直管，管内没有任何阻碍流体流动的节流元件，不会引起额外的压力损失，节能效果好，可用于测量各种粘度的液体，特别适于测量含固体颗粒的液固混合流。

此外除电极外没有其他组件与液体直接接触，因此它还适于测量腐蚀性大的液体，由此形成了独特的应用领域。

（2）流量计测量过程不受被测介质的温度、粘度、密度等因素的影响，因此只需一次经水标定后就可用于测量其他导电液体的流量。

（3）电磁场的产生是极快的过程，因此电磁流量计反应速度快，无机械惯性，可以测量瞬时流量，还可测水平或垂直管道中两个轴向的流量。

（4）流量计输出只与被测介质的流速有关，量程范围宽。

（5）应用口径范围大，小口径、微小口径常用于医药卫生等有卫生要求的场所，中小口径常用于高要求或难测场合，如造纸工业测量纸浆液，大口径多用于给排水工程。

对比以上三种方案，方案一中适合应用于水库、河流、水利工程、城市供水、污水处理、农田灌溉、水政水资源等矩形、梯形明渠及涵洞的流量测量，此次设计中应用于食品工业，管道内流量的流速测量，故不适合使用明渠流量计。

方案二中涡轮流量计主要应用于石油、有机液体、无机液，液化气，天然气和低温流体，不适合选用涡轮流量计。

方案三中流量计测量过程不受被测介质的温度、粘度、密度等因素的影响，因此只需一次经水标定后就可用于测量其他导电液体的流量，可用于食品工业流速的检测，因此对比前两种方案可得此次设计中采用电磁流量计进行流速的检测。

三、系统总体方案设计

工作原理：

基于电磁流量计的管道流量检测系统实现的功能为检测管道的流量，送液晶显示。

管道流量的检查采用电磁流量计，电磁流量计输入4～20mA的电流信号，通过I/A转为0～5V的电压信号，经AD转换送与单片机转换为流量数据，在液晶屏幕LCD1602中显示。

系统框图见图：

系统框图

四、主要器件的方案选择

4.1、HR-LDG系列电磁流量传感器

一般工业用电磁流量计被测介质流速为2～4m/s为宜，在特殊情况下，最低流速应不小于0.1m/s，最高不大于8m/s。

若介质中含有固体颗粒，常用流速应小于3m/s，以防止衬里和电极的过分摩擦：

对于粘滞流体，流速可选择大于2m/s，较大的流速有助于自动消除电极上附着的粘滞物的作用，有利于提高测量精度。

在流量Q已确定的条件下，即可根据上述流速V的范围决定流量计口径D的大小，其值计算公式为：

Q=πD

V/4

式中，Q:

流量（m

/h）；D：

管道内径（m）；V:

流速（m/h）。

（1）电磁流量计的工作原理与组成

电磁流量计的测量管是一个内衬绝綠材料非导磁合金短管。

两只电极沿径方向透壁固定在测量管上，其电极头与衬头内表面基本齐平。

励磁线圈由双向方波脉冲劢磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为B的工作磁场，此时，如果具有一定电导率的液体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。

电动势E正比于磁通量密度B、测量管内径d与平均流速V的乘积。

电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器。

转换器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，用于流量的控制与调节。

导电性液体在垂直磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”，其计算公式为

E=kBD

（式1）

式中，E：

感应电动势，即流量信号，V;K:

系数；B磁感应强度，T；D：

测量管内径，m；

：

平均流速，m/s.

设液体的体积流量为

q

（m

/s）,

q

=πD

/4（式2）

则E=（4kB/πD）q

=kq

（式3）

式中K为仪表常数，K=4kB/πD。

式1中K、d为常数，由于励磁电流是恒流的，因此B也是常数。

由E=kBD

可知，体积流量Q与信号电压E成正比，即流速感应的信号灯电压E与体积流量Q成线性关系。

因此，只要测量出E就可以确定流量Q，这就是电磁流量计的基本工作原理。

由E=kBD

可知，被测流体介质的温度、密度、压力、电导率、液固两相流体介质的液固成公比等参数不会影响测量结果。

至于流动状态，只要符合轴对称流动就不会影响测量结果。

因此，电磁流量计是一种真正的流量计。

对于制造厂和用用户来说，只要用普通的的水实际标定后就可测量其他任何导电流体的体积，而不需要任何修正，这是电磁流量计的一突出特点，也是其他任何流量计所没有的。

测量管内无活动及阻流部件，因此几乎没有压力损失，并具有很高的可靠性。

EMF由流量传感器和转换器两大部分组成。

传感器的测量管上下装有激磁线圈，能激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。

激磁电流则由转换器提供。

（2）电磁流量传感器的选择

电磁流量计的量程Q应大于预计的最大流量值，而正常的流量值以稍大于流量计满量程高刻度的50%为宜。

口径大小与流量范围对应如下表所示。

表2口径大小与流量范围对应参考表

通径（mm）

流量范围（m

/h）

通径（mm）

流量范围（m

/h）

通径（mm）

流量范围（m

/h）

DN15

0.6~6.36

DN250

17.66~1766.25

DN900

228.91~222890.60

DN20

0.11~11.30

DN300

25.43~2543.40

DN1000

282.60~28260.00

DN25

0.18~17.66

DN350

34.62~3461.85

DN1200

406.94~40694.40

DN40

0.45~45.22

DN400

45.22~4521.60

DN1600

723.46~72345.60

DN50

0.71~70.65

DN450

57.23~5722.65

DN1800

915.62~91562.40

DN65

1.19~119.40

DN500

70.65~7065.00

DN2000

1130.40~113040.0

DN80

1.81~180.86

DN600

101.74~10173.6

DN2200

1367.78~136778.4

DN100

2.83~282.60

DN700

138.47~13847.4

DN2400

1627.78~162777.6

DN200

11.30~1130.40

DN800

180.86~18086.4

DN2600

1910.38~191037.6

在本系统中选用HR-LDG-D25-T0-F1-C0-E1-H0-G1-D型电磁流量计，流量范围为0.4~14m

/h，介质温度为0℃-80℃，衬里材料为耐磨橡胶，电极材料为216L，工作压力为2.5Mpa,全系列口径，连接方式为法兰式，转换器结构为一体式智能表头，220VAC供电电压，输出为4-20mA，防爆类型为隔爆型。

因此，所选的传感器为HR-LDG系列电磁流量传感器。

（3）电磁流量传感器的特点

1、LDG系列电磁流量计适用于各种导电液体的流量测量，如自来水，污水，泥浆，纸浆，各种饮料，化学原料，粘稠液体和悬浮液。

2、LDG系列电磁流量计的测量结果不受温度，压力，密度，导电率等介质物理特性和工况条件的影响，其输出信号与被测流体的体积流量成正比。

3、LDG系列电磁流量计对强腐蚀性，强磨损性介质具有良好的适应性。

4、LDG系列电磁流量计具有优异的量程比，在低流速或流量变化幅度较大的应用领域（如自来水行业）具有良好的适用性。

5、具有正/反双向流量测量功能。

6、提供传感器多段非线性修正和传感器零点修正以及自动校零功能。

7、无线遥控、红外遥控功能以及按键操作，操作更加方便。

8、多级密码管理，多种极限报警参数设置功能。

9、具备转换器本机自检功能，宽范围电源模式可供选择（DC：

18V~36VAC：

85V~265V）。

10、采取一体及分离组合型设计，转换器和传感器双重系数设定，使转换器具有可替换性，模块化板卡设计，升级维护迅捷简便。

11、具备防雷电保护设计电路。

高效抗干扰电路，适用各种恶劣环境。

12、多种输出通讯接口可供选择。

4.2、单片机的方案选择

在嵌入式领域中有多种微处理器可以选择，比如FPGA、DSP、单片机、ARM等，在这些处理器中单片机的价格最低，性能适中，适合此类场合。

下面对一些常用的单片机类型进行说明：

（1）51系列单片机。

51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称，其代表型号有ATMEL公司的AT89系列等，Philips、华邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司也有许多兼容的产品，它广泛应用于工业控制系统、白色家电等领域之中。

目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在今后很长的一段时间内将占有大量市场。

（2）AVR系列单片机。

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。

AVR单片机废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中，广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

（3）MSP430。

MSP430系列是一个16位、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。

片上集成了AD、DA、PWM、LCD驱动，其比较器AD采样方式能达到很高的精度，开发系统也很便宜。

缺点是在位操作时有点麻烦，不适合用于逻辑控制以及对功耗不敏感的使用场合。

从成本、开发的难易程度考虑，选用ATMEL公司的AT89C51单片机。

它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器，与80C51产品指令和引脚完全兼容，有8K字节的Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时／计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

五、模块电路的设计

本流量检测系统可分为以下几个模块电路：

MCU主控电路；LCD1602液晶显示电路；电流/电压转换电路；、A/D转换电路；电源模块。

5.1、MCU主控电路

基于电磁流量计的管道流量检测系统，系统选用AT89C51作为CPU，具有上电复位和手动复位功能，晶振为11.0592MHz。

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

在本MCU主控电路中其复位电路如图左边下部分，其主控模块是通过开关手动复位的，只要在RST引脚出现大于10ms的高电平，单片机就进入复位状态，这样做的目的是便于根据实际情况而选择是否复位流量检测数据。

而单片机的振荡电路选用的是晶振振荡电路，其具体电路如图左边上部分。

采用晶体震荡电路的原因是因为它的频率稳定性好，而这正是本流量检测系统非常重要的技术要求。

图5.1MCU主控电路图

5.2、LCD1602液晶显示电路

液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。

除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。

如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

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，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点。

其液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

此显示电路中选用可以显示2行16个字的液晶LCD1602显示流量,其中R4的作用为调节对比度。

图5.2液晶显示电路图

5.3、电流/电压转换电路

当电磁流量计输入为4-20mA的电流信号，要送到单片机测量显示，则需要把电流信号转换为电压信号，采用电流/电压转换器实现电流到电压的转换。

此次转换电路中采用顺源公司的ISOEM系列隔离放大器。

ISOEM系列隔离放大器是一种磁电隔离的混合集成电路，该IC在同一芯片上集成了一个多隔离的DC/DC变换电源和一组磁电耦合的模拟信号隔离放大器，它采用磁电耦合的低成本方案，主要用于对ＥＭＣ（电磁干扰）无特殊要求的场合。

抗ＥＭＣ（电磁干扰）能力较差，特殊使用场合应注意增加电磁干扰抑制电路或采取屏蔽措施。

在本系统中，采用具体型号为ＩＳＯ　ＥＭ－Ａ４－Ｐ３－Ｏ４的直流电压/的电流信号隔离放大器，可以实现4~20mA/0~5V的转换，模块供电电源为5V。

图5.3电流/电压转换电路图

5.4、A/D转换电路

本系统中选用8位A/D转换器ADC0801采集电磁流量计的信号，经过AD转换送与单片机转换为流量数据，在液晶屏幕LCD160显中显示。

此次设计中采用AT89C51单片机系统，该系统只能识别数字信号，而采集到的信号为模拟信号，不能为系统识别。

ADC0801通过IN+端接收一个电压信号，通过模/数转换，在八位输出端输出相应高低电平的数字信号，并传给AT89C51系统，实现模\数转换。

图5.4A/D转换电路图

5.5、电源模块

电源设计需要功能可靠，且每一个板上都有CBB电容和高品质的ELNA电容做退耦，如图5.5所示

通过对电路的观察，发现设计所用的电源都是直流电源+5V，所以采用三端集成稳压器LM7805，可以方便的实现此功能。

先将220V/50Hz的交流电源电压通过变压器将其电压转换为12V，然后加入电桥进行整流，接着通过电容和LM7805组成的电路进行滤波，得到所要求的+5V的电压。

图5.5电源电路

六、电磁流量计安装时注意事项

电磁流量计的安装比较重要，将直接影响测量精度。

1、对外部环境的要求

电磁流量计的安装对外部环境要求严格。

（1）流量计应避免安装在温度变化很大或受到设备高温辐射的场所，若必须安装时，须有隔热、通风的措施。

（2）流量计最好安装在室内，若必须安装于室外，应避免雨水淋浇、积水受淹及太阳暴晒，须有防潮和防晒措施。

（3）流量计应避免安装在含有腐蚀性气体的环境中，必须安装时，须有通风措施。

（4）为了安装、维护、保养方便，在流量计周围须有充实的安装空间。

（5）流量计安装场所附近应避免存在强磁场及强震动源，如管道震动大，流量计两边应有固定管道的支座。

2、对直管段的要求

为了改善涡流与流畅畸变的影响，流量计安装的前后直管段长度有一定要求，否则会影响测量精度。

3、对工艺管的要求

流量计对安装点的上下游工艺管有一定的要求，否则影响测量精度。

上下游工艺管的内径与传感器的内径相同，并应满足：

0.98DN≤D≤1.05DN（式中DN：

传感器内径，D：

工艺管内径），工艺管与传感器必须同心，同轴偏差应不大于0.05DN。

4、旁通管的要求

为了方便检修流量计，最好为流量计安装旁通管，另外，对重污染流体及流量计须清洗而流体不能停止的，必须安装旁通管。

5、传感器的接地

为了使仪表可靠的工作，提高测量精度，不受外界寄生电势的干扰，传感器应具有良好的单独接地线，接地电阻阻值＜10Ω，在连接传感器的管道内若涂有绝缘层或是非金属管道时，传感器两侧还应加装接地环。

6、流量计安装时注意事项

除上面介绍的安装注意事项外，还要注意以下几点。

（1）安装尺寸一定要计算准确，否则容易泄露或安装不上。

（2）流体流向必须与传感器表面上的流向箭头保持一致。

（3）流量计的电极轴线必须近似水平，否则影响测量精度。

（4）传感器两边的法兰必须保持平行，否则容易泄露。

（5）为了表面在安装后形成漩涡流动，应保证工艺配管、密封件、流量计同轴连接不能错开。

安装流量计时，严禁在紧靠流量计法兰处电焊施工，以免烧伤流量计衬里。

（6）对不同性质的工艺管道，应采用相应的接地方式。

（7）对于腐蚀性介质，最好应垂直安装，被测介质自下往上流动，这样可以避免固体颗粒在流量计管道中沉积，使衬里腐蚀均匀，延长使用寿命。

（8）对于口径大于200mm的测量管，为了方便，可采用伸缩头。

七、系统软件开发流程及代码分析

系统软件主要包括AD转换、由测量数据转为流量、显示码的取得、液晶的初始化、液晶显示等。

1、系统软件流程

基于电磁流量计的管道流量检测系统的主程序流程如图（6）所示。

程序上电后，首先多LCD1602液晶初始化，设置显示格式，然后在液晶屏幕上，第一行左侧固定显示你“flow”，第二行中间靠右显示“m3/h”。

最后循环读取AD转换数据，再将AD转换结果转换为流量数据，送至液晶显示，延时2s后继续测量显示。

系统主流程图

2、系统软件代码分析

基于电磁流量计的管道流量检测，系统的具体程序代码如下：

#include

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

#defineADC0801XBYTE[0x7FFF]//adc0801地址

sbitRS=P1^5;//LCD命令/数据端

sbitRW=P1^6;//