多路流量采集与控制系统的设计.docx
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多路流量采集与控制系统的设计
智能仪器设计
立项论证报告
项目名称：
多路流量采集与控制系统设计
项目负责人：
起止日期：
2014.2.15-2014.6.15
经费预算：
33万元
批准：
承担单位：
2013年11月15日
1.概述
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。
流量的测量在热电生产、石油化工、食品卫生等工业领域具有广泛的应用。
随着传感器技术，微电子技术、单片机技术的发展，为气体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，可精确测量由涡街流量传感器或电磁流量传感器输出的代表流量大小的脉冲信号，以及气体在当地状态下的压力、温度等模拟电压信号。
由软件计算出流量，以简单的硬件结构实现了一个高可靠性、高精度、多功能的气体流量检测系统。
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和控制。
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。
通过对本课题的研究，训练综合运用已学课程的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。
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。
人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；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量对象。
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。
2.研究目标
本文主要研究的是基于单片机的流量检测系统的设计，实现对管道内自来水的流量的检测，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。
本文详细论述了该设计的具体方案，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。
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。
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。
在设计过程中的遇到的每个难点都得一一克服，而本设计的难点在于如何设计简单易行的流量传感器，各芯片的如何应用与合理搭接，而软件的编写如何简洁无误也是一个难点，在实际设计中不断克服改进，力求方案的可行性。
该系统由开关控制，通过单片机对流量数据的统计，并与设定的报警值进行对比，超过则产生报警，并将统计的数据和时钟数据用液晶显示器进行显示，再通过串行口MAX232传输到上位机实现串口通信，由上位机负责数据的接受、处理和显示。
下位机软件采用汇编语言进行编写，对开关控制系统、时钟模块、报警模块、数据储存模块、液晶显示模块等程序进行了设计，上位机软件包括各多路流量传感器的显示及报警设置。
3.主要研究内容
（1）功能需求
该系统由开关控制，通过单片机对流量数据的统计，并与设定的报警值进行对比，超过则产生报警，并将统计的数据和时钟数据用液晶显示器进行显示，再通过串行口MAX232传输到上位机实现串口通信，由上位机负责数据的接受、处理和显示。
下位机软件采用汇编语言进行编写，对开关控制系统、时钟模块、报警模块、数据储存模块、液晶显示模块等程序进行了设计，上位机软件包括各多路流量传感器的显示及报警设置，传感器可选择模拟量输出。
4.主要关键技术及技术指标
1）主要关键技术
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；
高密度多层接口板的PCB工艺设计技术；
高速、高精度A/D采集技术；
2）技术指标
测量路数：
255路
测量范围：
公称通径:
25～300ｍｍ
公称压力:
2.5ＭＰａ
精度等级:
1.5级
5.技术途径及实施方案
（1）硬件总体设计方案
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1所示。
图1系统硬件结构图
（2）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。
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。
（3）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。
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2放大器原理图
（4）单片机硬件电路及其外围电路的设计
（4.1）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4-4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3系统时钟电路
（4.2）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4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4复位电路
（4.3）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5所示。
图5A/D接口电路
（4.4）单片机与LED显示的接口
（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。
（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。
图6LED接口电路
（4.5）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。
图7报警电路
（5）软件模块设计
图8程序结构图
6.研究周期及进度安排
序号
计划节点
主要工作内容
阶段成果（完成标志）
备注
1
2014.2.15-2014.3.15
方案设计、器件选型
设计框图
2
2014.3.16-2014.3.31
硬件电路设计
原理图
3
2014.4.01-2014.4.30
PCB设计安装及调试
PXI板卡
4
2014.4.30-2014.5.20
软件设计及调试
功能实现
5
2014.6.01-2014.6.30
系统调试
提交软硬件
7.经费预算及开支范围
总经费（万元）：
33院（万元）13部所厂（万元）：
20
序号
项目
总经费
年度经费
备注
办公费
办公材料、印刷、资料
2
设计费
方案设计、软硬件设计及调研
4
材料费
PCB制版、器件购置、软件购置
3
外协费
BGA芯片安装、技术支持
5
测试费
租用仪器、产品测试
5
试验费
环境试验、振动试验
8
评审费
信息咨询、专家劳务
3
交通费
购置硬件差旅、与用户交流、现场测试
3
总计
33
8.研究试验条件及加强措施
满足用户使用环境及测试要求
9.成果形式及推广应用前景
1）成果形式（含重要项目的阶段性成果）
序号
类别
产品名称
实现形式
数量
备注
1
硬件
齐套的各硬件组成
实物
1套
2
配套线缆
3
软件
应用软件（调试软件，驱动，动态链接库等）
光盘
1套
乙方提供全部源代码（注释率不得低于30%）
4
文件
多路流量采集与控制系统硬件，软件设计方案
纸质及光盘
1份
5
多路流量采集与控制系统测试细则
6
多路流量采集与控制系统验收测试细则
7
多路流量采集与控制系统软件测试报告
8
多路流量采集与控制系统研制总结报告
9
多路流量采集与控制系统使用维护手册
10
板卡元器件配套表，制板，电装要求
11
板卡原理图，PCB图
可用硬件设计软件直接编辑
2）推广的范围及应用前景
可应用于不同设备对自来水流量数据采集及控制的要求。
10.收获与体会
通过本次撰写智能仪器设计报告，我更加了解了一套仪器的设计过程，加深了对《智能仪器》这门课程的认识。
其中，我设计的课题多路流量采集与控制系统涉及到单片机的应用、传感器的应用及硬件电路的设计等等，与之前所学的课程又联系了起来。
使我认识到《智能仪器》是一门综合性很强的课程，只有把之前所学的知识综合起来并加以运用才能较好地设计出一套智能控制系统。
姓名
性别
年龄
职务/职称
学历
单位
课题分工
学士
北华航天工业学院
原理设计
学士
北华航天工业学院
系统方案设计
学士
北华航天工业学院
课题组织及协调
学士
北华航天工业学院
文件设计
学士
北华航天工业学院
系统测试
学士
北华航天工业学院
系统测试、资料整理
学士
北华航天工业学院
数据采集硬件设计及调试
学士
北华航天工业学院
软件设计
学士
北华航天工业学院
硬件安装及调试
学士
北华航天工业学院
传感器、主控制器设计
学士
北华航天工业学院
通信系统、系统外形设计
学士
北华航天工业学院
显示器、电源设计
学士
北华航天工业学院
上位机软件、下位机软件设计
11.申报单位审核意见
（签章）
年月日
12.专家评审意见
（签章）
年月日
13.院审查意见
（签章）
年月日
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