基于单片机的流量计的设计.docx

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基于单片机的流量计的设计

基于单片机的流量计设计

【摘要】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。

本文主要研究的是基于单片机的流量计设计，实现对管道内天然气的流量的无线检测。

本文详细论述了基于单片机的流量计的设计方案，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

ThedesignofflowmeterbasedonSCM

【Abstract】Processcontrolisabigfieldoftheflowmeasurementandinstrumentationinindustrialproduction.Flowandtemperature,pressureandthinglocationaretogethercollectivelyreferredtothefourbigparametersoftheprocesscontrol.Throughtheseparameters,theproductionprocessaremonitoringandcontrolled.Theaccuratemeasurementandadjustmentforfluidflowareistoguaranteethesafeandeconomicoperation,improveproductqualityandreducethematerialconsumption,toimprovetheeconomicbenefit,andthescientificmanagementfoundationintheproductionprocess.Thedetectionandcontrolofflowiswidelyappliedinthechemical,electricalenergy,metallurgy,petroleumandotherfields.Asthegasindustryboomingnow,naturalgasmeasurementcausedthepeopleofparticularconcern.Becauseitneedsmillionsofflowmeterincollection,treatment,storage,transportationanddistributionprocessofnaturalgas,andsomeoftheseflowmeterrelatestothehugenumberofsettlementamount,themeasurementandcontrolaccuracyandreliabilityrequirementsareparticularlyhigh.Flowmeterhavealsobeenwidelyusedinmodernagricultureandwaterconservancyofflowconstruction,biologicalengineering,pipes,aerospace,militaryfield.

ThispapermakesastudyaboutthedesignofflowmeterbasedonSCM,torealizethewirelessdetectionthenaturalgasinthepipeline.ThispaperdiscussestheofflowbasedonSCM,mainlytosolvethedesignofthewholesystem,thehardwarecircuitdesignandthedesignofthesystemsoftware.

【KeyWords】AT89C51,ADC0809,flowtesting,vortexflowsensor

第一章绪论

1.1选题的背景和意义

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。

流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，因此其测量对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。

流量和压力、温度并列为三大检测参数。

对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数。

能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量和压力、温度仪表一样得到最广泛的应用。

流量开关流量计用以测量管路中流体流量（单位时间内通过的流体体积）的仪表。

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。

1.2国内外研究现状及发展趋势

17纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。

自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。

20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。

至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。

流量测量最早是由瑞士人开始的，在1738年，瑞士著名的物理学家丹尼尔?

伯努利以伯努利方程为基础，利用了差压法测量了水流量。

　　后来，意大利物理学家文丘里又用文丘里管测量了流量，并发表了研究成果。

1886年，美国人赫谢尔应用文丘里管制成了测量说流量的的实用测量装置。

20世纪初期到中期，原有的测量原理逐渐走向成熟，人们不再将思路局限在原有的测量方法上，而是开始了新的探索。

1910年时，美国人开始了槽式流量计的研究工作，这种流量计是用来测量明沟中水流量的。

1922年，帕歇尔将水槽测量改革为帕歇尔水槽。

槽式流量计发展的同时，美籍匈牙利人卡门正在研究涡街理论，1911年到1912年，他提出了卡门涡街新理论。

到了30年代，又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法声波测量流量的方法，但到第二次世界大战为止未获得很大进展，直到1955才有了应用声循环法的马克森流量计的问世，用于测量航空燃料的流量。

1945年，科林用交变磁场成功的测量了血液流动的情况。

20世纪的60年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。

例如，为了提高了差压仪表的精确度，出现了力平衡差压变送器和电容式差压变送器；为了使电磁流量计的传感小型化和改善信噪比，出现了用非均匀磁场和低频励磁方式的电磁流量计，此外，具有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在70年代问世。

随着集成电路技术的迅速发展，具有锁相环路技术的超声（波）流量计也得到了普遍应用，微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机后，可处理较为复杂的信号我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口。

1.3研究内容及需解决的问题

本文主要研究的是基于单片机的流量计设计，实现对管道内天然气的流量的无线检测。

本文详细论述了基于单片机的流量计的设计方案，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。

主要解决12个管道的管道内径均为20mm的流量无线检测，具体包括流量与电信号之间关系的数学模型的建立，无线发射装置、收发装置的前向通道电路、微机测试系统设计。

第二章流量传感器

2.1流量计分类及优缺点

流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。

至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。

品种如此之多的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仪表。

这60多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。

按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。

总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发讯装置。

因此,以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。

按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。

按照目前最流行、最广泛的分类法,即分为:

容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。

【6.7】

1涡轮流量计

涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速,从而推导出流量或总量的仪表。

一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。

涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品己发展为多品种、多系列批量生产的规模。

优点:

（1）高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计:

（2）重复性好:

（3）无零点漂移,抗干扰能力好;（4）范围度宽:

（5）结构紧凑。

缺点:

（1）不能长期保持校准特性:

（2）流体物性对流量特性有较大影响。

2涡街流量计

涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。

涡街流量计按频率检出方式可分为:

应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。

涡街流量计是属于最年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前成为通用的一类流量计。

优点:

（1）结构简单牢固:

（2）适用流体种类多;（3）精度较高;（4）范围度宽:

（5）压损小。

缺点:

（1）不适用于低雷诺数测量;

（2）需较长直管段:

（3）仪表系数较低（与涡轮流量计相比）:

（4）仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。

3电磁流量计

电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。

电磁流量计有一系列优良特性,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。

优点:

（1）测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等;

（2）不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;（3）所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力

和电导率变化的明显影响:

（4）流量范围大,口径范围宽:

（5）可应用腐蚀性流体。

缺点:

（1）不能测量电导率很低的液体,如石油制品;

（2）不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体:

（3）不能用于较高温度。

4差压式流量计

差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,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。

优点:

（1）应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;

（2）应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;（3）检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。

缺点:

（1）测量精度普遍偏低;

（2）范围度窄,一般仅3:

1~4:

1:

（3）现场安装条件要求高;（4）压损大（指孔板、喷嘴等）。

5浮子流量计

浮予流量计,又称转予流量计,是变面积式流量计的一种,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,从而使浮子可在锥管内自由地上升和下降。

浮予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。

特点:

（1）玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便,

缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;

（2）适用于小管径和低流速;（3）压力损失较低。

6容积式流量计

容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD流量计,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。

容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。

优点:

（1）计量精度高;

（2）安装管道条件对计量精度没有影响:

（3）可用于高粘度液体的测量;（4）范围度宽:

（5）直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。

缺点:

（1）结果复杂,体积庞大;

（2）被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大:

（3）不适用于高、低温场合;（4）大部分仪表只适用于洁净单相流体;（5）产生噪声及振动。

7超声流量计

超声流量计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仪表。

根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

超声流量计和电磁流量计一样,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一类流量计之一。

优点:

（1）可做非接触式测量;

（2）为无流动阻挠测量,无压力损失:

（3）可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。

缺点:

（1）传播时间法只能用于清洁液体和气体:

而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体;

（2）多普勒法测量精度不高。

【8】

2.2涡轮流量计

涡轮流量计：

气体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图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；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。

图1涡轮流量计变送器结构

1-紧固件；2-壳体；3-前导向件；4-止推片；

5-叶轮；6-电磁感应式信号检出器；

7-轴承；8-后导向件

2.3涡轮流量计的特点

在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。

二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低的特点。

涡轮流量计还具有测量准确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。

像这样的技术参数其他流量计则是难以达到的。

因此涡轮流量计在工业上应用最广泛，发展最迅速。

除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，由于其兼有测量准确度高和重复性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。

涡轮流量计虽有很多优点，但由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体的洁净度要求高。

流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。

而且由于有转动部件，会带来轴承的磨损，使仪表的使用年限受到影响。

因此，必须注意根据被测流体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。

应该指出，随着新材料、新工艺的发展，仪表转动部分的耐磨性、变送器的维修性能和寿命正在不断提高；随着对涡轮流量计粘度修正问题研究的不断深入以及测量线路的完善和微的应用，涡轮流量计可以方便和准确得进行各种参数的修正，显示仪表的性能也将更臻完善目前生产的双涡轮流量计，由于变送器内串联两个涡轮，可以互相校核，从而提高了仪表使用的可靠性，受到好评。

可以语言，随着涡轮流量计结构和性能的不断完善，它将在各个领域中越来越广泛的得到应用，在流量测量和标准传递中发挥更大作用。

除此之外，考虑到价格因素：

用于检测气体流量的孔板或涡街流量计的价格一般在40000-10000元，所以选用涡轮流量计作为检测元件是性价比比较适合的。

第三章系统工作原理

2.1总体设计（系统结构，主要是硬件结构，主要组成部件）

通过AD转换器，作为单片机与外部输入的接口，将外部的模拟量输入单片机。

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。

系统软件主要包括主程序，显示程序和供主程序调用的各个小的子程序。

主程序实现系统的总体功能，子程序实现相应的具体功能。

2.2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。

图2-1原理图

第二章硬件设计

根据对系统机构的分析，针对流量监测中存在的（什么问题），我进行改进设计。

3.1检测电路硬件电路的总体设计

系统的总体设计思想是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。

单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的数字型号。

数字先好通过LED数码管显示，从而实现对气体流量的检测。

3.2片子的简介

3.2.1AT89C51单片机及引脚介绍

AT89C51属于MCS-51系列单片机。

在MCS-51系列中，各类单片机是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。

在器件引脚的封装上，MCS-51系列机通常有两种封装：

一种是双列直插式封装，常为HMOS型器件所用；另一种是方形封装，大多数在CHMOS型器件中使用。

其中，引脚1和引脚2（方形封装为引脚2和引脚3）的第二功能仅用于8052/8032，NC为空引脚。

如下图所示。

AT89C51有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。

1．端口线（4×8=32条）

8051共有四个并行I/O端口，每个端口都有八条端口线，用于传送数据/地址。

由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别颇大。

现对它们综述如下：

①P0.7—P0.0：

这组引脚共有八条，为P0口所专用，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。

这八条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况之下。

第一种情况是AT89C51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7—P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。

这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。

第二种情况是AT89C51带片外存储器，P0.7—P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

图3.1AT89C51引脚图

其中，8751的P0口还有第三种功能，即它们可以用来得8751片内EPROM编程或进行编程后的读出校验。

这时，P0.7—P0.0用于传送EPROM的编程机器码或读出校验码。

②P1.7—P1.0：

这八条引脚和P0口的八条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。

当P1口作为通用I/O使用时，P1.7—P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入输出数据。

8751的P1口还有第二功能，既它在8751编程/校验时用于输入片内EPROM的低8位地址。

③P2.7—P2.0：

这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

8751的P2.7—P2.0还具有第二功能，即它可以配合P1.7—P1.