多路流量采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計解讀

1、智能儀器設(shè)計立項論證報告項目名稱：多路流量米集與控制系統(tǒng)設(shè)計項目負(fù)責(zé)人:起止日期：2014215-2014615經(jīng)費預(yù)算：33萬元批準(zhǔn)：承擔(dān)單位:1. 概述流量就是在單位時間內(nèi)流體通過一定截面積的量。這個量用流體的體積來表示，稱為瞬時體積流 量，簡稱體積流量；用流量的質(zhì)量來表示稱為瞬時質(zhì)量流量，簡稱質(zhì)量流量。這一段時間內(nèi)流體體積 流量或質(zhì)量流量的累積值稱為累積流量。對在一定通道內(nèi)流動的流體的流量進行測量統(tǒng)稱為流量計量。流量測量的流體是多樣化的，如測 量對象有氣體、液體、混合流體；流體的溫度、壓力、流量均有較大的差異，要求的測量準(zhǔn)確度也各 不相同。因此，流量測量的任務(wù)就是根據(jù)測量目的，被測流體的

2、種類、流動狀態(tài)、測量場所等測量條 件，研究各種相應(yīng)的測量方法，并保證流量量值的正確傳遞。流量的測量在熱電生產(chǎn)、石油化工、食品衛(wèi)生等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。隨著傳感器技術(shù)，微 電子技術(shù)、單片機技術(shù)的發(fā)展，為氣體流量的精確測量提供了新的手段。充分利用單片機豐富的硬件 資源，配以適當(dāng)?shù)臋z測接口電路，可精確測量由渦街流量傳感器或電磁流量傳感器輸出的代表流量大 小的脈沖信號，以及氣體在當(dāng)?shù)貭顟B(tài)下的壓力、溫度等模擬電壓信號。由軟件計算出流量，以簡單的 硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一個高可靠性、高精度、多功能的氣體流量檢測系統(tǒng)。工業(yè)生產(chǎn)中過程控制是流量測 量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中

3、的四大參數(shù)，人們通過這 些參數(shù)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和控制。對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、 提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。通過對本課題的研究，訓(xùn)練綜合運用已學(xué)課程的基本知識，獨立進行單片機應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)工作，掌握單片機程序設(shè)計、調(diào)試和應(yīng)用電路設(shè)計、分析及調(diào)試檢測。對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保 證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。流 量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴荆仨殞ξ?染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進行監(jiān)測；廢液和污水的排放，使地表

4、水源和地下水源受到污 染，人們必須對廢液和污水進行處理，對排放量進行控制。于是數(shù)以百萬計的煙氣排放點和污水排放 口都成了流量測量對象。同時在科學(xué)試驗領(lǐng)域，需要大量的流量控制系統(tǒng)進行仿真與試驗。2. 研究目標(biāo)本文主要研究的是基于單片機的流量檢測系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)對管道內(nèi)自來水的流量的檢測，并將 流量值實時顯示在 LED數(shù)碼管上，且如果流量值超過上下限范圍，即調(diào)用報警系統(tǒng)，實現(xiàn)聲光報警。本文詳細(xì)論述了該設(shè)計的具體方案，主要解決系統(tǒng)的總體設(shè)計，硬件電路的設(shè)計以及系統(tǒng)軟件的 設(shè)計。其中硬件電路設(shè)計包括單片機最小系統(tǒng)、流量傳感器的設(shè)計、放大器的設(shè)計、AD轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計、LED顯示接口設(shè)計、報警器設(shè)計等，軟

5、件設(shè)計包括主程序、信號采集與AD轉(zhuǎn)換程序、顯示程序及報警程序。由于實際應(yīng)用中傳感器輸出的信號比較微弱，易受到內(nèi)部干擾及外部干擾的影響，所以在 設(shè)計結(jié)尾描述了一些抗干擾措施。一個產(chǎn)品的具體設(shè)計是復(fù)雜與艱巨的，設(shè)計的好壞直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的效率和安全。在設(shè)計過 程中的遇到的每個難點都得一一克服，而本設(shè)計的難點在于如何設(shè)計簡單易行的流量傳感器，各芯片 的如何應(yīng)用與合理搭接，而軟件的編寫如何簡潔無誤也是一個難點，在實際設(shè)計中不斷克服改進，力 求方案的可行性。該系統(tǒng)由開關(guān)控制，通過單片機對流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，并與設(shè)定的報警值進行對比，超過則產(chǎn)生報警，并將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)和時鐘數(shù)據(jù)用液晶顯示器進行顯示，再通過串行口

6、 MAX232專輸?shù)缴衔粰C實現(xiàn)串口通信，由上位機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接受、處理和顯示。下位機軟件采用匯編語言進行編寫，對開關(guān)控制系統(tǒng)、時鐘模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、液晶顯示模塊等程序進行了設(shè)計，上位機軟件包括各多路流量 傳感器的顯示及報警設(shè)置。3. 主要研究內(nèi)容(1 )功能需求該系統(tǒng)由開關(guān)控制，通過單片機對流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，并與設(shè)定的報警值進行對比，超過則產(chǎn)生報警，并將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)和時鐘數(shù)據(jù)用液晶顯示器進行顯示，再通過串行口 MAX232專輸?shù)缴衔粰C實現(xiàn)串口通信，由上位機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接受、處理和顯示。下位機軟件采用匯編語言進行編寫，對開關(guān)控制系統(tǒng)、時鐘模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、液晶顯示模塊等程序進行了

7、設(shè)計，上位機軟件包括各多路流量 傳感器的顯示及報警設(shè)置，傳感器可選擇模擬量輸出。4. 主要關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)指標(biāo)1) 主要關(guān)鍵技術(shù)由流量傳感器采集流量信息，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號離散化后傳給單片機；單片機在系統(tǒng)軟件的控制作用下，對輸入的數(shù)據(jù)進行分析，向外部輸出控制信號，實現(xiàn)LED顯示;LED數(shù)碼管顯示動態(tài)的流量，同時，若流量超過上下限范圍，報警電路產(chǎn)生聲光報警信號，提醒流 量不在正常范圍內(nèi)，需采取相應(yīng)控制；高密度多層接口板的 PCB工藝設(shè)計技術(shù)；高速、高精度A/D采集技術(shù)；2) 技術(shù)指標(biāo)測量路數(shù)：255路測量范圍：公稱通徑:25300mm公稱壓力25 MPa精度等級：1.5級5. 技術(shù)

8、途徑及實施方案(1) 硬件總體設(shè)計方案由流量傳感器采集流量信息，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號離散化后傳給單片機。單片機在系統(tǒng)軟件的控制作用下，對輸入的數(shù)據(jù)進行分析，向外部輸出控制信號，實現(xiàn)LED顯示。LED數(shù)碼管顯示動態(tài)的流量，同時，若流量超過上下限范圍，報警電路產(chǎn)生聲光報 警信號，提醒流量不在正常范圍內(nèi)，需采取相應(yīng)控制。系統(tǒng)軟件主要包括主程序，顯示程序等供主程 序調(diào)用的子程序。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，子程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的具體功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。流量傳感器=數(shù)碼管顯示報警電路圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖(2) 傳感器的設(shè)計與信號的采集流量信號通過渦輪流量傳感器采集，本設(shè)計應(yīng)用霍爾效應(yīng)設(shè)計

9、傳感器?；魻栃?yīng)一一當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)薄片垂直的放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位 差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達(dá)式為U=(K X I X B)/d其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過的電流，B為外加磁場的磁感應(yīng)強度，d是薄片的厚度。由此可見，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場的磁感應(yīng)強度成正比的關(guān)系。(3) 放大電路的設(shè)計渦輪傳感器中霍爾元件輸出的模擬信號都很微弱(通常在毫伏級)，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才一能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，這種情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。放大器的選型很多，本設(shè)計選擇一種用途非常

10、廣泛的儀表放大器，即典型的差動 放大器。差動放大器是一種將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器。差動放大器的優(yōu)點是 能抑制零點漂移，差動放大器是一個對稱電路，可使漂移信號相互抵消，從而使電路穩(wěn)定。因電路對 稱，由溫度變化等因素引起兩管的輸出漂移電壓必然是大小相等，極性相同，即為共模信號。當(dāng)愉入 信號為共模信號時，由于電路對稱，兩管的集電極電流產(chǎn)生相等的電流增量。雙端輸出時的共模輸出 電壓為零，共模放大倍數(shù)也為零。即使單輸出電路，由于共模電阻取值較大，產(chǎn)生較大的反饋電壓， 把放大倍數(shù)壓的很低，也能很好的抑制共模信號，因此穩(wěn)定了工作點，抑制了零點漂移，對共模放大 信數(shù)抑制作用越強，表明放

11、大器的性能越好。在本設(shè)計中放大電路只需三個廉價的普通運算放大器和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用 放大器。要使電路滿足平衡，則R仁R2、R3=R4、RS=R6，因為每個運放的特性不可能完全一致，在A1和A2的Pin1、Pin8處增設(shè)了調(diào)零電位器 VR1和VR2，這在實際的應(yīng)用中是非常有用的。我們假 設(shè)A1、A2的失配、失調(diào)電壓和電流均為零的情況下，其差模電壓增益為：A Vo A A Rs 2R1A 、A12 - A3(1Vi1Vi2R3VR)電源電壓一般可取土 5土圖2放大器原理圖整個電路采用正負(fù)兩組電源供電，這樣可對正或負(fù)輸入電壓進行放大。(4 )單片機硬件電路及其外圍電路的設(shè)計(4.1

12、)系統(tǒng)時鐘電路單片機內(nèi)部具有一個高增益反相放大器,用于構(gòu)成振蕩器。通常在引腳XTALI和XTAL2跨接石英晶體和兩個補償電容構(gòu)成自激振蕩器,系統(tǒng)時鐘電路結(jié)構(gòu)如圖 4-4所示，我們選擇12MHz的石英晶體，補償電容通常選擇 20-30pF左右的瓷片電容。(4.2 )復(fù)位電路單片機復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程 序從頭開始執(zhí)行。單片機也一樣，當(dāng)單片機系統(tǒng)在運行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下 復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。單片機小系統(tǒng)采用上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位兩種方式實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。手動

13、復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機運行期間，用按鈕開關(guān)操作使單片機復(fù)位。復(fù)位電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。上電自動復(fù)位通過電容C3充電來實現(xiàn)。手動按鍵復(fù)位是通過按鍵將電阻 R2與VCC接通來實現(xiàn)。CICAP圖4復(fù)位電路(4.3)單片機與A/D接口MCS-51和ADC接口必須弄清和處理好三個問題： 要給START線送一個100ns寬的起動正脈沖； 獲取EOC線上的狀態(tài)信息，因為它是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束標(biāo)志； 要給“三態(tài)輸出鎖存器”分配一個端口地址，也就是給0E線上送一個地址譯碼器輸出信號。MCS-51和ADC接口通常可以采用查詢和中斷兩種方式。采用查詢法傳送數(shù)據(jù)時， MCS-51應(yīng)對EOC線查詢它的狀態(tài)：若

14、它為低電平，表示A/D轉(zhuǎn)換正在 進行，則MCS-51應(yīng)當(dāng)繼續(xù)查詢；若查詢到 EOC變?yōu)楦唠娖剑瑒t就給 0E線一個高電平，以便 2-1 2-6線上提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)時，EOC線作為CPU的中斷請求輸入線。 CPU響應(yīng)中斷后，應(yīng)在中斷服務(wù)程序中使OE線變?yōu)楦唠娖?，以提?A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。圖3-4中的P2.7/A15線作為整個 ADC0809芯片的片選線，當(dāng) P2.7/A15=0時，或非門敞開，允許 寫信號通過，將單片機負(fù)的寫脈沖轉(zhuǎn)換為 ADC0809所需要的正脈沖，以選中 ADC0809某一通道并啟 動轉(zhuǎn)換。采用74LS373作為地址鎖存器使用，其中輸入端 1D8

15、D接至單片機的PO 口，輸出端提供 的是低8位地址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號 ALE。輸出允許端 OE接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。A/D接口電路如圖5所示。2945.XTAL1XTAL2RSTPSEN ALE EAP2.o/eF2.2/A1QF2-3/A11F2.4/A12PZ.5/A-13F2.a/Al4P2.7/A15PD.O/ADOPD.1/AD1PO.2/AD2PO.3/AD0F0.4TAD4PO.6/AD6P0.S/AD6P07/AD73S2 :1 -7133817齊2,614363,515354.4345.31833219327：12002121bio22START 22

16、23232斗2425I2526272810111213VREF()VREF(+)GNDvcc.2-SLSBCLOCK2-7OUTPUT ENABLE2-8EOC2-5START2-42-3IN72-2INS陰ALEIN3AOD CIN2A&P B|N1IAPD AI NO11ADCO8O9 IQ _pLK9 JB START：P10 Pl-1P1_2P1_3P1_4P1_5P1.0P1.7P3-0/FXDP3.VTXDP3-2/1NT0P3_3flNT1P3.4TT0P3.5/T1P3.WRP3.7/RDU6:A“ 74LS048 B1617AT89C51 U3QR 262728C&XT-SW

17、FtT,圖5 A/D接口電路（4.4 ） 單片機與LED顯示的接口（1）靜態(tài)顯示在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，常采用 MC14495芯片作為LED的靜態(tài)顯示接口，它可以和 LED顯示器直接連接。MC14495芯片是由4位鎖存器、地址譯碼器和筆段 ROM陣列以 及帶有限流電阻的驅(qū)動電路（輸出電流為 10mA）等三部分電路組成。A、B、C、D為二 進制碼（或BCD碼）輸入端；LE為鎖存控制端，LE為低電平時可以輸入數(shù)據(jù)。LE為 高電平時鎖存輸入數(shù)據(jù)，h+l為輸入數(shù)據(jù)大于等于10指示位，若輸入數(shù)據(jù)大于或等于10， 則h+I輸出高電平，否則輸出為低電平；VCR為輸入等于15指示位，若輸入數(shù)據(jù)等于15,則VCR輸

18、出高電平，否則為高阻狀態(tài)。MC14495芯片的作用是輸入被顯字符的二進 制碼（或BCD碼），并把它自動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)字形碼，送給 LED顯示。（2）動態(tài)顯示為了減少硬件開鎖，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，單片機控制系統(tǒng)通常采用動態(tài)掃描 顯示。動態(tài)顯示采用軟件法把欲顯示十六進制數(shù)（或 BCD碼）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)字形碼，故它 通常需要在RAM區(qū)建立一個顯示緩沖區(qū)。顯示緩沖區(qū)內(nèi)包含的存儲單元個數(shù)常和系統(tǒng)中 LED顯示器個數(shù)相等。顯示緩沖區(qū)的起始地址很重要，它決定了顯示緩沖區(qū)在 RAM中的 位置。顯示緩沖區(qū)中每個存儲單元用于存放相應(yīng) LED顯示器欲顯示的字形碼地址偏移量， 故CPU可以根據(jù)這個地址偏移量通過查字形碼

19、表來找出所需顯示字符的字形碼，以便送到字形口顯示。當(dāng)顯示器位數(shù)較少時，采用靜態(tài)顯示的方法是適合的。當(dāng)位數(shù)較多時，用靜態(tài)顯示所需的I/O太多，一般采用動態(tài)顯示方法。本設(shè)計采用四聯(lián)排共陰極數(shù)碼管進行顯示， 具有四位數(shù)碼管，這四個數(shù)碼管的段選 a b、c、d、e、f、g分別接在一起，每一個都擁有一個共陰的位選端。 P3 口控制數(shù)碼管的 點亮情況。因為單片機的IO 口輸出功率有限，需要使用74LS374芯片進行鎖存。此外還 用一個電阻R-PACK8來保護LED。ABCDEFG DP123400 O O O .0 0SS20CM沖Lg074LS374U2 . . .Ulf;XTAL1XTAL2RSTPO

20、.O/ADO PLI.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.U/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2W11ALEP2.4/A12EA.P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDPI .1F3.1 丿 TXDPI .2P3.2JINT0P3f-.-3/lNT1卜1. jP.4/T0Fl .4P1 ;s.P3.5/T1P1.6P3.6/WRPI 7P3.7JRDAT89C51JididldididididiU1圖6 LED接口電路（4.5）報警電路報警電路中加一 PNP三極管驅(qū)動，基極

21、接單片機 P2.0 口，當(dāng)端口變成低電平時，驅(qū) 動三極管導(dǎo)通，可使蜂鳴器發(fā)生、報警發(fā)光二極管亮。R1lOk - TE-： T圖7報警電路 BUZ1-3 ：BUZZBR1(5)軟件模塊設(shè)計主程序模數(shù)轉(zhuǎn)換辛數(shù)碼管顯示上下限報警圖8程序結(jié)構(gòu)圖6.研究周期及進度安排序號計劃節(jié)點主要工作內(nèi)容階段成果（完成標(biāo)志）備注12014215-2014315方案設(shè)計、器件選型設(shè)計框圖22014.3.16-2014331P 硬件電路設(shè)計原理圖32014401-2014430PCB設(shè)計安裝及調(diào)試PXI板卡42014430-2014.5.20P軟件設(shè)計及調(diào)試功能實現(xiàn)52014601-2014630系統(tǒng)調(diào)試提交軟硬件7. 經(jīng)費預(yù)算及開支范圍序號項目總經(jīng)費年度經(jīng)費備注辦公費辦公材料、印刷、資料2設(shè)計費方案設(shè)計、軟硬件設(shè)計及調(diào)研4材料費PCB制版、器件購置、軟件購置3外協(xié)費:BGA芯片安裝、技術(shù)支持5測試費租用儀器、產(chǎn)品測試5試驗費環(huán)境試驗、振動試驗8評審費信息咨詢、專家勞務(wù)3交通費購置硬件差旅、與用戶交流、現(xiàn)場測試3總計33院（萬元）13部所廠（萬元）：20總經(jīng)費（萬元）：338. 研究試驗條件及加強措施滿足用戶使用環(huán)境及測試要求9. 成果形式及推廣應(yīng)用前景1）成果形式（含重要項目的階段性成果）序號類別產(chǎn)品名稱實現(xiàn)形式數(shù)量備注1硬件齊套的各硬件組成實物1套2配套線纜3軟件