接觸是預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)

1、蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)摘 要 隨著信息社會(huì)的到來(lái)，IC卡技術(shù)以其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和巨大的產(chǎn)品市場(chǎng)成為我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的一大熱點(diǎn)。與此同時(shí)，我國(guó)的燃?xì)馐召M(fèi)管理仍然采用人工抄表的方式，此方法嚴(yán)重影響居民生活，抄表既麻煩又勞累，工作量大，收費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，人力浪費(fèi)嚴(yán)重;居民交費(fèi)不方便，收費(fèi)也不易管理，效率低，特別是對(duì)欠費(fèi)者難以限制。因此，智能IC卡燃?xì)獗韺?duì)于城市居民生活以及燃?xì)夤镜氖召M(fèi)管理有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文在了解了燃?xì)獗淼默F(xiàn)狀，分析了技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前燃?xì)庥?jì)量收費(fèi)的要求和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以52系列單片機(jī)為控制核心，以IC卡為信息載體的智能IC卡燃?xì)獗?。整個(gè)系統(tǒng)包含硬件的選擇和制作、軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試

2、，以及系統(tǒng)的軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試。硬件系統(tǒng)主要包括:52系列單片機(jī)、液晶顯示、燃?xì)饬髁啃盘?hào)的檢測(cè)、電氣閥驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)器接口及看門狗、IC卡讀寫、電源檢測(cè)等模塊;軟件主要包括:實(shí)時(shí)采集、正確計(jì)量、故障的查詢、電源電壓檢測(cè)、掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、閥門驅(qū)動(dòng)、讀寫IC卡、報(bào)警顯示功能等部分。系統(tǒng)的軟件和硬件的調(diào)試表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集燃?xì)饬髁啃盘?hào)、控制用戶用氣情況、正確計(jì)量、實(shí)時(shí)顯示剩余氣量并在剩余氣量不足時(shí)進(jìn)行聲音報(bào)警、電源檢測(cè)以及聲音報(bào)警提示電池欠壓、掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、氣量累積、閥門驅(qū)動(dòng)等功能。關(guān)鍵詞:預(yù)付費(fèi)；燃?xì)獗恚唤佑|式;Abstract With the coming of information s

3、ociety, IC card technology becomes a hot spot in the field of information industry because of its widely application and vast product market. Meanwhile, the manual gas meter reading is still adopted in gas charging, which seriously affects the resident's life. It is inconvenient, tiring and also

4、 with heavy workload, time-wasting, manpower-wasting, low efficiency, and disordered management, especially for the persons who don't pay their bills on time. Thus, the application of intelligent IC card has significant realistic meaning for the resident's life as well as for the gas chargin

5、g management.This paper firstly analyses the present status of gas meter, the advantages and disadvantages in technology, then designs the intelligent IC card with the control core of 52 series SCM and supported by IC card. The whole system consists of the choice and production of hardware, the desi

6、gn and test of software and co-test of hardware and software of the system.The hardware system mainly includes the followings: 5 2 series SCM, the 1iquid crystal display, the test of gas flow signal, memory interface, and watchdog, IC card read-write, power testing, etc. The software mainly includes

7、 the followings: real time collection, accurate measurement, breakdown inquiry, power pressure testing, power failure data storage, valve actuation, read-write IC card, alarming display, etc.The testing of hardware and software of the system indicates that the system succeeds in real time gas collec

8、tion signal, controlling the using status of the gas，accurate measurement, displaying the left gas volume at real time and voice alarming in the shortage of gas, power testing, voice alarming of low battery voltage, power failure data storage, gas accumulation, value actuation, etc.Key Words: prepay

9、ment; gas meter; contact;目錄第1章 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼难芯恳饬x11.1課題的研制背景11.2燃?xì)庥?jì)量收費(fèi)的發(fā)展歷程11.3產(chǎn)品市場(chǎng)及發(fā)展21.3.1國(guó)內(nèi)外IC卡的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.3.2 IC卡燃?xì)獗淼陌l(fā)展歷史及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀3第2章 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼目傮w設(shè)計(jì)方案及原理42.1 方案比較42.2 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼目傮w設(shè)計(jì)方案42.2.1 系統(tǒng)總體的控制過程42.2.2接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼目刂扑惴?2.3 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼脑?2.4 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼墓δ?第3章 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼挠布O(shè)計(jì)73.1 主要系統(tǒng)組成73.2 傳感器的功能及其技術(shù)參數(shù)7

10、3.2.1概述73.2.2 工作原理、結(jié)構(gòu)及選擇計(jì)算83.3（RCV420）變換器的設(shè)計(jì)163.3.1 變換器的介紹163.3.2 工作原理173.3.3 注意事項(xiàng)183.4 A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)193.5 TLC549與AT89S52芯片的連接方法203.6 單片機(jī)的設(shè)計(jì)213.6.1 AT89S52芯片及片內(nèi)功能213.6.2 AT89S52各引腳功能213.6.3 AT89S52最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)233.7 儲(chǔ)存器的設(shè)計(jì)243.7.1 AT24C02內(nèi)部芯片結(jié)構(gòu)及使用方法243.7.1 AT24C02與單片機(jī)連接253.8顯示電路263.9 IC卡接口電路283.10 報(bào)警裝置設(shè)置293.1

11、1 電磁閥電路設(shè)置30第4章 軟件設(shè)計(jì)354.1主程序354.2 顯示子程序354.3 IC卡讀寫程序364.4插卡中斷374.5用氣中斷子程序374.6定時(shí)中斷374.7氣量處理子程序384.8掉電處理子程序384.9延時(shí)子程序384.10計(jì)數(shù)處理子程序39第5章 總結(jié)40參考文獻(xiàn)41中英文翻譯42致 謝65附錄1程序清單67附錄2硬件圖8586第1章 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼难芯恳饬x1.1課題的研制背景 隨著社會(huì)的進(jìn)步，人民生活水平不斷提高，城市管道燃?xì)庖呀?jīng)逐漸進(jìn)入千家萬(wàn)戶。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2000年，我國(guó)城市燃?xì)庥脩粢呀?jīng)達(dá)到了1200萬(wàn)戶，其中北京56萬(wàn)戶、上海114萬(wàn)戶、重慶80萬(wàn)戶、武

12、漢30萬(wàn)戶。隨著大西北“西氣東輸”計(jì)劃的正式啟動(dòng)，管道燃?xì)庖殉蔀槌擎?zhèn)居民的主要生活用燃料，管道燃?xì)饧航?jīng)和水、電一樣成為城市的基礎(chǔ)設(shè)施。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，IC卡技術(shù)以其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和巨大的產(chǎn)品市場(chǎng)成為近幾年來(lái)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的一大熱點(diǎn)。智能型水表、電表等民用產(chǎn)品相繼進(jìn)入到人們家庭，極大的方便了家庭用戶和物業(yè)管理部門。 隨著信息化的到來(lái)，城市管道燃?xì)庥?jì)量?jī)x表的發(fā)展相對(duì)落后，大部分地區(qū)仍然采用傳統(tǒng)的容積式燃?xì)獗?，它只能顯示用戶累計(jì)用氣量，燃?xì)夤芾聿块T需要派抄表人員按月到每家用戶進(jìn)行抄表，然后再計(jì)費(fèi)、收費(fèi)。采用這種方式，嚴(yán)重影響居民生活，抄表既麻煩又勞累，收費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，人力浪費(fèi)嚴(yán)重;另外居民

13、交費(fèi)不方便，收費(fèi)也不易管理，并且效率低，特別是對(duì)欠費(fèi)者難以限制。因此，燃?xì)怃N售管理部門和城鎮(zhèn)居民迫切要求改變目前的收費(fèi)方式，而采用IC卡預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗硎墙鉀Q上述問題的有效方法。 IC卡燃?xì)獗硎墙畮啄臧l(fā)展起來(lái)的新型燃?xì)獗恚壳笆袌?chǎng)上已有相關(guān)產(chǎn)品，全國(guó)已有近數(shù)十家生產(chǎn)、研發(fā)企業(yè)。它主要由如下幾部分組成:低功耗單片機(jī)、燃?xì)庥?jì)量電路、低功耗閥門、電源電壓檢測(cè)電路、燃?xì)饬髁繖z測(cè)電路等。與傳統(tǒng)的容積式燃?xì)獗硐啾容^，它更具備了記數(shù)準(zhǔn)確、自動(dòng)進(jìn)行閥門處理、識(shí)別非法操作并進(jìn)行處理、電源欠壓及掉電處理以及數(shù)據(jù)顯示與聲音提示報(bào)警等功能。另外，隨著國(guó)家“金卡工程”的深入開展，從根本上解決了上述收費(fèi)方式存在的問題，兼顧

14、了企業(yè)和用戶的利益。因此，智能IC卡燃?xì)獗砭哂袕V闊的發(fā)展前景。本課題的提出也具有了十分重要的意義。1.2燃?xì)庥?jì)量收費(fèi)的發(fā)展歷程自從有了燃?xì)庥?jì)量?jī)x表以來(lái)，國(guó)內(nèi)外多年來(lái)一直是采取極為原始的查表收費(fèi)的模式，即由查表員入戶查表計(jì)費(fèi)，然后再由收費(fèi)員入戶收費(fèi)或?qū)嗡偷接脩敉ㄟ^銀行進(jìn)行結(jié)算。我國(guó)自從一百年前上海使用燃?xì)庖詠?lái)，至今基本上是一直沿用該種計(jì)費(fèi)方式。隨著人們住宅條件的不斷改善，使用燃?xì)庖殉蔀樾陆ㄗ≌谋貍湓O(shè)施，以往的查表收費(fèi)方式存在的弊端越來(lái)越突出，主要表現(xiàn)為:(1)入戶困難。由于社會(huì)的發(fā)展，居民生活水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越重視隱私權(quán)，越來(lái)越講文明;人員流動(dòng)性大，查表收費(fèi)只能在早、晚居民休息時(shí)間

15、，特別是夏季入戶查表，給用戶帶來(lái)極大不便。因而查表收費(fèi)率要達(dá)到企業(yè)要求很 難，企業(yè)資金回收困難。(2)生產(chǎn)企業(yè)管理費(fèi)用過高。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，100萬(wàn)燃?xì)庥脩簦楸砗凸芾砣藛T約需6001000人，年費(fèi)用1000萬(wàn)元左右，增加了相應(yīng)的生產(chǎn)成本。(3)費(fèi)用流失不好控制。用戶和收費(fèi)人員竊氣、作弊、拒交費(fèi)用時(shí)有發(fā)生，造成燃?xì)赓M(fèi)少收、漏收，費(fèi)用流失嚴(yán)重。如日供氣100萬(wàn)m3能力下，收費(fèi)率提高一個(gè)百分點(diǎn)，每年就可征收365萬(wàn)立方米的燃?xì)赓M(fèi)。而實(shí)際上少收、漏收費(fèi)遠(yuǎn)高于此。(4)查表收費(fèi)人員工作條件差，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。據(jù)調(diào)查，平均每人每天入戶數(shù)高達(dá)130多戶，每月26003000塊?，F(xiàn)行收費(fèi)大多人工計(jì)費(fèi)，手

16、工結(jié)算，效率低，誤差大，已不適應(yīng)企業(yè)管理現(xiàn)代化的要求。 為了解決上述問題，人們一直在努力地尋找更好、更合理的收費(fèi)方式。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家是在采用遙讀方式讀取用戶用氣量后，到銀行通過帳戶進(jìn)行結(jié)算，徹底解決查表收費(fèi)問題。在美國(guó)等國(guó)家多半是采用無(wú)線遙讀方式，而在歐洲許多國(guó)家采用的是有線集中讀取，用戶在銀行結(jié)算的方式。近幾年日本等國(guó)家又發(fā)展了通過電話線采集用戶消費(fèi)量，銀行結(jié)算的方式，與歐美等國(guó)家相比技術(shù)上有一定的優(yōu)勢(shì)，具有遙讀和遙控雙向功能，且方便、準(zhǔn)確。目前，我國(guó)燃?xì)獾氖召M(fèi)正從人工抄表收費(fèi)方式向IC卡收費(fèi)方式過渡，由于我國(guó)人口眾多，再加上工作繁忙，從安全角度考慮，各樓宇大多都裝有防盜門，人工收費(fèi)非常

17、不便，而管理部門還不具備資金和技術(shù)實(shí)力來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)抄表收費(fèi)管理，因此，IC卡收費(fèi)方式恰好成為最佳選擇。1.3產(chǎn)品市場(chǎng)及發(fā)展1.3.1國(guó)內(nèi)外IC卡的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)IC卡是一種集成電路卡，是英文Integrated Circuit(集成電路)卡的縮寫。它是伴隨著社會(huì)對(duì)信息安全性和存儲(chǔ)容量的要求日益提高以及半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的，是一種將存儲(chǔ)、加密、處理能力的集成電路芯片嵌裝于塑料基片上而制成的一種卡片。IC卡分為僅能存儲(chǔ)信息的被動(dòng)式存儲(chǔ)卡和既能存儲(chǔ)信息又能處理信息的主動(dòng)式智能卡兩大類，具有存儲(chǔ)容量大、體積小、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。IC卡的概念是20世紀(jì)70年代初提出來(lái)的，自問世以來(lái)快速

18、發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1992年到2000年，國(guó)外IC卡的發(fā)行量由2.6億張發(fā)展到20.6億張。按應(yīng)用類別上來(lái)看，其中電話卡占的比重較多。目前，國(guó)際上IC卡的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展的時(shí)期。世界上最早使用IC卡的國(guó)家應(yīng)屬法國(guó)，其應(yīng)用主要在交通管理、高速公路管理以及地鐵上。另外，韓國(guó)、新加坡、日本和美國(guó)等其他一些國(guó)家IC卡應(yīng)用也發(fā)展快速，并應(yīng)用日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。作為金卡工程的代表，IC卡技術(shù)無(wú)疑是當(dāng)今世界最優(yōu)秀的應(yīng)用技術(shù)。我國(guó)政府提出的以“金卡工程”為代表的信息化應(yīng)用工程，加速了我國(guó)向全球經(jīng)濟(jì)一體化邁進(jìn)的步伐。IC卡技術(shù)的大力開發(fā)意義十分重大。目前在金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個(gè)行業(yè)己廣泛應(yīng)用I

19、C卡，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)金支付和存兌的電子化、公用事業(yè)預(yù)付費(fèi)等功能。近年來(lái)，它又結(jié)合微電子技術(shù)，進(jìn)一步提高了人們生活和工作的現(xiàn)代化程度。目前，我國(guó)的IC卡應(yīng)用已不僅僅是銀行業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的通信功能，它也與其它產(chǎn)業(yè)聯(lián)袂發(fā)展。它的付費(fèi)功能可用于水、電、燃?xì)?、車船、電話、醫(yī)療、保險(xiǎn)等領(lǐng)域。隨著我國(guó)“金卡工程”的大力開展，IC卡在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是存在的問題也逐漸顯露，其中很重要的一點(diǎn)就是彼此之間互不通用，使得持卡人有諸多不便，也造成了大量的資源浪費(fèi)，因此，“一卡多用”是以后的發(fā)展趨勢(shì)，最終可實(shí)現(xiàn)資源共享，互通互聯(lián)。1.3.2 IC卡燃?xì)獗淼陌l(fā)展歷史及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀I(lǐng)C卡燃?xì)獗碜援a(chǎn)生以來(lái)，解決了許多實(shí)際問題，

20、給人們的生活帶來(lái)了很大改變，但是由于技術(shù)上的不成熟，再加上管理上的不完善，在應(yīng)用過程中很容易出現(xiàn)計(jì)量誤差，給一些早期的使用者帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)損失，燃?xì)庥脩粼谑褂蒙洗嬖趽?dān)心，這就使得IC卡燃?xì)獗淼耐茝V舉步維艱。 近些年，各燃?xì)馄髽I(yè)不斷加大資金投入進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，使得IC卡燃?xì)獗淼募夹g(shù)和質(zhì)量得到了很大的提高，并且獲得燃?xì)夤竞陀脩舻恼J(rèn)可，IC卡燃?xì)獗硪驳玫搅藦V泛的使用。 另外，國(guó)家建設(shè)部為加強(qiáng)智能IC卡燃?xì)獗淼慕y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量管理，提高國(guó)內(nèi)燃?xì)庑袠I(yè)的經(jīng)營(yíng)管理水平，制定了CJ/T112-2000CIC卡家用膜式燃?xì)獗硇袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它是在GB/T6968-1997膜式煤氣表的基礎(chǔ)上，增加了預(yù)付費(fèi)控制器有關(guān)技術(shù)

21、要求，并遵循有關(guān)電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。針對(duì)我們?nèi)細(xì)庑袠I(yè)，IC卡燃?xì)獗淼膽?yīng)用時(shí)間還很短暫，我們要不斷的進(jìn)行探索，對(duì)目前存在的問題和以后應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和研究，堅(jiān)定不移地支持IC卡新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用推廣工作。第2章 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼目傮w設(shè)計(jì)方案及原理2.1 方案比較方案一、采用PLC設(shè)計(jì)接觸式燃?xì)獗?，PLC設(shè)備價(jià)格相對(duì)較高，體積較大，主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)，對(duì)于燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)不宜用PLC。 方案二：利用DCS控制系統(tǒng)可靠性高，靈活性強(qiáng)，易于維護(hù)，功能齊全，但由于價(jià)格昂貴，考慮到經(jīng)濟(jì)性，本次設(shè)計(jì)中不選用這種控制方法。 方案三、采用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于本設(shè)計(jì)從成本、功能方面考慮更適合應(yīng)用單片

22、機(jī)設(shè)計(jì)，單片機(jī)價(jià)格較低，體積較小，也能滿足設(shè)計(jì)要求，故選用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.2 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼目傮w設(shè)計(jì)方案2.2.1 系統(tǒng)總體的控制過程 智能IC卡燃?xì)獗硐到y(tǒng)主要由單片機(jī)，IC卡、電磁閥、傳感器、I/V轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、報(bào)警器等組成。總體框圖如圖2.1所示。燃?xì)庥脩粼谌細(xì)夤鹃_戶,購(gòu)買一定氣量后,即得到加密的IC卡。用戶用氣時(shí)將卡插入燃?xì)獗碇?卡中氣量自動(dòng)輸入燃?xì)獗聿⒃贗C卡中消除氣量,供氣閥門打開。當(dāng)氣量不足時(shí),燃?xì)獗硖崾居脩糍?gòu)氣；氣量用完時(shí),燃?xì)獗碜詣?dòng)切斷供氣管路。 圖2.1 系統(tǒng)總體控制原理圖2.2.2接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼目刂扑惴?本文設(shè)計(jì)的是對(duì)智能IC卡燃?xì)獗?/p>

23、流量的控制，這個(gè)控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過程：比較實(shí)際流量和需要控制的流量得到偏差，通過對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)，再去調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制。該系統(tǒng)采用過程控制中應(yīng)用最廣泛的PID控制形式。2.3 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼脑?當(dāng)用戶將購(gòu)買到得含有一定購(gòu)氣量的IC卡插入表內(nèi)時(shí),電磁閥在單片機(jī)控制下打開氣路閥門。用戶每使用一個(gè)微小的計(jì)量單位的氣體時(shí),計(jì)量電路便發(fā)出1個(gè)計(jì)量脈沖,該脈沖如經(jīng)電控系統(tǒng)判定為有效,即進(jìn)入軟件進(jìn)行累計(jì),當(dāng)達(dá)到一定數(shù)目(如1/100方)時(shí)可以從存于SAM模塊中的已購(gòu)氣量中減去1個(gè)計(jì)量單位。當(dāng)剩余氣量為某一設(shè)定值時(shí),燃?xì)獗磉M(jìn)入報(bào)警狀態(tài),并關(guān)閉電磁閥,切斷氣路以便提醒用戶購(gòu)

24、氣。用戶此時(shí)按一次按鍵后,仍然可以打開閥門繼續(xù)用氣;當(dāng)剩余氣量為零時(shí),控制閥再次關(guān)閉,用戶只有將存儲(chǔ)一定購(gòu)氣量的卡插入后才能打開閥門。用戶所剩氣量由LCD顯示。 本設(shè)計(jì)具有燃?xì)饬髁康睦鄯e，燃?xì)饪捎脭?shù)的遞減；LCD顯示燃?xì)饫鄯e數(shù)，燃?xì)饪捎脭?shù)以及卡中的購(gòu)氣數(shù)；“欠量”，“過流”，“異常”等情況下有報(bào)警竟聲音等功能。2.4 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼墓δ芙佑|式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗?，?yīng)具有以下基本功能:a) 提示功能:IC卡燃?xì)獗砜刂破鞯囊壕в泻?jiǎn)潔漢字提示和蜂鳴器鳴叫等提示功能。b) 正確計(jì)量功能:系統(tǒng)的最終目標(biāo)是計(jì)量準(zhǔn)確。因此，在硬件上和軟件上均采取了一些有效措施(主要考慮軟件濾波、抗干擾以及漏計(jì)量處理)，確保用

25、戶每用0.01m3時(shí)氣量，氣表計(jì)量一次。c) 燃?xì)獗眍A(yù)付費(fèi)及用氣控制功能:當(dāng)表內(nèi)剩余氣量低于預(yù)設(shè)值時(shí)，控制器液晶顯示購(gòu)氣、蜂鳴器鳴叫提示，當(dāng)剩余氣量為零時(shí)自動(dòng)關(guān)閥、切斷氣源。用戶通過IC卡購(gòu)買燃?xì)獠⑤斎霘饬亢?，自?dòng)恢復(fù)供氣，新購(gòu)買的氣量輸入后，可以累計(jì)加在燃?xì)獗淼氖Ｓ鄽饬可?。d) 掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能:在外置電源突然停止供電的情況下要保證將一些重要數(shù)據(jù)完整無(wú)誤的保存下來(lái)，以便系統(tǒng)復(fù)位后，能重新調(diào)入重要數(shù)據(jù)。e) 低電壓檢測(cè)功能:由于本燃?xì)獗硎遣捎秒姵毓╇?，因此在使用的過程中進(jìn)行電壓檢測(cè)。即當(dāng)電源電壓下降到某一值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能識(shí)別，并提示用戶更換電池，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉閥門。f) 閥門驅(qū)動(dòng)功能:閥門驅(qū)動(dòng)主要

26、實(shí)現(xiàn)閥門的開和關(guān)。g) 報(bào)警功能:氣量不足報(bào)警:燃?xì)獗硎Ｓ嗔康陀趫?bào)警設(shè)定值時(shí)，有蜂鳴器報(bào)警和液晶顯示報(bào)警。若繼續(xù)使用，燃?xì)獗硎Ｓ嗔繛榱銜r(shí)，關(guān)閉閥門并鳴叫提示。電池欠壓報(bào)警:電池的電壓低于報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警和液晶顯示報(bào)警。若繼續(xù)使用，當(dāng)電池電壓低于設(shè)計(jì)的最低電壓值時(shí)，關(guān)閉閥門并鳴叫提不。 h) 讀寫IC卡功能:應(yīng)能正確無(wú)誤的讀寫IC卡。第3章 接觸式預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼挠布O(shè)計(jì)3.1 主要系統(tǒng)組成1. 單片機(jī) AT89S52單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序儲(chǔ)存器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）

27、可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。2.電磁閥 本文采用的是新型雙穩(wěn)態(tài)電磁閥MP15A-5V，電源電壓低。正常供氣情況下，電磁閥處于常開狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不消耗電能；只有當(dāng)上一級(jí)的氣體數(shù)完時(shí)，電磁閥關(guān)閉并自鎖于常閉狀態(tài)。它具有啟動(dòng)氣壓低及關(guān)閉可靠等優(yōu)點(diǎn)。3. IC卡電路 IC 卡讀/寫器是IC卡煤氣表的輸入接口。當(dāng)IC卡插入讀/寫器時(shí)，首先讀入的是卡中的密碼，以此判斷IC卡的合法性。煤氣表在判斷了卡的合法性后，讀入所購(gòu)氣量并與煤氣表內(nèi)剩余氣體累加，同時(shí)將卡上購(gòu)氣量單元清零，回寫煤氣表上用氣量、剩余氣體等信息，以便下次購(gòu)氣時(shí)煤氣公司讀取，實(shí)現(xiàn)煤氣表信息的回饋功能。4. 傳感器 本設(shè)計(jì)的傳感器選用SWINGIR

28、L電容式渦街流量傳感器。它的基本原理是以卡門渦街器理論為基礎(chǔ)。適用范圍廣，壓力損失小，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，工作壽命長(zhǎng)。5. LCD顯示本系統(tǒng)采用液晶顯示器。其特點(diǎn)是顯示內(nèi)容豐富（可顯示漢字），功耗小，可靠性高，電路簡(jiǎn)單。器件型號(hào)是：SMG12232B-2，顯示容量為122*32點(diǎn)陣。3.2 傳感器的功能及其技術(shù)參數(shù)3.2.1概述 在特定的流動(dòng)條件下，一部分流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為流體振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與流速（流量）有確定的比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計(jì)稱為流體振動(dòng)流量計(jì)。目前流體振動(dòng)流量計(jì)有三類：渦街流量計(jì)、旋進(jìn)（旋渦進(jìn)動(dòng)）流量計(jì)和射流流量計(jì)。流體振動(dòng)流量計(jì)具有以下一些特點(diǎn)：1）輸出為脈沖頻率，其頻率與被測(cè)

29、流體的實(shí)際體積流量成正比，它不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響；2）測(cè)量范圍寬，一般范圍度可達(dá)10：1以上；3）精確度為中上水平；4）無(wú)可動(dòng)部件，可靠性高；5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝方便，維護(hù)費(fèi)較低； 6）應(yīng)用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸氣。 本文僅介紹渦街流量汁（以下簡(jiǎn)稱VSF或流量計(jì)）。 VSF是在流體中安放一根（或多根）非流線型阻流體（bluff body），流體在阻流體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)旋渦分離頻率正比于管道內(nèi)的平均流速，通過采用各種形式的檢測(cè)元件測(cè)出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。 早在1878年斯特勞哈爾（Strouhal）就發(fā)表了關(guān)于

30、流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)系的文章，斯特勞哈爾數(shù)就是表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸，流速關(guān)系的相似準(zhǔn)則。人們?cè)缙趯?duì)渦街的研究主要是防災(zāi)的目的，如鍋爐及換熱器鋼管固有頻率與流體渦街頻率合拍將產(chǎn)生共振而破壞設(shè)備。渦街流體振動(dòng)現(xiàn)象用于測(cè)量研究始于20世紀(jì)50年代，如風(fēng)速計(jì)和船速計(jì)等。60年代末開始研制封閉管道流量計(jì)-渦街流量計(jì)，誕生了熱絲檢測(cè)法及熱敏檢測(cè)法VSF。70、80年代渦街流量計(jì)發(fā)展異常迅速，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測(cè)法的渦街流量計(jì)，并大量生產(chǎn)投放市場(chǎng)，像這樣在短短幾年時(shí)間內(nèi)就達(dá)到從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)到批量生產(chǎn)過程的流量計(jì)還絕無(wú)僅有。我國(guó)VSF的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，全國(guó)生產(chǎn)廠達(dá)數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國(guó)外亦未曾有

31、過。應(yīng)該看到，VSF尚屬發(fā)展中的流量計(jì)，無(wú)論其理論基礎(chǔ)或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)尚較差。至今最基本的流量方程經(jīng)常引用卡曼渦街理論，而此理論及其一些定量關(guān)系是卡曼在氣體風(fēng)洞（均勻流場(chǎng)）中實(shí)驗(yàn)得出的，它與封閉管道中具有三維不均勻流場(chǎng)其旋渦分離的規(guī)律是不一樣的。至于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更是需要通過長(zhǎng)期應(yīng)用才能積累。一般流量計(jì)出廠校驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室參考條件下進(jìn)行的，在現(xiàn)場(chǎng)偏離這些條件不可避免。工作條件的偏離到底會(huì)帶來(lái)多大的附加誤差至今在標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)廠資料中尚不明確。這些都說明流量計(jì)的迅速發(fā)展需求基礎(chǔ)研究工作必須跟上，否則在實(shí)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些預(yù)料不到的問題，這就是用戶對(duì)VSF存在一些疑慮的原因，它亟需探索解決。 VSF已躋身

32、通用流量計(jì)之列，無(wú)論國(guó)內(nèi)外皆已開發(fā)出多品種。全系列、規(guī)格齊全的產(chǎn)品，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化工作亦很重視，流量計(jì)存在一些問題是發(fā)展中的正?，F(xiàn)象3.2.2 工作原理、結(jié)構(gòu)及選擇計(jì)算                                    &#

33、160;    1. 工作原理在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖3.1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式 f=SrU1/d=SrU/md （1） 式中U1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s；Sr-斯特勞哈爾數(shù)；m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比管道內(nèi)體積流量qv為 qv=D2U/4=D2mdf/4Sr （2） K=f/qv=D2md/4Sr- （3） 式中

34、 K-流量計(jì)的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m3（P/m3）。K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾圖3.1 卡曼渦街?jǐn)?shù)為無(wú)量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖3.2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖可見，在ReD=2×1047×106范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測(cè)量氣體流量時(shí)，VSF的流量計(jì)算式為qVn= P Tn Zn/Pn T Z=f PTn Zn/k Pn T Z（4）式中 qVn，qV-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0oC或20oC，101.325kPa）和工況下的體積流量，m3/h； P

35、n，P-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對(duì)壓力，Pa； Tn，T-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K； Zn，Z-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。圖3.2 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線由上式可見，VSF輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度，流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量還是有直接影響的。2. 結(jié)構(gòu)VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，如圖3.3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測(cè)元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大

36、器、濾波整形電路、DA轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來(lái)智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。（1）旋渦發(fā)生體旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的主要部件，它與儀表的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、范圍度等）和阻力特性（壓力損失）密切相關(guān)，對(duì)它的要求如下。1） 能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離；2） 在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；3） 能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號(hào)的信噪比高； 4） 形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合；5） 材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化；6） 固有

37、頻率在渦街信號(hào)的頻帶外。 已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類，如圖3.4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用最廣泛的一種，如圖3.5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應(yīng)用并不普遍。圖3.3 渦街流量計(jì)（a）單旋渦發(fā)生體 （b）雙、多旋渦發(fā)生體圖3.4 旋渦發(fā)生體 圖3.5 三角柱旋渦發(fā)生體d/D=0.20.3;c/D=0.10.2;b/d=11.5;=15o65o3.電容式VSF電容式VSF應(yīng)用檢測(cè)方式1）、2），安裝在渦街流量傳

38、感器中的電容檢測(cè)元件相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁（見圖3.6所示）。當(dāng)旋渦產(chǎn)生時(shí)，在兩側(cè)形成微小的壓差，使振動(dòng)體繞支點(diǎn)產(chǎn)生微小變形，從而導(dǎo)致一個(gè)電容間隙減少（電容量增大），另一個(gè)電容間隙增大（電容量下降），通過差分電路檢測(cè)電容差值。當(dāng)管道有振動(dòng)時(shí)，不管振動(dòng)是何方向，由振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)體及電極上，使振動(dòng)體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設(shè)計(jì)時(shí)保證了振動(dòng)體與電極的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動(dòng)信號(hào)為零。這就是電容檢測(cè)元件耐振性能好的原因。雖然由于制造工藝的誤差，不可能完全消除振動(dòng)的影響，但大大提高了耐振性能。試驗(yàn)證明，其耐振性能超過1g。電容式另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可耐高溫達(dá)400oC，溫

39、度對(duì)電容檢測(cè)元件的影響有兩方面：溫度使電容間介電常數(shù)發(fā)生變化和電極的幾何尺寸隨溫度而變，這些導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，另一方面由于溫度升高金屬熱電子發(fā)射造成電容的漏電流增大。試驗(yàn)證明，當(dāng)溫度升高至400oC時(shí)無(wú)論電容值變化或漏電流增大都未影響儀表的基本性能。 4. 局限性VSF不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量（ReD2×104），故在高粘度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制。旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響，應(yīng)根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長(zhǎng)的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器（整流器），一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計(jì)的直管段長(zhǎng)度要求安裝。力敏檢測(cè)法VSF對(duì)管道機(jī)械振動(dòng)較敏感，不宜用于強(qiáng)振動(dòng)

40、場(chǎng)所。與渦輪流量計(jì)相比儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低，一般滿管式流量計(jì)用于 DN300以下。儀表在脈動(dòng)流、混相流中尚欠缺理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。5. 傳感器的口徑選擇傳感器的儀表口徑及規(guī)格選擇很重要，它類似于差壓流量計(jì)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算，要遵循一些原則進(jìn)行選擇。儀表口徑選擇步驟如下。首先必須明確以下工作參數(shù)。1) 流體名稱，組分； 2）工作狀態(tài)的最大、常用、最小流量；3）最高、常用、最低工作壓力和工作溫度；4）工作狀態(tài)介質(zhì)的粘度。傳感器的輸出信號(hào)是與工作狀態(tài)的體積流量成正比的，因此如已知?dú)怏w流量是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量或質(zhì)量流量時(shí)，應(yīng)把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量qvqv=qn（pnTZ

41、/pTnZn） m3h （5）式中 qv，qn-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3h；圖3.6 電容式檢測(cè)元件 P，Pn-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)壓力，Pa； T，Tn-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，K； Z，Zn-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。 工作狀態(tài)下介質(zhì)的密度和體積流量qv=n（pTnZn/ pnTZ） （6）式中，n-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的介質(zhì)密度，kg/m3；其余符號(hào)同上。 qv =qm （7）式中 qm-質(zhì)量流量，kg/h。下面需要選擇傳感器口徑。傳感器口徑選擇主要是對(duì)流量下限值進(jìn)行核算。它應(yīng)該滿足 兩個(gè)條

42、件：最小雷諾數(shù)不應(yīng)低于界限雷諾數(shù)（ReC2×104）和對(duì)于應(yīng)力式傳感器在下限流量 時(shí)旋渦強(qiáng)度應(yīng)大于傳感器旋渦強(qiáng)度的允許值（旋渦強(qiáng)度與升力U2成比例關(guān)系），對(duì)于液體 還應(yīng)檢查最小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸氣壓，即是否會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。這些條件用數(shù)學(xué)式可表示如下（8-10）(qVmin ) = qVmin0/ (qVmin )v=qVmin/0 Pmin=2.7p+1.3 PV 式中 qVmin，qV0min-分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下的最小體積流量，m3/h；（qVmin）-滿足旋渦強(qiáng)度要求時(shí)最小體積流量，m3/h；（qVmin）-滿足最小雷諾數(shù)要求時(shí)最小體積流量，m3/h；，0

43、-分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)的密度，kg/m3；，0-分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；Pmin-最小工作壓力，Pa； p-最大流量時(shí)傳感器的壓力損失，Pa，p=CD（U2/2），CD2 （11）U-管道平均流速，ms； PV-工作溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa。 比較（qVmin），和（qVmin）： 若（qVmin）（qVmin），可測(cè)流量范圍為（qVmin）qVmax，線性范圍為（qVmin）qVmax； 若（qVmin）（qVmin），可測(cè)流量范圍和線性范圍為（qVmin）qVmax。流量測(cè)量范圍的確定還應(yīng)檢查是否處

44、于儀表的最佳工作范圍（即上限流量的1/22/3處）。表3.1示有某型號(hào)渦街流量計(jì)特定校準(zhǔn)條件下各種口徑的流量測(cè)量范圍。 表3.1 某型號(hào)渦街流量計(jì)特定校準(zhǔn)條件下流量測(cè)量范圍口徑DN/mm液體/（m3/h）氣體/（m3/h）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍可選測(cè)量范圍標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍可選測(cè)量范圍201.212115650577251.6161.61886081204023024818180183105035037030300304808015150101707070070123010020200152701001000100192012536360254501501500140300015050500406302002

45、0002004000200100100080120040040003208000250150150012018006006000550110003002002000180250010001000080018000注：校準(zhǔn)條件如下： 1液體：常溫水，t=20，=998.2kg/m3，=1.006×10-6m2/s。2氣體：常溫常壓空氣，t=20，P=0.1MPa（絕），=1.205 kg/m3，=15×10-6 m2/s。根據(jù)上述原則選擇的儀表口徑不定與管道通徑相一致，如不同時(shí)應(yīng)連接異形管并配置一段必要的直管段長(zhǎng)度。6. VSF的精確度VSF的精確度對(duì)于液

46、體大致在±0.5%R±2%R，對(duì)于氣體在±l%R±2%R，重復(fù)性一般為0.2%0.5%。由于VSF的儀表系數(shù)較低，頻率分辨率低，口徑愈大愈低，故儀表口徑不宜過大（DN300以下）。范圍度寬是VSF的特點(diǎn)，但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流速下限為0.5m/s，氣體為45ms。VSF的正常流量最好在正常測(cè)量范圍的1/22/3處。VSF的儀表系數(shù)不受測(cè)量介質(zhì)物性的影響，這是很大的優(yōu)點(diǎn)，可以用一種典型介質(zhì)校驗(yàn)而應(yīng)用到其他介質(zhì)去，對(duì)于解決校驗(yàn)設(shè)備問題提供便利。但是應(yīng)該看到由于液、氣的流速范圍差別很大，因此頻率范圍亦差別很大。處理渦街信號(hào)的放大器電路中，濾波

47、器的通帶不 同，電路參數(shù)亦不同，因此，同一電路參數(shù)是不能用于不同測(cè)量介質(zhì)的。介質(zhì)改變，電路參數(shù)亦應(yīng)隨之改變。另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與密度成正比。因此信號(hào)強(qiáng)度差別亦很大，液、氣放大器電路的增益，觸發(fā)靈敏度等皆不一樣，壓電電荷差別大， 電荷放大器的參數(shù)也不同。即使同為氣體（或液體、蒸汽）隨著介質(zhì)壓力、溫度不同，密度不同，使用的流量范圍不同，信號(hào)強(qiáng)度亦不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺(tái)VSF不經(jīng)硬件或軟件修改，改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。7. 主要問題VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，總結(jié)起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)原因。1）產(chǎn)品質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)原理或設(shè)計(jì)方案

48、有嚴(yán)重缺陷，產(chǎn)品材料、工藝質(zhì)量不良。尤其近年來(lái)，一些生產(chǎn)廠片面追求利潤(rùn)，產(chǎn)品粗制濫造，敗壞了VSF的聲譽(yù)。2）儀表選型和使用問題，用戶給定工藝參數(shù)不準(zhǔn)確，使得選型不當(dāng)；安裝地點(diǎn)選擇有問題，安裝不符合規(guī)定要求。3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整問題，現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)缺乏調(diào)整或調(diào)整不當(dāng)，正確的調(diào)整是用好的關(guān)鍵。 8.傳感器選擇本設(shè)計(jì)采用的是SWINGIRL電容式渦街流量傳感器。其工作原理為：當(dāng)管道中流體流經(jīng)漩渦發(fā)生體而交換成兩側(cè)列漩渦即卡門旋街時(shí)，由于在漩渦分離點(diǎn)引起低壓，結(jié)果在漩渦發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生反向的周期性壓力脈沖，并通過側(cè)面孔傳到漩渦發(fā)生體中心孔內(nèi)部而作用到振動(dòng)舌上，使它沿著X軸做周期性橫向偏移，但由于振動(dòng)舌上端固定，故這

49、種周期性偏移實(shí)際上演變?yōu)閿_性振動(dòng)，其頻率和相位嚴(yán)格與渦街壓力脈沖一致，但振幅甚微，振動(dòng)舌始終不會(huì)碰觸漩渦發(fā)生體中心孔內(nèi)壁和電極支座。另一方面，流體漩渦壓力脈沖不會(huì)使電極支座發(fā)生任何偏移。所以在漩渦壓力作用下僅是振動(dòng)舌的下端相對(duì)于靜止的支座相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在某一時(shí)刻，振動(dòng)舌與支座上一個(gè)電極之間的距離縮短，而與另一個(gè)電極之間的距離增大；前置放大器電容檢測(cè)電路分別向兩個(gè)電容充電，而振動(dòng)體與支座相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的電容變化發(fā)應(yīng)為電流大小的變化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換。電容檢測(cè)電路按“差動(dòng)開關(guān)電容”原理設(shè)計(jì)。僅產(chǎn)生一個(gè)與兩個(gè)電容差值所決定的差動(dòng)信號(hào)，而原來(lái)的兩個(gè)基本電容值則在形成差動(dòng)電容時(shí)被抵消，其頻率和流量成正比，其工

50、作原理圖如圖3.7所示。 其適用范圍：SWINGWIRL電容式渦街流量傳感器是采用差動(dòng)開關(guān)電容（DSC）作為檢測(cè)元件，來(lái)感測(cè)渦街發(fā)生體產(chǎn)生的渦街頻率的一種器材，壓力損失?。婚L(zhǎng)期穩(wěn)定性好；工作壽命長(zhǎng)；測(cè)量準(zhǔn)確度高等。廣泛應(yīng)用于測(cè)量封閉福安道中的氣體、蒸汽和液體的流量。例如：煤氣、天然氣、壓縮空氣、柴油；變溫液體及液化的二氧化碳、氮、天然氣等低溫液體。圖3.7 SWINGIRL電容式渦街流量傳感器工作原理3.3（RCV420）變換器的設(shè)計(jì)3.3.1 變換器的介紹由于SWINGWIRL電容式渦街流量傳感器輸出的是020mA或420mA的電流信號(hào)，所以必須先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。傳感器輸出的信號(hào)為

51、010mA或420mA的電流信號(hào)，這一方面提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送過程中的抗干擾能力，減少了信號(hào)的衰減；另一方面為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行器匹配提供了方便。當(dāng)模擬量輸入為電流信號(hào)時(shí)，就要經(jīng)過電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換處理，得到適合A/D轉(zhuǎn)換器使用的電壓信號(hào)。本文采用的RCV420變換器是美國(guó)RURR-BROWN 公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片，用于將420mA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成為05V輸出信號(hào)，它具有很高的性能價(jià)格比。它包含一個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、一個(gè)片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精密10V電壓基準(zhǔn)。其總轉(zhuǎn)換精度為0.1，共模抑制比CMR達(dá)86dB，共模輸入范圍達(dá)±40V。芯片如圖3.8所示。RCV420在滿量

52、程時(shí)的電壓下降僅為1.5V，在環(huán)路中串有其他儀表負(fù)載，或者在對(duì)變送器電壓有嚴(yán)格限制的應(yīng)用場(chǎng)合非常有用。10V電壓基準(zhǔn)提供了一個(gè)典型溫漂為5ppm/的精密10V輸出。RCV420無(wú)需其它外圍器件輔助，就能實(shí)現(xiàn)諸多功能。增益、偏置和CMR無(wú)需調(diào)節(jié)，較之由分立器件設(shè)計(jì)的印制板電路，RCV420具有更低的開發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用。圖3.8 RCV420變換器3.3.2 工作原理 圖3.9是RCV420的功能框圖。當(dāng)420mA電流輸入對(duì)應(yīng)05V電壓輸出時(shí)，要求電路的傳輸阻抗為：VOUT/IIN=5V/16mA=0.3125V/mA為了得到期望的輸出（4mA時(shí)0V，20mA時(shí)5V），放大器的輸出必

53、須有一個(gè)偏置:VOS=4mA×（0.3125V/mA）=1.25V輸入電流信號(hào)接至+IN端還是接至IN端取決與信號(hào)的極性，并經(jīng)過中心抽頭CT返回地端。兩個(gè)匹配的75檢測(cè)電阻Rs構(gòu)成對(duì)稱輸入，可最程度地抑制CT腳的共模電壓信號(hào)，消除不同輸入端電流在差分電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的不均衡。檢測(cè)電阻將輸入的電流信號(hào)經(jīng)差分放大器放大，轉(zhuǎn)換成一個(gè)與之成正比的電壓。位于放大器反饋通道中的T型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于產(chǎn)生所需要的1.25V偏置電壓。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)提供了很高的輸入阻抗，并將共模輸入電壓衰減至運(yùn)算放大器的共模信號(hào)容限內(nèi)。圖3.9 功能框圖3.3.3 注意事項(xiàng) 電源和信號(hào)的連接圖3.10所示是RCV420電源和信號(hào)的

54、正確接法。正負(fù)電源腳各接一個(gè)1F的退耦電容，并盡能地靠近放大器。為避免由外部電路引入的增益和CMR誤差，應(yīng)按圖示方法接地，并確保最小接地電阻。輸入信號(hào)視其極性或接至+IN腳，或接至IN腳，經(jīng)中心抽頭CT腳返回地端。電壓基準(zhǔn)的輸出Ref OUT腳應(yīng)接至Ref IN，以產(chǎn)生電平偏置。Ref IN腳不用時(shí)必須接地，以維持高共模抑制。RCV420的增益調(diào)節(jié)電路。在運(yùn)放的反饋通道插入一個(gè)小電阻R1，可以增大增益。采用此方法增大增益將導(dǎo)致CMR下降，因此，增益調(diào)節(jié)應(yīng)盡可能的小，以滿足前期的設(shè)置。例如，用一個(gè)125電阻可使增益增大1%，但CMR將下降約6dB。在檢測(cè)電阻上并聯(lián)匹配電阻RX，可以減小增益。增益

55、值由下式表示：VOUT/IIN=0.315RX/（RX+RS）并聯(lián)7.5k電阻可使增益減小1%。為了維持高共模抑制，并聯(lián)電阻的匹配很重要。并聯(lián)電阻的溫度參數(shù)的任何不一致，都將引起增益誤差和CMR的漂移。 偏置調(diào)零有兩個(gè)方法可對(duì)RCV420的輸出偏置電壓進(jìn)行調(diào)零。一是用片內(nèi)10V基準(zhǔn)作電平移動(dòng)，對(duì)電壓基準(zhǔn)的輸出進(jìn)行調(diào)整。在Rcv Com腳外接低輸出阻抗運(yùn)放，這種方法可對(duì)輸出偏置電壓進(jìn)行較大范圍地調(diào)節(jié)。采用這個(gè)辦法調(diào)零，Ref IN腳必須與Rcv Com腳相連，且要求Rcv Com腳對(duì)地端為低阻抗，以維持高共模抑制。 圖3.10電源信號(hào)的基本接法3.4 A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì) TLC549是美國(guó)德州儀

56、器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過I/O CLOCK、CS、DATA OUT三條口線進(jìn)行串接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最小可達(dá)17s?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。起作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。如圖3.11所示。REF+：正基準(zhǔn)電壓輸入 2.5VREF+Vcc+0.1。REF：負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端，-0.1VREF-2.5V。且要求：（REF+）（REF-）1V。      VCC：系統(tǒng)電源3VVcc6V。GND：接地端。圖3.11TLC549引腳/CS：芯片選擇輸入端，要求輸入高電平 VIN2V，輸入低電平 VIN0.8V。DATA OUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)串行輸出端，與 TTL 電平兼容，輸出時(shí)高位在前，低位在后。ANALOGIN：模擬信號(hào)輸入端，0ANALOGINVcc，當(dāng) ANALOGINRE