網(wǎng)路式智能電磁流量儀設計畢業(yè)設計

1、畢業(yè)設計（論文）設計說明書設計(論文)題目：網(wǎng)路式智能電磁流量儀設計畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）題目：網(wǎng)路式智能電磁流量儀設計畢業(yè)設計（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：（1）課題概述電磁流量計是一種測量導電介質體積流量的感應式儀表，可廣泛應用于化工、環(huán)保、輕紡、冶金、造紙等行業(yè)中的導電液體的流量計量。電磁流量計的測量原理基于法拉第電磁感應定律。即導電液體在磁場中做切割磁力線運動時，導體中產(chǎn)生感應電動勢，其感應電動勢E為：E=KBDV式中：K-儀表常數(shù)、B-磁感應強度、D-傳感器測量管內徑、V-測量管內導電液體的平均流速。本課題的設計目標是采用微處理器對導電液體中感應出的與平均流速（即體

2、積流量）成正比的電壓采集信號進行數(shù)據(jù)處理和顯示來實現(xiàn)流量測量，并增加網(wǎng)絡接口以實現(xiàn)流量測量的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。（2）設計條件1）測量管內無可動部件，便于維護管理；無阻流部件，因此無壓力損失。2）被測液體最低電導率5s/cm，配合各種襯里材料，可適用于測量各種酸堿鹽溶液及泥漿礦漿紙漿等介質的流量。3）流量的測量不受流體的密度粘度溫度壓力和電導率變化的影響，傳感器感應電壓信號與平均流速呈線性關系，測量精度高。具有儀表系數(shù)非線性修正，可進一步提高測量精度。4）不受流體方向影響，正反向均可準確計量。（3）設計要求1）量程比：1:100（0.1m/s10m/s）2）輸出信號：數(shù)字顯示、420mA、RS485

3、3）綜合精度：±0.5%FS4）工作電源：220VAC5）工作溫度：<80畢業(yè)設計（論文）主要內容：（1）查閱與設計課題相關資料；（2）熟悉單片機嵌入式系統(tǒng)及接口的設計方法；（3）了解電磁流量傳感器的原理及應用并選型；（4）設計電磁流量傳感器輸入電路；（5）設計以單片機嵌入式系統(tǒng)為核心的主機電路；（6）設計顯示、鍵盤、打印、通訊電路；（7）軟件程序流程設計；（8）編寫匯編語言或C語言程序（包括系統(tǒng)主監(jiān)控程序，采樣、標度變換、運算、顯示、鍵盤程序，斷電處理程序，通訊程序）；（9）軟件調試；（10）按照太原理工大學本科生畢業(yè)論文的格式要求編寫畢業(yè)設計說明書。生應交出的設計文件（論文

4、）：（1）畢業(yè)設計說明書一本（要求用Word編輯排版打?。?。主要內容包括：1）中英文摘要及關鍵字；2）總體設計概述（包括總體結構總框圖）；3）傳感器原理與選型說明；4）輸入通道設計說明（包括硬件電路原理圖）；5）主機電路設計說明（包括硬件電路原理圖）；6）鍵盤顯示設計說明（包括硬件電路原理圖）；7）通信接口設計說明（包括硬件電路原理圖）；8）程序流程圖及軟件設計說明（包括程序流程圖和源程序清單及注釋）；9）程序調試中的問題、解決方法和結果；10）設計難點和遺留問題（難點及其解決方法，尚未解決的問題和解決思路）；11）參考文獻12）設計總結；13）與設計課題相關的英文資料原文（1萬個印刷符號）和

5、譯文。（2）光盤一張，內容包括：1）畢業(yè)設計說明書的Word電子文檔；2）電路原理圖設計文件；3）源程序及編譯程序包。主要參考文獻（資料）：1 自動檢測技術2 傳感器原理3 單片機原理及其接口技術4 智能儀器原理及設計實例5 何利民單片機與嵌入式系統(tǒng)北京航空航天大學出版社6 與自動化有關的科技期刊（儀器儀表學報、自動化與儀表等）專業(yè)班級自動化0602班學生李佛垚要求設計（論文）工作起止日期2010-3-12至2010-6-15指導教師簽字日期教研室主任審查簽字日期系主任批準簽字日期網(wǎng)路式智能電磁流量儀設計摘要電磁流量計是基于電磁感應定律的速度式流量計。流量計在工業(yè)生產(chǎn)過程、能源儲運核算、環(huán)境保

6、護、生物技術、國防建設、科學研究等諸方面發(fā)揮著不可或缺的作用。本文在分析國內外電磁流量計發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎上，提出了基于AT89C51的智能流量顯示儀設計思路,并在此基礎上研制了智能電磁流量計的軟、硬件系統(tǒng)。在智能電磁流量計系統(tǒng)的硬件開發(fā)中，采用了單片機控制方式可選的勵磁技術，并設計出鍵盤控制、A/D轉換,存儲電路和顯示電路。為增強系統(tǒng)開放性和通訊功能，選用RS-485標準總線來實現(xiàn)儀表和外部系統(tǒng)的通信。在智能流量顯示儀的軟件設計中，采用匯編語言作為軟件開發(fā)工具，采用模塊化程序設計方式，充分利用AT89C51的優(yōu)勢，設計出了設計出了勵磁方式控制子程序、A/D采樣控制子程序、輸入數(shù)據(jù)處理與流量

7、計算子程序、鍵盤管理及LED顯示等模塊化程序。不僅使程序結構清晰，而且也提高了系統(tǒng)的實時性，可靠性。關鍵詞：智能電磁流量計；AT89C51；LED顯示儀；勵磁Netrk intelligent electromagnetic flowmeterAbstractElectromagnetic flowmeter is based on the principle of electromagnetic induction rate flowmeter. In industrial production process, the flow of energy storage and accounti

8、ng, environmental protection, biotechnology, national defense, science research, etc play the indispensable role. Based on the analysis of the current situation and development trend of development of electromagnetic flowmeter, on the basis of the proposed intelligent flow based on AT89C51 appearanc

9、e design ideas, and on the basis of the development of intelligent electromagnetic flowmeter of software and hardware systems.In the intelligent electromagnetic flowmeter system hardware development, adopted MCU control mode of optional excitation technology, and design A keyboard control, A/D conve

10、rsion, storage, and display circuit circuit. In order to enhance communication and openness system function, choose the rs-five 485 standard bus to achieve instruments and external communications system.In the software design of intelligent flow in appearance, assembly language as A software develop

11、ment tools, modular design program, make full use of the advantage, designed AT89C51 has designed A excitation mode control procedure, A/D sampling control procedure, the input data processing and flowmeter operator procedures, LED display and keyboard management such modularization program. Not onl

12、y make the program, but also to improve structure is clear, the reliability of the system performance.Keywords: intelligent electromagnetic flowmeter ；AT89C51；LED display；excitation目錄摘要IAbstractII第1章緒論11.1引言11.2課題研究的背景和意義2電磁流量計的發(fā)展2本課題研究的意義：31.3. 網(wǎng)絡式智能電磁流量儀的總體組成模塊3網(wǎng)絡式智能電磁流量儀的模塊功能3電磁流量計的選用與安裝應該注意的事項41

13、.4本章小結4第2章電磁流量儀工作原理與結構52.1 電磁流量傳感器的工作原理5法拉第電磁感應定律5電磁流量傳感器的原理5電磁流量傳感器的結構62.2網(wǎng)絡式智能電磁流量儀傳感器的選擇8電磁流量傳感器的特點，轉換器應具備的性能8流量傳感器的選擇的說明8電磁流量傳感器選型小結：102.3流量檢測的方法和分類102.4 本章小結11第3章網(wǎng)絡式電磁流量儀的輸入通道設計123.1網(wǎng)絡式電磁流量儀的功能要求123.2網(wǎng)絡式電磁流量儀總體結構設計123.2.1 系統(tǒng)硬件電路設計原則123.2.2 硬件系統(tǒng)整體結構133.3 信號調理放大電路設計143.4 有源濾波電路163.5 A/D轉換電路設計163.

14、6 本章小結20第4章網(wǎng)絡式電磁流量儀控制模塊和顯示電路設計214.1 單片機控制模塊的選型21單片機的特點和重要指標224.1.2 AT89C51單片機簡介224.2 I/O接口電路的擴展設計8255A284.2.1 8255A的內部結構和引腳排列284.2.2 8255A有兩種控制字294.3鍵盤電路的設計304.4顯示電路的設計314.5本章小結33第5章網(wǎng)絡式電磁流量儀的其他硬件模塊設計345.1勵磁系統(tǒng)的說明345.2勵磁系統(tǒng)的電路與單片機的連接圖355.3 供電模塊設計355.4 上電復位電路365.5 存儲功能的擴展I2C總線375.6 通訊接口的設計395.7 量程自動變換和標

15、尺變換技術405.8 系統(tǒng)整體硬件原理圖415.9 本章小結41第6章網(wǎng)路式電磁流量儀軟件設計426.1 程序總體設計426.2 軟件“看門狗”的設計446.3數(shù)據(jù)采集程序456.4數(shù)字濾波程序設計46數(shù)字濾波的優(yōu)點46字濾波主要的幾種方法476.5 鍵盤管理程序506.6 8255A初始化的程序設計526.7標度變換程序設計526.8 三值勵磁程序設計536.9本章小結53結論54致謝55參考文獻56附錄57附錄63第1章緒論1.1引言流量、溫度、壓力、物位等的測量同為熱工量測量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程控制中的重要測定參數(shù)之一。流量測量與人們的日常生活有著密不可分的關系，因此，作為流量測量的流量計

16、應用范圍很廣。人們對自然界的認識在很大程度上取決于檢測和儀表。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究、國防建設領域中，還是在日常生活中都與檢測有著密切的關系，在工業(yè)自動化中，過程變量的自動檢測儀表是主宰自動化系統(tǒng)命運的關鍵，任何控制系統(tǒng)都是從生產(chǎn)過程運行的信息測量開始的。工業(yè)過程自動檢測技術與儀表在經(jīng)歷了幾個重要的歷史時期的發(fā)展后，它作為自動化科學的一個重要分支，己經(jīng)成為了一門具有實用性和綜合性的新興學科。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，精確地計算出在某一時刻流體的瞬時流量和在一段時間間隔內的累積流量，既可以指導生產(chǎn)，同時也是規(guī)范工藝操作的需要和進行經(jīng)濟核算的依據(jù)。然而，就流體流動量的檢測而言，要比溫度、壓力等其他參

17、量檢測困難的多。其原因在于:流量這個參數(shù)受輸送流體的工作條件如壓力、溫度、流動狀態(tài)、流體的種類、形狀等參數(shù)的影響。這就是說，流量計的種類和品種是十分繁多的。其流量檢測的方法也非常多，以應用于各種不同的場合和各種不同的測量目的。儀器儀表是研究實現(xiàn)信息的獲取、轉換、傳輸、處理以及根據(jù)處理結果對生產(chǎn)系統(tǒng)進行控制的重要工具。過程變量的自動化檢測儀表是工業(yè)自動化實現(xiàn)的關鍵。任何控制系統(tǒng)都是從生產(chǎn)過程運行的信息測量開始，因為只有在知道生產(chǎn)過程的狀態(tài)和工藝參數(shù)的條件下才能進行自動控制.隨著科學技術的發(fā)展，特別是在新材料、新結構的傳感器結合高性能微型計算機之后，檢測技術有了變革性的進步。這些新技術在檢測系統(tǒng)的

18、準確性、快速性、可靠性和抗干擾等方面發(fā)揮了明顯的作用，大大豐富了檢測技術所包含的內容，擴大了檢測技術的應用范圍，使檢測技術發(fā)展成為一門內容廣泛，并建立在多種學科發(fā)展基礎上的自動化技術先行學科。電磁流量計是一種測量流體流速的速度式流量計，在推向市場后，性能不斷完善，己經(jīng)成為一種技術成熟而又應用廣泛的新一代流量儀表。但在新技術層出不窮和工業(yè)過程要求日益提高的情況下，電磁流量計的性能必將進一步得到提升。1.2課題研究的背景和意義1.2.1電磁流量計的發(fā)展電磁流量計是隨著電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的基于法拉第電磁感應定理的用來測量導電性液體體積流量的儀表。技術發(fā)展動向在科學技術飛速發(fā)展的今天，世界各

19、國的流量計生產(chǎn)廠商都努力將最新科技應用到產(chǎn)品的設計中，以提高產(chǎn)品的性能，擴大產(chǎn)品的使用范圍。具體表現(xiàn)在如下幾個方面：提高儀表智能性、提高勵磁技術水平、增強信號處理能力、提高系統(tǒng)的開放性幾個方面:1、提高儀表智能性。儀表的智能性主要是功能上的智能性，特別是近年來新型微處理器的出現(xiàn)和應用，使儀表通過軟件控制和管理整個測量的工作過程得以實現(xiàn)，充分發(fā)揮出微機的功能和靈活性。另外，流量儀表的智能性還體現(xiàn)在空管檢測、正/反向流量測量、小信號處理、非線性補償、數(shù)字濾波、零點自校準等新功能的增加上。2、提高勵磁技術水平，改善測量性能測量精度和穩(wěn)定性是電磁流量計的重要技術指標，并與所采用的勵磁技術密切相關。隨著

20、電磁流量計和電子技術的發(fā)展，勵磁技術也從直流勵磁、交流勵磁、低頻矩形勵磁發(fā)展到三值低頻矩形勵磁及雙頻勵磁技術階段，其目的就是為了減少干擾、提高檢測精度和儀表零點穩(wěn)定性。目前低頻矩形勵磁和三值低頻矩形勵磁己成為國外電磁流量勵磁方式的主流。另外，國外還出現(xiàn)了可由微機控制勵磁電壓，可按被測流體性質選用所需勵磁方式，并能根據(jù)各種勵磁方式進行信號運算處理，準確地找出被各種噪聲埋沒的流量信號的智能電磁流量計。3、增強信號處理能力，減小測量誤差。智能化電磁流量計經(jīng)降低勵磁電流、改進傳感器結構及其磁通分布密度，使其小型、輕量一體化的目標得以實現(xiàn)，但其單位流速電感也變得更小，而對于不同的測量介質，流量傳導內阻變

21、化很大，增加了信號處理的難度。隨著微電子技術和計算機技術的進步，用高性能集成芯片和微處理器來提高信號放大處理精度、拓寬儀表檢測量程、補償檢測誤差及零點校準己成為當今儀表的發(fā)展方向之一。同時，在軟件上采取非線性補償和數(shù)字濾波等高級處理能力也是增強儀表信號處理能力、減少測量誤差的一個重要舉措。4、提高系統(tǒng)的開放性。系統(tǒng)的開放性包括硬件電路開放性、軟件結構開放性、通訊接口開放性以及人機界面開放性。增強系統(tǒng)開放性有利于系統(tǒng)功能擴展、儀表間的互聯(lián)以及系統(tǒng)組網(wǎng)，更有利于操作和維護。隨著EDA工具及可編程器件技術的發(fā)展和日趨成熟，流量儀表工業(yè)進入了新的發(fā)展時期。應用現(xiàn)狀電磁流量計是一種測量導電介質體積流量的

22、計量儀表，具有無節(jié)流阻流部件，不易堵塞，耐腐蝕性好，適用介質范圍廣，測量精度不受被測介質溫度、粘度、密度、壓力、比重等物理參數(shù)的影響，其示值與被標定的液體種類在一定的導電率范圍內無關等特點.除可測量一般液體的流量外，還可測量液固兩相流、高粘度液流及鹽類、強酸、強堿液體的體積流量?？蓮V泛應用于水泥、化工、輕紡、冶金、礦山、造紙、醫(yī)藥、給排水、食品飲料、制糖、釀造等工業(yè)技術部門，特別是在環(huán)保領域，電磁流量儀表己成為定量管理企業(yè)污水排放的有力手段。本課題研究的意義：電磁流量檢測儀表是利用法拉弟電磁感應原理制成的測量導電流體體積的儀表，與現(xiàn)有各種非電磁流量檢測儀表相比，性能好，適用范圍廣，是目前應用最

23、廣泛的流量儀表之一。我國經(jīng)過多年的技術探索和產(chǎn)品開發(fā)，雖然己在電磁流量檢測儀表開發(fā)方面取得了一定的成績，但由于起步遲、起點低，還處于比較落后的狀況。主要表現(xiàn)在一下幾個方面：功能弱、檢測精度低、可靠性不高、開放性差。本課題的研究重點在于利用單片機等集成芯片開發(fā)智能電磁流量計，充分利用了單片機系統(tǒng)良好的軟硬件資源，達到了增強儀表功能、提高測量精度、可靠性及開放性的目的。1.3. 網(wǎng)絡式智能電磁流量儀的總體組成模塊網(wǎng)絡式電磁流量顯示儀所具有的各個模塊有：電磁流量傳感器、信號轉換模塊、A /D模塊、勵磁模塊、RS-485通信模塊、I2C數(shù)據(jù)存儲模塊、LED顯示模塊、鍵盤控制模塊。1.3.1網(wǎng)絡式智能電

24、磁流量儀的模塊功能電磁流量計在結構上一般由電磁流量計傳感器和電磁流量計信號轉換器兩部分組成。轉換器又包括流量轉換單元和流量積算、控制單元。其中流量轉換單元包括信號轉換模塊、A/D轉換模塊、勵磁電流發(fā)生模塊。流量積算、控制單元包括RS-485通信接口、鍵盤控制模塊、LED顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。各單元功能如下:1、電磁流量傳感器:依據(jù)線性關系將導管內被測流體的流量信號轉換成相應的電壓信號。2、信號轉換模塊:將傳感器所輸出的小電壓信號進行放大，并濾除掉與被測信號無關的干擾信號使信號純化，為A/D轉換器提供放大的模擬量。3、A /D模塊:將模擬量轉換成數(shù)字量提供給單片機進行處理。4、勵磁模塊:為變送

25、器提供勵磁電流。5、RS-485通信模塊:為儀表提供RS-485標準總線通信接口。6、鍵盤控制模塊:完成儀表的參數(shù)設置和控制。7、LED顯示模塊:完成儀表的瞬時流量、累計流量等實時顯示。8、I2C數(shù)據(jù)存儲模塊:存放流量積算后的累計流量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)正常工作所必須設置的各項參數(shù)。1.3.2電磁流量計的選用與安裝應該注意的事項1）大口徑儀表較多應用于給排水工程。2）中小口徑常用于固液雙相流等難測流體或高要求場所如測量造紙工業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠的煤漿、化學工業(yè)的強腐蝕液以及鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制和監(jiān)漏，長距離管道煤的水力輸送的流量測量和控制。3）小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、

26、食品工業(yè)、生物工程等有衛(wèi)生要求的場所。4）選用考慮要點：精度、流速、范圍度、口徑、液體電導率。5）流量傳感器安裝：安裝場所、直管段長度要求、位置和流動方向、接地。1.4本章小結本章首先講述了電磁流量在現(xiàn)實中的重要性，然后對電磁流量計的發(fā)展和發(fā)展動向進行闡述，對網(wǎng)絡式智能電磁流量顯示儀的模塊功能進行總體的闡述和介紹，同時對電磁流量計的選用與安裝應該注意的事項也添加了具體說明。第2章 電磁流量儀工作原理與結構2.1 電磁流量傳感器的工作原理法拉第電磁感應定律1831年，法拉第最早通過實驗發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象.實驗表明，通過導體回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時，在回路中就會產(chǎn)生感應電動勢及感應電流。此

27、感應電動勢U與通過閉合回路面積的磁感應通量，的變化率成正比。2.1.2電磁流量傳感器的原理測量原理是基于法拉第電磁感應定律，導電性的液體在流動時切割磁力線，也會產(chǎn)生感生電動勢。因此可應用電磁感應定律來測定流速，電磁流量傳感器就是根據(jù)這一原理制成的?？梢酝ㄟ^右手規(guī)則判定電動勢的方向，在管道直徑確定，磁感應強度不變的條件下，體積流量與電磁感應電勢有一一對應的線性關系，而與流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率無關。如圖2.1是電磁式流量傳感器的工作原理圖。在勵磁線圈通以勵磁電壓后，絕緣導管便處于磁力線密度為B的均勻磁場中，當平均流速為v的導電性液體流經(jīng)絕緣導管時，那么在導線內徑為D的管道壁上設置的一對

28、電極中，便會產(chǎn)生如下式所表示的電動勢E，圖2.1電磁流量計測量原理E=KBDV式中v液體的平均流速（m/s）B磁場的磁通密度（T）D導管的內徑（m）液體流動的容積流量的計算如下：根據(jù)上面的公式可以看出，容積流量Qv與電動勢E成正比。如果我們事先知道導管內徑和磁場的磁通密度B，那么就可以通過對電動勢的測定，求出容積的流量。雖然電磁流量傳感器的使用條件是要求流體是導電的，但它還是有許多優(yōu)點。(1).沒有機械可動部分。(2).由于電極的距離正好為導管的內徑，因此沒有妨礙流體流動的障礙，壓力損失極小。(3).能夠得到與容積流量成正比的輸出信號。(4).測量結果不受流體粘度的影響。(5).由于電動勢是在

29、包含電極的導管的斷面處作為平均流速測得的，因此受流速分布影響較小。(6).測量范圍寬，可以從0.005190000m3/h。(7).測量精度高，可達±0.5%。電磁流量傳感器的結構首先，先介紹流量的概念，流量就是在單位時間內流體通過一定截面積的數(shù)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，單位m3/h。對在一定通道內流動流體的流量進行測量統(tǒng)稱為流量計量。電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表。20世紀50年代，電磁流量計實現(xiàn)了工業(yè)化應用，近年來電磁流量計性能有了很大提高，得到了廣泛的應用。根據(jù)電磁流量計的結構與原理可知，他有如下的主要

30、特點：電磁流量計的測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管，因不易阻塞，適用于測量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿、和污水漿等；不產(chǎn)生因檢測流量所形成的壓力損失；測得的體積流量不受流體密度、粘度、溫度、壓力、和導電率變化明顯的影響；前置直管段要求較低；測量范圍大，通常為20：1到50：1；不能測量導電率很低的液體，如石油制品和有機溶劑等；不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體；通用型電磁流量計由于受襯里材料和電氣絕緣材料的限制，不能用于較高溫度液體的測量。其次，電磁流量計在結構上一般由電磁流量計傳感器和電磁流量計信號轉換器兩部分組成。電磁流量計流量傳感器轉換器。圖2

31、.2 電磁流量傳感器示意圖如圖2.2所示為傳感器，一般情況下傳感器和轉換器是分體的，傳感器安裝在生產(chǎn)過程工藝管道上，它的作用是將流經(jīng)管內的液體流量值線性地變換成感應電勢信號，并通過傳輸線將此信號送到轉換器中去，主要由外殼、磁路系統(tǒng)、測量管、襯里、電極組成。信號轉換器的作用是將傳感器送來的流量信號進行比較、放大、并轉換成統(tǒng)一標準的輸出信號，以實現(xiàn)對被測液體流量的遠距離指示、記錄、積算或調節(jié)控制。也有的電磁流量計將傳感器和信號轉換器裝在一起組成一體型電磁流量計，可就地顯示，并遠傳顯示和控制。轉換器由前置放大器、主放大器、相敏整流、功率放大、線圈、霍爾乘法器、電位分壓器組成?；魻柍朔ㄆ饔靡韵齽畲烹?/p>

32、壓幅值和頻率變化引起的誤差。前置放大主放大相敏整流功率放大正交干擾抑制線圈霍爾乘法器電位分壓器ExVxIoIyVhKzA1A3A4A2圖2.3轉換器組成原理2.2網(wǎng)絡式智能電磁流量儀傳感器的選擇電磁流量傳感器的特點，轉換器應具備的性能1線性放大能力。轉換器應具有高穩(wěn)定性能的線性放大器，能把毫伏級流量信號放大到足夠高的電平，并線性地轉換成標準電信號輸出。2能夠分辨和抑制各種干擾信號。根據(jù)不同的勵磁方式，轉換器應有相應的措施抑制或消除各干擾信號的影響。對于正交干擾，除了傳感器中的干擾調熬機構調零外，轉換器中應有分辨和抑制正交干擾的機構，以消除傳感器中剩余的正交干擾信號。否則這些干擾信號同樣會被轉化

33、器的放大器放大，嚴重影響儀表工作。對正交干擾的抑制方法一般是將經(jīng)過主放大器放大后的正交干擾信號通過相敏檢波的方式鑒別分離出來，然后反饋到主放大器輸入端，以抵消輸入端進來的正交干擾信號。本課題利用的是低頻三值勵磁方式很好的解決了正交干擾。3.應有足夠高的輸入阻抗。4.能消除電源電壓波動的影響。2.2.2流量傳感器的選擇的說明所謂傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。在有些學科領域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。傳感器的輸出信號通常是電量，它便于傳輸、轉換、處理、顯示等。通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響

34、應被測量的部分；，轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。選擇傳感器的總的原則是：在滿足對傳感器所有技術要求情況下，成本低廉，工作可靠和容易維修，即所謂性能價格比要大。傳感器大致可以分為兩類：第一類是將物理量變換為電量的傳感器。通常由于信號處理、便于測量、精度等要求，而將所有的物理量變換成電量的輸出來進行測量的傳感器。第二類是將電、光、溫度、聲、位移、壓力等物理量相互間進行變換的傳感器。而如果從另一個角度來看，也可以將傳感器分為基本型與組合型兩類。所謂基本型傳感器，就是將光、磁、溫度、壓力、氣體、濕度等基本物理量變換成電量或其它物理量的傳感器。所以在基

35、本型傳感器又可分為：光傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、應變式傳感器、磁傳感器、氣敏傳感器、濕度傳感器和生物傳感器。所謂組合型傳感器，就是應用基本型傳感器來檢測其它的物理量的傳感器。而組合型傳感器又可分為：流量、流速傳感器，速度傳感器，距離、位置、位移傳感器，重量傳感器，加速度傳感器，轉數(shù)、轉角傳感器，物位傳感器，厚度傳感器等隨著傳感器技術的飛速發(fā)展，其發(fā)展方向有兩個：一個是傳感器本身的研究開發(fā)，另一個是與計算機相連接的傳感器系統(tǒng)的研究開發(fā)。其中，傳感器本身的研究開發(fā)有兩個分支，一個是有關傳感器的新技術與新原理的基礎研究，另一個是面對著生產(chǎn)與社會日益迫切的需要，出現(xiàn)了一大批新穎的傳感器產(chǎn)品，如陶

36、瓷型傳感器、仿生化學傳感器等。電磁流量計應用領域非常廣泛，其傳感器的選擇是其中最主要的，因為傳感器的類型就大部分決定了傳感器成品將來使用的場合，按應用場合有大口徑、中小口徑、小口徑和微小口徑之分，其中大口徑的較多應用于給排水工程，中小口徑常應用于固液雙相等難測流體或高要求場所，如測量造紙工業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠的煤漿、化學工業(yè)的強腐蝕液、鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制、長距離管道煤的水力輸送的流量測量和控制等，而小口徑和微小口徑常應用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛(wèi)生要求的場所。市場上通用型的性能有較大差別，有些精度高、功能多，有些精度低、功能簡單。精度高的儀表基本誤差為（&

37、#177; 0.5%到± 1%）R（測量值的百分率），精度低的儀表則為（±1.5%到±25%）FS（測量上限或量程的百分率），兩者價格相差)1-2倍。因此測量精度要求不很高的場所（例如非貿易核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和優(yōu)良重復性的場所）選用高精度儀表在經(jīng)濟上是不合算的。選定儀表口徑不一定與管徑相同，應視流量而定。 電導率是表征材料導電性能的一個物理量，國際單位為s/cm。使用電磁流量計的前提是被測液體必須是導電的，不能低于閾值（即下限值）。本課題從以上談到的許多方面考慮，以學習研究為重點，流量傳感器的選型如下：流量的測量不受流體的密度、粘度、溫度、壓力和電

38、導率變化的影響，傳感器感應電壓信號與平均流速呈線性關系，因此測量精度高。采用國際最新最先進的單片機(MCU)和表面貼裝技術(SMT)，性能可靠，精度高，功耗低，零點穩(wěn)定，參數(shù)設定方便。采用特殊的生產(chǎn)工藝和優(yōu)質材料，確保產(chǎn)品的性能在長時間內保持穩(wěn)定。低頻三值矩形波恒流勵磁，不受工頻及現(xiàn)場各種雜散干擾的影響，性能穩(wěn)定可靠。采用非均勻磁場的新技術及特殊的磁路結構，磁場穩(wěn)定可靠，而且大大縮小了體積，減輕了重量，使流量計具有小型輕量化的特點?？筛鶕?jù)用戶實際需求現(xiàn)場在線修改量程。具有空管自動復零功能。測量管內無阻流件，因此無附加壓力損失。由于感應電應信號是在整個完滿磁場的空間中形成的，是管道截面上的平均值

39、，因此傳感器所需的直管段較短，長度為5倍的管道直徑。傳感器部分只有內襯和電極與被測液體接觸，只要合理選擇電極和內襯材料，即可耐腐蝕和耐磨損。測量結果與液體的壓力、溫度、密度、粘度、電導率（不小于最低電導率）等物理參數(shù)無關。使用方便，安裝后只需接上電源，不需其它任何操作，即可輸出標準信號，便于非專業(yè)人員使用。鑒于本課題的要求和綜合各方面的考慮才選擇了此電磁流量計傳感器。2.2.3電磁流量傳感器選型小結：由設計任務書的要求以及傳感器的資料本畢業(yè)設計所選用的傳感器的相應規(guī)格如下：（1） 通徑D=40mm，測量誤差± 0.5% 。（2） 襯里 氯丁橡膠（Neoprene）耐磨性好，有極好的彈

40、性，高扯斷力，耐一般低濃度酸堿鹽介質的腐蝕。適用于80、一般水、污水、泥漿、礦漿。（3） 電極材料的選型，由于本設計為學習理論型設計所以電極材料的選擇可以根據(jù)實際工程選用。（4） 測速范圍般工業(yè)用電磁流量計被測介質流速以24m/s為宜，在特殊情況下，最低流速應不小于0.2m/s，最高應不大于8m/s。在本設計中以最大范圍來進行計算即取擴展范圍15m/s。（5） 測量誤差以及精確度的計算：所以當D=40mm時, Qvmin= 0.452(m3/h), Qvmax = 67.85(m3/h)2.3流量檢測的方法和分類1）容積法：在單位時間內以標準固定體積對流動介質連續(xù)不斷地進行度量，以排出流體固定

41、容積數(shù)來計算流量。橢圓齒輪流量計、旋轉活塞式流量計和刮板流量計。受流體的流動狀態(tài)影響小，適用于測量高粘度、低雷諾數(shù)的流體。2）速度法：這種方法是先測出管道內的平均流速，再乘以管道截面積求得流體的體積流量。檢測管道內流速的方法主要有一下幾種：節(jié)流式檢測方法（差壓流量檢測法）；電磁式檢測方法；變面積式檢測方法；旋渦式檢測方法；渦輪式檢測方法；聲學式檢測方法；熱學式檢測方法。2.4 本章小結本章詳細介紹了電磁流量計的基本原理及其組成結構，并詳細的介紹了電磁流量計的測量原理。重點在于對電磁流量計從內部原理的詳細闡述到自身結構的說明，由內到外的說明設計思路，尤其是對電磁流量計的模塊化設計也進行了詳細的說

42、明，最后，對本課題的傳感器選型進行小結，本章是在對以后的幾章設計打下基礎，也是在進行設計中首先要解決的了解過程。第3章網(wǎng)絡式電磁流量儀的輸入通道設計3.1網(wǎng)絡式電磁流量儀的功能要求課題設計的電磁流量顯示儀的全過程為：微處理器采集流量傳感器輸出的電壓信號，然后通過放大濾波適合于A/D轉換器的輸入要求，將此信號進行轉換為數(shù)字量，并且把轉換后的數(shù)字量進行數(shù)字濾波后給單片機進行計算，最終將計算后得到的瞬時量和一段時間的累積流量在LED上進行顯示。要進行硬件設計，首先要清楚流量顯示儀所要實現(xiàn)的具體功能，并考慮到流量顯示儀的性能要求，然后才能設計各個功能模塊，再進一步選擇合適的芯片、元器件及設備，進行具體

43、電路的設計。該流量顯示儀功能要求有:(1) 顯示功能現(xiàn)場同時顯示累積體積流量、瞬時體積流量.(2) 存儲功能存儲各種流量數(shù)據(jù)，流量計系數(shù).(3) 電源供電功能由于元器件對電壓要求不同，需要根據(jù)不同的電源進行變壓以滿足流量顯示儀所需的電壓。(4) 鍵盤控制功能 系統(tǒng)可以利用按鍵進行儀表系數(shù)設置，流量顯示和清零。此外，流量顯示儀的高精度、低功耗、可靠性等性能要求也是進行軟、硬件設計所必須考慮的重要因素。3.2網(wǎng)絡式電磁流量儀總體結構設計3.2.1 系統(tǒng)硬件電路設計原則本文在硬件設計時的步驟及遵循的原則：（1）要選擇最主要的芯片或元器件，在流量顯示儀中就是對信號處理和運算的核心單片機芯片的選擇，它決

44、定著硬件整體方案的設計和其它芯片及元器件的選擇。（2）分別設計各個外圍硬件模塊，選擇典型電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化。設計外圍硬件模塊時，注意單片機資源的分配和應用，如單片機的管腳分配、單片機內部集成模塊的應用等。充分和合理利用單片機資源不但可以減少外圍電路設計的工作量，而且可以提高整機的可靠性。（3）設計硬件結構時，要結合軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案發(fā)生相互影響時，考慮的原則是:功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件的結構。這樣可以減小硬件的復雜性，還可以降低生產(chǎn)成本，所付出的代價是占用較長CPU運行時間。在所實現(xiàn)功能相同的情況下，都選擇低功耗芯片、元器件及設備。（4）可靠性及抗干擾設計是硬件

45、系統(tǒng)設計所必須考慮的，它包括芯片、元器件選擇、濾波、信道隔離等。3.2.2 硬件系統(tǒng)整體結構電磁流量傳感器放大濾波波A/D轉換單片機數(shù)據(jù)處理LED顯示I2C數(shù)據(jù)存儲鍵盤控制RS485總線三值勵磁電路電源模塊圖3.1 系統(tǒng)的硬件結構根據(jù)流量顯示儀的功能要求，硬件系統(tǒng)結構框圖如圖3.1所示.硬件系統(tǒng)包括單片機控制器模塊、傳感器信號輸入模塊、A/D轉換模塊、LED顯示模塊、按鍵模塊及電源供電模塊。單片機控制器模塊主要由單片機構成，是信號處理、計算的核心，也是整個流量顯示儀運行的核心部分。其它大部分模塊都受單片機控制器模塊的控制或通過單片機控制器而起作用。傳感器信號輸入模塊是指流量信號的整形輸入，流量

46、信號需要進行整形等處理，然后被單片機控制器的計數(shù)模塊識別并計數(shù)。LED顯示模塊由LED數(shù)碼管組成。按鍵模塊由鍵盤組成。電源供電模塊包括供電電路和設備供電電源。本系統(tǒng)的各個模塊硬件設計電路將在后面逐一詳細加以介紹。3.3 信號調理放大電路設計本課題所選用的是AD623單電源儀表放大器，下面對AD823進行介紹。AD623是單電源儀表放大器，具有滿擺幅輸出（+3V- +12V電源），若無外接電阻，該放大器增益為1，若是增加外接電阻，增益在1-1000范圍內可用單電阻調節(jié)增益。（1）引腳排列與基本電參數(shù)該芯片的引腳排列如圖3.2所示。其中：RG+和RG-是增益電阻引腳IN-與IN+是差動輸入引腳圖3

47、.2 AD623引腳排列圖VCC、GND是電源、地線引腳。若是雙電源使用，VCC對應+VS，GND對應-VSOUT是輸出引腳VREF是參考電壓引腳，用于移動輸出電平。不需要移動電平時，該端接地。在單電源電壓VCC=+5V，RL=10k時的一些典型參數(shù)：增益范圍：11000增益誤差為0.03%（G=1）增益非線性為50ppm，（G=11000）增益溫度變化5ppm/輸入失調電壓VOSI= 25V輸入失調電壓溫度系數(shù)0.1V/輸出失調電壓VISO=200V輸出失調電壓溫度系數(shù)2.5V/電源電壓抑制比為100dB（G=1）輸入偏置電流IB=17nA輸入偏置電流溫度系數(shù)25pA/輸入失調電流IOS=0

48、.25nA輸入失調電流溫度系數(shù)為5pA/差模輸入阻抗2G|2pF共模輸入阻抗2G|2pF輸入電壓范圍（電源為+6V）0.15V+VCC0.15V共模抑制比為80dB（G=1，在60Hz，1k源內阻）輸出電壓范圍 +0.01V+VCC-0.5V（負載電阻RL=10k）3dB帶寬800kHz（G=1）擺率SR=0.3V/s0.01%建立時間ts=30s（G=1，階躍信號3.5V）輸入電壓噪聲eni=35nV/Hz（1kHz）輸出電壓噪聲eno=50nV/Hz（1kHz）0.1Hz10Hz電壓噪聲，3.0Vp-p0.1Hz10Hz電流噪聲，1.5pAp-p電源電壓范圍±2.5V±

49、6V（雙電源），2.7V+12V（單電源）（2）參考輸入端：輸入電阻RIN=100k輸入電流IIN=+50A電壓范圍GND+VCC增益電阻(3) 輸出電壓VO=（1+100k/RG）VG，這里：RG增益電阻，VG是輸入差動電壓?？梢缘玫皆鲆骐娮柚禐椋?RG=100k（G1）,這里G是增益。（4）參考電位參考電位VREF用于在0到VS之間控制輸出電壓的基礎電平。參考電位應該很穩(wěn)定，常來自基準電源芯片或是AD轉換器的內部參考電源。（5）接地典型的AD623單電源接地電路如本課題中所接所示。圖中參考電位VREF接模擬地。若是模擬與數(shù)字共用一個電源，則應該采用電感、電容組成的濾波電路隔離模擬電源部分與

50、數(shù)字電源部分。（6）在本課題中用到AD623對傳感器輸出的信號進行放大，以便于滿足后面的A/D轉換器的輸入，從而完成對模擬信號的轉換，由于是學習性質的設計，本課題中所選用的參數(shù)是按照傳感器輸出電流為8mA,通過轉換后給AD623的輸入電壓是大約0.2V，所以需要放大的倍數(shù)是25倍，以滿足A/D轉化器的要求，本課題的AD623連接圖如圖3.3所示。圖3.3 AD623放大連接電路3.4 有源濾波電路為了或得更好的數(shù)據(jù)采集效果，或得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，在ADC前應該加有源濾波電路，濾去不需要的干擾。常用的濾波器分為三種：巴特沃斯、貝塞爾、和切比雪夫。在本課題當中，選的是巴特沃斯低通濾波器，頻率為3Hz。有

51、源濾波電路如圖3.4所示。圖3.4.有源濾波電路3.5 A/D轉換電路設計（1）對模數(shù)轉換器的選擇A/D轉換器是單片機應用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的重要器件，它是將連續(xù)的模擬信號轉換成二進制數(shù)的器件。從工作原理上看，常用A/D器件有雙積分型、逐次逼近型等；從分辨率角度看，A/D 轉換器按照輸出二進制代碼的有效位數(shù)的不同通常有8 位、10 位、12 位、14 位和16 位等多種；按照轉換時間(即進行一次A/D 轉換所需要的時間)可分為超高速(轉換時間1ns)、高速(轉換時間1s)、中速(轉換時間1ms)、中速(轉換時間1s)等幾種不同轉換速度的芯片。所以在選擇需要什么樣的AD轉換器時我們需要考慮以下幾個

52、方面：1. 正確選擇A/D轉換器，滿足應用要求精度、轉換時間、控制接口、基準電源。2. A/D轉換器的控制邏輯和時序3. 模擬量輸入信號的連接2. 數(shù)字量引腳的連接3. A/D轉換器的啟動方式4. 轉換結束信號的處理方法5. 參考電平的連接6. 時鐘的連接7. 接地問題在本課題中由設計的任務和目標的要求，所選擇的是8位的轉換器ADC0809.所計算的過程如下：當D=40mm時,其中D為管道的直徑，最小流量 Qvmin= 0.452(m3/h), 最大流量Qvmax = 67.85(m3/h),所以采用8位的A/D轉換器的話其中滿量程的誤差為r = 0.39%,可以滿足設計的要求。（其中Qvma

53、x = 0.042*3.1415926*15/4,r = Qvmax/(28-1)*100%）。（2）ADC0809的介紹ADC0809 是逐次逼近型8位單片A/D 轉換芯片，轉換時間100ms,片內含8路模擬開關，可允許8 個模擬量輸入。另外片內帶有三態(tài)輸出緩沖器，因此可直接與系統(tǒng)總線相連。ADC0809 的轉換精度和轉換時間都不是很高，但其性能價格有較明顯的優(yōu)勢，是應用較廣泛的芯片之一。圖3.5 ADC0809的引腳圖（3）ADC0809的引腳及功能ADC0809 的外部引腳如圖3.6所示。它是28個引腳的雙列直插式芯片，其引腳功能如下： D0D7 輸出數(shù)據(jù)線。 IN0IN7 8路模擬電壓

54、輸入端，可連接8 路模擬量輸入。 ADDA、ADDB、ADDC 3個引腳組合起來選擇8路模擬量輸入中的一路輸入。ADDC為最高位，ADDA為最低位。 START 啟動信號輸入端，下降沿有效。在啟動信號的下降沿，啟動轉換。 ALE模擬通道地址鎖存信號，用來鎖存ADDA、ADDB、ADDC端的地址輸入，上升沿有效。EOC A/D 轉換結束狀態(tài)信號。當該引腳輸出低電平時表示正在轉換，輸出高電平時表示一次轉換已結束。 OE 讀允許信號，高電平有效。當EOC=1 且OE=1 時，CPU 可將轉換后的數(shù)字量讀入。 CLK 時鐘輸入端，作為ADC0809進行轉換的時間基準，可輸入頻率范圍10kHz1.2MH

55、z，一般可取500kHz。VCC 電源端，接+5V。 GND 電源地,也是模擬地和數(shù)字地， VREF(+)，VREF(-) 參考電壓輸入端。一般VREF(+)接+5V 電源，VREF(-)接地。（4）ADC0809內部結構圖圖3.6 ADC內部結構圖（5）ADC0809時序首先CPU 發(fā)出3位通道地址信號ADDC、ADDB、ADDA。在通道地址信號有效期間，使ALE 引腳上產(chǎn)生一個由低到高的電平變化，即脈沖上升沿，它將輸入的3 位通道地址ADDC、ADDB、ADDA 鎖存到內部地址鎖存器。ALE的下降沿不影響地址鎖存器原來鎖存的數(shù)據(jù)。然后給START引腳加上一個由高到低變化的電平，即脈沖下降沿

56、，啟動A/D 轉換；A/D 轉換期間，輸出引腳EOC呈現(xiàn)低電平，一旦轉換結束，EOC變?yōu)楦唠娖?；CPU在檢測到EOC變?yōu)楦唠娖胶?，輸出一個正脈沖到OE端，然后讀取轉換后的8 位數(shù)字量。另外，如果只用0809 的一個模擬輸入通道，ADDC、ADDB、ADDA 均直接接地(即接低電平)，固定使用通道0(IN0)。一般情況下ALE和START 可短接使用，短接后先使該引腳為低電平，當通道地址ADDC、ADDB、ADDA信號輸出后，CPU 往該引腳發(fā)送一個正脈沖，其上升沿鎖存地址，下降沿啟動轉換。根據(jù)實際情況CPU 可選擇延時、查詢、中斷和DMA 方式讀取轉換后的數(shù)字量，延時方式就是在啟動A/D 轉換后等待一段時間(大于A/D轉換時間)后，使OE=1，然后直接讀取轉換后的數(shù)字量；查詢方式就是在啟動A/D 轉換后檢測到EOC變?yōu)楦唠娖胶?，使OE=1，然后讀取轉換后的數(shù)字量；中斷方式就是在啟動A/D 轉換后由EOC由低電平變?yōu)楦唠娖揭餋PU 的