涡轮流量计的单片机软硬件设计文档格式.docx
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当然虽然没能成功用这个软件完成原理图设计,到pcb设计最终通过模拟仿真完成这个毕业设计,但今后我还是会好好学习这个软件,因为它真的很重要。
该毕业设计主要运用了本科阶段所学习的流量传感器、51核心单片机及其接口电路,数电模电的一些基础知识,使用80C151单片机进行数据处理和检测,并讨论在以51单片机为微处理器的智能化仪表中采用一片8255实现智能仪表键盘/显示器。
这装置可以用来对工业自动化生产中的液体进行实时测量与计数。
并且它仍然具有硬件结构通俗、读数简明、功能较全、可靠性比较高等特点。
总之,此次毕业设计有很多应用,在信息化如此强大的现在,单片机的应用也很广了,这次毕业设计也只是单片机的一个最基本的应用,更多的应用以后会慢慢发掘,学习需要不断积累。
关键词:
单片机、传感器、涡轮流量计
Abstract
Measurementisthereflectionofindustrialproduction.Theturbineisakindofspeedmetermadeupofturbinebearingandpre-amplifier.Turbineflowmeterhasbecomeanindispensablepartofflowmeter.Itisbetterandbetterwiththedevelopmentofcomputertechnology
Flowmeterdevelopedbyusingsinglechipmicrocomputerisfeaturedbysmallpowerconsumption,accuracy,highstabilityandlowcost.Thispaperintroducesthedesignthoughtoflineflowmeter.Thisgraduationdesigniscomprehensivecombinedbytheprincipleofflowtransducerand8031single-chipmicrocomputerandinterfacetechnology.Theoscillationfrequencyisdirectlyproportionaltotheflowrate.Adigitalflow-ratedisplayhasbeendesignedanddevelopedtoconvertthesignalfromafiber–filmprobeofaconstanttemperatureanemometerintodirectreadingofflowrate.Thislow-costdeviceisabletoperformasgoodasacommercialdynamicsignalanalyzer,withtheadditionalfeatureofadirectread-outofflowrate.
Keyword:
SCMsensorturbineflowmeter
前言
现在流量测量技术和仪表类型繁多,测量对象复杂多样,决定了流量测量仪表在应用技术上的复杂性。
目前为止用于工业用的流量仪表种类非常多。
其原因在于没有一个流量计是万能的,可以对各种各样的情况进行检测
工业上,自动化生产时,很多地方需要对流体物质流量数量的检测。
流量是其最基本参数,流体流量的测量对节约资源,保护环境是很有作用的。
所以实现生产过程自动化的是很重要的。
生产技术的发展对流体流量和总量的测量和测试做出了新的标准,因为液体的多样化,为此人们通过研究不同测量对象的一些基本的物理性能,研究出其中的规律,在加以对它利用,设计出了不同种类的流量仪表,并将它应用于工艺流程中,通过对参数配比、控制和调节、最终能够对工业能源进行计量运算。
流量测量是研究物质量变的一门学问,质变和量变规律是事物联系与发展的基本规律,所以,其测量对象已远超传统意义上的管道中的流体,只要是需要掌握流体流动的地方都存在着流量测量的问题。
我所做的这次毕业论文主要是涡轮流量计单片机控制系统的软硬件设计,课题的主要部分在于将流量传感器、单片机和测量电路有机的结合起来,这样才能起到一定的效果。
为了达到这样的目标。
这段期间的工作也是比较繁重的,如调查、研究、查阅资料、收集文献、利用AUTOCAD绘图、Altiumdesign软件的使用、程序设计、程序的校验、最终的论文的撰写,对自身各方面都有了很大的提升。
虽然在这次毕业设计过程中,我也很努力的完成了各方面的内容的学习,并按时完成指导老师的进度完成,但还是有很多方面存在问题,自己的专业能力也有限,希望各位老师给予指导,谢谢。
第一章绪论
1.1设计背景
自然界很多物质都是无法用肉眼准确认识的,所以流量监测显得格外重要。
小到日常生活,大到国防建设,大型工业化检测都有着非常重要的应用。
具体地说,对一个随时都在变化的事物进行研究,检测技术是必不可少的。
如果想实现工业自动化,仪器仪表是一个关键.任何控制系统的第一步都是对信号进行检测和处理。
科学技术的不断发展,尤其是在灵敏的传感器结合较强性能微型计算机之后,检测技术便得到了突飞猛进的发展。
这些技术在对系统的准确性检测方面起到了耀眼的成果,一定程度上使检测技术中的内容更加充实,使得检测技术的应用范围变得更广,检测技术因此成为一门内容广泛,并建立在多种学科发展基础上的自动化技术先行学科。
流量是工农业生产过程控制中的重要的测量参数之一,与温度、压力、物位同为热工量。
流量测量的意义有很多,重点在于既可以引导生产,同时又是规范工艺操作的需要和进行经济核算的依据。
由于流量受流体的各种工作条件的影响,对其检测的难度也比较大。
为了实现现代工业中各种不同的场合和各种不同的测量目标,各种流量计量仪表就诞生了。
[]
为了保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展,做好流量计的研究和开发工作显得格外的重要。
1.1.1LWGQ型流量计的概述
LWGQ型涡轮流量传感器是一种精密流量测量仪表,与相应的流量积算仪表配套可用于测量气体的流量和总量。
可以对气体加料进行高精度定量控制。
广泛用于石油、化工、冶金、科研等领域的计算、控制系统。
配合卫生接头的涡轮流量传感器可以应用于制药行业。
[]如图1-1和图1-2所示
图1-1 LWGQ-D型
图1-2气体涡轮流量传感器LWGQ-N/A
传感器和输出放大器有多种组合,该传感器还可与控制室中的二次仪表与控制器相连,实现积算、传输和控制功能。
1.1.2单片机的简介(briefintroduction)
微处理器(microprocessor),其本身不是计算机,它是小型计算机或者微型计算机的控制和运算器部分;
微型计算机(microcomputer),是具有完整运算及控制功能的计算机,它除了包括处理器外,还包括存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及输入/输出设备等;
单片机(Singlechipmicrocomputer),直译为单片微型计算机,它将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入/输出(I/O)接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上,组成单片机微型计算机(简称单片机)。
1.1.3单片机的发展历史(historyofdevelopment)
第一代单片机是MCS-48系列单片机单片微型计算机。
它的产生存在着很多优点,在电子界取得了不错的荣誉,为单片机的发展奠定了基础,成为单片机发展进程中的一个重要的阶段。
MCS-51单片机成为继MCS-48单片机后的重要单片机品种
Intel公司的8位单片机大体经历了三代,这三代大致如下
第一代:
以1976年推出的MCS-48为代表。
其主要的技术特征:
cpu和计算机外围电路集成在一个芯片上
第二代:
以MCS-51的8051、8052为代表主要技术特征:
片内存储容量和外部寻址空间变大
并行口增强,添加了全双工的串行I/O
增强了中断系统
具有较强的指令寻址和运算功能
布尔处理机
第三代:
以80C51系列为代表。
Intel公司开发的MCS-51系列的新一代产品,它保存了MCS-51的所有性能,具有CHMOS结构。
1.1.4单片机的特点(feature)
(1)集成度高
单片机虽然比较小,但功能真的很强大,功耗当然也比较低,精确度很高,仅仅在一个小的芯片上就集成了很多部件,能应用于很多领域。
(2)控制性能强
人机交互比较好,工程师只需要通过输入程序[汇编程序或者c语言程序]就可以对端口进行控制,控制的准确度也比较高,能完成各种控制任务。
(3)可靠性高
单片机的各个部分之间结构紧凑,相互之间的关联也比较多,整个环境也比较封闭,所以受到外界的影响也比较小,当然工程师在对整个系统设计的时候,也会考虑到各个器件的影响,所以一个成熟的单片机系统,受到的无论外界还在内在的影响都是比较小的,所以可靠性相对比较好。
(4)性能价格比高
由于现在科学技术如此发达,现如今单片机芯片制造技术已经很成熟,这必然导致它的价格很便宜,但是其功能很强大,要想完全掌握好这个学术,必须付出很多努力,其性价比真的很低,受到很所企业甚至个人的青睐。
1.1.5单片机的应用(adhibition)
单片机具有集成度高,功能强,体积小,功耗低等特点,在各个领域得到了广泛的应用和发展,目前已经渗透到人们工作和生活的各个角落,几乎是无处不在的。
在计算机主导工业生产并且日益走进家庭生活的今天,从家用电器。
工业控制。
医疗仪器到军事应用,到处都有单片机的存在。
(1)在智能仪器仪表上的应用人们习惯把内部含有单片机的仪器统称为智能仪器,也有人把智能仪器称为微机化仪器。
近年来,在市场上出现的数字信息号处理器DSP是一种速度极高的单片机,它在通信和高速信息处理中起到了极大的作用,从而扩展了单片机在智能仪表中的应用,目前,无论在高,中,低档仪器中,还是在一些常规的仪器和特种仪器都大量应用单片机。
以单片机为核心组成的智能仪表已是一种必然的结构形式。
(2)在过程控制中的应用单片机的一个广泛应用领域就是过程控制,包括生产过程中的化工过程,冶金过程,轧钢过程,机械加工过程,塑料成型过程等。
单片机在过程控制中的应用是以控制理论为基础的系统自动化控制,所以一般有较明确的系统组成结构,单片机在过程控制中,通常是对一个过程的直接数字控制,也就是DDC控制,很少涉及管理。
单片机在过程控制中的应用是一个十分重要的领域,也是单片机应用最多的领域之一。
[]
(3)单片机与e-home单片机又称嵌入式微控制器,随着网络技术的发展,家用网络系统HNS(homehetworkedsystem)又促进了嵌入式系统的发展。
最适合嵌入式控制的,而且面广量大的无疑是家用电器,因此,家用电器是单片机最多应用领域之一 ,在家用电器中,单片机是控制核心。
它是家用电器实现智能化的心脏和大脑。
由于家用电器体积小,故要求控制体积更小,便于能嵌入其结构之中。
(模糊电磁灶的单片机及其控制部件在其中心部位,电饭煲的单片机控制器在煲的外边缘,电脑热水瓶的单片机控制器在顶部) 。
(4)单片机与Internet随着网络技术的发展,Internet已经成为信息社会的重要组成部分,将各类智能装置或者家用电器与Internet连接起来,既能充分利用现有的Internet技术和资源,又能使人能够远程获得这些电子设备的信息并控制他们的运行,已成为今天信息界关注的焦点。
第二章控制系统的整体结构及其系统原理
2.1总体方案设计
单片机采集各种传感器、变送器送来的脉冲信号,事先设计好单片机的定时/计数器T0、T1,然后经过数字滤波后,利用查表求出流量值。
方案图设计如下图2-1所示:
2.2涡轮流量计系统的原理
该系统原理就是让流体进入,然后使折线流量计传感器产生的差压信号,利用折线流量计传感器所产生的差压信号,进行放大运算,再通过A/D转换器进入8051单片机。
用户的输入信号是何种类型及分度号都由键盘输入。
数据经过单片机运算后,通过LED显示器显示出来。
2.2.1涡轮流量计传感器的原理
涡轮传感器的工作原理是当被测流体流经传感器时,传感器的叶轮借助于流体的动能而产生旋转,叶轮即周期性地改变磁电感应系统中的磁电阻,使通过磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号,经放大器放大后传送至相应的流量积算仪表,进行流量或总量的测量。
片数越多测量更加精确,当然成本也会变高(到达一定上限的时候影响就没有那么大了),一般用13片较为合理,也有的设计者会采用20片。
2.2.2涡轮流量计传感器的结构
涡轮流量传感器主要由壳体、前导向架、叶轮、后导向架、压紧圈和带放大器的磁电转换器等组成;
同时还应配有与之相配合的前连接管和后连接管
具体结构如图2-2和图2-3
图2-2结构主视图
图2-3整表结构图
脉冲放大器的输出特性脉冲
放大器频率输出时的接线方式。
供电电源:
VDD为+5v~+24v
输出频率:
(在流量下限时)不低于20hz
低电平:
0~0.5v(集电极输出)
0v(射极输出)
高电平:
VDD(集电极输出)
(VDD-2)(射极输出)
环境温度-25~+55摄氏度
涡轮流量计包含了很多机械方面的理论知识,包括机械设计,机械原理以及一些单片机,传感器,信号处理等方面的知识,内容也比较复杂。
通过查阅资料,请教老师对这方面也有了一定的了解,当然还是有很多缺陷的。
流体通过流量计的压力损失与介质密度、流速有关。
其计算公式为:
其中
。
第三章数据处理
3.1测量数据预处理技术(pretreatmenttechnology)
大多数控制系统和智能装置,部分参量经常是非线性参量,当然计算机处理起来会比较困难,经常甚至很难找出比较显而易见的数学公式,需要根据实际检测值或采用一些特殊的方法来确定其与自变量之间的关系,并用函数表达出来;
但是有时呢,哪怕你可以写出表达式,那计算起来还是比较繁琐。
但是在实际测量和控制系统中,有一点误差是可以的。
所以,下面的问题就是应该如何找个高效便捷的数据处理方法。
在流量的测量中,流量孔板的差压信号与流量之间也不是线性关系,虽然可以用式子Q=K
来求出来,不过误差还有计算量的繁琐性是不可以忽视的。
此外,有些对精度要求较高的测量仪器中,温度的漂移、传感器的分散性以及机械滞后等引起的误差是不能够发生的。
很多类似的问题,在模拟仪表及测量系统中,也不是那么容易解决的,有的基本不能解决。
而如果使用计算机的话,则可以用软件补偿的办法来校正。
就可以提高精度,还节省了很多资源。
3.2线性插值算法
设变量y的变化随着自变量x的变化可用图3-1表示出来。
已知点(X0,Y0),(X1,Y1),如果能够将直线AB代替弧线AB,可得出直线方程为
g(x)=ax+b(3-1)
将两个点(X0,YO)(X1,Y1)带入直线方程得:
(3-2)
图3-1线性插值法示意图
根据(3-2),可计算出参数a、b。
写出该直线方程表达式
g(x)=
=k(x-x0)+y0(3-3)
其中,K=
,为直线方程g(x)的斜率。
或
g(x)=y0
+y1
(3-4)
式(3-3)为点斜式直线方程,式(3-4)为两点式直线方程。
由图3-1可以看出,插值点x0和x1之间的间距越小,那么在这一区间g(x)和f(x)之间的误差越小。
因此,在实际应用中,为了提高精度,经常采用折线来代替曲线,此方程称为分段插值法。
3.2.1插值法在流量测量中的应用
图3-2所示为某流量测量系统的流量与差压的实测变化曲线。
图3-2流量-差压变化曲线
由图3-2可以看出,该变化曲线并不是成比例的。
但是因为该曲线变化相当平缓,这就使得其方法的多样性。
下面用分段线性插值法求解来简要说明一下。
由于流量在低端变化较为剧烈,高端变化相比较而言变得平缓了不少,对此我们采用不等距的分段法。
设3个差值基点分别为ΔP1,ΔP2和ΔP3,他们所对应的流量值对应为Q1,Q2,Q3,图3-3所示
图3-3用分段线性插值法求解流量图
现在,用图3-3
来表示弧线OA,AB,BC。
写出图6.16流量测量中各段的线性差值公式为:
Q=
(3-5)
式中,K3——
:
K3=
;
K2——
K2=
K1——
K1=
第四章单片机控制系统硬件设计
4.1单片机硬件设计
根据课题的要求的任务,采用8031单片机设计一个小系统。
为了读取键盘给定值及检测和控制,专门扩展一个8255可编程接口及程序存储器EPROM2764。
74LS373(8位I/O锁存器)、2764以及6264组成最小系统,此外还扩展了一个编程接口8255
硬件图说明为达到本系统功能,采用8031单片机设计一个最小系统,为读键盘给定值,同时实行检测和控制,专门扩展一个8255可编程接口。
4.1.18031
8031芯片是MCS-51系列单片机中的一种,特性与MCS-51单片机基本一样。
稍微的区别就是没有片内ROM如图4-1所示
(1)Vcc、Vss(40、20脚):
电源接入引脚
(2)XTAL1、XTAL2(18、19脚):
外部晶体振荡器的接入引脚。
图4-18031引脚图
(3)控制信号引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
①RST/VPD(9脚):
两个功能,第一个作为复位信号输入端RST使用,高电平有效。
第二个作为备用电源输入端Vpd。
②ALE/PROG(30脚):
此引脚总共有两个功能ALE高电平有效,叫做地址锁存端。
另外一个功能就是作为脉冲输入端。
③PSEN(29脚):
程序存储器输出允许信号,低电平有效。
PSEN同样可以驱动8个LS型TTL负载。
④EA/VPP(引脚):
两个功能,一个是作为片内/片外程序存储器设置信号输入端,二是作为片内EPROM编程写入电压输入端使用。
(4)输入/输出(I/O)引脚P0、P1、P2、P3(每个都是8脚)
①P0口(39脚至32脚):
是双向8位三态I/O口,在外接存储器时,与地址总线的低8位及数据总线复用,能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。
②P1口(1脚至8脚):
是一个带内部上拉电阻准双向8位I/O端口。
③P2口(21脚至28脚):
可以作为普通的I/O口使用,在总线方式时,作为地址线使用。
当P2口作为普通输入口使用时,在CPU访问片外存储器时,它作为高8位地址总线使用。
P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口,每一位能驱动4个LS型TTL负载。
④P3口(10脚至17脚):
P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。
P3口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。
P3口除作为一般准双向I/O口,每个引脚还具有第二功能。
P3口用在第二功能使用时,8个引脚的功能如下:
P3.0——串行口数据输入引脚端
P3.1——串行数据输出引脚端
P3.2——外部中断0的中断请求信号输入引脚(INT0)
P3.3——外部中断1的中断请求信号输入引脚(INT1)
P3.4——定时器0外部计数脉冲输入引脚
P3.5——定时器1外部计数脉冲输入引脚
P3.6——片外数据存储器写选通信号输入引脚WR
P3.7——片外数据存储器读选通信号输出引脚RD
4.1.28255
(1)8255是一种多功能的可编程常用外围接口芯片,它具有三个可编程I/O端口(PA口和PB口是8位,PC口是8位),A1,A0端口地址选择端,
RD,WR,CS芯片采用40线双列直插式封装;
如下图4-2。
(2)8255能适应CPU与I/O接口之间的多种数据传送方式的要求;
(3)8255可执行功能很强,内容丰富的两条命令(方式字和控制字)为用户根据外界条件来使用8255构成多种接口电路提供了灵活方便的编程环境;
(4)8255的PC口的使用比较特殊,除作数据口外,还可作状态口,进行按位控制等;
图4-28255引脚图
4.2涡轮流量计传感器的设计
涡轮流量传感器机械部分的设计包括壳体、前后导向体、涡轮叶片、压紧圈、轴和轴承以及与之相配套的和输油管配合的连接管的设计。
如图4-3由于涡轮流量计传感器的大小受公共汽车发动机输油管径的大小的限制,在设计涡轮流量计传感器的壳体时,涡轮流量传感器的壳体的内径要与之相适应根据现在发动机的输油管的实际情况本文取壳体的内径为12,从而能够满足流体流量的要求。
进而可以相应的确定其它相配合的部件的尺寸,然后才可以确定壳体的长度及其它的参数尺寸。
图4-3传感器结构及安装示意图
4.3矩阵式键盘接口技术
MCS-51单片机的键盘通常有独立式键盘和矩阵式键盘两种形式,前者通常用于数目较少的场合,而后者适用于按键数目较多的场合。
利用MCS-51单片机实现包含16个按键的矩阵式键盘电路如图4-4所示,行线:
(PC0PC1)列线(PA0~PA7)
矩阵键盘识别的过程如下单片机先将PA口全都置高电平,然后在PC口检验电平的高低。
若有键按下就在这一列就会成为地电平。
图4-4由8255构成的键盘接口电路
图4-4为由8255构成键盘接口电路,键盘中的15个按键,分为2行(L0~L1)8列(R0~R7)。
按键分为两类:
数字键(O~9,10个)和功能键(5个),另外还有一个键没有定义,编程时可当作复位键或其他用途。
4.48位LED显示器的结构及接口技术
4.4.1LED显示器的结构
显示器作为输出部件,可以将系统的运行结果、状态等信息直观的显示出来供操作者了解系统的运行情况和程序的执行结果。
单片机系统中常用的显示器有七段发光二极管(lightemittin
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