畢業(yè)論文--基于單片機(jī)的流量信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(含外文翻譯）

1、<p>　　基于單片機(jī)的流量信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在工業(yè)自動(dòng)化中，任何控制系統(tǒng)都是從生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行的信息測(cè)量開(kāi)始的，過(guò)程變量的自動(dòng)檢測(cè)儀表是自動(dòng)化系統(tǒng)革命的關(guān)鍵。和溫度、壓力一樣，流量也是生產(chǎn)過(guò)程中的重要變量。流量的精確測(cè)量在節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)核算、自動(dòng)控制等方面有著廣泛的應(yīng)用。渦街流量計(jì)以其自身的一系列優(yōu)

2、點(diǎn)己經(jīng)成為流量測(cè)量?jī)x表家庭中不可缺少的一員，在計(jì)量檢測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。</p><p>　　本文研究一種適用于微小流量信號(hào)檢測(cè)的流量測(cè)量系統(tǒng)，該流量計(jì)是基于渦街流量計(jì)原理，即流體產(chǎn)生漩渦，漩渦分離產(chǎn)生應(yīng)力，漩渦的分離頻率等同于應(yīng)力的變化頻率，通過(guò)測(cè)量應(yīng)力的周期變化知道漩渦分離頻率，從而準(zhǔn)確的反映被測(cè)液體的流速。</p><p>　　本文詳述了渦街流量計(jì)及壓電式傳感器的原理，并設(shè)計(jì)了

3、信號(hào)調(diào)理電路，處理來(lái)自壓力傳感器的微弱電壓信號(hào)，使之能夠滿(mǎn)足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。另外本文還設(shè)計(jì)了智能化單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能擴(kuò)展，使整個(gè)系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地反映被測(cè)流量的大小，而且能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸，為系統(tǒng)的智能化遠(yuǎn)程控制提供條件。</p><p>　　關(guān)鍵詞 流量計(jì)；流量；單片機(jī)；卡門(mén)渦街</p><p>　　The designment of the flow s

4、ignal detection system based on SCM</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In industrial automation, many control systems begin from the information from the production process operation.

5、The automatic measuring instrument of the process variable is the key of automation system of revolution. Liking temperature, pressure, flow rate is an important variable of the production process. The flow has a wide ap

6、plication in energy consumption, precise measurement, economic accounting and automatic control. With its own vortex advantages, a flowmeter has become an indispensable</p><p>　　This article applies a flow m

7、easurement system, which is used in the minor flow signal detection of the flow measurement system. The flowmeter is based on the principle of vortex flowmeter.The flow makes the vortex.The separating of the vortex makes

8、 the stress. The frequency of the flow separation equals the stress frequency.We knows the accurate flow by the frequency of the flow separation, which is calculated from the the stress frequency.</p><p>　　T

9、his article describes the principle of vortex flowmeter and the piezoelectric sensors and designs the singal condition circuit, which process the weak signal from pressure sensor, to meet the requirements of the input si

10、gnal chip. Additionally, this article also micro controller hardware and software design of the system and intelligent function extension of the system, the system can not only accurately measured by real-time reflect th

11、e size of the traffic signal, and to realize the remote tra</p><p>　　Keywords flowmeter; flow; SCM; Karman vortex</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印</p><p><b>　　目錄</b></p>

12、;<p><b>　　摘要……I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 本文的目的和意義1</p><p>　　1.2 流量檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀1</p><p>　

13、　1.3 流量檢測(cè)技術(shù)種類(lèi)和特點(diǎn)2</p><p>　　1.3.1渦街測(cè)量方法2</p><p>　　1.3.2差壓測(cè)量方法3</p><p>　　1.3.3電磁測(cè)量方法3</p><p>　　1.3.4容積測(cè)量方法4</p><p>　　1.3.5渦輪測(cè)量方法4</p><p>　

14、　1.3.6超聲測(cè)量方法5</p><p>　　1.4 研究?jī)?nèi)容5</p><p>　　第2章 流量測(cè)量基本概念6</p><p>　　2.1 流量概念6</p><p>　　2.2 流量測(cè)量參數(shù)6</p><p>　　2.3 本章小結(jié)8</p><p>　　第3章 渦街流量計(jì)基本概

15、念9</p><p>　　3.1 渦街流量計(jì)原理及模型9</p><p>　　3.1.1 卡門(mén)渦街9</p><p>　　3.1.2 物理模型10</p><p>　　3.1.3 應(yīng)用中的問(wèn)題11</p><p>　　3.2本章小結(jié)11</p><p>　　第4章 渦街流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)

16、12</p><p>　　4.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.2 傳感器部分電路13</p><p>　　4.2.1 傳感器13</p><p>　　4.2.2 傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器14</p><p>　　4.3 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.4單片

17、機(jī)硬件電路及周邊設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.4.1單片機(jī)介紹17</p><p>　　4.4.2 液晶顯示電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.4.3芯片監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.4.4 通訊接口的設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.4.5 鍵盤(pán)接口的設(shè)計(jì)22</p>&

18、lt;p>　　4.5 本章小結(jié)23</p><p>　　第5章 單片機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1 編譯環(huán)境概述24</p><p>　　5.2 主程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.3 顯示程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　5.4 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)25</p><

19、p>　　5.5 RS-232接口程序設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.6 本章小結(jié)27</p><p><b>　　結(jié)論28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p

20、><b>　　附錄A31</b></p><p><b>　　附錄B35</b></p><p><b>　　附錄C38</b></p><p><b>　　附錄D39</b></p><p>　　千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在

21、目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　本文的目的和意義</b></p><p>　　計(jì)量是工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。流量的計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究有密切的

22、關(guān)系。做好這一工作，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都具有重要的作用。特別是在能源危機(jī)、工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度愈來(lái)愈高的當(dāng)今時(shí)代，流量計(jì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用更加明顯。</p><p>　　微小流量的智能檢測(cè)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，能夠解決過(guò)程控制、生產(chǎn)科研中的很多問(wèn)題。但是目前國(guó)內(nèi)由于技術(shù)方面的限制，在微小流量測(cè)量領(lǐng)域，特別是對(duì)具有腐蝕性、粘稠性微小流量信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)

23、手段還很不完善，基本屬于空白。如果能夠解決這些小流量測(cè)量方面的問(wèn)題并制造出產(chǎn)品，就能夠縮短與國(guó)際同行之間的差距，為我國(guó)的科技振興做出貢獻(xiàn)。</p><p>　　由于流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)量，流量測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)。從被測(cè)流體來(lái)說(shuō)，包括氣體、液體和混合流體這三種具有不同物理特性的流體；從測(cè)量流體流量時(shí)的條件來(lái)說(shuō)，又是多種多樣的，如測(cè)量時(shí)的溫度可以從高溫到低溫，測(cè)量時(shí)的壓力可以從高壓到低壓；被測(cè)流量的大小可以從微小流量到大

24、流量；被測(cè)流體的流動(dòng)狀態(tài)可以是層流、紊流等等。此外就液體而言，還存在粘度大小不同等情況。因此，為準(zhǔn)確的測(cè)量流量，就必須研究不同流體在不同條件下的流量測(cè)量方法，并提供相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表。這是流量計(jì)量的主要工作之一。由于被測(cè)流體的特性如此復(fù)雜，測(cè)量條件又各不相同，從而產(chǎn)生了各種不同的測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x表。</p><p>　　對(duì)流體流量的檢測(cè)可以用差壓流量計(jì)、電磁流量計(jì)、容積流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、超聲流量計(jì)或者渦街流量計(jì)等。

25、差壓流量計(jì)應(yīng)用范圍廣，但需要導(dǎo)壓管，易泄漏。電磁流量計(jì)的計(jì)量精度高，但零點(diǎn)穩(wěn)定性差。容積流量計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積龐大。質(zhì)量流量計(jì)主要用于質(zhì)量流量的檢測(cè)。而渦街流量計(jì)精度較高，一般為測(cè)量值的±0.5%~±1.5%；測(cè)量范圍寬，可達(dá)10：1或20：1；壓力損失??；輸出脈沖信號(hào)的頻率與流量成正比；無(wú)零點(diǎn)漂移；在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)頻率不受流體物理性質(zhì)(密度、粘度)和組份的影響，即儀表常數(shù)僅與漩渦發(fā)生體和管道的形

26、狀尺寸有關(guān)；儀表適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，我們選擇了渦街流量計(jì)進(jìn)行研究。</p><p>　　借助現(xiàn)在發(fā)展比較成熟的壓力傳感器得到與流體的流量相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，通過(guò)放大、整形及模數(shù)轉(zhuǎn)換送單片機(jī)處理，得到信號(hào)的頻率值，再在壓力傳感器信號(hào)提供的輔助信息的幫助下，通過(guò)補(bǔ)償?shù)却胧?，得到最終的流量值。我們要做的就是如何將壓力傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行處理，然后送到單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理，得到所需的結(jié)果。&

27、lt;/p><p>　　1.2 流量檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀</p><p>　　目前國(guó)外投入使用的流量計(jì)有100多種，隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、管道化的發(fā)展，流量?jī)x表在整個(gè)儀表生產(chǎn)中所占比重越來(lái)越大。據(jù)國(guó)外資料表明，在不同的工業(yè)部門(mén)中所使用的流量?jī)x表占整個(gè)儀表總數(shù)的15~30%。隨著儀表智能化技術(shù)的發(fā)展，流量?jī)x表的發(fā)展非常迅猛。盡管如此，由于流量測(cè)量技術(shù)的復(fù)雜化，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展給流量計(jì)量提出更新更

28、高的要求，流量計(jì)量的現(xiàn)況遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計(jì)量技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決。流量?jī)x表的品種、規(guī)格、準(zhǔn)確度和可靠性尚不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。特別對(duì)腐蝕性流體、臟污流體、高粘性流體、多相流體、微小流量等的檢測(cè)，市場(chǎng)產(chǎn)品有待進(jìn)一步發(fā)展更有效的測(cè)量手段。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)已形成了相當(dāng)規(guī)模的開(kāi)發(fā)和制造流量?jī)x表行業(yè)，我國(guó)現(xiàn)有各類(lèi)儀器儀表企業(yè)6千多家，儀器儀表已經(jīng)形成門(mén)類(lèi)品種比較齊全，具有一定技術(shù)基礎(chǔ)和生

29、產(chǎn)規(guī)模的工業(yè)體系，成為亞洲除日本以外第二大儀器儀表生產(chǎn)國(guó)。產(chǎn)品在微型化、集成化、智能化、總線(xiàn)化等發(fā)展方向上緊跟國(guó)際發(fā)展的步伐。但我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品，絕大部分屬于中低檔技術(shù)水平，而且可靠性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性指標(biāo)尚未全部達(dá)到要求。高檔、大型儀器設(shè)備幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。近年來(lái)，我國(guó)廣大科技工作者借鑒國(guó)外一些先進(jìn)的自動(dòng)計(jì)量技術(shù)，并結(jié)合我國(guó)國(guó)情進(jìn)行改進(jìn)，將先進(jìn)的傳感器技術(shù)與微電腦技術(shù)引入到流量計(jì)中，使得流量計(jì)向多功能、高精度、易安裝、高性?xún)r(jià)比、便于集散

30、控制的方向跨進(jìn)了一步。但目前與國(guó)外同行相比，我國(guó)流量?jī)x表仍存在很大差距：產(chǎn)品種類(lèi)系列不全；產(chǎn)品性能指標(biāo)低；高技術(shù)產(chǎn)品少等等，在國(guó)際上處于落后地位，不符合流量?jī)x表未來(lái)發(fā)展方向。所有這些給我國(guó)科技工作者提出了要求：制出性能更強(qiáng)、更加符合生產(chǎn)需要的流量測(cè)量系統(tǒng)，迎頭趕上國(guó)際先進(jìn)水平</p><p>　　在流量測(cè)量?jī)x表的市場(chǎng)中，占比例最大的是差壓流量計(jì)(占28%)，其次是電磁流量計(jì)(占19%)、容積流量計(jì)(占17%)、超

31、聲流量計(jì)(占4%)、渦街流量計(jì)(占4%)、質(zhì)量流量計(jì)(占3.5%)。近年來(lái)，渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和超聲流量計(jì)的增長(zhǎng)速度較快。</p><p>　　1.3 流量檢測(cè)技術(shù)種類(lèi)和特點(diǎn)</p><p>　　常見(jiàn)的流量測(cè)量方法有渦街流量測(cè)量方法、差壓式流量測(cè)量方法、浮子流量測(cè)量方法、渦輪流量測(cè)量方法、電磁流量測(cè)量方法、容積式流量測(cè)量方法、質(zhì)量流量測(cè)量方法和超聲流量測(cè)量方法。下面對(duì)幾種常

32、見(jiàn)的流量測(cè)量方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。</p><p>　　1.3.1渦街測(cè)量方法 </p><p>　　渦街測(cè)量方法是在流體中安放一個(gè)非流線(xiàn)型漩渦發(fā)生體，流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯(cuò)排列的漩渦。</p><p>　　渦街流量計(jì)就是根據(jù)渦街測(cè)量方法設(shè)計(jì)的。它按頻率檢出方式可分為：應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動(dòng)體式、光電式及超聲式等。</p&g

33、t;<p>　　這種測(cè)量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：</p><p><b>　　1．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固；</b></p><p>　　2．適用流體種類(lèi)多；</p><p><b>　　3．精度較高；</b></p><p><b>　　4．范圍寬；</b></p>

34、<p><b>　　5．壓損小。</b></p><p>　　這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是：</p><p>　　1．不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量；</p><p><b>　　2．需較長(zhǎng)直管段；</b></p><p>　　3．儀表系數(shù)較低(與渦輪流量計(jì)相比)；</p><p>

35、;　　4．儀表在脈動(dòng)流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　采用這種測(cè)量方法制造的渦街流量計(jì)是屬于最年輕的一類(lèi)流量計(jì)，但其發(fā)展迅速，目前已成為通用的一類(lèi)流量計(jì)。</p><p>　　1.3.2差壓測(cè)量方法 </p><p>　　差壓測(cè)量方法是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓，已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來(lái)計(jì)算流量的。</p>&

36、lt;p>　　差壓式流量計(jì)就是按照差壓測(cè)量方法設(shè)計(jì)的流量測(cè)量?jī)x表，差壓式流量計(jì)的檢測(cè)件按其作用原理可分為：水力阻力式、離心式、動(dòng)壓頭式、動(dòng)壓頭增益式及射流式等。</p><p>　　差壓式流量計(jì)是一類(lèi)應(yīng)用最廣泛的流量計(jì)，在各類(lèi)流量?jī)x表中其使用量占居首位，在各工業(yè)部門(mén)的用量約占流量計(jì)全部用量的1/4~1/3。</p><p>　　這種測(cè)量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：</p><

37、;p>　　1．應(yīng)用最多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)；</p><p>　　2．應(yīng)用范圍廣泛，至今尚無(wú)任何一類(lèi)流量計(jì)可與之相比擬；</p><p>　　3．檢測(cè)件與變送器、顯示儀表分別由不同廠(chǎng)家生產(chǎn)，便于規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。</p><p>　　這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是：</p><p>　　1．測(cè)量精度普遍偏低；</p&

38、gt;<p>　　2．范圍窄，一般僅3：1~ 4：l；</p><p>　　3．現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高；</p><p>　　4．壓損大(指孔板、噴嘴等)。</p><p>　　這種測(cè)量方法制造的差壓式流量計(jì)在封閉管道的流量測(cè)量中對(duì)環(huán)境適應(yīng)性非常強(qiáng)，各種對(duì)象都有應(yīng)用，如流體方面：?jiǎn)蜗唷⒒煜?、潔凈、臟污、粘性流等；工作狀態(tài)方面：常壓、高壓、真空、常溫、高溫、

39、低溫等；管徑方面：從幾mm到幾m；流動(dòng)條件方面：亞音速、音速、脈動(dòng)流等。</p><p>　　1.3.3電磁測(cè)量方法</p><p>　　電磁測(cè)量方法是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，針對(duì)具有導(dǎo)電性液體的流量測(cè)量方法。</p><p>　　電磁流量計(jì)就是根據(jù)電磁測(cè)量方法設(shè)計(jì)的。它有一系列優(yōu)良特性，可以解決其它流量計(jì)不易應(yīng)用的問(wèn)題，如臟污流、腐蝕流的測(cè)量。70、80年代電磁流

40、量在技術(shù)上有重大突破，使它成為應(yīng)用廣泛的一類(lèi)流量計(jì)，在流量?jī)x表中其使用量百分?jǐn)?shù)不斷上升。</p><p>　　這種測(cè)量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是；</p><p>　　1．測(cè)量通道是段光滑直管，不會(huì)阻塞，適用于測(cè)量含固體顆粒的液固二相流體，如紙漿、泥漿、污水等；</p><p>　　2．不產(chǎn)生流量檢測(cè)所造成的壓力損失，節(jié)能效果好；</p><p>　　

41、3．所測(cè)得體積流量實(shí)際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響；</p><p>　　4．流量范圍大，口徑范圍寬；</p><p>　　5．可應(yīng)用于腐蝕性流體。</p><p>　　這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是：</p><p>　　1．不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品；</p><p>　　2．不能測(cè)量氣體

42、、蒸汽和含有較大氣泡的液體；</p><p>　　3．不能用于較高溫度。</p><p>　　采用這種測(cè)量方法制造的電磁流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程；中小口徑常用于高要求或難測(cè)場(chǎng)合，如鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制，造紙工業(yè)測(cè)量紙漿液和黑液，化學(xué)工業(yè)的強(qiáng)腐蝕液，有色冶金工業(yè)的礦漿；小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學(xué)等有衛(wèi)生要求的場(chǎng)所。</p>

43、<p>　　1.3.4容積測(cè)量方法</p><p>　　容積式測(cè)量方法利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分，根據(jù)測(cè)量室逐次重復(fù)地充滿(mǎn)和排放該體積部分流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積總量。</p><p>　　容積式流量計(jì)就是按照容積式測(cè)量方法設(shè)計(jì)的流量測(cè)量?jī)x表。容積式流量計(jì)按其測(cè)量元件分類(lèi)，可分為橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)、雙浮子流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、往復(fù)活塞流量

44、計(jì)、圓盤(pán)流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)及膜式氣量計(jì)等。</p><p>　　這種測(cè)量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：</p><p><b>　　1．計(jì)量精度高；</b></p><p>　　2．安裝管道條件對(duì)計(jì)量精度沒(méi)有影響；</p><p>　　3．可用于高粘度液體的測(cè)量；</p><p><b>　　

45、4．范圍寬；</b></p><p>　　5．直讀式儀表無(wú)需外部能源可直接獲得累計(jì)總量，清晰明了，操作簡(jiǎn)便。</p><p>　　這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是：</p><p>　　1．結(jié)果復(fù)雜，體積龐大；</p><p>　　2．被測(cè)介質(zhì)種類(lèi)、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大；</p><p>　　3．不適用于高、低

46、溫場(chǎng)合；</p><p>　　4．大部分儀表只適用于潔凈單相流體；</p><p>　　5．產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。</p><p>　　采用這種測(cè)量方法制造的容積式流量計(jì)，常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)(油品、天然氣等)的總量測(cè)量。</p><p>　　1.3.5渦輪測(cè)量方法</p><p>　　渦輪測(cè)量方法采用多葉片的浮子(渦輪)感受流

47、體平均流速，從而推導(dǎo)出流量或總量。</p><p>　　渦輪流量計(jì)就是按照渦輪測(cè)量方法設(shè)計(jì)的流量測(cè)量?jī)x表。它是速度式流量計(jì)中的主要種類(lèi)。一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成，也可做成整體式。渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)稱(chēng)為流量計(jì)中三類(lèi)重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品，作為十大類(lèi)型流量計(jì)之一，其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。</p><p>　　這種測(cè)量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：</p&

48、gt;<p>　　1．高精度，在所有流量計(jì)中，屬于最精確的流量計(jì)；</p><p><b>　　2．重復(fù)性好；</b></p><p>　　3．元零點(diǎn)漂移，抗干擾能力好；</p><p><b>　　4．范圍度寬；</b></p><p><b>　　5．結(jié)構(gòu)緊湊。</

49、b></p><p>　　這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是：</p><p>　　1．不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性；</p><p>　　2．流體物性對(duì)流量特性有較大影響。</p><p>　　采用這種測(cè)量方法制造的渦輪流量計(jì)在以下一些測(cè)量對(duì)象獲得廣泛應(yīng)用：石油、有機(jī)液體、無(wú)機(jī)液、液化氣、天然氣和低溫流體。</p><p>　　1.

50、3.6超聲測(cè)量方法</p><p>　　超聲測(cè)量方法是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束(或超聲脈沖)的作用來(lái)測(cè)量流量的方法。超聲流量計(jì)就是根據(jù)超聲測(cè)量方法設(shè)計(jì)的。</p><p>　　根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法及噪聲法等。</p><p>　　超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)一樣，因儀表流

51、通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無(wú)阻礙流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類(lèi)流量計(jì)，特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)它是發(fā)展迅速的一類(lèi)流量計(jì)之一。</p><p>　　這種測(cè)量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：</p><p>　　1．可做非接觸式測(cè)量；</p><p>　　2．為無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量，無(wú)壓力損失；</p><p>　　3．可測(cè)量非導(dǎo)電

52、性液體，對(duì)無(wú)阻撓測(cè)量的電磁流量計(jì)是一種補(bǔ)充。</p><p>　　這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是：</p><p>　　1．傳播時(shí)間法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測(cè)量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體；</p><p>　　2．多普勒法測(cè)量精度不高。</p><p>　　采用這種測(cè)量方法制造的超聲流量計(jì)有如下的廣泛應(yīng)用：①傳播時(shí)間法應(yīng)用于清潔

53、、單相液體和氣體。典型應(yīng)用有工廠(chǎng)排放液、怪液、液化天然氣等；②氣體應(yīng)用方面在高壓天然氣領(lǐng)域已有使用良好的經(jīng)驗(yàn)；③多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體，例如：未處理污水、工廠(chǎng)排放液、臟液，通常不適用于非常清潔的液體。</p><p><b>　　1.4 研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本文在對(duì)流量測(cè)量的各種方法和流量?jī)x表的發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)卡門(mén)渦街

54、原理的理解和公式的推導(dǎo)，得出流量和應(yīng)力頻率的關(guān)系。然后設(shè)計(jì)了壓電式壓力傳感器及壓力信號(hào)調(diào)節(jié)器和A/D轉(zhuǎn)換電路，把采集的數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理，最后由LCD顯示并交給上位機(jī)處理數(shù)據(jù)。重點(diǎn)放在了硬件電路的設(shè)計(jì)。 </p><p><b>　　流量測(cè)量基本概念</b></p><p><b>　　2.1 流量概念</b></p>&

55、lt;p>　　流量定義：流體流過(guò)一定截面的體積或者質(zhì)量與時(shí)間之比稱(chēng)為通過(guò)該截面的流量。其中，體積與時(shí)間之比，稱(chēng)為體積流量；質(zhì)量與時(shí)間之比，稱(chēng)為質(zhì)量流量。</p><p>　　如果流體的流動(dòng)是不隨時(shí)間變化的，是定常流，流量就可以用流體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定截面的體積或質(zhì)量來(lái)表示。當(dāng)流體的流動(dòng)是隨時(shí)間變化的，為非定常流，此時(shí)流量隨時(shí)間不斷變化。因此，對(duì)某一時(shí)刻的流量，可以假定在該時(shí)刻前后某一微小的△t時(shí)間內(nèi)流動(dòng)為

56、恒定，用該微小時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)的流體體積或質(zhì)量來(lái)表示。</p><p>　　設(shè)流體通過(guò)截面中的某一微小面積為，并且選取通過(guò)該微小面積流體的流速為，則流體通過(guò)微小面積的體積流量，為：</p><p><b>　　(2—1)</b></p><p>　　流體通過(guò)整個(gè)截面積的體積流量q，可用對(duì)截面積F積分求出：</p><p>

57、<b>　　(2—2)</b></p><p>　　質(zhì)量流量可以用流體體積流量與流體密度之積來(lái)表示。若質(zhì)量流量為，流體密度為，則：</p><p><b>　　(2—3)</b></p><p>　　上式中，體積流量的單位為m3/或m3/；質(zhì)量流量的單位為kg/s或kg/h。</p><p>　　在

58、工程應(yīng)用中，常常同時(shí)要求測(cè)量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間流過(guò)管道的總的流體量，即要求測(cè)量通過(guò)管道的流體的累積流量。如果流體的體積流量為，質(zhì)量流量為，那么，在時(shí)間間隔△t內(nèi)流體流過(guò)的累積流量，可用下式表示：</p><p>　　流體質(zhì)量累積流量： (2—4)</p><p>　　流體體積累積流量：

59、 (2—5)</p><p>　　累積體積流量的單位為m3，累積質(zhì)量流量的單位為kg。</p><p>　　所以，如果流動(dòng)為穩(wěn)定流，流體密度為，由上式可以得到：</p><p><b>　　(2—6)</b></p><p>　　從上面可以看出，累計(jì)流量的測(cè)量就是流體體積的測(cè)量或者流體質(zhì)量的測(cè)量

60、。</p><p>　　2.2 流量測(cè)量參數(shù)</p><p><b>　　1．靜態(tài)特性</b></p><p>　　傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐

61、標(biāo)而畫(huà)出的特性曲線(xiàn)來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線(xiàn)性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。</p><p><b>　　2．動(dòng)態(tài)特性</b></p><p>　　所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)

62、任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。</p><p><b>　　3．流量計(jì)特征曲線(xiàn)</b></p><p>　　流量計(jì)特性曲線(xiàn)是反映隨流量變化流量計(jì)性能變化的曲線(xiàn)。特性曲線(xiàn)較常用的有兩種不同表示形式：一種是表示流量計(jì)的某種特性(通常是流量系

63、數(shù)或儀表系數(shù)，也有的是某一與流量有關(guān)的輸出量)與流量或雷諾數(shù)的關(guān)系；另一種是表示流量計(jì)測(cè)量誤差隨流量或雷諾數(shù)變化的關(guān)系，這種特性曲線(xiàn)一般稱(chēng)為流量計(jì)的誤差特性曲線(xiàn)。</p><p>　　流量計(jì)的特性曲線(xiàn)可以通過(guò)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行理論分析而得到，而更為準(zhǔn)確可靠的是對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定得到，即在整個(gè)流量計(jì)的流量范圍內(nèi)進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)得到。</p><p><b>　　4．線(xiàn)性度</b>

64、;</p><p>　　通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線(xiàn)而非直線(xiàn)。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線(xiàn)近似地代表實(shí)際的特性曲線(xiàn)、線(xiàn)性度(非線(xiàn)性誤差)就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。</p><p>　　擬合直線(xiàn)的選取有多種方法。如將零輸入和滿(mǎn)量程輸出點(diǎn)相連的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn);或?qū)⑴c特性曲線(xiàn)上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)，此擬合直線(xiàn)稱(chēng)為最

65、小二乘法擬合直線(xiàn)。</p><p><b>　　5．靈敏度</b></p><p>　　靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對(duì)輸入量變化△x的比值。它是輸出—輸入特性曲線(xiàn)的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間是線(xiàn)性關(guān)系，則靈敏度是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化時(shí)，輸出電壓變化為，則其

66、靈敏度應(yīng)表示為。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。</p><p>　　提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。但靈敏度愈高，測(cè)量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。</p><p><b>　　6．分辨力</b></p><p>　　分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)

67、輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨力時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。通常傳感器在滿(mǎn)量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿(mǎn)量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿(mǎn)量程的百分比表示，則稱(chēng)為分辨率。</p><p><b>　　7．雷諾數(shù)</b></p>&

68、lt;p>　　測(cè)量管內(nèi)流體流量時(shí)往往必須了解其流動(dòng)狀態(tài)、流速分布等。雷諾數(shù)就是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)。流體流動(dòng)時(shí)的慣性力和粘性力(內(nèi)摩擦力)之比稱(chēng)為雷諾數(shù)，用符號(hào)表示，Re是一個(gè)無(wú)因次量。</p><p><b>　　(2—7)</b></p><p>　　式中的動(dòng)力粘度用運(yùn)動(dòng)粘度來(lái)代替，因?yàn)?，則</p><p><b>

69、;　　(2—8)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　---流體的平均速度</p><p>　　---流束的定型尺寸</p><p>　　---在工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)粘度</p><p><b>　　---動(dòng)力粘度</b><

70、;/p><p><b>　　---被測(cè)流體密度</b></p><p>　　由上式可知，雷諾數(shù)油的大小取決于三個(gè)參數(shù)，即流體的速度、流束的定型尺寸以及工作狀態(tài)下的粘度。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re<2000為層流狀態(tài)

71、，Re>4000為紊流狀態(tài)，Re=2000~4000為過(guò)渡狀態(tài)。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了流量的定義，流量測(cè)量中常用的術(shù)語(yǔ)，以及液體管內(nèi)流動(dòng)的基本知識(shí)

72、，并且詳細(xì)敘述了測(cè)量流量時(shí)傳感器的各種特性，正確使用和測(cè)量傳感器的特性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析有很大幫助；是正確進(jìn)行流量測(cè)量的基礎(chǔ)。本章為以后各章節(jié)的分析奠定了一定的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　渦街流量計(jì)基本概念</b></p><p>　　3.1 渦街流量計(jì)原理及模型 </p><p>　　3.1.1 卡門(mén)渦街</p><p

73、>　　渦街流量計(jì)是利用流體力學(xué)卡門(mén)渦街原理，即在流動(dòng)的流體中插入一個(gè)非流線(xiàn)型斷面的柱體，流體流動(dòng)受到影響，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)將在柱體下游，產(chǎn)生漩渦。當(dāng)這些漩渦排列成兩排且當(dāng)兩排漩渦的間距h與同列中兩相鄰漩渦的間距L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時(shí)，就能得到穩(wěn)定的交替排列漩渦。這種穩(wěn)定而規(guī)則地排列的漩渦稱(chēng)為“卡門(mén)渦街”。</p><p>　　圖 3-1 卡門(mén)渦街原理圖</p><p>　

74、　實(shí)驗(yàn)表明，漩渦分離頻率，即單位時(shí)間內(nèi)在由柱體一側(cè)產(chǎn)生的漩渦數(shù)目f與流體速度v成正比，與柱體迎流面的寬度d成反比，即：</p><p><b>　　(3—1)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　------漩渦分離頻率()</p><p>　　St ------

75、斯特勞哈爾數(shù)（無(wú)量綱）。對(duì)于一定柱形在一定流量范圍內(nèi)是雷諾數(shù)的函數(shù)。</p><p>　　------漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速（m/s）</p><p>　　------漩渦發(fā)生體迎流寬度（mm）</p><p>　　用管道內(nèi)平均流速代替v，根據(jù)流體連續(xù)方程，有</p><p><b>　　(3—2)</b></p&g

76、t;<p><b>　　其中：</b></p><p>　　-----管道內(nèi)流體平均速度，m/s</p><p>　　----渦街流量計(jì)內(nèi)殼的內(nèi)徑，mm</p><p>　　將3-2式帶入3-1式可以得到：</p><p><b>　　(3—3)</b></p><

77、p>　　對(duì)于許多經(jīng)過(guò)適當(dāng)選擇的柱型，由于St數(shù)在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可以看成是常數(shù)。一旦柱體和流道的幾何尺寸及其形狀確定后，便與成為簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，因而檢測(cè)出漩渦的頻率，便可以測(cè)得流速，并以此推知其流量。這就是渦街流量計(jì)的基本原理。</p><p><b>　　瞬時(shí)流量為：</b></p><p><b>　　(3—4)</b></p&

78、gt;<p>　　一個(gè)簡(jiǎn)化了的計(jì)算瞬時(shí)流量的計(jì)算公式為：</p><p>　　其中，為補(bǔ)償后的流體密度，K為儀表常數(shù)。</p><p>　　3.1.2 物理模型</p><p>　　渦街流量計(jì)由殼體、漩渦發(fā)生體和放大器組成。殼體內(nèi)插入柱體，由其產(chǎn)生的渦街信號(hào)可用各種檢測(cè)方式檢出，經(jīng)放大器放大后，輸出脈沖信號(hào)。</p><p>　

79、　渦街流量計(jì)是一種無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的流量計(jì)，按其原理分類(lèi)屬于振蕩型流量計(jì)。同屬于這類(lèi)流量計(jì)還有漩渦進(jìn)動(dòng)型流量計(jì)，振蕩射流型流量計(jì)。由于渦街流量計(jì)不含有運(yùn)動(dòng)部件及對(duì)流體沖刷敏感的部件，因而在使用過(guò)程中，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，并具有一般節(jié)流式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，精確度穩(wěn)定，再現(xiàn)性好。在大批量生產(chǎn)和工藝穩(wěn)定的條件下，可以采用“干校驗(yàn)法”，即不必逐臺(tái)儀表進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定，可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸直接確定儀表常數(shù)及儀表精度。渦街流量計(jì)是一種數(shù)字式流量計(jì)，它輸出的脈沖信號(hào)的

80、頻率與流量成線(xiàn)性關(guān)系，同時(shí)具有量程寬、重復(fù)性好、便于遠(yuǎn)距離無(wú)精度損失的傳輸。此外儀表常數(shù)及精度不受介質(zhì)的壓力、溫度、密度等變量的影響。一旦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)確定，流體振蕩就服從一定的客觀(guān)規(guī)律，其振蕩頻率不能人為地改變，因而儀表常數(shù)及其變化規(guī)律是客觀(guān)的。</p><p>　　渦街流量計(jì)的正式產(chǎn)品目前采用的漩渦發(fā)生體是多種多樣的，但圓管內(nèi)大量采用的漩渦發(fā)生體都是柱體，其斷面形狀基本有5種：圓柱、三角柱、矩形柱、梯形柱和T形

81、柱。此外還可以采用以上5種柱型的修改形狀或變形，以及幾種基本形狀組合在一起的組合柱型。</p><p>　　組合柱體能在柱體長(zhǎng)度方向上同步地分離出漩渦，并且在盡可能寬的流速范圍內(nèi)分離出穩(wěn)定、規(guī)則的渦街。柱體具有遠(yuǎn)高于渦街頻率的自振頻率，材質(zhì)要適當(dāng)考慮被測(cè)介質(zhì)的要求，與此同時(shí)要在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)具有恒定的St數(shù)。其中梯形柱與三角柱相比，更有利于采用應(yīng)力檢測(cè)方法，梯形柱的長(zhǎng)寬比與三角柱接近，尾部平直便于安裝差壓傳感

82、元件，并且它比組合柱體的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)烈、排列規(guī)則，更便于檢測(cè)，故本系統(tǒng)的漩渦發(fā)生體采用梯形柱體。</p><p>　　3.1.3 應(yīng)用中的問(wèn)題</p><p>　　由于溫度和壓力的變化會(huì)對(duì)流體的密度產(chǎn)生影響，所以在測(cè)量的時(shí)候必須對(duì)密度的實(shí)際值進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償采用以下公式:</p><p><b>　　(3—5)</b></p&g

83、t;<p>　　式中， ----- 實(shí)際密度，kg/m3</p><p>　　---- 飽和蒸汽密度，kg/m3 </p><p>　　------ 水密度，kg/m3</p><p>　　---- 干度影響系數(shù)</p><p>　　其中飽和蒸汽密度和水密度，干度影響系數(shù)X依據(jù)蒸汽干度S查表。經(jīng)過(guò)查表，得到補(bǔ)償后的實(shí)際密度代入

84、公式計(jì)算流體的流量（表附在附錄D）。</p><p><b>　　3.2本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了渦街流量計(jì)，用圖解和公式推導(dǎo)的方法詳細(xì)分析了渦街流量計(jì)的工作原理和基本特性，并詳細(xì)闡明了渦街流量計(jì)如何與漩渦發(fā)生體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力頻率的精確檢測(cè)，對(duì)在實(shí)踐中遇到的影響檢測(cè)精度的因素做了分析并給出了解決方法。</p><p>&

85、lt;b>　　渦街流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　硬件電路總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　微處理器是智能化儀表的核心，如同人的大腦一樣。在本測(cè)量系統(tǒng)中，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，使系統(tǒng)增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理、自診斷、顯示與報(bào)警等功能。單片機(jī)的加入，可以用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)某些功能，使儀表結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化、體積減小、成本降低，而工作的可

86、靠性、靈活性及儀表的功能大為提高。</p><p>　　硬件與軟件設(shè)計(jì)是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的重要步驟。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的要求：</p><p>　　1．明確系統(tǒng)測(cè)試、控制要求，盡量做到模塊化編程；</p><p>　　2．利用單片機(jī)指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，尋址方式多的優(yōu)點(diǎn)，盡量編制出層次清楚，運(yùn)行速度快，占內(nèi)存少的源程序；</p><p

87、>　　3．盡量采用己成熟的源程序和模塊；</p><p>　　4．盡可能選擇典型電路，使用常規(guī)組件；</p><p>　　5．系統(tǒng)擴(kuò)展與配置應(yīng)滿(mǎn)足測(cè)控功能需要并留有余地，以方便系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試和二次開(kāi)發(fā)；</p><p>　　6．硬件盡可能簡(jiǎn)單，能用軟件完成的功能盡量用軟件完成；</p><p>　　7．軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)?shù)亓粲杏?/p>

88、地。</p><p>　　單片機(jī)系統(tǒng)的硬件主要包括單片機(jī)、傳感器、傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器、A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示電路、芯片監(jiān)控電路、通信接口電路，如圖4-1所示：</p><p>　　圖 4-1 硬件總體設(shè)計(jì)圖</p><p><b>　　傳感器部分電路</b></p><p><b>　　傳感器</b>

89、</p><p>　　利用伴隨漩渦分離的物理效應(yīng)，可以采用熱敏、力敏元件或通過(guò)光、聲調(diào)制方法等來(lái)檢測(cè)漩渦分離頻率。至今用于檢測(cè)分離頻率的方法和采用的元件是多種多樣的，歸納起來(lái)有以下幾種典型方法：</p><p>　　1．熱敏元件檢測(cè)方法漩渦分離產(chǎn)生的交變環(huán)流所引起的整體表面速度脈動(dòng)或者交變橫向流的頻率，用加熱的金屬絲、熱敏電阻器等進(jìn)行檢測(cè)。</p><p>　　2．

90、力敏元件檢測(cè)方法漩渦分離造成的交變差壓、交變升力或者交變升力引起的機(jī)械振動(dòng)，用差動(dòng)電容、電阻應(yīng)變片、壓電晶體、壓電陶瓷等檢測(cè)。</p><p>　　3．電磁傳感器檢測(cè)方法漩渦的分離所引起的膜片或者梭球等的往復(fù)振動(dòng)的頻率，用電磁傳感器檢測(cè)。</p><p>　　4．聲、光信號(hào)調(diào)制檢測(cè)方法利用聲束光束通過(guò)渦街時(shí)受到漩渦的調(diào)制，由接收聲強(qiáng)光強(qiáng)或相位的脈動(dòng)頻率得到漩渦分離頻率。</p>

91、<p>　　由于渦街流量計(jì)是利用流體自身的規(guī)則振蕩來(lái)計(jì)量流量的，因而對(duì)流體的速度分布及流動(dòng)噪聲，比較敏感，因此在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)管道安裝狀況要求較高。對(duì)上游不同形式的阻力件必須配置足夠長(zhǎng)的滿(mǎn)足不同要求的直管段，以保證儀表的測(cè)量精度。</p><p>　　壓力傳感器可分為液柱式壓力傳感器、彈性元件傳感器、壓變電阻式傳感器和壓電式傳感器。液柱式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，但是測(cè)量結(jié)果只能就地讀取，不能進(jìn)行

92、遠(yuǎn)距離傳送。彈性元件傳感器一般在測(cè)量較大壓力的場(chǎng)合使用。壓變電阻式傳感器的靈敏度高、測(cè)量范圍廣、頻率響應(yīng)快，但是易受電阻片結(jié)構(gòu)、貼片用膠、貼片工藝以及工作環(huán)境溫度影響。而壓電晶體傳感器采用半導(dǎo)體硅阻效應(yīng)原理，在單晶硅片上運(yùn)用獨(dú)有的激光刻蝕修正技術(shù)來(lái)制作固態(tài)電阻電橋，硅晶體受力后發(fā)生相應(yīng)的微變形，在應(yīng)力消失后恢復(fù)到原來(lái)的形狀，是一種良好的接收應(yīng)力的材料，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料，靈敏度高(是電阻絲式的50倍)、線(xiàn)性范圍大、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽

93、命長(zhǎng)，尤其是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻帶寬、動(dòng)態(tài)誤差小，使它在振動(dòng)等測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。因此，研究的渦街流量計(jì)系統(tǒng)使用壓電式壓力傳感器來(lái)測(cè)量流體的壓力。</p><p>　　壓力傳感器選擇TPF系列傳感器。TPF壓力傳感器有一個(gè)流體測(cè)量膜，被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)高粘度液體，而具有內(nèi)部測(cè)量腔的普通傳感器做不到這一點(diǎn)。</p><p>　　圖4-2 TPF傳感器電氣連接圖</p><p>

94、;<b>　　TPF主要特征：</b></p><p>　　1．壓力范圍：0~10，0~1000 bar / 0~150， 0~15000 pa</p><p>　　2．精度等級(jí)：0.3%大于50 bar；0.6% 小于或等于5bar</p><p><b>　　3．完全不銹鋼結(jié)構(gòu)</b></p><p

95、>　　4．內(nèi)部產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)</p><p>　　5．保護(hù)等級(jí)：IP65</p><p><b>　　傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　MAX1450傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器用于處理壓力傳感器送來(lái)的信號(hào)。它包括一個(gè)用于傳感器激勵(lì)的可調(diào)節(jié)的電流源和一個(gè)三字節(jié)的可編程放大器(PGA)。通過(guò)外部的可調(diào)節(jié)電阻器、電位器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)，MA

96、X1450可以對(duì)傳感器的非線(xiàn)性輸出進(jìn)行補(bǔ)償。MAX1450能夠?qū)鞲衅餍盘?hào)進(jìn)行補(bǔ)償，這使得它在低功耗和中等精度的應(yīng)用中最理想。</p><p>　　MAX1450主要特點(diǎn)：</p><p>　　1．可對(duì)1%的傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)；</p><p>　　2．使用儲(chǔ)存在外部可調(diào)節(jié)的電阻器、電位計(jì)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)的系數(shù)來(lái)更正傳感器的非線(xiàn)性；</p><p&

97、gt;　　3．用于傳感器激勵(lì)的可編程電流源；</p><p>　　4．快速信道設(shè)置時(shí)間；</p><p>　　5．可接受10mV/V到30mV/V的傳感器信號(hào)輸出；</p><p>　　6．完全的模擬信道；</p><p>　　MAX1450的引腳圖，與單片機(jī)的連接圖分別見(jiàn)圖4-3，4-4。</p><p>　　圖 4

98、-3 MAX1450引腳圖</p><p>　　圖4-4 MAX1450與單片機(jī)連接圖</p><p>　　MAX1450的各個(gè)引腳功能如下：</p><p>　　表4-1 MAX1450引腳功能</p><p>　　4.3 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　為了進(jìn)行數(shù)字量和控制系統(tǒng)的處理，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)

99、化電路，將從濾波器傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為間接A/D轉(zhuǎn)換器和直接AD/轉(zhuǎn)換器。所謂間接A/D轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時(shí)間轉(zhuǎn)換型(積分型)，電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，且能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢；直接

100、A/D轉(zhuǎn)換器是把模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多。因此我們?cè)诰C合考慮各種A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選取了逐次逼近式的具有串行總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAXl87，它僅有8個(gè)引腳，外圍接線(xiàn)很少,體積小、速度快、精度高。</p><p>　　MAX187是美信公司推出的12位A

101、/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣/保持電路，單5V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為8.5us，具有片上4.096V參考電壓，模擬量輸入范圍為0~。三線(xiàn)串行接口，兼容SPI，QSPI，Microwire總線(xiàn)。MAX187有8腳DPI封裝和16腳DPI封裝2種，圖4-5給出封裝的引腳排列。</p><p>　　圖 4-5 MAX187引腳圖</p><p><b>　　各引腳功能如下：</b&g

102、t;</p><p><b>　　1．+SV電源；</b></p><p>　　2．模擬量輸入：范圍0~；</p><p>　　3．操作模式選擇：低電平為休眠模式，正常操作模式為高電平是使用內(nèi)部參考，懸空時(shí)禁止內(nèi)部參考；</p><p>　　4．參考電壓：內(nèi)部參考為4.096V，使用內(nèi)部參考時(shí)此4.7uF的申容，使用外部

103、參考時(shí)，接2.5V~VDD的基準(zhǔn)電壓；</p><p><b>　　5．地；</b></p><p><b>　　6．?dāng)?shù)據(jù)輸出；</b></p><p><b>　　7．片選端；</b></p><p>　　8．時(shí)鐘，最高為5MHZ。</p><p>　

104、　MAX187用采樣/保持電路和比較寄存器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)，其采樣/保持電路不需要外接電容。MAX187有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將SHDN置為低電平進(jìn)入休眠模式，這時(shí)的電流消耗降到10pA以下。SHDN置為高電平或懸空進(jìn)入正常操作模式。</p><p>　　使用內(nèi)參考時(shí)，在電源開(kāi)啟后，經(jīng)過(guò)20ms后參考引腳的4.7pF電容充電完成，可進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)換操作。A/D轉(zhuǎn)換的工作過(guò)程是：當(dāng)

105、CS為低電平時(shí)，在下降沿MAX187的T/H電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并開(kāi)始轉(zhuǎn)換，8.5ns后DOUT輸出為高電平作為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志。這時(shí)可在SCLK端輸入一串脈沖將結(jié)果從DOUT端移出，讀入單片機(jī)中處理。數(shù)據(jù)讀取完成后將CS置為高電平。要注意的是：在CS置為低電平啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，檢測(cè)到DOUT有效(或者延時(shí)8.5ns以上)，才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數(shù)據(jù)，SCLK至少為13個(gè)。發(fā)完脈沖后應(yīng)將CS置為高電平。</p><p&g

106、t;　　用單片機(jī)AT89C52的P1口來(lái)控制MAX187的轉(zhuǎn)換。Pl.0接時(shí)鐘SCLK，Pl.1接片選CS，Pl.2接數(shù)據(jù)DOUT。MAX187電源需要加去耦合電容，常見(jiàn)的方法是用一個(gè)4.7pF電容和一個(gè)0.1pF電容并聯(lián)。為保證采樣精度，最好將MAX187與單片機(jī)分開(kāi)供電。4腳為參考端接一個(gè)4.7pF的電容，這是使用內(nèi)部4.096V參考電壓方式。輸入模擬信號(hào)的電壓范圍為0~4.096V，如模擬輸入電壓不在這個(gè)范圍要外加電路進(jìn)行電壓范圍

107、的變換。</p><p>　　圖4-6 MAX187與單片機(jī)連接圖</p><p>　　4.4單片機(jī)硬件電路及周邊設(shè)計(jì)</p><p>　　4.4.1單片機(jī)介紹</p><p>　　目前在市場(chǎng)常見(jiàn)的有PHILIPS，SIEMENS，INTEL，ATMEL等公司生產(chǎn)的100多種型號(hào)的80C51系列單片機(jī)。這類(lèi)單片機(jī)具有集成度高，性能價(jià)格比優(yōu)越的

108、特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域內(nèi)獲得極為廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　AT89C52采用Intel內(nèi)核技術(shù)，結(jié)合ATMEL公司閃存技術(shù)制造，性能穩(wěn)定可靠，在程序不太復(fù)雜的情況下，無(wú)需擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，因此，對(duì)于追求輕巧靈便的產(chǎn)品而言，則顯得尤為重要。這也是在課題中采用此產(chǎn)品，而沒(méi)有采用16位或準(zhǔn)16位單片機(jī)的一個(gè)主要原因。</p><p>　　AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單

109、片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可以滿(mǎn)足許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。</p><p>　　AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)

110、外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口。AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線(xiàn)編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。</p><p>　　圖 4-7 AT89C52引腳圖</p><p>　　主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接

111、12MHz 晶振。RST（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義。 </p><p><b>　　主要功能特性：</b></p><p>　　1．8k可反復(fù)擦寫(xiě)(>1000次）Flash ROM </p>

112、<p>　　2．32個(gè)雙向I/O口</p><p>　　3．256×8bit內(nèi)部RAM </p><p>　　4．3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 </p><p>　　5．時(shí)鐘頻率0-24MHz </p><p>　　6．2個(gè)串行中斷 </p><p>　　7．可編程UART串行通道 <

113、/p><p>　　8．2個(gè)外部中斷源 </p><p><b>　　9．共6個(gè)中斷源 </b></p><p>　　10．2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線(xiàn) </p><p><b>　　11．3級(jí)加密位 </b></p><p>　　12．低功耗空閑和掉電模式 </p><

114、p>　　13．軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能</p><p>　　4.4.2 液晶顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　液晶作為一種顯示器件,以其特有的優(yōu)勢(shì)正廣泛應(yīng)用于測(cè)試儀器設(shè)備中。以往的測(cè)試控制儀器大都采用LED 或筆段式液晶顯示屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和結(jié)果顯示 ,其顯示信息量少、形式單一、缺乏人機(jī)交互性 ,同時(shí)對(duì)操作人員要求較高。而液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等

115、其它顯示器件無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) ,不僅可以顯示數(shù)字、字符 ,還可以顯示各種圖形、曲線(xiàn)及漢字 ,并且可實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫(huà)、閃爍、文本特征顯示等功能 ,日益成為智能儀器儀表和測(cè)試設(shè)備的首選顯示器件。</p><p>　　液晶顯示器按功能分為段位式LCD、字符式LCD和點(diǎn)陣式LCD，前兩者只能顯示有限字符，而點(diǎn)陣式LCD不僅能顯示字符，還可以顯示漢字及各種圖形，并且可實(shí)現(xiàn)屏幕的上下左右滾動(dòng)顯示，反轉(zhuǎn)顯示以及顯示閃爍

116、等功能，用途十分廣泛。本系統(tǒng)采用MSC-G19264型點(diǎn)陣式LCD，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。MSC-G19264型點(diǎn)陣式LCD如圖4-8所示。</p><p>　　MSC-G19264的圖形LCD為T(mén)RULY公司生產(chǎn)的192×64單色模塊M19264，其接口為8位并行總線(xiàn)方式，顯示驅(qū)動(dòng)控制電路由三片列驅(qū)動(dòng)器KS0108B和一片行驅(qū)動(dòng)器KS0107B組成，屬行列驅(qū)動(dòng)及控制合一的驅(qū)動(dòng)電路，只需外接振蕩電