1、xx 大学学士学位论文- I -基于单片机的流量信号检测系统设计摘要在工业自动化中，任何控制系统都是从生产过程运行的信息测量开始的，过程变量的自动检测仪表是自动化系统革命的关键。和温度、压力一样，流量也是生产过程中的重要变量。流量的精确测量在节能降耗、经济核算、自动控制等方面有着广泛的应用。涡街流量计以其自身的一系列优点己经成为流量测量仪表家庭中不可缺少的一员，在计量检测中发挥着越来越大的作用。本文研究一种适用于微小流量信号检测的流量测量系统，该流量计是基于涡街流量计原理，即流体产生漩涡，漩涡分离产生应力，漩涡的分离频率等同于应力的变化频率，通过测量应力的周期变化知道漩涡分离频率，从而准确的反
2、映被测液体的流速。本文详述了涡街流量计及压电式传感器的原理，并设计了信号调理电路，处理来自压力传感器的微弱电压信号，使之能够满足单片机对输入信号的要求。另外本文还设计了智能化单片机软硬件系统并对系统进行了功能扩展，使整个系统不仅能够准确实时地反映被测流量的大小，而且能够实现信号的远程传输，为系统的智能化远程控制提供条件。关键词 流量计；流量；单片机；卡门涡街xx 大学学士学位论文- II -The designment of the flow signal detection system based on SCMAbstractIn industrial automation, many c
3、ontrol systems begin from the information from the production process operation.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
4、plication in energy consumption, precise measurement, economic accounting and automatic control. With its own vortex advantages, a flowmeter has become an indispensable member of the family, which has a series of flow measuring devices.It plays a more and more important role in measuring. This artic
5、le applies a flow measurement 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 the stress. The frequency of the flow separation equals the
6、stress frequency.We knows the accurate flow by the frequency of the flow separation, which is calculated from the the stress frequency.This article describes the principle of vortex flowmeter and the piezoelectric sensors and designs the singal condition circuit, which process the weak signal from p
7、ressure sensor, to meet the requirements of the input signal 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 the size of the traffic si
8、gnal, and to realize the remote transmission system, intelligent remote control to provide conditions.Keywords flowmeter; flow; SCM; Karman vortexxx 大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论.11.1 本文的目的和意义.11.2 流量检测仪表的现状.11.3 流量检测技术种类和特点.21.3.1 涡街测量方法.21.3.2 差压测量方法.31.3.3 电磁测量方法.31.3.4 容积测量方法.41.3.5
9、涡轮测量方法.41.3.6 超声测量方法.51.4 研究内容.5第 2 章 流量测量基本概念.62.1 流量概念.62.2 流量测量参数.62.3 本章小结.8第 3 章 涡街流量计基本概念.93.1 涡街流量计原理及模型.93.1.1 卡门涡街.93.1.2 物理模型.103.1.3 应用中的问题.113.2 本章小结.11第 4 章 涡街流量计硬件设计.124.1 硬件电路总体设计.124.2 传感器部分电路.134.2.1 传感器.134.2.2 传感器信号调节器.144.3 信号调理电路的设计.164.4 单片机硬件电路及周边设计.174.4.1 单片机介绍.174.4.2 液晶显示电
10、路设计.194.4.3 芯片监控电路的设计.204.4.4 通讯接口的设计.224.4.5 键盘接口的设计.22xx 大学学士学位论文- IV -4.5 本章小结.23第 5 章 单片机系统软件的设计.245.1 编译环境概述.245.2 主程序设计.245.3 显示程序设计.255.4 键盘程序设计.255.5 RS-232 接口程序设计 .265.6 本章小结.27结论.28致谢.29参考文献.30附录 A.31附录 B.35附录 C.38附录 D.39哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 本文的目的和意义计量是工业生产的关键。流量的计量是计量科学技术的组成部分之一，
11、它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用。特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。微小流量的智能检测在工农业生产、国防建设、科学研究等领域有着重要的应用，能够解决过程控制、生产科研中的很多问题。但是目前国内由于技术方面的限制，在微小流量测量领域，特别是对具有腐蚀性、粘稠性微小流量信号的自动检测手段还很不完善，基本属于空白。如果能够解决这些小流量测量方面的问题并制造出产品，就能够缩短与国际同行之间的差距，为我国的科技振兴做出贡献。由于流量是一个动态量，流量测
12、量是一项复杂的技术。从被测流体来说，包括气体、液体和混合流体这三种具有不同物理特性的流体；从测量流体流量时的条件来说，又是多种多样的，如测量时的温度可以从高温到低温，测量时的压力可以从高压到低压；被测流量的大小可以从微小流量到大流量；被测流体的流动状态可以是层流、紊流等等。此外就液体而言，还存在粘度大小不同等情况。因此，为准确的测量流量，就必须研究不同流体在不同条件下的流量测量方法，并提供相应的测量仪表。这是流量计量的主要工作之一。由于被测流体的特性如此复杂，测量条件又各不相同，从而产生了各种不同的测量方法和测量仪表。对流体流量的检测可以用差压流量计、电磁流量计、容积流量计、质量流量计、超声流
13、量计或者涡街流量计等。差压流量计应用范围广，但需要导压管，易泄漏。电磁流量计的计量精度高，但零点稳定性差。容积流量计的机械结构较复杂、体积庞大。质量流量计主要用于质量流量的检测。而涡街流量计精度较高，一般为测量值的0.5%1.5%；测量范围宽，可达 10：1 或 20：1；压力损失小；输出脉冲信号的频率与流量成正比；无零点漂移；在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质(密度、粘度) 和组份的影响，即仪表常数仅与漩涡发生体和管道的形状尺寸有关；仪表适用性强，结构简单，安装维护方便。鉴于这些优点，我们选择了涡街流量计进行研究。借助现在发展比较成熟的压力传感器得到与流体的流量相对应的脉冲信
14、号，通过放大、整形及模数转换送单片机处理，得到信号的频率值，再在压力传感器信号提供的辅助信息的帮助下，通过补偿等措施，得到最终的流量值。我们要做的就是如何将压力传感器发出的信号进行处理，然后送到单片机，进行数学运算处理，得到所需的结果。1.2 流量检测仪表的现状目前国外投入使用的流量计有 100 多种，随着工业生产的自动化、管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国外资料表明，在不同的工哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的 1530%。随着仪表智能化技术的发展，流量仪表的发展非常迅猛。尽管如此，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅
15、速发展给流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求。特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、微小流量等的检测，市场产品有待进一步发展更有效的测量手段。目前国内已形成了相当规模的开发和制造流量仪表行业，我国现有各类仪器仪表企业 6 千多家，仪器仪表已经形成门类品种比较齐全，具有一定技术基础和生产规模的工业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。产品在微型化、集成化、智能化、总线化等发展方向上紧跟国际发展的步伐。但我国仪器仪表产品，绝大部分属于中低档技术水平，而
16、且可靠性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要求。高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口。近年来，我国广大科技工作者借鉴国外一些先进的自动计量技术，并结合我国国情进行改进，将先进的传感器技术与微电脑技术引入到流量计中，使得流量计向多功能、高精度、易安装、高性价比、便于集散控制的方向跨进了一步。但目前与国外同行相比，我国流量仪表仍存在很大差距：产品种类系列不全；产品性能指标低；高技术产品少等等，在国际上处于落后地位，不符合流量仪表未来发展方向。所有这些给我国科技工作者提出了要求：制出性能更强、更加符合生产需要的流量测量系统，迎头赶上国际先进水平在流量测量仪表的市场中，占比例最大的是差压流量计(占 28%
17、)，其次是电磁流量计( 占 19%)、容积流量计( 占 17%)、超声流量计 (占 4%)、涡街流量计(占 4%)、质量流量计(占 3.5%)。近年来，涡街流量计、电磁流量计、质量流量计和超声流量计的增长速度较快。1.3 流量检测技术种类和特点常见的流量测量方法有涡街流量测量方法、差压式流量测量方法、浮子流量测量方法、涡轮流量测量方法、电磁流量测量方法、容积式流量测量方法、质量流量测量方法和超声流量测量方法。下面对几种常见的流量测量方法进行简要的介绍。1.3.1 涡街测量方法 涡街测量方法是在流体中安放一个非流线型漩涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的漩涡。涡街流量计
18、就是根据涡街测量方法设计的。它按频率检出方式可分为：应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。这种测量方法的主要优点是：1结构简单牢固；2适用流体种类多；3精度较高；4范围宽；哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -5压损小。这种测量方法的缺点是：1不适用于低雷诺数测量；2需较长直管段；3仪表系数较低(与涡轮流量计相比)；4仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。采用这种测量方法制造的涡街流量计是属于最年轻的一类流量计，但其发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。1.3.2 差压测量方法 差压测量方法是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算
19、流量的。差压式流量计就是按照差压测量方法设计的流量测量仪表，差压式流量计的检测件按其作用原理可分为：水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式等。差压式流量计是一类应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占居首位，在各工业部门的用量约占流量计全部用量的 1/41/3。这种测量方法的主要优点是：1应用最多的孔板式流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长；2应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；3检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。这种测量方法的缺点是：1测量精度普遍偏低；2范围窄，一般仅 3：1 4：l；3现场安装条件要求高；4压损大(指孔板、喷
20、嘴等)。这种测量方法制造的差压式流量计在封闭管道的流量测量中对环境适应性非常强，各种对象都有应用，如流体方面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；工作状态方面：常压、高压、真空、常温、高温、低温等；管径方面：从几 mm 到几m；流动条件方面：亚音速、音速、脉动流等。1.3.3 电磁测量方法电磁测量方法是根据法拉第电磁感应定律，针对具有导电性液体的流量测量方法。电磁流量计就是根据电磁测量方法设计的。它有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。70、80 年代电磁流量在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中其使用量百分数不断上升。这种测量方法的
21、主要优点是；1测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -体，如纸浆、泥浆、污水等；2不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；3所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；4流量范围大，口径范围宽；5可应用于腐蚀性流体。这种测量方法的缺点是：1不能测量电导率很低的液体，如石油制品；2不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；3不能用于较高温度。采用这种测量方法制造的电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液，
22、化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。1.3.4 容积测量方法容积式测量方法利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计就是按照容积式测量方法设计的流量测量仪表。容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双浮子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计及膜式气量计等。这种测量方法的主要优点是：1计量精度高；2安装管道条件对计量精度没有影响；3可用于高粘度液体的测量；4范围宽；5直读
23、式仪表无需外部能源可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。这种测量方法的缺点是：1结果复杂，体积庞大；2被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；3不适用于高、低温场合；4大部分仪表只适用于洁净单相流体；5产生噪声及振动。采用这种测量方法制造的容积式流量计，常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。1.3.5 涡轮测量方法涡轮测量方法采用多叶片的浮子(涡轮)感受流体平均流速，从而推导出流量或总量。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -涡轮流量计就是按照涡轮测量方法设计的流量测量仪表。它是速度式流量计中的主要种类。一般它由传感器和显示仪两部分组成，也可做成整体式。涡轮流量计和容积式流量计、质
24、量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品，作为十大类型流量计之一，其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。这种测量方法的主要优点是：1高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计；2重复性好；3元零点漂移，抗干扰能力好；4范围度宽；5结构紧凑。这种测量方法的缺点是：1不能长期保持校准特性；2流体物性对流量特性有较大影响。采用这种测量方法制造的涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体。1.3.6 超声测量方法超声测量方法是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用来测量流量的方法。超声流量计就是根据超声测量方法设计的。根据对信号检测的原
25、理，超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，近年来它是发展迅速的一类流量计之一。这种测量方法的主要优点是：1可做非接触式测量；2为无流动阻挠测量，无压力损失；3可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。这种测量方法的缺点是：1传播时间法只能用于清洁液体和气体；而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体；2多普勒法测量精度不高。采用这种测量方法制
26、造的超声流量计有如下的广泛应用：传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、怪液、液化天然气等；气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验； 多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体，例如：未处理污水、工厂排放液、脏液，通常不适用于非常清洁的液体。哈尔滨理工大学学士学位论文- 6 -1.4 研究内容本文在对流量测量的各种方法和流量仪表的发展动态进行综述的基础上，通过对卡门涡街原理的理解和公式的推导，得出流量和应力频率的关系。然后设计了压电式压力传感器及压力信号调节器和 A/D 转换电路，把采集的数字信号传递给单片机进行处理，最后由 LCD 显示并交给上位机处理数据。重点放在了硬件电路的设计。
