基于单片机的流量检测系统的设计_机电一体化毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的流量检测系统的设计_机电一体化毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

（论文） 第 10 页 共 35 页 涡轮流量计 , 是速度式流量计中的主要种类 , 它采用多叶片的转 子 (涡轮 ) 感受流体平均流速 , 从而推导出流量或总量的仪表。 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、科里奥利质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 , 其产品己发展为多品种、多系列批量生产的规模。 涡街流量计 ， 是在流体中安放一根非流线型游涡发生体 , 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游涡的仪表。 涡街流量计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。 涡街流量计是属于最年轻的一类流量 计 , 但其发展迅速 , 目前成为通用的一类流量计。 电磁流量计 ， 是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。 电磁流量计有一系列优良特性 , 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。 差压式流量计 ， 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流量的仪表。 浮子流量计 ， 又称转予流量计 , 是变面积式流量计的一种 , 在一根由下向上扩大的垂直锥管中 , 圆形横截面的浮子的重力是 , 由液体动力承受的 , 从而使浮子可在锥管内自由地上升和下降。 容积式流量计 ， 又称定排量流量计 , 简称 PD 流量计 , 在流量仪表中是精度最高的一类。 它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。 容积式流量计按其测量元件分类 , 可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、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、湿式气量计及膜式气量计等。 超声流量计 ， 是通过检测 流体流动对超声束 ( 或超声脉冲 ) 的作用以测量流量的仪表。 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。 （ 2） 涡轮流量计的结构与原理 涡轮流量计：气体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图 21所示。 它是由涡轮、苏州市职 业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 35 页 轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮 的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。 涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有 kQ = f ，其中： Q 是流经变送器的流量 （ L/s）； f 是电脉冲频率（ Hz）； k 是仪表系数（次 /升）。 管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。 在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。 根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体 的流量成正比， k 是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪表有不同的 k。 涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。 根据单位时间内的脉冲数和累积脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。 图 26 涡轮流量传感器结构图 （ 3）涡轮流量计的特点 在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。 二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低的特点。 涡轮流量计还具有 测量准确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。 像这样的技术参数其他流量计则是难以达到的。 因此涡轮流量计在工业上应用最广泛，发展最迅速。 除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，由于其兼有测量准确度高和重复性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。 涡轮流量计虽有很多优点，但由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体苏州市职 业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 35 页 的洁净度要求高。 流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。 而且由于有转动部件，会带来轴承的磨损，使 仪表的使用年限受到影响。 因此，必须注意根据被测流体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。 应该指出，随着新材料、新工艺的发展，仪表转动部分的耐磨性、变送器的维修性能和寿命正在不断提高；随着对涡轮流量计粘度修正问题研究的不断深入以及测量线路的完善和微的应用，涡轮流量计可以方便和准确得进行各种参数的修正，显示仪表的性能也将更臻完善目前生产的双涡轮流量计，由于变送器内串联两个涡轮，可以互相校核，从而提高了仪表使用的可靠性，受到好评。 可以预言，随着涡轮流量计结构和性能的不断完善，以 及高性价比，它将在各个领域中越来越广泛的得到应用，在流量测量和标准传递中发挥更大作用。 （ 4）传感器设计及信号采集 流量信号通过涡轮流量传感器采集，本设计应用霍尔效应设计传感器。 当一块通有电流的金属或半导薄片垂直的放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。 两端具有的电位差值称为霍尔电势 U，其表达式为U=(KIB)/d 其中 K 为霍尔系数， I 为薄片中通过的电流， B 为外加磁场的磁感应强度， d 是薄片的厚度。 由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。 图 27 霍尔元件的基本电路 根据霍尔效应原理，如 图 34 所示，将一块永久磁钢固定在转体转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，霍尔电路通电后，受磁钢所产生的磁场的影响，磁体每经过霍尔电路一苏州市职 业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 35 页 次，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。 在转轴上固定一个叶轮，用流体(气体、液体 )去推动叶轮转动，便可构成流量传感器。 我们可确定流量的计算公式为： 累积流量： Q=KM=KD 其中， Q 为累积流量 (L)， K 为仪表常数 (L/r)， M 为转数 (r)， D 为脉冲数。 瞬时流量： q=Km=Kf 其中， q 为瞬时流量 (L/s)， m为转体角速度 (r/s)， f 为脉冲频率 (Hz)。 图 28 旋转传感器磁体设置 总体电路 单片机接口连接 1） LED 模块中 A,B,C,D,E,F,G， DP依次连接到单片机的 ， ， ， ， ， ， 引脚上。 LED 上的 COM1， COM2， COM3， COM4 分别依次连接到单片机的 ， ， ， 引脚上。 2）报警电路的电阻端 R1接到单片机的 引脚上。 3)流量检测电路的电阻端 R2 接到单片机的 引脚上。 苏州市职 业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 35 页 图 29电路总图 苏州市职 业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 35 页 3 软件设计 软件端口定义 1） LED 模块中的端口 A,B,C,D,E,F,G， DP依次连接到单片机的 ， ， ， ， ， ， 引脚上。 LED 上的 COM1， COM2， COM3， COM4 分别依次连接到单片机的 ， ， ， 引脚上。 2）报警电路的端口接到单片机的 引脚上。 3)流量检测电路的端口接到单片机的 引脚上。 软件端口定义如下所示。 表 1 LED模块端口定义 数码管端口 单片机端口 A B C D E F G DP COM1 COM2 COM3 COM4 表 2 报警电路及流量检测电路端口定义 端口 单片机端口 报警电路端口 流量检测端口 程序流程 系统软件设计是该设 计的核心，也是设计的重点和难点部分。 控制系统软件设计的好坏直接影响到该控制系统的控制功能，因此，要想做好本设计，一个好的系统软件是关键。 本设计中采用 C语言编写 STC12C5A60S2单片机程序， 该控制系统的程序主要分为主程序和各种中断子程序。 主程序完成系统的地址分配、系统初始化；各子程序完成相应的各功能。 苏州市职 业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 35 页 图 31 程序结构图 主程序及流程图 开 始初 始 化 赋 值数 据 采 集 与 A D 转 换流 量 值 显 示读 取 数 据 与 设 定 值 比较 ， 是 否 超 出 范 围调 用 报 警 系 统返 回YN 图 32 主程序流程图 部分代码： main() { EA = 1。 //开总中断 苏州市职 业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 35 页 EX0 = 1。 //开外部中断 0 While(1) { AD_val()。 //信号采集， A/D。