基于at89c51为核心的单片机气体涡轮流量计毕业设计论文

基于at89c51为核心的单片机气体涡轮流量计毕业设计论文内容摘要：

的数据传输，从而最终达到流量数据在显示单元的显示的目 的。 第二章 涡轮流量计的设计原理 涡轮流量计的基本工作原理 涡轮传感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，便有与流量 Q流速 V 和流体密度 P 乘积成比例的力作用在叶片上，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。 此时叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周周期性变化，因而在检出线圈两端感应出与流量成正比的电脉冲信号，经前置 放大后送至后续电路。 然后 送入显示仪表，就可以实现流量的测量。 流量计算式为： Q=f／ K， （ 21） 式中： Q—— 流经传感器的体积流量（ L/s或 m3/s） ƒ—— 脉冲频率（ Hz） （它同叶轮转动频率成正比关系） K—— 涡轮流量计的仪表系数（ 1/L或 1/m3） K是涡轮传感器的重要特性参数，它代表单位体积流量通过涡轮流量传感器时传感器输出的信号脉冲数。 不同的仪表有不同的 K，并随仪表长期使用的磨损情况而变化。 尽管涡轮流量计的设计尺寸相同， 但实际加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样，因而每台涡轮传感器的仪表常数 K也不完全一样，它通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的 工作原理结构图 根据设计要求，可以将流量测量仪的硬件系统分解为四大模块，即流量传感变 送 模块、主控 CPU智能模块、 LED 数码管显示模块和上位机通信模块 系统结构如图 21所示。 图 21 流量传感器 滤波与整形 数码管显示 驱动电路 单片机 与上位机通信 看门狗电路 流量计结构 涡轮流量传感器主要由仪表壳体、导流器、叶轮、轴、轴承和信号检测传感器等组 成。 其结构图如图 22所示 图 22 （ 1） 仪表壳体 一般采用不导磁的不锈钢（如 1Cr18Ni9Ti）或硬质合金制成，对于大口径传感器也可用碳钢与不锈钢的镶嵌结构。 壳体是传感器的主体部分，它起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，壳体内装有、导流器、叶轮、轴和轴承，壳体外壁装信号检测放大器。 （ 2） 涡轮 亦称叶轮， 一般由高导磁材料制成（如 2Cr13或 Cr17Ni2等），是传感器的检测部件，它的作用是把流体动能转换为机械能。 叶轮有直板叶片、螺旋叶片、和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有 许多导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定 .叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动平衡 很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命 . （ 3） 轴和轴承 通常选用不锈钢（如 2Cr1 4Cr1 Cr17Ni2或 1Cr18Ni9Ti等）或硬质合金制作它们组成一对运动副，支持和保证叶轮自由旋转。 它需有足够的刚度，强度和硬度，耐磨性，耐腐性等。 它决定着传感器的可靠性和使用期限。 传感器失效通常是由轴与轴承 引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题 . （ 4） 信号检测 传感 器 ，信号检测传感器主要由高频信号传感器，压力传感器等构成，并且附带信号的发达器 ， 国内常用信号检测放大器一般采用变磁阻式，它由永久磁钢、导磁棒 (铁芯 )、线圈等组成。 它的作用是把涡轮的机械转动信号转换成脉冲信号输出。 由于永久磁钢对高导磁材料的叶片有吸引力而产生磁阻力矩，对于小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在各种阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。 一般线圈感应得到的电信号较小，需配上前置放大器放大、整形输出幅值较大的电脉冲信号，当线圈输出信号有效值在 lOmV以上的可直接配用计算机显示控制流量。 第三章 流量计硬件电路设计 根据设计要求，以及可行性分析， 该流量计硬件部分 主要可分为四个基本模块进行设计。 分别是 流量传感变 送 模块、主控 CPU 智能模块、 LED 数码管显示模块、上位机通信模块 流量积算仪通过计量传感器产生的脉冲数来测量流量大小。 硬件设计主要 由流量传感器（ 霍尔转速 传感器）、微处理器 AT89C51 芯片 、 液晶 显示按键等组成。 该系统以 AT89C51 单片机为核心，配合 外围器件，实现了信号采集，数据处理，现场显示，按键设置的人机界面等功能 流量传感变送模块 涡轮流量仪的关键 便是在于如何获取 频率量， 该模块作为流量计频率信号的检测传送单元，是流量计工作开始的第一步， 该单元工作 对整个流量计的正常 工作 有着重要意义。 转速的测量可以采用多种转速传感器来实现。 按其机理转速传感器可以分为：磁电式转速传感器、电涡流式传感器、光电式转速传感器、红外式转速传感器、电容式转速传感器等 在此 我们选用 霍尔转速传感器（ 霍尔转速传感器 工作原理图如下图 31） 转 轴 引 出 线集 成 霍 尔 元 件磁 块转 动 部 件 图 31 其工作原理是。 霍尔转速传感器是基于霍尔效应原理设计的。 霍尔效应就是当放在磁场中的半导体基片 (即霍尔元件 )有电流通过，且电流方向与磁场方向垂直时，半导体基片中电荷在洛仑兹力作用下向一侧偏移，在垂直于电流与磁通的霍尔元件的横向侧面上即产生一个与电流和磁场强度成正比的电压，即霍尔电压。 因此，当信号转子旋转运动使得磁通量发生改变时，霍尔元件输出变化的电信号。 然后 频率信号 通过 电容 C1 滤波，再送入单片机 TO 端口。 霍尔效应式转速传感器特点是可以在任意慢速下检测运动物体的速度，它的另 一个重要特点是信号处理电路通常也集成在同一封装中， 所以 无需外加信号处理电路。 但是霍尔传感器由于灵敏度较低，使其与齿轮要保持比较近的检测距离。 由于安装位置太近，容易与齿轮碰撞造成传感器损坏。 AT89C51 单片机 本系统采用了 AT89C51 单片机作为核心 CPU AT89C51芯片 是 Atmel公司的产品， 是一种 低电压，高性能 CMOS 8位微处理器 .。 该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造， 片内含有 4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128 bytes的随机 存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度，非易失存储技术生产。 与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。 片内置通用 8位中央处理器（ CPU）和 FLASH存储单元。 功能强大，能够满足各种控制领域，提供给许多高性价比的应用场合。 是一种灵活性高并且价廉的方案。 （其引脚图如下图 23） 图 33 1 主要特性： 与 MCS51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器 /计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡。