您现在的位置: 网站首页 >  新闻资讯 > 技术文章

以AT89C51为核心具有RS485通信接口的涡轮流量计设计

以AT89C51为核心具有RS485通信接口的涡轮流量计设计流体经过涡轮传感器产生脉冲信号, 由于信号的电位漂移现象严重, 首先对脉冲信号进行整形处理, 然后通过单片机对脉冲计数并转换为流量, 最后送显示单元显示。检测仪的设计结构合理, 运行稳定可靠, 同时具有 RS- 485 通信接口, 适合应用于远程分布式应用系统的流量检测。
    超声波流量传感器具有安装维修方便、测量管径大、测量可靠性高、不受流体参数影响、可以很方便地进入自动控制系统等优点, 但同时具有不少缺点, 如传感器的安装直接影响到计量的准确度, 因此对安装的要求十分严格; 准确度不高, 现有国产超声流量计的准确度级别一般为 1.5 级~2.5 级, 而国产涡轮流量计的准确度可达 0.5 级~1.0 级; 结构较为复杂, 故障排除较困难, 抗干扰性较差, 对安装环境要求较高; 后续硬件处理电路与涡轮流量传感器相比较复杂。因此, 本文设计的流量检测仪采用涡轮流量传感器。
    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 ρ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。其流量计算式为: Q=f/K, 式中: f- 流量信号频率(Hz) , 它同叶轮转动频率成正比关系; Q- 体积流量(m3/h 或 L/h);
    显然, 从测量原理及公式上可以看出, 涡轮流量测量法比超声波测量法要简单的多, 并且涡轮流量测量法具有在所有流量测量方法中最精确、重复性好、无零点漂移、抗干扰能力强、范围度宽、结构紧凑、价格便宜等诸多优点, 因此得到了广泛的应用。
    2 系统的总体设计
    根据涡轮流量传感器的特点可知, 涡轮流量传感器获取频率 流 量 信 号 , 通 过 简 单 滤 波 和 整 形 电 路 , 提 供 给 单 片 机AT89C51, 单片机对流量数据进行采集、处理并由 ZLG7289 接口芯片送数码管显示, 同时通过串行通信接口电路与上位机进行通信。
    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 1 所示。
    3 频率检测单元设计
    涡轮流量仪的关键在于频率量的获取, 频率信号电容 C1滤波, 再通过电阻 R10 引入电压比较器。电压比较器 LM258 的主要特点是, 输入阻抗高输出阻抗低, 其输出信号经 74LS14 整形送入单片机 T0 端口。电路原理图如图 2 所示。
    4 单片机与键盘显示模块
    系统选择 Atmel 公司 AT89C51 作为 CPU, AT89C51 是 At-mel 公司的产品, 是带 4KByte Flash 可编程可擦除只读存储器的低电压, 高性能 CMOS8 位微处理器。由于将多功能 8 位CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中, Atmel 的 AT89C51 是一种高效微控制器, 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。X5045 是一款集上电复位、低电压监视、看门狗定时器、512 Byte EEPROM 与一身的芯片, 主要配合 89C51完成上电复位、电压监测、防软件死机、重要参数保存与 EEP-ROM 中功能。
    键盘与显示采用周立功单片机公司研制的 ZLG7289A 芯片, 通过与单片机相连完成 LED 显示模块的设计, 键盘采用 4个键, 显示采用 8 位 LED 显示。ZLG7289A 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有 SPI 串行接口功能的可同时驱动 8 位共阴式数码管或 64 只独立 LED 的智能显示驱动芯片,该芯片同时还可连接多达 64 键的键盘矩阵, 单片即可完成LED 显示、键盘接口的全部功能。ZLG7289A 内部含有译码器可直接接受 BCD 码或 16 进制码, 并同时具有 2 种译码方式, 此外还具有多种控制指令如: 消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。ZLG7289A 具有片选信号可方便地实现多于 8 位的显示或多于64 键的键盘接口。
    5 通信模块
    RS- 485 标准接口为差分驱动结构, 它通过传输线驱动器把逻辑电平变换为电位差, 完成信号传递, 具有传输速率快, 传递距离长( 理论可达 1200m) , 抗干扰性能强等优点。允许一对双绞线上一个发送器多个负载设备。采用 MAX1483 将单片机TTL 电平转换为 485 电平, 电路如图 3 所示。图中 RXD、TXD 是单片机的串行口, 输出经过驱动芯片 MAX1483 与 RS485 总线相连。P15( 上电时为高电平) 经 74LS14 后接 /RE 和 DE, 可以保证在上电后接收数据, 防止上电总线冲突。
    6 软件设计
    (1) 主程序
    主程序为流量仪 的监 测程序, 程序首先对系统进行初始化,清各工作单元, 置计数器及标志位初值, 自检指示灯, 开中断, 启动计数器, 然后进行频率数据采集。仪器采用微型键盘和 LED 指示灯相配合, 使仪器的各种功能清晰有序。
    (2) 频率测量程序
    软件设计的核心 是频 率测量, 通常频率的测量方法主要有2 种方法:
    1) 直接测量法, 即在一定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数。
    2)间接测量法, 例如周期测频法、V- F 转换法等。间接测频法仅适用测量低频信号。
    基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低, 在实用中有较大的局限性, 而等精度频率计不但具有较高的测量精度, 而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。
    等精度数字测频的基本框图如图 5 所示。图中的闸门 G1、G2 分别用来控制输入信号周期计数和闸门时间宽度计时。其中, 闸门 G1 与输入信号同步, 这样可使计数器 N1 的量化误差dN1=0。计数器 N2 对标准时标信号周期 Tc 进行计数, 并以此来测量实际的闸门宽度 Tg。其输入信号的频率可表示为: fx=N1 /Tg=N1 /(TcN2)标准时标信号也由晶体振荡器产生, 它具有足够的周期稳定度, 可看作常数。因此, fx 的相对误差为 dfx/fx=dN1 /N1- dN2 /N2=- (dN2 /N2) 其中 dN2 为计数器 N2 产生的量化误差, 最大为±1 个 Tc。在实际设计中, 选择适当的时标周期 Tc 和闸门宽度 Tg 可使 N2 始终足够大, 并在 fx 的全频段范围内得到足够多的有效位数的显示结果。
    (3) 功能块程序
    了主程序外, 仪器通过键盘输入命令, 可随时得到用户所需的结果, 这就要用到功能程序块。功能程序块包括键盘、显示和通信等功能块。键盘子程序功能是寻找是否有键按下, 输入键值, 然后根据不同的键值执行相应的功能子程序; 显示功能块的作用是根据用户的需要转入相应的入口参数, 再经过码值转换,送至显示缓冲区中, 最后由通用显示子程序将显示缓冲区中的字码转换成段码送入显示器中, 显示各种字型; 通信功能块是根据设定的参数执行通信功能, 或者根据通信要求传递检测到的流量值。
    7 结束语
    本系统采用涡轮流量计传感器, 输出和流量成比例的脉冲信号, 经过放大整形由单片机处理, 最终得到流量数据。用户可根据实际应用需要, 通过键盘方便地输入校正系数, 修改长时间使用后涡轮传感器带来的初级误差。系统采用了 RS485 接口, 可实现多机通信, 抗干扰能力强, 传输距离远。可在软件上按照用户要求修改通信规约, 以满足不同的需求。
点击次数:  更新时间:2017-05-22 17:59:36  【打印此页】  【关闭