流量积算仪设计.doc
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1、IV内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)流量积算仪设计摘 要近年来,伴随着工业生产、医疗卫生等领域的技术进步,人们对流量计量提出了更高的要求,而在全球自然资源供应日趋紧张的今天,提高流量测量精度更具有举足轻重的现实意义。因此,设计一个测量精度高、具有人机接口技术的流量积算仪具有很高的实用价值。论文以差压式流量计作为流量测量前端,采用STC89S52单片机作为控制核心,ADC0832为模数转换电路,并设计了由数码管和矩阵式键盘组成的人机对话接口。在测量过程中,系统将流量计节流所获得的差压信号,经差压变送器后变成420mA的电流信号,通过I/V转换电路变为电压信号,然后进入ADC0832转变为
2、单片机可接受的数字量,经单片机进行处理、积分运算后送数码管进行累积流量的显示。在对流量计算方法深入研究的基础上,论文主要完成了流量积算仪总体方案的设计,同时完成了其硬件电路的设计和软件调试,成功完成了流量设定、累积和显示等方面的调试。关键词:流量测量;单片机;积算;ADC0832 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)The Design Of Flow TotalizerAbstractIn recent years, people have paid much more attention to the accuracy of flow measurement as technology
3、 progresses. Therefore, it is of great value in designing a flow totalizer which can measure flow accurately and have the man-machine interface technology. The intelligent flow totalizer system in this design is combined with the differential pressure flowmeter, pressure transducer and the micro con
4、troller unit techniques. The differential pressure flowmeter, it is used as the sensor of flow measurement. And aiming for a small and intelligent design, we use the MCU named STC89S52 as the main controller, the LEDs and the keyboard as the user interface. During the period of measurement, the tran
5、sduction circuits transform the differential pressures received by the sensors into the voltage signals, and then, the voltage signals are transformed into digital signals by the A/D convertor. The MCU processes these digital signals and calculates the cumulation of the flow. Finally the result of a
6、ccumulated flow is displayed in LEDs.To the current deep researchs foundation about flow calculation method, the paper has mainly completed the overall concept design of the flow totalizer, simultaneously has completed its hardware circuits design and the software debugging, in which the flow settin
7、g, the accumulation and the demonstration has been debugged successfully.Key Words: flow measurement; micro controller unit; flow totalizer; A/D convertor 目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 智能仪器概述11.2 流量和流量计概述11.2.1 流量概述11.2.2 流量测量概述31.3 差压式流量计与智能化流量积算仪概述41.3.1 差压式流量计概述41.3.2 差压式流量计与智能化流量积算仪的发展与现状51.3.3 流量
8、积算仪的分类61.4 本设计主要完成的任务7第二章 流量积算仪系统82.1 流量积算仪系统概述82.2 流量积算仪硬件部分的设计92.2.1 硬件设计整体思想92.2.2 I/V转换电路92.2.3 A/D转换电路112.2.4 单片机132.2.5 显示电路172.2.6 键盘电路192.3 流量积算仪硬件电路图20第三章 流量积算仪软件部分的设计213.1 软件设计的整体思想213.2 各模块的软件实现213.2.1 编程语言选择及编程环境213.2.2 主程序223.2.3 A/D转换模块233.2.4 标度变换模块243.2.5 流量累积模块263.2.6 LED显示模块263.2.7
9、 延时模块273.2.8 按键处理模块283.2.9 中断服务程序模块293.3 流量积算仪设计总程序31第四章 系统的调试及实验结果324.1 硬件的组装324.2 硬件和软件的联合调试324.2.1 使用工具的熟悉324.2.2 软件编程的调试32总 结35参考文献36附录A 硬件原理图38附录B 源程序39致 谢47第一章 绪论1.1 智能仪器概述以单片机为主体,将计算机技术与测量控制技术结合在一起,就组成了所谓的“智能化测量控制系统”,也就是智能仪器。智能仪器的出现,极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势,迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了
10、广泛的应用。智能仪器具有以下功能特点:操作自动化、具有自测功能、具有数据处理功能、具有友好的人机对话能力、具有可程控操作能力。智能仪器的工作原理:传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号,经滤波去除干扰后送入多路模拟开关;由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器,放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中;单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等);运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印;同时单片机把运算结果与存储于片内FlashROM(闪速存储器)或EEPROM(电可擦除存储器)内的设定参数进行运算比较后,根据运算结果和控
11、制要求,输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。此外,智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统,由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据,通过串行通信将信息传输给上位机PC机,由PC机进行全局管理。智能仪器的发展趋势:微型化、多功能化、人工智能化、融合ISP和EMIT技术,实现仪器仪表系统的Internet接入(网络化)、智能仪器发展的新阶段虚拟仪器。11.2 流量和流量计概述1.2.1 流量概述工业上通常所讲的流量,是指在单位时间内通过封闭管道或明渠有效截面的流动介质的量。用流体流过的体积与时间之比来表示流量时,称为体积流量(或容积流量)。用流体流过的质量与时间之比来表示流量时,
12、称为质量流量。如果流体的流动是不随时间而变化的流动,即稳定流。那么,体积流量可用流体在单位时间内通过具有一定面积的截面时的体积来表示。质量流量可以用流体在单位时间内通过具有一定面积的截面的质量来表示。当流动为非稳定流时,流量时时刻刻都在变化。这种情况下的某一时刻的流量,可以假定该时刻的流动保持恒定不变,用单位时间内流过流体的体积或质量来表示。2设流体通过有效截面中的某一微小面积为,并将通过该微小面积流体的流速取为v,则流体通过该微小面积的体积流量和质量流量可分别由以下公式求得: =v (1-1)= v (1-2)式中,为被测流体的密度。所以,流体通过整个有效截面的体积流量和质量流量可由对截面积
13、A进行积分求得: (1-3) (1-4)如果有效截面上各点的流速是相等的,或能求出其流速平均值,则流量公式1-3、1-4可写成如下简单形式: (1-5) (1-6)式中,为平均流速。在某一段时间内流体流过封闭管道或明渠有效截面的流体量称为累积流量或流体总量。累积流量可通过流量对时间的积分求得: (1-7) (1-8)式中,为累积体积流量;为累积质量流量;为测量时间。在工业生产中,瞬时流量是流体介质工艺流程中需要加以控制和调节的重要参数,用来保持均衡稳定的生产和保证产品质量。累积流量则是有关流体介质的贸易、分配、交接、供应等商业性活动中必备的参数之一,是计价、结算、收费的基础。用于测量流量的计量
14、仪器称为流量计。专门测量流体体积流量的流量计称为体积流量计,测量质量流量的流量计称为质量流量计。在流体密度已知的情况下,两种测量结果可以相互转换。1.2.2 流量测量概述在我们周围,有空气、水、石油、天然气等各种流体,这些流体与人们的日常生活和生产活动有着非常密切的关系。在使用各种流体的过程中,我们往往需要了解这些流体的在各种流动状态下的流量,不论是在工农业生产、国防、科研、贸易还是日常生活中,流量计量都扮演着极其重要的角色,是人们对生产流程进行监督控制、保障安全、改进工艺、经济核算的基础。因此,流量计量技术的发展,直接关系到整个国民经济的发展,尤其在工业技术迅速发展和能源问题日益突出的今天,
15、流量测量的对象、环境日趋多样化,对流量测量精度的要求也越来越高。对流体流量的精确测量和调节,不但是保证工艺过程处于最佳运行状态的重要前提,也是正确评价生产过程经济性的保证。同时,随着工业生产自动化、管道化的的发展,流量仪表在整个仪表生产中所占的比重也越来越大,目前已广泛应用于生物、石油、化工、冶金、电力、医药、食品、能源管理、航空航天、机械制造等行业的流量积算和定量控制。为了满足不同环境下对不同流动特性的流体进行计量的要求,目前国内外投入使用的流量计类型已超过100种,根据其结构原理,大致可将流量计归纳为以下几种类型:差压式流量计、速度式流量计、容积式流量计、靶式流量计、转子流量计、热式流量计
16、、质量流量计等。3近年来,随着电子技术和计算机技术的不断进步,流量测量也开始向一体化、智能化的方向发展。其中,智能流量积算仪就是一种应用非常广泛的智能流量测量仪表,它通过对来自不同类型流量变送器流量信号的测量,辅以由温度变送器和压力变送器获得的温度、压力等补偿信号,对不同的流体依照不同的算法进行实时的流量补偿,从而实现了流体体积流量或质量流量的测量、累积、显示以及输出。除了这些基本功能外,目前的流量积算仪还具备了记录、通信、打印等附加功能,并有一定的故障诊断和自恢复能力。与传统的模拟式流量计相比,智能化流量仪表在提高了测量精度和运行可靠性的同时,增加了仪表功能,简化了设备结构,降低了生产和运行
17、的成本,因而广泛应用于石油、化工、冶金、电力、医药、轻工、能源管理等行业的流量积算控制和定量控制。1.3 差压式流量计与智能化流量积算仪概述1.3.1 差压式流量计概述通过测量安装在管道中的节流装置或动压测定装置(如皮脱管、匀速管等)在流体流过时产生的压力差来反映流量大小的,统称为差压式流量计。各种差压式流量计的敏感元件多为弹性元件。由于差压与流量呈平方根关系,故将该型流量计的测量值开平方,即可使流量刻度线性化。配合流量积算装置,可显示运行期间的累积流量,便于经济核算。差压式流量计是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装置时所产生的静压差来测量流量大小的一种流量计,由节流装置、引压管和差压
18、计三部分组成。如图1-1所示:图1-1 差压式流量计组成框图节流装置节流装置安装于管道中产生差压,节流件前后的差压与流量成开方关系。引压导管将节流装置前后产生的差压传送给差压变送器。差压变送器将节流装置前后产生的差压转换为标准电信号(420mA)。差压式流量计发展较早,积累了可靠的实验数据和运行经验,是目前工业部门应用最为广泛的一类流量仪表,占整个流量仪表的一半以上。目前,孔板、喷嘴、文丘里管等节流装置已经标准化,称为标准节流装置。标准节流装置不需要标定,只要严格按照标准进行制造、安装,就可以根据规定的计算方法得到差压和流量的关系。46差压式流量计不但结构简单、安装方便,而且历史悠久、测量方法
19、成熟,常用来测量比较重要的参数。节流装置结构简单、使用寿命长、适应范围较广,几乎能够测量各种工况下的单相流体和高温、高压下的流体流量。1.3.2 差压式流量计与智能化流量积算仪的发展与现状差压式流量计有着悠久的历史,它具备很多独特的优点,可以测量除固体物质以外的任何介质(如各种气体、液体、汽-水两相流体、饱和蒸汽及过热蒸汽等)的流量,因而成为应用最为广泛的流量检测仪表。89上世纪5060年代所使用的差压式流量计是就地指示的机械式流量计,由节流装置、引压导管和差压指示仪表组成。差压指示仪表将差压变送器和二次流量指示仪表以机械的方式结合起来,信号在机械传递的过程中,采用凸轮进行开方处理,经凸轮转换
20、后的差压信号与流量成比例。这种机械式差压流量计仅通过一个差压信号来确定流量,而差压信号的处理精度又限于凸轮的加工质量,因此这种机械式差压流量计的性能较差,调试不便,测量误差也较大。在此基础上出现的机械式补偿装置虽然可以对蒸汽等介质进行压力校正,但整个校正装置体积笨重、结构复杂,由于可动部件较多,因而故障率高、精度低,且只能进行定点校正,应用不够灵活,对压力波动频繁的场合无法发挥补偿作用。60年代出现了机械式电动补偿装置,它将介质的压力、温度等参数转换为电阻或电压形式的信号,通过电路并配合机械机构组成自动补偿系统,完成连续补偿运算。这类补偿装置的结构同样比较复杂,调校困难,精度也不高。7080年
21、代初,随着电动单元仪表的出现,人们开始用电动单元组合仪表的变送器和运算单元建立自动补偿系统,从而实现了自动连续补偿,监测精度也有所提高。这种流量检测装置将差压变送器和二次仪表分开,在用差压信号确定流量的基础上,引进了温度和压力信号,并将其转换为统一的电流信号,作为对流体密度的补偿,再由计算单元进行运算,经显示仪表显示出流量值。由于电信号容易传输,二次仪表可以安装在离现场有一定距离的控制室内,大大方便了对工业现场流量变化情况的监测。单元组合仪表具有通用性强、组成系统比较灵活等优点,但这类补偿装置使用的仪表数量多、一次性投资大,且由于模拟电子线路不可能完全跟踪流体的工况变化,因此系统的累积误差较大
22、,一套补偿装置只能进行一个流路的流量补偿。该类型仪表常见的型号有DDZ-和DDZ-型电动单元组合仪表。随着电子器件的发展,还出现了专用的自动补偿仪表,如日本生产的ESL系列自动补正积算仪、美国的DPC数字补偿仪和输出频率信号的流量变送器组成的压力补偿系统。从80年代中期开始,计算机技术的进步使差压式流量计所使用的模拟型二次仪表逐渐被智能型二次仪表所取代。智能型二次仪表以单板机、单片机和其它微控制器技术为核心,配合传感器、变送器,通过采集差压、压力、温度等信号来跟踪流体的工况变化,能够快速准确的计算流量公式中的各个参数,进而获得真实的流量值。凭借计算机在存储能力和运算速度方面的优势,智能型流量计
23、不但可以实现多流路、高精度的补偿,还可以提供显示、打印、通信等附加功能,大大提高了仪表的可靠性和精确性,方便了人们对生产过程的监控,提高了生产管理水平。近年来,随着计算机应用科学、通讯技术和网络技术的进一步发展,以微控制器为核心的智能化流量积算控制器,已经在流量测量领域获得了广泛的应用10。过去需要数台电动单元组合仪表才能完成的计算功能,现在只需一台智能化流量积算控制器就可以顺利地完成。智能化流量计算控制器除具备瞬时流量和累积流量显示等基本功能外,还具有补偿修正、通信、报警等辅助功能,可以与其它积算仪一起构成分布式流量测量网络。由于采用了高性能的微控制器与集成化的A/D转换电路,仪表的测量精度
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