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单片机设计的智能涡街流量计测量控制系统

发表时间:2019-10-08
在石油、化工等生产过程中,对管道内液体和气体的流量进行测量和控制是实现生产过程自动化的重要组成部分。涡街流量计具有量程宽、无可动部件、运行可靠、维护简单、压力损失小,具有一定的计量精度等优点叫。特别是在很宽的范围内,它的测量与介质的密度、粘度等物性参数无关,因而受到普遍欢迎。对应用单片机设计的智能涡街流量计的研究表明,对涡街流量计固有的非线性进行修正,并具有显示、打印、检测参数的种类以及数据处理等功能,从而拓宽了涡街流量计的应用范围。
 
1.工作原理
涡街流量计是基于卡门涡街原理设计的一种流体振动式流量计,即在流动的流体中垂直放置一个非流线型的对称形状的物体(如圆柱体、三角柱体等),流体绕过漩涡发生体时,出现附面层分离,在漩涡发生体的左右两侧后方会交替产生两列有规律的漩涡,即卡门涡街,当两漩涡列之间的距离h和同列的两个漩涡之间的距离L满足公式んL=0.281时,其漩涡频率正比于来流速度
f=Stu/d
式中:f为涡街频率;St为斯特劳哈尔数;u为来流速度;d为漩涡发生体宽度。St的值与漩涡发生体宽度d和雷诺数Re有关。当雷诺数Re<2x10的4次方时,St为变数;当Re在2x10的4次方~7x10的6次方的范围内,St值基本保持不变,这段范围为流量计的基本测量范围。式(1)表明,当d和St,为定值时,漩涡产生的频率f与流体的平均流速u成正比,利用这一特性制成了涡街流量计。由于涡街传感器所测的并不是平均流速,而大约是漩涡发生体两侧的流速。对于湍流状态,不同的雷诺数下,流速分布规律是不同的,即不同的流速下具有不同的流速分布,进而说明了涡街流量传器检测到的主要反映漩涡发生体两侧的流速与管道平均流速的关系不是唯一确定的。这说明涡街流量传感器的非线性误差是其检测机理所决定的。在实际使用时,先绘出传感器的仪表系数与频率的试验曲线F(f)。
K=F(f)=KG(f)
式中:G(f)为同一口径的各台仪表相同的曲线形状(仅是位移不同);K为平均仪表系数。在应用单片机的智能涡街流量计中,通过将试验曲线形状G(f)事先固化于流量计的 EPROM中,让用户结合现场具体工况通过键盘输入K的值,实现涡街传感器的非线性修正。
 
2.硬件设计
根据设计要求,本系统采用AT89C51单片机,它是 的8位 Flash单片机系列,以单片机8031为核心,它和8051系列单片机是兼容的,其ZUI大特点是片内含有4k的Fash存储器。图2是系统硬件原理框图。本应用系统包括:接收变送器送来的与流量成正比的脉冲,并对其定时、计数的接口电路;显示器、键盘、打印机接口电路。主要电路介绍如下。
2.1键盘/显示器及打印机接口
为使接口硬件尽可能少,设计时,仅用一片8155I/O接口芯片完成智能化仪表的键盘输人、ILED输出和打印机输出的接口任务。将8155的PC口用作显示自选通和键盘扫描输出,PB口用作显示字段及小数点的输出,89C51外部中断INT。用作键盘响应输人,PA口用作外接打印机的输出。键盘/显示器及打印机接口连接如图3所示。
2.1.1显示器接口设计
设计6位LED显示器作为仪表的显示输出8155的PB口定义为输出口,其中低四位PB。~PB3输出显示数据的BCD码,并经74LS249BCD译码器译码后送LED的段码端,PB,作为测量结果的小数点位经驱动器后接LED的小数点发光段;PB作为极性控制位单独控制一个发光二极管以显示测量结果的正负。8155的PC口定义为输出口,PC。~PC分别控制6位LED的位选通,实现动态扫描方式显示。
2.1.2键盘接口设计
在图2所示的键盘接口中,由6个键组成键盘。89C51用外部中断INT。作为键盘状态输出。在6个键中,其中两个键定义为“加一键”和“减一键”。另外4个键分别为打印键、编程键、选项键以及复位键。按下编程键后,进人编程状态,用户输入平均仪表系数。选项键用来确定显示哪种流量表达方式(如体积流
量、质量流量等),键盘的列扫描信号来自于PC口输出的LED位选通信号:键盘的行输入信号由键盘是否闭合得到。没键按下,键状态为开,INT。位高电平,中断不被触发;若有键按下,键状态为闭,INT。由高电平变为低电平,中断由信号下降沿触发,从而向CPU发出中断请求。CPU响应中断后读取PC口的输出状态,判断PC。-PC输出的为低电平即可完成键扫描和键识别。
2.1.3打印机接口设计
采用GP16通用智能微型打印机,自带8039单片机。它可以把89C51送来的数据以字符串、数据或图形三种方式打印出来;它与仪表的接口设计如图2所示,它的8根双向三态数据线D。~D7,直接与8155的PA。~PA相连,片选信号CS与8155的片选信号公用单片机系统译码器输出的端口地址Y7,WR和RD
直接与89C51的WR、RD相连,其硬件设计简单。
 
3.软件设计
本机软件采用模块结构,主要是主程序、键盘子程序、中断服务程序和功能块程序4部分。
3.1主程序
主程序为本仪器的监测程序。在程序运行中,必须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、启动计数器等工作。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。
3.2键盘子程序
键盘子程序包括:①扫描键盘子程序。其功能是寻找是否有键按下,输入键值程序;②键值扫描程序;③表驱动程序;④通用显示子程序等。键值扫描子程序的功能是根据按键的位置一行行地扫描。
驱动程序是判断按键是哪种功能键。通用显示子程序的功能是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。几乎所有程序中都要用到这一程序,因此称之为通用显示子程序,以便与显示功能块相区别。
3.3中断服务程序
仪器的测量、转换等程序均通过中断方式同主程序相连,单片机内的两个定时器计数器作为闸门使用。因为流量频率的测量很重要,所以定时器T0被用来测评,并定为高级中断。测量测频中断服务子程序流程如图4所示。
3.4功能块程序
仪器通过键盘输人命令,可随时得到用户所需的结果,这就需要用到功能程序块。功能程序块包括:显示、打印、清零等功能块。显示功能块的作用是根据用户的需要转人相应的入口参数,再经过码转换,送至显示缓冲区中。打印程序包括打印质量流量及体积流量、瞬时流量及累计流量。
 
4.结束语
通过对应用单片机设计的智能涡街流量计的研究表明:采用上述设计的智能化涡街流量计,可让用户结合现场具体工况,通过键盘方便地输人校正系数,完成对涡街流量计非线性修正,拓宽了涡街流量计的应用范围,在实际应用中取得了良好的效果。

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