摘要:本文論述和設(shè)計(jì)了基于新型MCU的智能流量監(jiān)控系統(tǒng)。本著小型化、智能化的原則，設(shè)計(jì)中采用Philips公司帶下載功能的高性能P89C51RD2單片機(jī)作為控制核心;設(shè)計(jì)了LED并配以小鍵盤(pán)構(gòu)成的便捷人機(jī)對(duì)話接口;輔以打印輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、開(kāi)關(guān)量輸出;系統(tǒng)采用AC-DC電源模塊為系統(tǒng)供電;構(gòu)成高精度數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)。

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，各種流動(dòng)介質(zhì)的計(jì)量問(wèn)題及流量的精確測(cè)量己成為當(dāng)前工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)、能源計(jì)量管理等領(lǐng)域的一個(gè)重要內(nèi)容。同時(shí)在石油化工、食品醫(yī)藥、加工制造等行業(yè)也都離不開(kāi)流量計(jì)量問(wèn)題，于是流量監(jiān)控就在諸多學(xué)科的共同關(guān)注下迅猛地發(fā)展起來(lái)，流量技術(shù)也吸收應(yīng)用了多種多樣的科學(xué)規(guī)律和工藝手段。幾乎對(duì)于任何流體人們都可以想到測(cè)量它的方案。流量監(jiān)控儀就是在這樣的背景下出現(xiàn)在智能儀表大家庭中的。

2流量監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

流量監(jiān)控系統(tǒng)是流量計(jì)的二次儀表，它接收一次儀表、變送器的信號(hào)，進(jìn)行處理和運(yùn)算，并將計(jì)算的結(jié)果由顯示、控制單元進(jìn)行顯示和累積。近年來(lái)生產(chǎn)的工業(yè)流量計(jì)都是由一次儀表、變送裝置及二次儀表構(gòu)成的一個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)。流量顯示控制在流量測(cè)量系統(tǒng)中起著極其重要的作用，從某種意義上講，它的質(zhì)量?jī)?yōu)劣代表了整個(gè)流量計(jì)的質(zhì)量好壞。對(duì)于流動(dòng)波動(dòng)或不斷變化的各種工業(yè)流體介質(zhì)，沒(méi)有高性能、高運(yùn)算精度的流量顯示控制系統(tǒng)，不可能準(zhǔn)確測(cè)量流量。

一個(gè)智能流量監(jiān)控系統(tǒng)就是要充分利用單片機(jī)體積小、功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)并配合一些外圍器件，通過(guò)編制合理的軟件程序完成流量高精度的控制的較先進(jìn)的一種計(jì)量系統(tǒng)。它可以充分利用系統(tǒng)的軟、硬件資源，方便完成高精度的補(bǔ)償運(yùn)算，并根據(jù)配接的流量傳感器類(lèi)型通過(guò)良好的人機(jī)界面完成參數(shù)設(shè)置，調(diào)用不同的數(shù)學(xué)模型完成相應(yīng)的控制。

流量監(jiān)控系統(tǒng)的智能化就是要求這樣的系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)與各種不同的一次儀表配用，可以根據(jù)一次儀表自動(dòng)選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)考慮工況進(jìn)行補(bǔ)償以提高測(cè)量的精度。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路:在控制系統(tǒng)中設(shè)置二級(jí)參數(shù)，二級(jí)參數(shù)的設(shè)置通過(guò)面板上的按鍵完成，系統(tǒng)的顯示和控制要以二級(jí)參數(shù)的設(shè)置自動(dòng)選擇運(yùn)算公式。本文以Philips公司的P89C51RD2HBP微處理器作為核心，構(gòu)成高性能流量監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 流量監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)的測(cè)量

一個(gè)完整的智能測(cè)量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分組成，在流量監(jiān)控中輸入的信號(hào)種類(lèi)比較多，一部分是流量信號(hào)，另一部分則是與流量息息相關(guān)的物理量信號(hào)，例如溫度、壓力等，這些信號(hào)直接影響流量監(jiān)控的精度，特別是氣體流量的測(cè)量。因而，這里著重介紹這些信號(hào)的采集、處理方法以及相應(yīng)的補(bǔ)償分析。

3.1熱電偶測(cè)溫度及補(bǔ)償

由于在流量監(jiān)控中涉及到溫度補(bǔ)償，所以溫度信號(hào)也是儀表的一個(gè)重要輸入信號(hào)。工程上大多采用使用廣泛的熱電偶、熱電阻以及溫度變送器來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量。因而，在系統(tǒng)中就要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

對(duì)于熱電偶的測(cè)量，實(shí)際上是測(cè)量熱電偶輸出的毫伏電壓信號(hào)。通過(guò)熱電偶電壓采集電路將毫伏信號(hào)采入，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，再通過(guò)測(cè)量程序的多次修正，得到熱電偶毫伏電壓信號(hào)的數(shù)值，之后查相應(yīng)的熱電偶分度表，從而得到溫度值。圖2為熱電勢(shì)采集電路。

3.2熱電阻測(cè)溫度及補(bǔ)償

熱電阻測(cè)溫度是利用某些導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化這一性質(zhì)來(lái)做成溫度測(cè)量敏感元件，通常采用的有鉑熱電阻Pt100、銅熱電阻Cu50o這些材料的電阻隨溫度變化而改變，通過(guò)測(cè)量電阻值再根據(jù)阻值和實(shí)際溫度的對(duì)照線性表就可以推算被測(cè)對(duì)象的溫度。這類(lèi)傳感器主要用于低溫和中溫范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。

為了準(zhǔn)確的測(cè)量電阻值，消除引線電阻的影響，我們采用三線法測(cè)量電阻。具體的電路圖如圖3。

3.3變送電壓、電流信號(hào)的測(cè)量

在流量監(jiān)控系統(tǒng)中，由于有變送器輸入的溫度信號(hào)、壓力信號(hào)、差壓信號(hào)、流量信號(hào)等，所以就必須設(shè)計(jì)針對(duì)變送輸入的0-5V和1-5V電壓信號(hào)的測(cè)量以及0-10mA和4-20mA的電流信號(hào)的測(cè)量。

對(duì)于電壓信號(hào)的測(cè)量，因?yàn)槲覀儾捎玫?strong>A/D轉(zhuǎn)換芯片在基準(zhǔn)電壓為0.5V時(shí)，測(cè)量的電壓范圍為0-1 V，所以要先對(duì)大電壓信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的衰減后才能進(jìn)行有效的測(cè)量。我們所用的測(cè)量電路為圖4:

3.4輸入信號(hào)處理

在測(cè)量流量時(shí)，各種傳感器送來(lái)的信號(hào)都要進(jìn)行抗干擾處理，否則將會(huì)被噪聲信號(hào)埋沒(méi)。比如當(dāng)測(cè)量毫伏輸入信號(hào)時(shí)，如果不加處理，那么很小的幾個(gè)毫伏的信號(hào)將會(huì)被埋沒(méi)，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入的信號(hào)幅度也有限制。另外對(duì)電流信號(hào)也不能直接的測(cè)量，要將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后才可以測(cè)量。所有這些都要求對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，因此我們引入了小信?hào)處理電路。還有對(duì)各種信號(hào)的放大倍數(shù)要求也不一樣，我們采用了程序適當(dāng)?shù)目刂圃鲆娴姆椒ā?/p>

由前面的內(nèi)容可以知道，在系統(tǒng)中涉及的信號(hào)類(lèi)型較多，各種信號(hào)范圍各異，由于體積的限制以及考慮到成本，故在多路信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程中，多個(gè)通道共用一個(gè)放大器。信號(hào)經(jīng)放大處理后送至A/D轉(zhuǎn)換器，由于各個(gè)輸入量傳送到放大器的信號(hào)電平不同，放大器的增益也應(yīng)不同。一般情況下，應(yīng)使被轉(zhuǎn)換量的數(shù)值大小落在A/D轉(zhuǎn)換線性特性區(qū)間內(nèi)，并盡可能使模擬量信號(hào)輸入采用小放大倍數(shù)，即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍，自動(dòng)地選擇合適的增益和衰減，以切換到合適的量程。量程自動(dòng)設(shè)置的方法是在采集通道中設(shè)置可變?cè)鲆娣糯笃鳎柚砍剔D(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，控制其通斷，獲得所需的量程。

系統(tǒng)中此處電路的程控放大采用八選一多路模擬開(kāi)關(guān)4051和運(yùn)放OP07組成。多路開(kāi)關(guān)4051用來(lái)改變放大器的增益，根據(jù)輸入信號(hào)的大小，由單片機(jī)控制4051的選通，改變其反饋電阻的大小，從而達(dá)到改變放大器增益的目的，實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。

模擬開(kāi)關(guān)部分4051和運(yùn)放OP07完成將信號(hào)輸入前端測(cè)量的熱電偶、熱電阻、電流、電壓信號(hào)全部轉(zhuǎn)換成0-1V內(nèi)的小電壓信號(hào)。程序自動(dòng)完成對(duì)信號(hào)的識(shí)別后，控制第一片八選一模擬開(kāi)關(guān)4051完成對(duì)送往放大器信號(hào)的選擇，程序通過(guò)對(duì)第二片4051的控制完成對(duì)放大倍數(shù)的選擇。

4 功能電路

信號(hào)的測(cè)量只是流量監(jiān)控的前期工作，要實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)控的智能化就要設(shè)計(jì)功能完整的電路，完成數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)化、根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制處理、參數(shù)設(shè)置及結(jié)果顯示、打印及輸出等。

4.1 系統(tǒng)電源

為了減輕系統(tǒng)硬件重量和體積，同時(shí)綜合考慮系統(tǒng)對(duì)電源的要求，需要雙5V電源供電。對(duì)硬件電路參數(shù)分析，經(jīng)計(jì)算選用+5V(1A)， -5V(200mA)非對(duì)稱(chēng)高頻電源模塊HAW6-220D5F。其轉(zhuǎn)換效率典型值為80%;開(kāi)關(guān)頻率100KHz;具有保護(hù)(過(guò)壓，過(guò)流，過(guò)熱，短路保護(hù))和自恢復(fù)功能。

4.2 打印接口和輸出

另外系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了打印機(jī)接口和輸出接口。打印機(jī)接口采用RS232協(xié)議，可外接一個(gè)微型打印機(jī)。變送輸出采用一般的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832，該芯片與微處理器完全兼容，具有8位分辨率。該芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。采用DAC0832輸出0-l 0mA、4-20mA， 0-5V， 1-5V信號(hào)。當(dāng)需要輸出信號(hào)為電壓信號(hào)時(shí)，可將電流短路環(huán)短接。

4.3鍵盤(pán)與顯示

在流量監(jiān)控系統(tǒng)中由于要顯示的數(shù)據(jù)位數(shù)較多，而單片機(jī)要實(shí)時(shí)的采集和處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，因此顯示不能占用太多單片機(jī)的時(shí)間;同時(shí)系統(tǒng)的參數(shù)輸入需要通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就要求設(shè)計(jì)鍵盤(pán)和顯示電路。系統(tǒng)中采用專(zhuān)門(mén)的顯示驅(qū)動(dòng)電路ZLG7289來(lái)驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管，該芯片同時(shí)也可以接64個(gè)按鍵，如果有鍵按下，那么該芯片會(huì)輸出中斷信號(hào)，訪問(wèn)該芯片則會(huì)得到一個(gè)編碼好的按鍵值，這樣就可以進(jìn)一步可以節(jié)省單片機(jī)查詢(xún)按鍵的時(shí)間，而且為處理按鍵帶來(lái)了極大的方便。

4.4 日歷時(shí)鐘電路

為了使系統(tǒng)能夠記錄發(fā)生的意外事件時(shí)間和打印當(dāng)前時(shí)間下的累積流量和各種補(bǔ)償參數(shù)值，我們?cè)O(shè)計(jì)了時(shí)鐘芯片電路。時(shí)鐘芯片采用Philips公司的PCF8583， PCF8583是內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能日歷/時(shí)鐘芯片，該芯片和單片機(jī)之間采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，另外該芯片提供256字節(jié)的RAM單元。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

在本系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)中，本著模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了模擬信號(hào)采集處理電路，信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換電路，程序下載升級(jí)電路，顯示和鍵盤(pán)電路，日歷時(shí)鐘電路，打印及輸出電路，各個(gè)電路之間自成體系，同時(shí)又相互關(guān)聯(lián)。程序下載電路利用單片機(jī)的ISP特性，使得系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完全擺脫了編程器，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率明顯提高，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本降低。