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智能化渦街流量計測量系統(tǒng)

放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2007-10-20  作者:韓麗 王式民 歸柯庭  瀏覽次數(shù):286
核心提示:摘要介紹一種通過鍵盤輸入系數(shù)修正渦街流量計非線性的方法。用MCS-51單片機進行數(shù)據(jù)處理和檢測,并討論在以8031單片機為微處理器的智能化儀表中采用一片8155實現(xiàn)智能儀表鍵盤/顯示器及打印機接口的最小化硬件設計技術。主題詞渦街流量非線性修正最小化硬件接口AbstractA
摘 要 介紹一種通過鍵盤輸入系數(shù)修正渦街流量計非線性的方法。用MCS-51單片機進行數(shù)據(jù)處理和檢測,并討論在以8031單片機為微處理器的智能化儀表中采用一片8155實現(xiàn)智能儀表鍵盤/顯示器及打印機接口的最小化硬件設計技術。
  主題詞 渦街 流量 非線性修正 最小化硬件接口
  Abstract A method of modifying the nonlinearity of vortex-shedding meter by keying in factors is introduced. Monolithic processor MCS-51 can be used for data processing and detecting and one-chip processor 8155 can be applied to intelligent instruments with chip microprocessor 8031 for minimized hardware design for interfacing of keyboard/display and printer.
  Subject Headings Vortex, Flow, Nonlinear modification, Minimized hardware interface


前  言


  在石油、化工等生產(chǎn)過程中,對管道內(nèi)液體和氣體的流量進行測量和控制是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分。渦街流量計具有量程寬,無可動部件,運行可靠,維護簡單,壓力損失小,具有一定的計量精度等優(yōu)點。[1]特別是在很寬的范圍內(nèi),它的測量與介質(zhì)的密度、粘度等物性參數(shù)無關,因而受到普遍歡迎。本文介紹應用MCS一51單片機設計的智能渦街流量計,對渦街流量計固有的非線性進行修正,并具有顯示、打印、檢測參數(shù)的種類以及數(shù)據(jù)處理等功能,從而拓寬了渦街流量計的應用范圍。


工作原理


  渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計。即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體),就會在其下流兩側產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦即卡門渦街,其漩渦頻率正比于來流速度:[2]
                F=Stu/d                       (1)
式中 F—渦街頻率
   d—漩渦發(fā)生體寬度
   u—來流速度
   St—斯特勞哈爾數(shù)
  St的值與漩渦發(fā)生體寬度d和雷諾數(shù)Re有關。當雷諾數(shù)Re<2×104情況下,St為變數(shù):當Re在2×104~7×106的范圍內(nèi),St值基本上保持不變,這段范圍為流量計的基本測量范圍。
  式(1)表明,當d和St為定值時,漩渦產(chǎn)生的頻率F與流體的平均流速u成正比,利用這一特性制成了渦街流量計。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速,而大約是漩渦發(fā)生體兩側的流速。[3]對于湍流狀態(tài),不同的雷諾數(shù)下,流速分布規(guī)律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布,進而說明了渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側的流速與管道平均流速的關系不是唯一確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。在實際使用時,先繪出傳感器的儀表系數(shù)與頻率的試驗曲線f (F)。
              K= f (F)=KG(F)                     ?。?)
  式中G(F)是同一口徑的各臺儀表相同的曲線形狀(僅是位移不同)。K是平均儀表系數(shù)。在本文應用MCS一51單片機的智能渦街流量計中,通過將試驗曲線形狀G(F)事先固化于流量計的EPROM中,和讓用戶結合現(xiàn)場具體工況通過鍵盤輸入K的值,實現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。


硬件設計


  圖1是系統(tǒng)的硬件原理框圖。


圖1 硬件原理框圖


  根據(jù)設計要求,單片機應用系統(tǒng)[4]包括:(1)接受變送器送來的與流量成正比的脈沖,并對其定時、計數(shù)的電路;(2)顯示器,鍵盤,打印機接口電路;(3)外部存儲器的擴展電路;主要電路介紹如下:

1 鍵盤/顯示器及打印機接口[5]

  為使接口硬件盡可能少,設計時,僅用一片8155I/O接口芯片完成智能化儀表的鍵盤輸入,LED輸出和打印機輸出的接口任務。將8155的PC口用作顯示自選通和鍵盤掃描輸出,PB口用作顯示字段及小數(shù)點的輸出,8031外部中斷INTO用作鍵盤響應輸入,PA口用作外接打印機的輸出。如圖2所示。


圖2 鍵盤/顯示器及打印機接口電路


  (1)顯示器接口設計

  設計6位LED顯示器作為儀表的顯示輸出。8155的PB口定義為輸出口,其中低四位PB0~PB3輸出顯示數(shù)據(jù)的BCD碼,并經(jīng)74LS249 BCD譯碼器譯碼后送LED的段碼端,PB4作為測量結果的小數(shù)點位經(jīng)驅(qū)動器后接LED的小數(shù)點發(fā)光段;PB5作為極性控制位單獨控制一個發(fā)光二極管以顯示測量結果的正負。8155的PC口定義為輸出口,PC0~PC5分別控制6位LED的位選通,實現(xiàn)動態(tài)掃描方式顯示。

  (2)鍵盤接口設計

  在圖2所示的鍵盤接口中,由6個鍵組成鍵盤。8031用外部中斷INTO作為鍵盤狀態(tài)輸出。在6個鍵中,其中兩個鍵定義為"加一鍵"和"減一鍵"。另外4個鍵分別為打印鍵,編程鍵,選項鍵以及復位鍵。按下編程鍵后,進入編程狀態(tài),用戶輸入平均儀表系數(shù)。選項鍵用來確定顯示那種流量表達方式(如體積流量、質(zhì)量流量等),鍵盤的列掃描信號來自于PC口輸出的LED位選通信號:鍵盤的行輸入信號由鍵盤是否閉合得到。沒鍵按下,鍵狀態(tài)為開,INTO位高電平,中斷不被觸發(fā);若有鍵按下,鍵狀態(tài)為閉,INTO由高點平變?yōu)榈碗娖?,中斷由信號下降沿觸發(fā),從而向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應中斷后讀取PC口的輸出狀態(tài),判斷PC0~PC5輸出的低電平為即可完成鍵掃描和鍵識別。

  (3)打印機接口設計

  采用GP一16通用智能微型打印機,自帶8039單片機。它可以把8031送來的數(shù)據(jù)以字符串、數(shù)據(jù)或圖形三種方式打印出來;它與儀表的接口設計如圖2所示,它的8根雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線D0~D7直接與8155的PA0~PA7相連,片選信號CS與8155的片選信號公用單片機系統(tǒng)譯碼器輸出的端口地址Y7,WR和RD直接與8031的WR,RD相連,其硬件設計非常簡單。

2 外部存儲器的擴展

  (1)程序存儲器EPROM的擴展

  由于8031片內(nèi)沒有EPROM,故8031單片機需要外擴一片EPROM2764(8K字節(jié))。在P0口送出的低8位地址時,地址由信號ALE的下降沿控制鎖存到鎖存器中,高5位由P2.0~P2.4提供,鎖存器采用74LS373鎖存器,控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。

  (2)數(shù)據(jù)存儲器的擴展

  MCS一51單片機內(nèi)RAM為128個字節(jié),因其容量不能滿足設計要求,故本機擴展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。本機外擴展的RAM和EPROM電路如圖3所示:


圖3 外部存儲器擴展


  從圖中可以看出EPROM2764與RAM6264的地址范圍是相同的,但是它們的控制信號是不一樣的。2764的選通信號是PSEN,而6264的讀入或?qū)懭胧强縍D或WR型號控制,所以不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突問題。


軟件設計[6]


  本機軟件采用模塊結構,其4個主要部分分別如下。

1 主程序

  主程序為本儀器的監(jiān)測程序。在程序運行中,必須首先對系統(tǒng)進行初始化,清各工作單元,置計數(shù)器及標志位初值,自檢指示燈,開中斷,啟動計數(shù)器等工作。儀器采用微型鍵盤和LED指示燈相配合,使儀器的各種功能清晰有序。
  鍵盤子程序包括:掃描鍵盤子程序。其功能是尋找是否有鍵按下,輸入鍵值程序;鍵值掃描程序;表驅(qū)動程序;通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序的功能是根據(jù)按鍵的位置一行行的掃描。表驅(qū)動程序是判斷按鍵是哪種功能鍵。通用顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)中的字碼轉(zhuǎn)換成段碼送入顯示器中,顯示各種字型。幾乎所有程序中都要用到這一程序,因此稱之為通用顯示子程序,以便與顯示功能塊相區(qū)別。

2 中斷服務程序

  儀器的測量、轉(zhuǎn)換等程序均通過中斷方式同主程序相連,單片機內(nèi)的兩個定時器計數(shù)器作為閘門使用。因為流量頻率的測量很重要,所以定時器TO被用來測評,并定為高級中斷。測量測頻中斷服務子程序流程圖如圖4所示。

3 功能塊程序

  儀器通過鍵盤輸入命令,可隨時得到用戶所需的結果,這就要用到功能程序塊。功能程序塊包括:顯示、打印、清零等功能塊。顯示功能塊的作用是根據(jù)用戶的需要轉(zhuǎn)入相應的入口參數(shù),再經(jīng)過碼之轉(zhuǎn)換,送至顯示緩沖區(qū)中。打印程序包括打印質(zhì)量流量及體積流量、瞬時流量及累計流量。

4 使用計算子程序主要包括計算流量的程序

  采用的是浮點制運算子程序,這些運算子程序可直接調(diào)用。


結  論


  采用上述設計的智能化渦街流量計,可讓用戶結合現(xiàn)場具體工況,通過鍵盤方便地輸入校正系數(shù),完成了對渦街流量計非線性修正,拓寬了渦街流量計的應用范圍。


圖4 TO的中斷子程序框圖


參 考 文 獻


1 戴昌輝 流體流動測量 北京:航空工業(yè)出版社,1991
2 朱德祥 流量儀表原理和應用 南京:華東華工學院出版社,1992
3 王超等 高精度智能化渦街流量變送器的研究 儀器儀表學報,2000,8
4 徐愛鈞 智能化測量控制儀表原理與設計 北京:北京航空航天大學出版社,1995
5 駱德漢 智能化儀表鍵盤/顯示器設計技術 自動化與儀表,1990,3
6 何立民 單片機應用文集 北京:北京航空航天大學出版社,1991

 
 
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