基于渦輪流量傳感器的硅油流量計的硬件與軟件設計
點擊次數(shù)：1907 發(fā)布時間：2021-01-19 15:06:07
硅油流量計量屬于計量科學技術的一個分支，也是其中一個不可或缺的組成部分，因為它與國民經(jīng)濟、國防建設以及科學研究密切聯(lián)系。在工業(yè)中，硅油流量計量的作用至關重要，因為準確的硅油流量計量與工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率密切相關。本設計主要是基于渦輪流量傳感器的硅油流量計設計，可實時顯示的瞬時流量和累積流量，通過對EEPROM中參數(shù)的設置可調(diào)整系統(tǒng)測量時的環(huán)境參數(shù)，以適應各種不同條件下的流量測量。
1 硅油流量計總體設計
本文所設計的硅油流量計主要由ARM微處理器，串口通信模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，液晶顯示屏模塊以及按鍵模塊組成。總體框架如圖1所示。系統(tǒng)初始上電，等待用戶按鍵選擇，讀寫EEPROM中的儀表系數(shù)，密度，線性修正參數(shù)等具體參數(shù)，接收傳感器所傳入的脈沖并對其計數(shù)，內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理計算出脈沖的頻率，按照傳感器提供的硅油流量計算公式和參數(shù)計算出瞬時流量和累計流量并顯示于LCD12864液晶顯示屏上。
2 硅油流量計硬件設計
2.1 微處理器*小系統(tǒng)
本設計中采用的微處理器為NXP公司的M3系列LPC1766，它具有三級流線和哈佛結構，功耗低，性能高，并且包含了眾多外設。此外，M3內(nèi)核還為LPC1766提供了一個能夠降低中斷延時和實現(xiàn)高效處理中斷的嵌套向量中斷處理器。
2.2 串口通信模塊
單片機串口為TTL電平標準，即+5V和0V分別代表邏輯“1”和“0”。由于TTL和RS232高低電平的邏輯和范圍不同，故這兩種標準串口之間的連接*先應進行電平轉(zhuǎn)換。本設計中采用sp3232芯片轉(zhuǎn)換LPC1766串口的TTL電平與上位機串口相連，進行RS232通信。TTL到RS232電平轉(zhuǎn)換電路。注意，RS232電平較高，接通瞬間可能會產(chǎn)生非常高的瞬時電涌，這個電涌電流可能會擊毀SP3232，所以在使用這個芯片時應拔插之前進行斷電操作，避免熱拔插。
2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊
EEPROM主要是用來存儲一些與測量相關的參數(shù)和測量的數(shù)據(jù)。所選的是串行EEPROM存儲芯片93C66,大小512B，可配置成8位或者16位結構，它通過SPI總線和LPC1766相連，對流量測量參數(shù)進行保存。當系統(tǒng)開始運行時，通過按鍵向存儲芯片寫入相關的參數(shù)，從而保證流量測量結果的正確。這些參數(shù)與實際運行環(huán)境是相關，通過重新寫入相應參數(shù)以適應新的運行環(huán)境。
2.4? LCD液晶顯示模塊
本設計的顯示模塊選擇的是LCD12864,用于實時顯示硅油流量計所測量的瞬時流量和累計流量。LCD12864是由128*64個液晶顯示點組成的一個128列*64行的陣列，自帶中文字庫，既可以顯示字母也可以顯示漢字及圖形。
3 硅油流量計軟件設計
3.1 軟件設計總流程
軟件的總體設計主要包括這幾個方面：系統(tǒng)初始化程序，LCD顯示程序，流量測量數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲程序以及基于modbus協(xié)議的RS232串口通信程序。這里*先介紹軟件設計的總體流程圖，如圖2所示。
系統(tǒng)初始化程序主要用于微處理器各GPIO功能引腳的選擇、系統(tǒng)時鐘配置、中斷初始化及優(yōu)先級配置以及LCD液晶屏初始化。微處理器LPC1766在modbus主從通信協(xié)議中處于從機地位，為了實現(xiàn)標準的modbus協(xié)議，采用了移植freemodbus源代碼的方式。因此串口通信程序所做的只是根據(jù)LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進行設置和開啟串口中斷。按鍵程序主要作用是為了實現(xiàn)人機交互功能，本設計主要用了四個按鍵，分別用于參數(shù)設置時的確認，返回，增大和減小功能。
3.2 流量測量程序
渦輪式流量傳感器輸出脈沖信號的頻率與其流量大小相關，并在一般情況下，有f=Kqv
式中，K為傳感器的儀表系數(shù)，并在其測量范圍內(nèi)，對qv而言，K相當于一個常數(shù)，通常由流量儀表廠商經(jīng)過多次實驗測得并由提供給用戶直接使用。qv為通過傳感器流體的體積流量。由此可以看出，對于流量的測量只須要測量傳感器輸出的脈沖數(shù)。脈沖信號的采集采用兩個定時器，一個用作計數(shù)模式用于對脈沖計數(shù)，另一個用作重復定時器，得到單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)。單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)乘以儀表系數(shù)再乘以相應的補償系數(shù)，便得到了瞬時流量。*后，將瞬時流量累加到累積流量中，并在顯示屏上顯示出來。此程序流程圖如圖3所示。
3.3 液晶屏顯示程序
該程序主要用于實時更新流量信息，微處理器與上位機通過RS232接口以modbus協(xié)議進行通信。*后，該設計液晶屏上所顯示的流量信息與上位機軟件所顯示的數(shù)據(jù)如圖4所示。
4 總結
硅油流量計量在**生活的各種方面都有著廣泛應用，從工業(yè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)到國防經(jīng)濟和基礎設施建設、從科學技術的理論研究到環(huán)境保護，從資源節(jié)約到與人民生活中用到的生活資源的計量，都有著硅油流量計量的參與。本設計通過實現(xiàn)對流量的檢測，可使人們進一步提高的利用效率，從而達到節(jié)約用的目的。
1 硅油流量計總體設計
本文所設計的硅油流量計主要由ARM微處理器，串口通信模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，液晶顯示屏模塊以及按鍵模塊組成。總體框架如圖1所示。系統(tǒng)初始上電，等待用戶按鍵選擇，讀寫EEPROM中的儀表系數(shù)，密度，線性修正參數(shù)等具體參數(shù)，接收傳感器所傳入的脈沖并對其計數(shù)，內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理計算出脈沖的頻率，按照傳感器提供的硅油流量計算公式和參數(shù)計算出瞬時流量和累計流量并顯示于LCD12864液晶顯示屏上。
2 硅油流量計硬件設計
2.1 微處理器*小系統(tǒng)
本設計中采用的微處理器為NXP公司的M3系列LPC1766，它具有三級流線和哈佛結構，功耗低，性能高，并且包含了眾多外設。此外，M3內(nèi)核還為LPC1766提供了一個能夠降低中斷延時和實現(xiàn)高效處理中斷的嵌套向量中斷處理器。
2.2 串口通信模塊
單片機串口為TTL電平標準，即+5V和0V分別代表邏輯“1”和“0”。由于TTL和RS232高低電平的邏輯和范圍不同，故這兩種標準串口之間的連接*先應進行電平轉(zhuǎn)換。本設計中采用sp3232芯片轉(zhuǎn)換LPC1766串口的TTL電平與上位機串口相連，進行RS232通信。TTL到RS232電平轉(zhuǎn)換電路。注意，RS232電平較高，接通瞬間可能會產(chǎn)生非常高的瞬時電涌，這個電涌電流可能會擊毀SP3232，所以在使用這個芯片時應拔插之前進行斷電操作，避免熱拔插。
2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊
EEPROM主要是用來存儲一些與測量相關的參數(shù)和測量的數(shù)據(jù)。所選的是串行EEPROM存儲芯片93C66,大小512B，可配置成8位或者16位結構，它通過SPI總線和LPC1766相連，對流量測量參數(shù)進行保存。當系統(tǒng)開始運行時，通過按鍵向存儲芯片寫入相關的參數(shù)，從而保證流量測量結果的正確。這些參數(shù)與實際運行環(huán)境是相關，通過重新寫入相應參數(shù)以適應新的運行環(huán)境。
2.4? LCD液晶顯示模塊
本設計的顯示模塊選擇的是LCD12864,用于實時顯示硅油流量計所測量的瞬時流量和累計流量。LCD12864是由128*64個液晶顯示點組成的一個128列*64行的陣列，自帶中文字庫，既可以顯示字母也可以顯示漢字及圖形。
3 硅油流量計軟件設計
3.1 軟件設計總流程
軟件的總體設計主要包括這幾個方面：系統(tǒng)初始化程序，LCD顯示程序，流量測量數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲程序以及基于modbus協(xié)議的RS232串口通信程序。這里*先介紹軟件設計的總體流程圖，如圖2所示。
系統(tǒng)初始化程序主要用于微處理器各GPIO功能引腳的選擇、系統(tǒng)時鐘配置、中斷初始化及優(yōu)先級配置以及LCD液晶屏初始化。微處理器LPC1766在modbus主從通信協(xié)議中處于從機地位，為了實現(xiàn)標準的modbus協(xié)議，采用了移植freemodbus源代碼的方式。因此串口通信程序所做的只是根據(jù)LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進行設置和開啟串口中斷。按鍵程序主要作用是為了實現(xiàn)人機交互功能，本設計主要用了四個按鍵，分別用于參數(shù)設置時的確認，返回，增大和減小功能。
3.2 流量測量程序
渦輪式流量傳感器輸出脈沖信號的頻率與其流量大小相關，并在一般情況下，有f=Kqv
式中，K為傳感器的儀表系數(shù)，并在其測量范圍內(nèi)，對qv而言，K相當于一個常數(shù)，通常由流量儀表廠商經(jīng)過多次實驗測得并由提供給用戶直接使用。qv為通過傳感器流體的體積流量。由此可以看出，對于流量的測量只須要測量傳感器輸出的脈沖數(shù)。脈沖信號的采集采用兩個定時器，一個用作計數(shù)模式用于對脈沖計數(shù)，另一個用作重復定時器，得到單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)。單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)乘以儀表系數(shù)再乘以相應的補償系數(shù)，便得到了瞬時流量。*后，將瞬時流量累加到累積流量中，并在顯示屏上顯示出來。此程序流程圖如圖3所示。
3.3 液晶屏顯示程序
該程序主要用于實時更新流量信息，微處理器與上位機通過RS232接口以modbus協(xié)議進行通信。*后，該設計液晶屏上所顯示的流量信息與上位機軟件所顯示的數(shù)據(jù)如圖4所示。
4 總結
硅油流量計量在**生活的各種方面都有著廣泛應用，從工業(yè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)到國防經(jīng)濟和基礎設施建設、從科學技術的理論研究到環(huán)境保護，從資源節(jié)約到與人民生活中用到的生活資源的計量，都有著硅油流量計量的參與。本設計通過實現(xiàn)對流量的檢測，可使人們進一步提高的利用效率，從而達到節(jié)約用的目的。