涡街流量计https://www.doczj.com/doc/002048681.html,
毕业设计说明书（论文）中文摘要
涡街流量计https://www.doczj.com/doc/002048681.html,
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录
前言 (1)
第一章绪论 (2)
1.1设计背景 (2)
1.1.1流量计的发展现状及分类 (4)
1.1.2涡轮流量计的发展与分类 (5)
1.1.3单片机的概述 (6)
1.1.4单片机的发展 (7)
1.1.5单片机的特点 (8)
1.1.6单片机的应用 (9)
第二章控制系统的整体结构及其系统原理 (11)
2.1总体方案设计 (11)
2.2涡轮流量计系统的原理 (12)
2.2.1 涡轮流量计传感器的原理 (12)
2.2.2 涡轮流量计传感器的结构 (12)
第三章数据处理 (15)
3.1测量数据预处理技术 (15)
3.2线性插值算法 (15)
3.2.1 分段插值算法程序的设计方法 (17)
3.2.2插值法在流量测量中的应用 (18)
第四章单片机控制系统硬件设计 (20)
4.1单片机硬件设计 (20)
4.1.1 8031 (20)
4.1.28155 (22)
4.2涡轮流量计传感器的设计 (22)
4.3矩阵式键盘接口技术 (23)
4.48位LED显示器的结构及接口技术 (25)
4.4.1LED显示器的结构 (25)
4.4.2LED显示接口技术 (26)
4.5控制系统中其它硬件 (27)
第五章控制系统软件设计 (29)
5.1LED显示器程序设计 (29)
5.2矩阵式键盘接口程序 (32)
5.3插值法在流量计中的程序设计 (37)
5.4系统主程序 (44)
5.5系统程序总体方案 (47)
第六章结论 (48)
参考文献 (49)
致谢 (50)
附录A程序清单 (51)
附录B元器件清单 (61)
前言
现在流量测量技术和仪表类型繁多，测量对象复杂多样，决定了流量测量仪表在应用技术上的复杂性。至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表.
在工业自动化生产过程中，需要进行物质流量和数量测量的场合随处可见。流量是经常测量和控制的参数，流体流量的测量对于节约能源，防止大气污染集实现生产过程自动化的是必不可少的。
随着生产技术的发展，对流体流量和总量的测量和测试提出了越来越多，越来越高的要求，需要检测的液体的介质也越来越多，为此人们根据不同测量
对象的物理性能，运用不同的物理原理和规律，设计制造了各种类型的流量仪表，并将其应用于工艺流程中配比参数、调节控制、实现工业能源计量。
流量测量是研究物质量变的科学，质和量的互变规律是事物联系与发展的基本规律，因此，其测量对象已不限于传统意义上的管道流体，凡是需要掌握流体流动的地方都有流量测量的问题。
我所做的涡轮流量计单片机控制系统的软硬件设计，课题的重点在于将流量传感器、测量电路和单片机有机的结合起来，然后才能发挥作用。需要我熟悉这些方面的相关知识。在此期间的工作，如调查研究、查阅文献、收集材料、绘图、技术分析、程序设计、组织工作和总结撰写论文和设计说明书，在不同程度上提高了自身的各种能力。
虽然在这次毕业设计过程中我认真对待每个环节，尽自己努力完善各个环节，但由于自己初次设计以及自己水平有限，设计中存在诸多不足之处，敬请各位老师给与批评指正。
第一章绪论
1.1 设计背景
人们对自然界的认识在很大程度上取决于检测和仪表。无论是在工农业生产、科学研究、国防建设领域中，还是在日常生活中都与检测有着密切的关系。具体地说，为了及时了解一个生产过程或实验进展，就必须经常测试能够表征它们特性、状态的各物理参数量，如电压、电流、温度、压力、流量、液位、成分等。对这些参数的大小、变化方向等进行监督和控制，就能使生产过程或实验的工况处于最佳状态，做到安全、经济，最终达到预期的结果。检测技术则是指人们为了定性了解或定量掌握自然现象或状态所从事的一系列技术措施。
仪器仪表是研究实现信息的获取、转换、传输、处理以及根据处理结果对生产系统进行控制的重要工具．过程变量的自动化检测仪表是工业自动化实现的关键．任何控制系统都是从生产过程运行的信息测量开始，因为只有在知道生产过程的状态和工艺参数的条件下才能进行自动控制。随着科学技术的发展，特别是在新材料、新结构的传感器结合高性能微型计算机之后，检测技术有了变革性的进步。这些新技术在检测系统的准确性、快速性、可靠性和抗干扰等方面发挥了明显的作用，大大丰富了检测技术所包含的内容，扩大了检测技术的应用范围，使检测技术发展成为一门内容广泛，并建立在多种学科发展基础上的自动化技术先行学科。
流量是工农业生产过程控制中的重要的测量参数之一，与温度、压力、物位同为热工量。流量测量的意义在于既可以指导生产，同时又是规范工艺操作的需要和进行经济核算的依据。由于流量这个参数受流体的工作条件影响，对其检测有相当的难度。为了满足现代工业中各种不同的场合和各种不同的测量目的，各种流量计量仪表就应运而生。
流量计量是计量科学的重要组成部分之一，它与工农业生产、国防建设、科学研究以及人民生活有密切关系。做好流量计的研究和开发工作，对于保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的意义。特别
是在能源危机、工业生产自动化程度越来越高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。
流量仪表每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。
流量测量技术与仪表的应用大致有以下几个领域。
(1)工业生产过程
流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，它被广泛诮用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具在国民经济中占有重要的地位。在过程自动化仪表与装置中，流量仪表有两大功用：作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。
(2)能源计量
能源分为一次能源（煤炭、原油、煤层气、石油气和天然气）、二次能源（电力、焦炭、人工燃气、成品油、液化石油气、蒸汽）及载能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等。能源计量是科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益的重要手段。流量仪表是能源计量仪表的重要组成部分，水、人工燃气、天然气、蒸汽和油品这些常用的能源都使用着数量极其庞大的流量计，它们是能源管理和经济核算不可缺少的工具。
(3)环境保护工程
烟气，废液、污水等的排放严重污染大气和水资源，严重威胁人类生存环境。国家把可持续发展列为国策，环境保护将是21世纪的最大课题。空气和水的污染要得到控制，必须加强管理，而管理的基础是污染量的定量控制。
我国是以煤为主要能源的国家，全国有上百万个烟囱不停地向大气排放烟气。烟气排放控制是根治污染的重要项目，每个烟囱必须是安装烟气分析仪表和流量计，组成连椟排放监视系统。烟气的流量沆量有很大因难，它的难度为烟囱尺寸大且形状不规则，气体组分变化不定，流速范围大，脏污，灰尘，腐蚀，高温，无直管段等。
(4)交通运输
有五种方式：铁路公路、航空、水运、和管道运输。其中管道运输虽早已有之，但应用并不普遍。随着环保问题的突出，管道运输的特点引起人们的重视。管道貌岸然运输必须装备流量计，它是控制、分配和调度的眼睛，亦是安全监没和经济核算的必备工具。
(5)生物技术
21世纪将迎来生命科学的世纪，以生物技术为特征的产业将获得迅速发展。生物技术中需监测计量的物质很多，如血液，尿液等。仪表开发的难度极大，品种繁多。
(6)科学实验
科学实验需要的流量计不但数量多，且品种极其繁杂。据统计流量计100多种中很大一部分是应科研之需用的，它们并不批量生产，在市面出售，许多科研机构和大企业皆设专门小组研制专用的流量计。
(7)海洋气象，江河湖泊
这些领域为敞开流道，一般需检测流速，然后推算流量。流速计和流量计所依据的物理原理及流体力学基础是共通的但是仪表原理及结构以及使用条件有很大差别。
1.1.1流量计的发展现状及分类
流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量的大小等等。17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管，容积、涡轮及靶式流量计等。20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机动手术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。
我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国
外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代有了新成仪表厂所开发的文丘里管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。至今我国已形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。我国90年代初流量仪表产量估计超过250万台。
流量测量的手段是用流量计，流量计是现代工业测量中重要的仪表之一，为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世，投入使用的类型有上百种。根据其测量方法和结构原理大致分为差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、电磁流量计、涡街流量计、科里奥利质量流量计、超声流量计、插入式流量计和涡轮流量计等等。
1.1.2涡轮流量计的发展与分类
1938年，第一只涡轮流量计在美国问世，发展到今天，已经成为流量测量仪表门类中的一个重要产品系列。涡轮流量计由涡轮流量传感器及与之配套的显示流量的显示仪表两部分构成。它具有测量精度高、重复性好、体积小、重量轻、维修方便、加工零部件少及数字脉冲输出等优点，由它组成的流量测量系统可达国际商业贸易允许的计量误差要求。这种系统的成功应用在国际上已有几十年以上的历史了，在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大型原油输管线首末站都大量采用涡轮流量计进行贸易结算。美国石油学会(API)早己制订了“API2534：用涡轮流量计计量液态烃”的标准，并在世界得到公认。作为贸易结算的计量仪表，主要的国际标准及法制计量组织ISO和OIML以及工业先进国家皆已颁布各种涡轮流量计标准和规范，如ISO 9951、ISO2715、OIML R6、R32、AGAN07、API 2534、JISB 8765、JISB 7501和CEN(欧共体)标准等。我国从60年代开始生产涡轮流量计的产品，现在已成全系列化仪表，亦颁布了有关行业标准、检定规程。
涡轮流量计经过多年的发展，已形成了众多的产品系列，分类方法也很多。按传感器结构分类有：
(1)轴向型(普通型)叶轮轴中心与管道轴线重合，是涡轮流量计的主导产品，有全系列产品(DNlO—DN600)。
(2)切向型叶轮轴与管道轴线垂直，流体流向叶片平面的冲角约90度，
适用于小口径微流量测量。
(3)机械型叶轮的转动直接或经磁耦合带动机械计数机构，指示计算总量，测量精度比电信号检测的传感器稍低，其传感器与显示装置组成一体，方便使用。
(4)井下专用型适用于石油开采井下作业，测量介质有泥浆及油气流等，传感器体积受限制，耐高压、高温及流体冲击等。
(5)自校正双涡轮型可用于天然气等气体流量测量，传感器由主、辅双涡轮组成，可由二涡轮的转速差自动校正流量特性的变化。
(6)广粘度型在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上锥体与下锥体的直径，增加粘度补偿翼及承压叶片等结构措施，使传感器适用于高粘度液体，如重油，粘度可达30mm2／s。
此外，按测量介质分类可以分为液体用涡轮流量计和气体用涡轮流量计；按信号检测方式分类可分为感应式、变磁阻式、笛簧管(干簧管)式、光电式涡轮流量计；按传感器与管道连接方式可分为法兰连接型、螺纹连接型、夹装型涡轮流量计；按流动方向分类可分为单向型和双向型涡轮流量计．
1.1.3单片机的概述
单片机控制是大规模集成电路发展的产物。单片机是把中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。
随着计算机技术的飞速发展和普及，单片机以其体积小、应用灵活、可靠性和性能价格比高等有点、在工业控制、只能仪器仪表、数据采集系统和各种家用电器等诸多领域得到了极为广泛的应用。毕业设计是培养学生综合运用本学科及其他学科的基本理论、专业知识和基本技能，结合实践来提高学生的分析与解决实际问题的能力的重要环节，而对折线流量计的研究不仅要求我们综合前面所学的知识，还要求我们进一步学习更多的有关此类方面的知识。并且流量计在工业中的应用也相当的广泛，然后运用单片机控制，使其具有更好的技术指标，有利于生产，具有实际的社会意义。
单片微型机简称单片机，它是在一片芯片上集成了中央处理部件，存储
器、定时器/计数器和各种输入输出设备等接口部件。单片机是微机发展的一个重要的分支，自问世以来，性能不断地改善和提高，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗小、使用方便、性能可靠、价格便宜等优点，故在工业控制、数据采集和处理、通信系统、家用电器等领域的应用日益广泛。国内虽然起步较晚，但单片机的潜力越来越被人们所重视，尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计算机系统接口、智能化外设等应用领域发展很快。它的应用对于产品升级换代、机电一体化都具有重要的意义在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
随着计算机技术的飞速发展和普及，单片机以其体积小、应用灵活、可靠性和性能价格比高等有点、在工业控制、只能仪器仪表、数据采集系统和各种家用电器等诸多领域得到了极为广泛的应用。毕业设计是培养学生综合运用本学科及其他学科的基本理论、专业知识和基本技能，结合实践来提高学生的分析与解决实际问题的能力的重要环节，而对折线流量计的研究不仅要求我们综合前面所学的知识，还要求我们进一步学习更多的有关此类方面的知识。并且流量计在工业中的应用也相当的广泛，然后运用单片机控制，使其具有更好的技术指标，有利于生产，具有实际的社会意义。
1.1.4单片机的发展
单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。通常所说的单片机都是通用型单片机。
通用型单片机把可开发资源（如ROM、RAM、EPROM、I/O口等）全部提供给使用者。
单片机的发展历史可划分为四个阶段：
第一阶段（1974-1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如仙童公司生产的F8单片机，只包括了8位CPU、64B的RAM和两个并行口。需加一块3851（由1KBROM、定时器/计数器和两个并行I/O口构成）。才能组成一台完整的计算机。
第二阶段（1976-1978 年）：低性能单片机阶段。典型产品是Intel公司制造的MCS-48系列单片机，片内集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等。单无串行口，中断系统比较简单，片内RAM和ROM 容易较小且寻址范围不大于4KB。
第三阶段（1978-1982 年）：高性能单片机阶段。代表性的产品有Intel 公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。片内普通带有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。这类单片机性能价格比高，目前仍被广泛用用，是当今数量较多的单片机机种。
第四阶段（1982-现在）：8位单片机巩固发展及16位、32位单片机推出阶段。16位单片机的典型产品是Intel公司的MCS-96系列单片机，主振位12MHz，片内RAM位232B，ROM为8KB，中断处理为8级，而且片内带有多通道10位A/D转换器和高速输入/输出部件（HIS/HSO），实时处理能力很强。32位单片机除了更高的集成度外，其主振已达20MHz,使32位单片机的数据处理速度比16位单片机增快许多，性能比8位、16位单片机更加优越。
20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速。就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，400多个品种。单片机的产品已占整个微机（包括一般的微型处理器）产品的80%以上，其中8位单片机的产量又已占整个单片机产量的60%以上。这说明8位单片机将在今后若干年后仍是工业检测、控制应用的主角。
1.1.5 单片机的特点
（1）集成度高
在一个芯片上集成了构成一台微型计算机所需要的基本部件，能满足很多应用领域对硬件的功能要求，因此由单片机组成的应用系统结构简单、体积小、功耗低。
（2）控制性能强
单片机是为了满足工业控制而设计的，所以实时控制功能特别强，其CPU 可以对I/O接口直接进行操作，位操作能力更是其他计算机无法比拟的，能有针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务。
（3）可靠性高
单片机的CPU、存储器、I/O接口集成在同一芯片内部，各部件间的连接紧凑，数据在传送时收到的干扰小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性高。
（4）性能价格比高
由于单片机功能强、价格便宜，其应用系统的印制电路板小，所接插件少，安装调试简单，使单片机应用系统的性能价格比高于一般的微型计算机系统
1.1.6单片机的应用
单片机以其卓越的性能、很高的性能价格比，使其在许多领域都得到了广泛应用。利用它可开发便携式智能监测控制仪器。还可以指导它应用于产品的内部，取代部分老式机械、电子零件或元器件，可使产品缩小体积、增强功能，实现不同程度的智能化。这是其他任何计算机机种无法比拟的。单片机的应用领域有以下几个方面：
（1）在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
（2）在工业控制的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工业流水线的智能话管理等。
（3）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
（4）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对
讲机等。
（5）医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
（6）在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
（7）单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
第二章控制系统的整体结构及其系统原理
2.1 总体方案设计
单片机控制系统根据各种传感器、变送器送来的脉冲信号，输入单片机的定时/计数器T0、T1，经过数字滤波后，根据查表求得流量值。总体方案设计如图2-1所示：
图2-1 总体方案设计框图
2.2 涡轮流量计系统的原理
该系统原理就是让流体进入,然后使折线流量计传感器产生的差压信号，利用折线流量计传感器所产生的差压信号，进行放大运算，再通过A/D转换器进入8031单片机。用户的输入信号是何种类型及分度号都由键盘输入。数据经过单片机运算后，通过LED显示器显示出来。
2.2.1 涡轮流量计传感器的原理
涡轮传感器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮传感器的重要特性参数。它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲。不同的仪表有不同的k，并随仪表长期使用的磨损情况而变化。尽管涡轮流量计的设计尺寸相同，但实际加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样，因而每台涡轮传感器的仪表常数k 也不完全一样，它通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的。涡轮传感器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。
2.2.2 涡轮流量计传感器的结构
涡轮流量传感器主要由壳体、导向体、叶轮、轴、轴承、信号检出器及压
紧圈组成，同时还应配有与之相配合的前连接管和后连接管
具体结构如图2-1和图2-2
图2-1 结构主视图
图2-2 整表结构图
1)壳体壳体是传感器的主体部分，它起到承受被测液体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用，壳体采用不导磁不锈钢或硬质合金制造。对于大口径传感器亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构，壳体外壁装信号检出器。
2)导向体在传感器进出口装有导向体，它对流体起导向整流以及支承叶轮的作用，通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。、
3)涡轮亦称叶轮，是传感器的检测部件，它由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片、和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命。信号检出器常用变磁阻式，由永久磁铁、导磁棒(铁芯)、线圈等组成。
永久磁铁对叶片有吸引力，产生磁阻力矩，小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。输入信号有效值在lOmv以上的可直接配用流量计算机，配上放大器则输出伏级频率信号。