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并配以小鍵盤構(gòu)成的便捷人機(jī)對話接口;輔以打印輸出、數(shù)據(jù)存儲、開關(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。

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，各種流動介質(zhì)的計(jì)量問題及流量的精確測量己成為當(dāng)前工業(yè)測控系統(tǒng)、能源計(jì)量管理等領(lǐng)域的一個重要內(nèi)容。同時(shí)在石油化工、食品醫(yī)藥、加工制造等行業(yè)也都離不開流量計(jì)量問題，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，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。幾乎對于任何流體人們都可以想到測量它的方案。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，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)成的一個流量測量系統(tǒng)。流量顯示控制在流量測量系統(tǒng)中起著極其重要的作用，從某種意義上講，它的質(zhì)量優(yōu)劣代表了整個流量計(jì)的質(zhì)量好壞。對于流動波動或不斷變化的各種工業(yè)流體介質(zhì)，沒有高性能、高運(yùn)算精度的流量顯示控制系統(tǒng)，不可能準(zhǔn)確測量流量。

一個智能流量監(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型通過良好的人機(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)置二級參數(shù)，二級參數(shù)的設(shè)置通過面板上的按鍵完成，系統(tǒng)的顯示和控制要以二級參數(shù)的設(shè)置自動選擇運(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)信號的測量

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

3.1熱電偶測溫度及補(bǔ)償

由于在流量監(jiān)控中涉及到溫度補(bǔ)償，所以溫度信號也是儀表的一個重要輸入信號。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進(jìn)行溫度的測量。因而，在系統(tǒng)中就要對這些信號進(jìn)行相應(yīng)的處理。

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

3.2熱電阻測溫度及補(bǔ)償

熱電阻測溫度是利用某些導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化這一性質(zhì)來做成溫度測量敏感元件，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，通過測量電阻值再根據(jù)阻值和實(shí)際溫度的對照線性表就可以推算被測對象的溫度。這類傳感器主要用于低溫和中溫范圍內(nèi)的溫度測量。

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

3.3變送電壓、電流信號的測量

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

對于電壓信號的測量，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)，測量的電壓范圍為0-1 V，所以要先對大電壓信號進(jìn)行相應(yīng)的衰減后才能進(jìn)行有效的測量。我們所用的測量電路為圖4:

3.4輸入信號處理

在測量流量時(shí)，各種傳感器送來的信號都要進(jìn)行抗干擾處理，否則將會被噪聲信號埋沒。比如當(dāng)測量毫伏輸入信號時(shí)，如果不加處理，那么很小的幾個毫伏的信號將會被埋沒，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器對輸入的信號幅度也有限制。另外對電流信號也不能直接的測量，要將其轉(zhuǎn)換為電壓信號后才可以測量。所有這些都要求對輸入信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，因此我們引入了小信號處理電路。還有對各種信號的放大倍數(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)中涉及的信號類型較多，各種信號范圍各異，由于體積的限制以及考慮到成本，故在多路信號的檢測過程中，多個通道共用一個放大器。信號經(jīng)放大處理后送至A/D轉(zhuǎn)換器，由于各個輸入量傳送到放大器的信號電平不同，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，自動地選擇合適的增益和衰減，以切換到合適的量程。量程自動設(shè)置的方法是在采集通道中設(shè)置可變增益放大器，借助量程轉(zhuǎn)換開關(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關(guān)4051和運(yùn)放OP07組成。多路開關(guān)4051用來改變放大器的增益，根據(jù)輸入信號的大小，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)量程的自動切換。

模擬開關(guān)部分4051和運(yùn)放OP07完成將信號輸入前端測量的熱電偶、熱電阻、電流、電壓信號全部轉(zhuǎn)換成0-1V內(nèi)的小電壓信號。程序自動完成對信號的識別后，控制第一片八選一模擬開關(guān)4051完成對送往放大器信號的選擇，程序通過對第二片4051的控制完成對放大倍數(shù)的選擇。

4 功能電路

信號的測量只是流量監(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)對電源的要求，需要雙5V電源供電。對硬件電路參數(shù)分析，經(jīng)計(jì)算選用+5V(1A)， -5V(200mA)非對稱高頻電源模塊HAW6-220D5F。其轉(zhuǎn)換效率典型值為80%;開關(guān)頻率100KHz;具有保護(hù)(過壓，過流，過熱，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。當(dāng)需要輸出信號為電壓信號時(shí)，可將電流短路環(huán)短接。

4.3鍵盤與顯示

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)輸入需要通過按鍵來實(shí)現(xiàn)，這就要求設(shè)計(jì)鍵盤和顯示電路。系統(tǒng)中采用專門的顯示驅(qū)動電路ZLG7289來驅(qū)動共陰極數(shù)碼管，該芯片同時(shí)也可以接64個按鍵，如果有鍵按下，那么該芯片會輸出中斷信號，訪問該芯片則會得到一個編碼好的按鍵值，這樣就可以進(jìn)一步可以節(jié)省單片機(jī)查詢按鍵的時(shí)間，而且為處理按鍵帶來了極大的方便。

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，我們設(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)了模擬信號采集處理電路，信號A/D轉(zhuǎn)換電路，程序下載升級電路，顯示和鍵盤電路，日歷時(shí)鐘電路，打印及輸出電路，各個電路之間自成體系，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)開發(fā)完全擺脫了編程器，系統(tǒng)開發(fā)效率明顯提高，系統(tǒng)開發(fā)成本降低。