基于渦輪流量傳感器的硅油流量計的硬件與軟件設計
點(diǎn)擊次數：1556 發(fā)布時(shí)間：2021-01-19 15:06:07
硅油流量計量屬于計量科學(xué)技術(shù)的一個(gè)分支，也是其中一個(gè)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(xué)研究密切聯(lián)系。在工業(yè)中，硅油流量計量的作用至關(guān)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(guān)。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(shí)時(shí)顯示的瞬時(shí)流量和累積流量，通過(guò)對EEPROM中參數的設置可調整系統測量時(shí)的環(huán)境參數，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，數據存儲模塊，液晶顯示屏模塊以及按鍵模塊組成?？傮w框架如圖1所示。系統初始上電，等待用戶(hù)按鍵選擇，讀寫(xiě)EEPROM中的儀表系數，密度，線(xiàn)性修正參數等具體參數，接收傳感器所傳入的脈沖并對其計數，內部進(jìn)行數據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計算出瞬時(shí)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
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(xiàn)和哈佛結構，功耗低，性能高，并且包含了眾多外設。此外，M3內核還為L(cháng)PC1766提供了一個(gè)能夠降低中斷延時(shí)和實(shí)現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T(mén)TL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(jìn)行電平轉換。本設計中采用sp3232芯片轉換LPC1766串口的TTL電平與上位機串口相連，進(jìn)行RS232通信。TTL到RS232電平轉換電路。注意，RS232電平較高，接通瞬間可能會(huì )產(chǎn)生非常高的瞬時(shí)電涌，這個(gè)電涌電流可能會(huì )擊毀SP3232，所以在使用這個(gè)芯片時(shí)應拔插之前進(jìn)行斷電操作，避免熱拔插。
2.3 數據存儲模塊
EEPROM主要是用來(lái)存儲一些與測量相關(guān)的參數和測量的數據。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(guò)SPI總線(xiàn)和LPC1766相連，對流量測量參數進(jìn)行保存。當系統開(kāi)始運行時(shí)，通過(guò)按鍵向存儲芯片寫(xiě)入相關(guān)的參數，從而保證流量測量結果的正確。這些參數與實(shí)際運行環(huán)境是相關(guān)，通過(guò)重新寫(xiě)入相應參數以適應新的運行環(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(shí)時(shí)顯示硅油流量計所測量的瞬時(shí)流量和累計流量。LCD12864是由128*64個(gè)液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè)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(gè)方面：系統初始化程序，LCD顯示程序，流量測量數據處理，數據存儲程序以及基于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。
系統初始化程序主要用于微處理器各GPIO功能引腳的選擇、系統時(shí)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(shí)現標準的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LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進(jìn)行設置和開(kāi)啟串口中斷。按鍵程序主要作用是為了實(shí)現人機交互功能，本設計主要用了四個(gè)按鍵，分別用于參數設置時(shí)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(guān)，并在一般情況下，有f=Kqv
式中，K為傳感器的儀表系數，并在其測量范圍內，對qv而言，K相當于一個(gè)常數，通常由流量?jì)x表廠(chǎng)商經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗測得并由提供給用戶(hù)直接使用。qv為通過(guò)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。脈沖信號的采集采用兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)用作計數模式用于對脈沖計數，另一個(gè)用作重復定時(shí)器，得到單位時(shí)間內的脈沖數。單位時(shí)間內的脈沖數乘以?xún)x表系數再乘以相應的補償系數，便得到了瞬時(shí)流量。*后，將瞬時(shí)流量累加到累積流量中，并在顯示屏上顯示出來(lái)。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(shí)時(shí)更新流量信息，微處理器與上位機通過(guò)RS232接口以modbus協(xié)議進(jìn)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據如圖4所示。
4 總結
硅油流量計量在**生活的各種方面都有著(zhù)廣泛應用，從工業(yè)農業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)到國防經(jīng)濟和基礎設施建設、從科學(xué)技術(shù)的理論研究到環(huán)境保護，從資源節約到與人民生活中用到的生活資源的計量，都有著(zhù)硅油流量計量的參與。本設計通過(guò)實(shí)現對流量的檢測，可使人們進(jìn)一步提高的利用效率，從而達到節約用的目的。
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，數據存儲模塊，液晶顯示屏模塊以及按鍵模塊組成?？傮w框架如圖1所示。系統初始上電，等待用戶(hù)按鍵選擇，讀寫(xiě)EEPROM中的儀表系數，密度，線(xiàn)性修正參數等具體參數，接收傳感器所傳入的脈沖并對其計數，內部進(jìn)行數據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計算出瞬時(shí)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
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(xiàn)和哈佛結構，功耗低，性能高，并且包含了眾多外設。此外，M3內核還為L(cháng)PC1766提供了一個(gè)能夠降低中斷延時(shí)和實(shí)現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T(mén)TL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(jìn)行電平轉換。本設計中采用sp3232芯片轉換LPC1766串口的TTL電平與上位機串口相連，進(jìn)行RS232通信。TTL到RS232電平轉換電路。注意，RS232電平較高，接通瞬間可能會(huì )產(chǎn)生非常高的瞬時(shí)電涌，這個(gè)電涌電流可能會(huì )擊毀SP3232，所以在使用這個(gè)芯片時(shí)應拔插之前進(jìn)行斷電操作，避免熱拔插。
2.3 數據存儲模塊
EEPROM主要是用來(lái)存儲一些與測量相關(guān)的參數和測量的數據。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(guò)SPI總線(xiàn)和LPC1766相連，對流量測量參數進(jìn)行保存。當系統開(kāi)始運行時(shí)，通過(guò)按鍵向存儲芯片寫(xiě)入相關(guān)的參數，從而保證流量測量結果的正確。這些參數與實(shí)際運行環(huán)境是相關(guān)，通過(guò)重新寫(xiě)入相應參數以適應新的運行環(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(shí)時(shí)顯示硅油流量計所測量的瞬時(shí)流量和累計流量。LCD12864是由128*64個(gè)液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè)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(gè)方面：系統初始化程序，LCD顯示程序，流量測量數據處理，數據存儲程序以及基于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。
系統初始化程序主要用于微處理器各GPIO功能引腳的選擇、系統時(shí)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(shí)現標準的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LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進(jìn)行設置和開(kāi)啟串口中斷。按鍵程序主要作用是為了實(shí)現人機交互功能，本設計主要用了四個(gè)按鍵，分別用于參數設置時(shí)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(guān)，并在一般情況下，有f=Kqv
式中，K為傳感器的儀表系數，并在其測量范圍內，對qv而言，K相當于一個(gè)常數，通常由流量?jì)x表廠(chǎng)商經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗測得并由提供給用戶(hù)直接使用。qv為通過(guò)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。脈沖信號的采集采用兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)用作計數模式用于對脈沖計數，另一個(gè)用作重復定時(shí)器，得到單位時(shí)間內的脈沖數。單位時(shí)間內的脈沖數乘以?xún)x表系數再乘以相應的補償系數，便得到了瞬時(shí)流量。*后，將瞬時(shí)流量累加到累積流量中，并在顯示屏上顯示出來(lái)。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(shí)時(shí)更新流量信息，微處理器與上位機通過(guò)RS232接口以modbus協(xié)議進(jìn)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據如圖4所示。
4 總結
硅油流量計量在**生活的各種方面都有著(zhù)廣泛應用，從工業(yè)農業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)到國防經(jīng)濟和基礎設施建設、從科學(xué)技術(shù)的理論研究到環(huán)境保護，從資源節約到與人民生活中用到的生活資源的計量，都有著(zhù)硅油流量計量的參與。本設計通過(guò)實(shí)現對流量的檢測，可使人們進(jìn)一步提高的利用效率，從而達到節約用的目的。