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基於渦（wō）輪流量傳感器的智能柴油流量計設計
點擊次數：2082 發布時間：2021-01-19 15:35:03
摘要：我國資（zī）源在總（zǒng）量（liàng）上是一個大國，而在人均占有量上卻是一個名副其實的小國（guó）。我國資源總量約占**資源總量的6%。但是我國的（de）人口數量太大（dà），我國人均（jun1）占有量（liàng）隻有**平的1/4，是名副其實的資源貧乏**之一。因（yīn）此，節約用在我國更具有現實意義。節約用（yòng）離不開流量檢測技術的支持，渦輪式的流量測量技術精確度高，可重複性好，且更適於對潔淨的介質進行測（cè）量，廣泛應用於流量測量領域內。基於此，本文提出了基於渦輪流量（liàng）傳感器的智能柴（chái）油流量計設計（jì）。
引言
智能柴油（yóu）流量計，通常指（zhǐ）用（yòng）於進（jìn）行測量管道中的流體流量的一種（zhǒng）儀表。智能柴油（yóu）流量計量（liàng）屬於計量科學技術（shù）的一個分（fèn）支，也是（shì）其中一個不可或缺（quē）的組成部分，因為它與國民經濟、國防建設以及科學研究密（mì）切聯係。在工業中，智能柴油流量計量的作用（yòng）至關重要，因（yīn）為準確的（de）智能柴油流量計量與工業產品質量和生產效率密切相（xiàng）關。本設計主（zhǔ）要是基於渦輪流量傳感器的智能柴油流量（liàng）計設計，可實時顯示的瞬時流量和（hé）累積流量，通過對（duì）EEPROM中參數的設置可調整（zhěng）係統測（cè）量時的環境參數，以（yǐ）適應各種不同條件下的流量測量。
1 智能柴油流量計總體設計
本文所設計的智能柴油流量計主要由ARM微處（chù）理器，串口通信模塊，數（shù）據存（cún）儲模塊（kuài），液晶顯示屏模（mó）塊以及按鍵模塊組成。總體框架如圖1所示。係統初始上電，等待（dài）用戶按鍵選擇，讀（dú）寫EEPROM中的儀表係數，密度，線性修正（zhèng）參數等具體參數，接收傳感（gǎn）器所傳入的脈衝並對其計數（shù），內部進行數據處（chù）理計（jì）算出脈衝的頻率，按照傳感器提供的智（zhì）能柴油流量計（jì）算公式和參數計算出（chū）瞬時流量和累計流量並顯示於LCD12864液晶顯示屏上。
2 智能柴油流量計硬（yìng）件設（shè）計
2.1 微處理器*小係統
本設計中（zhōng）采用的微處理器為NXP公司的M3係列LPC1766，它具有三級流線和哈佛結構，功耗低，性（xìng）能高，並且包（bāo）含了眾多外設（shè）。此外，M3內核還為LPC1766提供了一個能夠降低中斷延時和實現高效處理（lǐ）中斷的嵌套向量中（zhōng）斷處理器。
2.2 串口通信（xìn）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”。由於TTL和RS232高低電平的邏輯和範圍不同，故這兩種（zhǒng）標準串口之間的連（lián）接*先應進（jìn）行電平轉換。本設計中采用sp3232芯片轉（zhuǎn）換LPC1766串口的TTL電平與（yǔ）上位機串口（kǒu）相連，進行（háng）RS232通信。TTL到RS232電平轉換電路。注意，RS232電平較高，接通（tōng）瞬間可能會產生非常高的瞬時電（diàn）湧，這個電（diàn）湧電流可能會擊毀SP3232，所以在（zài）使用這個芯片時應拔插之前進行斷電（diàn）操作，避免熱（rè）拔插。
2.3 數據存（cún）儲模塊
EEPROM主要是用來存儲一些（xiē）與測（cè）量相關的參數和測量的數（shù）據。所選的是串行EEPROM存儲芯片93C66,大小512B，可配（pèi）置成（chéng）8位或者16位結構（gòu），它通過SPI總線和（hé）LPC1766相（xiàng）連，對流量測量參數（shù）進（jìn）行保存。當係統開始運行（háng）時，通過按鍵向存儲芯片寫入相關的參數，從而保證流量測量結（jié）果的（de）正確。這些（xiē）參數與實際運行環境是相關，通過重新寫入（rù）相應參數以適應新的運行環境。
2.4? LCD液晶顯示模塊
本設計的（de）顯示模塊選擇的是LCD12864,用於實時顯示智能柴油流量計所測量（liàng）的瞬時流量（liàng）和（hé）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（xiǎn）示字母也（yě）可以顯示漢字及圖形。
3 智能柴（chái）油流（liú）量計（jì）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麵：係統初始（shǐ）化（huà）程序，LCD顯示程序，流（liú）量測量數據（jù）處理，數據存儲程序以（yǐ）及基於modbus協議的RS232串口通信程序。這裏*先介（jiè）紹軟件設計的總體流程圖，如圖2所示。
係統初（chū）始化程序主要（yào）用於微處理器各GPIO功能引腳的選擇、係統時鍾配置、中斷初始化及優先級配置以及LCD液晶屏（píng）初始化。微處理器LPC1766在modbus主從通信協議中處於從機地位，為（wéi）了實現標準的modbus協議，采用了移植freemodbus源代碼的方式。因此串口通信程序所做的隻是根據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（yòng）是為了實現人機交互功能，本（běn）設計主要用了四個按鍵，分別用於參數設置時的確認，返回，增（zēng）大和減小功（gōng）能。
3.2 流量測量程序
渦輪式流量傳感器輸出脈衝信號的頻率與其流量大（dà）小相關，並在一般（bān）情況下，有f=Kqv
式中，K為傳感器的（de）儀表係（xì）數，並在其測量範圍（wéi）內，對qv而言，K相當於一個常數，通常由流量儀表廠商經過多次實驗測得並由提供（gòng）給用（yòng）戶直接使用。qv為通過傳感器流體的（de）體積（jī）流量。由此可以看出，對於流量的（de）測量隻須要測量傳感器輸出的脈衝數（shù）。脈衝信號的采集采用兩（liǎng）個定時器，一個用作計數模式用於對脈衝計數，另一個用作重複（fù）定時器，得（dé）到（dào）單位（wèi）時間內的脈衝數。單位時間（jiān）內的脈衝數（shù）乘（chéng）以儀表係數再乘以相應的（de）補償係數，便得到了瞬時流量。*後，將瞬時流量累加到累積流量中，並在顯示屏上顯示出來。此程（chéng）序流程圖如圖3所示（shì）。
3.3 液晶屏（píng）顯示（shì）程序
該程序主要用於實時更新流量信息，微處理器與上位機通過RS232接口以modbus協（xié）議進（jìn）行通信。*後，該設計液晶屏上所顯示的流量信息與上位（wèi）機（jī）軟（ruǎn）件所顯示的數據如圖4所（suǒ）示。
4 總結
智能（néng）柴油（yóu）流量（liàng）計量（liàng）在**生活的各種（zhǒng）方（fāng）麵都有（yǒu）著廣泛應用，從工業農業產品生產到國防經（jīng）濟和基（jī）礎（chǔ）設施建設、從科學技術（shù）的理論研究到環境保護，從資源節約到與人民生活中用到的生活資源的計量，都有著智能柴油流量計（jì）量的參與。本設計通過實現對流量的檢測，可使人（rén）們進（jìn）一步提高的利用效率，從而達到節約用的目的。
引言
智能柴油（yóu）流量計，通常指（zhǐ）用（yòng）於進（jìn）行測量管道中的流體流量的一種（zhǒng）儀表。智能柴油（yóu）流量計量（liàng）屬於計量科學技術（shù）的一個分（fèn）支，也是（shì）其中一個不可或缺（quē）的組成部分，因為它與國民經濟、國防建設以及科學研究密（mì）切聯係。在工業中，智能柴油流量計量的作用（yòng）至關重要，因（yīn）為準確的（de）智能柴油流量計量與工業產品質量和生產效率密切相（xiàng）關。本設計主（zhǔ）要是基於渦輪流量傳感器的智能柴油流量（liàng）計設計，可實時顯示的瞬時流量和（hé）累積流量，通過對（duì）EEPROM中參數的設置可調整（zhěng）係統測（cè）量時的環境參數，以（yǐ）適應各種不同條件下的流量測量。
1 智能柴油流量計總體設計
本文所設計的智能柴油流量計主要由ARM微處（chù）理器，串口通信模塊，數（shù）據存（cún）儲模塊（kuài），液晶顯示屏模（mó）塊以及按鍵模塊組成。總體框架如圖1所示。係統初始上電，等待（dài）用戶按鍵選擇，讀（dú）寫EEPROM中的儀表係數，密度，線性修正（zhèng）參數等具體參數，接收傳感（gǎn）器所傳入的脈衝並對其計數（shù），內部進行數據處（chù）理計（jì）算出脈衝的頻率，按照傳感器提供的智（zhì）能柴油流量計（jì）算公式和參數計算出（chū）瞬時流量和累計流量並顯示於LCD12864液晶顯示屏上。
2 智能柴油流量計硬（yìng）件設（shè）計
2.1 微處理器*小係統
本設計中（zhōng）采用的微處理器為NXP公司的M3係列LPC1766，它具有三級流線和哈佛結構，功耗低，性（xìng）能高，並且包（bāo）含了眾多外設（shè）。此外，M3內核還為LPC1766提供了一個能夠降低中斷延時和實現高效處理（lǐ）中斷的嵌套向量中（zhōng）斷處理器。
2.2 串口通信（xìn）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”。由於TTL和RS232高低電平的邏輯和範圍不同，故這兩種（zhǒng）標準串口之間的連（lián）接*先應進（jìn）行電平轉換。本設計中采用sp3232芯片轉（zhuǎn）換LPC1766串口的TTL電平與（yǔ）上位機串口（kǒu）相連，進行（háng）RS232通信。TTL到RS232電平轉換電路。注意，RS232電平較高，接通（tōng）瞬間可能會產生非常高的瞬時電（diàn）湧，這個電（diàn）湧電流可能會擊毀SP3232，所以在（zài）使用這個芯片時應拔插之前進行斷電（diàn）操作，避免熱（rè）拔插。
2.3 數據存（cún）儲模塊
EEPROM主要是用來存儲一些（xiē）與測（cè）量相關的參數和測量的數（shù）據。所選的是串行EEPROM存儲芯片93C66,大小512B，可配（pèi）置成（chéng）8位或者16位結構（gòu），它通過SPI總線和（hé）LPC1766相（xiàng）連，對流量測量參數（shù）進（jìn）行保存。當係統開始運行（háng）時，通過按鍵向存儲芯片寫入相關的參數，從而保證流量測量結（jié）果的（de）正確。這些（xiē）參數與實際運行環境是相關，通過重新寫入（rù）相應參數以適應新的運行環境。
2.4? LCD液晶顯示模塊
本設計的（de）顯示模塊選擇的是LCD12864,用於實時顯示智能柴油流量計所測量（liàng）的瞬時流量（liàng）和（hé）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（xiǎn）示字母也（yě）可以顯示漢字及圖形。
3 智能柴（chái）油流（liú）量計（jì）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麵：係統初始（shǐ）化（huà）程序，LCD顯示程序，流（liú）量測量數據（jù）處理，數據存儲程序以（yǐ）及基於modbus協議的RS232串口通信程序。這裏*先介（jiè）紹軟件設計的總體流程圖，如圖2所示。
係統初（chū）始化程序主要（yào）用於微處理器各GPIO功能引腳的選擇、係統時鍾配置、中斷初始化及優先級配置以及LCD液晶屏（píng）初始化。微處理器LPC1766在modbus主從通信協議中處於從機地位，為（wéi）了實現標準的modbus協議，采用了移植freemodbus源代碼的方式。因此串口通信程序所做的隻是根據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（yòng）是為了實現人機交互功能，本（běn）設計主要用了四個按鍵，分別用於參數設置時的確認，返回，增（zēng）大和減小功（gōng）能。
3.2 流量測量程序
渦輪式流量傳感器輸出脈衝信號的頻率與其流量大（dà）小相關，並在一般（bān）情況下，有f=Kqv
式中，K為傳感器的（de）儀表係（xì）數，並在其測量範圍（wéi）內，對qv而言，K相當於一個常數，通常由流量儀表廠商經過多次實驗測得並由提供（gòng）給用（yòng）戶直接使用。qv為通過傳感器流體的（de）體積（jī）流量。由此可以看出，對於流量的（de）測量隻須要測量傳感器輸出的脈衝數（shù）。脈衝信號的采集采用兩（liǎng）個定時器，一個用作計數模式用於對脈衝計數，另一個用作重複（fù）定時器，得（dé）到（dào）單位（wèi）時間內的脈衝數。單位時間（jiān）內的脈衝數（shù）乘（chéng）以儀表係數再乘以相應的（de）補償係數，便得到了瞬時流量。*後，將瞬時流量累加到累積流量中，並在顯示屏上顯示出來。此程（chéng）序流程圖如圖3所示（shì）。
3.3 液晶屏（píng）顯示（shì）程序
該程序主要用於實時更新流量信息，微處理器與上位機通過RS232接口以modbus協（xié）議進（jìn）行通信。*後，該設計液晶屏上所顯示的流量信息與上位（wèi）機（jī）軟（ruǎn）件所顯示的數據如圖4所（suǒ）示。
4 總結
智能（néng）柴油（yóu）流量（liàng）計量（liàng）在**生活的各種（zhǒng）方（fāng）麵都有（yǒu）著廣泛應用，從工業農業產品生產到國防經（jīng）濟和基（jī）礎（chǔ）設施建設、從科學技術（shù）的理論研究到環境保護，從資源節約到與人民生活中用到的生活資源的計量，都有著智能柴油流量計（jì）量的參與。本設計通過實現對流量的檢測，可使人（rén）們進（jìn）一步提高的利用效率，從而達到節約用的目的。