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1 引言 在工業生產過程中，各種流動介質的計量問題及流量的精確測量己成為當前工業測控系統、能源計量管理等領域的一個重要內容。同時在石油化工、食品醫藥、加工制造等行業也都離不開流量計量問題，于是流量監控就在諸多學科的共同關注下迅猛地發展起來，流量技術也吸收應用了多種多樣的科學規律和工藝手段。幾乎對于任何流體人們都可以想到測量它的方案。流量監控儀就是在這樣的背景下出現在智能儀表大家庭中的。 2 流量監控系統整體方案 流量監控系統是流量計的二次儀表，它接收一次儀表、變送器的信號，進行處理和運算，并將計算的結果由顯示、控制單元進行顯示和累積。近年來生產的工業流量計都是由一次儀表、變送裝置及二次儀表構成的一個流量測量系統。流量顯示控制在流量測量系統中起著極其重要的作用，從某種意義上講，它的質量優劣代表了整個流量計的質量好壞。對于流動波動或不斷變化的各種工業流體介質，沒有高性能、高運算精度的流量顯示控制系統，不可能準確測量流量。 一個智能流量監控系統就是要充分利用單片機體積小、功能強大、價格便宜、可靠性高等優點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的一種計量系統。它可以充分利用系統的軟、硬件資源，方便完成高精度的補償運算，并根據配接的流量傳感器類型通過良好的人機界面完成參數設置，調用不同的數學模型完成相應的控制。 流量監控系統的智能化就是要求這樣的系統容易實現與各種不同的一次儀表配用，可以根據一次儀表自動選擇相應的數學模型進行運算，同時考慮工況進行補償以提高測量的精度。系統的整體設計思路:在控制系統中設置二級參數，二級參數的設置通過面板上的按鍵完成，系統的顯示和控制要以二級參數的設置自動選擇運算公式。本文以Philips公司的P89C51RD2HBP微處理器作為核心，構成高性能流量監控系統，其系統組成如圖1所示。 3 流量監控系統信號的測量 一個完整的智能測量系統包括硬件和軟件兩部分組成，在流量監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的物理量信號，例如溫度、壓力等，這些信號直接影響流量監控的精度，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、處理方法以及相應的補償分析。 3.1 熱電偶測溫度及補償 由于在流量監控中涉及到溫度補償，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行溫度的測量。因而，在系統中就要對這些信號進行相應的處理。 對于熱電偶的測量，實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，經過A/D轉換后，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值，之后查相應的熱電偶分度表，從而得到溫度值。圖2為熱電勢采集電路。 3.2 熱電阻測溫度及補償 熱電阻測溫度是利用某些導體或半導體材料的電阻值隨溫度變化這一性質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阻值和實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的溫度測量。 為了準確的測量電阻值，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 在流量監控系統中，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，所以就必須設計針對變送輸入的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，因為我們采用的A/D轉換芯片在基準電壓為0.5V時，測量的電壓范圍為0-1 V，所以要先對大電壓信號進行相應的衰減后才能進行有效的測量。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，各種傳感器送來的信號都要進行抗干擾處理，否則將會被噪聲信號埋沒。比如當測量毫伏輸入信號時，如果不加處理，那么很小的幾個毫伏的信號將會被埋沒，因為A/D轉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行適當的處理，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要求也不一樣，我們采用了程序適當的控制增益的方法。 由前面的內容可以知道，在系統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。信號經放大處理后送至A/D轉換器，由于各個輸入量傳送到放大器的信號電平不同，放大器的增益也應不同。一般情況下，應使被轉換量的數值大小落在A/D轉換線性特性區間內，并盡可能使模擬量信號輸入采用小放大倍數，即根據未知參數量值的范圍，自動地選擇合適的增益和衰減，以切換到合適的量程。量程自動設置的方法是在采集通道中設置可變增益放大器，借助量程轉換開關，控制其通斷，獲得所需的量程。 系統中此處電路的程控放大采用八選一多路模擬開關4051和運放OP07組成。多路開關4051用來改變放大器的增益，根據輸入信號的大小，由單片機控制4051的選通，改變其反饋電阻的大小，從而達到改變放大器增益的目的，實現量程的自動切換。 模擬開關部分4051和運放OP07完成將信號輸入前端測量的熱電偶、熱電阻、電流、電壓信號全部轉換成0-1V內的小電壓信號。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的選擇。 4 功能電路 信號的測量只是流量監控的前期工作，要實現流量監控的智能化就要設計功能完整的電路，完成數據A/D轉化、根據數學模型進行控制處理、參數設置及結果顯示、打印及輸出等。 4.1 系統電源 為了減輕系統硬件重量和體積，同時綜合考慮系統對電源的要求，需要雙5V電源供電。對硬件電路參數分析，經計算選用+5V(1A)， -5V(200mA)非對稱高頻電源模塊HAW6-220D5F。其轉換效率典型值為80%;開關頻率100KHz;具有保護(過壓，過流，過熱，短路保護)和自恢復功能。 4.2 打印接口和輸出 另外系統根據設計要求設計了打印機接口和輸出接口。打印機接口采用RS232協議，可外接一個微型打印機。變送輸出采用一般的數模轉換器DAC0832，該芯片與微處理器完全兼容，具有8位分辨率。該芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優點而應用廣泛。采用DAC0832輸出0-l 0mA、4-20mA， 0-5V， 1-5V信號。當需要輸出信號為電壓信號時，可將電流短路環短接。 4.3鍵盤與顯示 在流量監控系統中由于要顯示的數據位數較多，而單片機要實時的采集和處理現場數據，因此顯示不能占用太多單片機的時間;同時系統的參數輸入需要通過按鍵來實現，這就要求設計鍵盤和顯示電路。系統中采用專門的顯示驅動電路ZLG7289來驅動共陰極數碼管，該芯片同時也可以接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，這樣就可以進一步可以節省單片機查詢按鍵的時間，而且為處理按鍵帶來了極大的方便。 4.4 日歷時鐘電路 為了使系統能夠記錄發生的意外事件時間和打印當前時間下的累積流量和各種補償參數值，我們設計了時鐘芯片電路。時鐘芯片采用Philips公司的PCF8583， PCF8583是內含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能日歷/時鐘芯片，該芯片和單片機之間采用串行方式傳輸數據，另外該芯片提供256字節的RAM單元。 本文作者創新點: 在本系統的硬件電路的設計中，本著模塊化的設計思想，設計了模擬信號采集處理電路，信號A/D轉換電路，程序下載升級電路，顯示和鍵盤電路，日歷時鐘電路，打印及輸出電路，各個電路之間自成體系，同時又相互關聯。程序下載電路利用單片機的ISP特性，使得系統開發完全擺脫了編程器，系統開發效率明顯提高，系統開發成本降低。 |
