基于單片機(jī)的液體流量控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2912基于單片機(jī)的液體流量控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1153331.1液體流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 147751.2主控制電路 1148771.2.1AT89C51單片機(jī) 2211121.2.2流量測(cè)量模塊 3264661.2.3流量控制模塊 6123271.3顯示電路 869091.4蜂鳴器電路 9143291.5按鍵電路 94451.6測(cè)量電路 10221951.7復(fù)位電路 10173441.8時(shí)鐘電路 111.1液體流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)液體的流速由流量傳感器收集，并將流量信息傳送給宏處理器。宏處理器分析通過系統(tǒng)軟件的控制輸入的數(shù)據(jù)，向外部輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)LED顯示。在LED數(shù)字管上顯示動(dòng)態(tài)流量的同時(shí)，在流量超過設(shè)定的上下限范圍的情況下，在警報(bào)電路中產(chǎn)生聲光警報(bào)信號(hào)，流量不在正常范圍內(nèi)，進(jìn)行相應(yīng)的控制。系統(tǒng)軟件主要包含主程序、顯示程序等主程序啟動(dòng)的子程序。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，子例程實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的具體功能。1.2主控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示：按鍵電源單片機(jī)LCD顯示、蜂鳴按鍵電源單片機(jī)LCD顯示、蜂鳴復(fù)位電路時(shí)鐘電路流量傳感器報(bào)警電路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1.2.1AT89C51單片機(jī)在本設(shè)計(jì)中，宏處理器作為整體液體流量控制的中央處理器，是儀表整體的核心部分。綜合考慮宏處理器的運(yùn)算能力、控制能力、數(shù)據(jù)收集能力、高速緩存能力、消耗功率等。經(jīng)過篩選，ATMEL的AT89C51單片機(jī)從多個(gè)候選類型中挑選出，并被確定為液體流量控制系統(tǒng)的中央處理器。AT89C51單片機(jī)價(jià)格相對(duì)較高，在電子行業(yè)中，該單片機(jī)具有很廣泛的應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，完全滿足液體流量控制器的數(shù)據(jù)收集和控制的需要，AT89C51具有足夠的內(nèi)外部中斷和高精度的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，滿足對(duì)液體流量控制精度的要求。圖1.2.1AT89C51引腳圖端口引腳功能特性P1.0RXD（串行輸入口）P1.1TXD（串行輸出口）P1.2INTO（外中斷0）P1.3INT1（外中斷1）P1.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入口）P1.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部輸入口）P1.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P1.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）XTAL1內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入及反向振蕩放大器的輸入XTAL2來自反向振蕩器的輸出VCC/GND供電電源AT89C51結(jié)構(gòu)框圖如圖1.6所示：圖1.2.2AT89C51結(jié)構(gòu)框圖1.2.2流量測(cè)量模塊根據(jù)本文提出的流量計(jì)選擇原則，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液體流量檢測(cè)常用流量計(jì)的選擇情況進(jìn)行了調(diào)查。本設(shè)計(jì)使用最具代表性的渦輪流量計(jì)作為液體體積流量測(cè)量的直接儀器。渦輪流量計(jì)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的速度流量計(jì)。從機(jī)械構(gòu)造來說，渦輪流量計(jì)的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，體積小，便于安裝和維護(hù)。從使用性能來說，渦輪流量計(jì)的測(cè)量范圍很大，一般范圍比達(dá)到1:10?？梢酝瑫r(shí)擁有高精度等級(jí)和高重復(fù)性等級(jí)。一般來說，渦輪流量計(jì)在對(duì)低粘度純凈液體流量測(cè)量時(shí)可得到最佳性能。為了更加深入地理解渦輪流量計(jì)的工作原理和不確定度影響因素，以實(shí)現(xiàn)渦輪流量計(jì)合理準(zhǔn)確地使用，首先從機(jī)械結(jié)構(gòu)去了解渦輪流量計(jì)。渦輪流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖1.2.3渦輪流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖根據(jù)這個(gè)，在設(shè)置渦輪流量計(jì)的時(shí)候，可以知道為什么需要長(zhǎng)短范圍的長(zhǎng)度。只有正確地在管道中設(shè)置渦輪流量計(jì)，渦輪流量計(jì)的螺旋槳才能在流體進(jìn)入時(shí)正確地旋轉(zhuǎn)。安裝在渦輪流量計(jì)殼體上的傳感器產(chǎn)生電磁場(chǎng)。由導(dǎo)磁性材料制成的葉輪在旋轉(zhuǎn)期間切斷電磁磁力線，改變傳感器線圈的磁通量，經(jīng)過傳感器中的電路的接收、變換、放大、整形，向外部輸出基于TTL電平的連續(xù)脈沖信號(hào)。傳感器線圈磁通量的變化頻率與葉輪轉(zhuǎn)速和葉輪數(shù)有關(guān)，所以葉輪轉(zhuǎn)速與液體流量有關(guān)。以此方式，將連續(xù)脈沖信號(hào)與單片機(jī)相關(guān)聯(lián)。工作時(shí)，單片機(jī)接收基于從渦輪流量計(jì)傳送的TTL電平的連續(xù)脈沖信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的脈沖計(jì)數(shù)。在外部時(shí)鐘的正確定時(shí)可以得到脈沖頻率值。渦輪流量計(jì)在出廠前在常溫下測(cè)量水介質(zhì)的儀表系數(shù)。計(jì)量器系數(shù)是通過渦輪流量計(jì)單位的體積液體產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)。脈沖頻率和渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)可以通過渦輪流量計(jì)計(jì)算液體的瞬時(shí)體積流量。如果要完成整個(gè)生產(chǎn)所記錄的脈沖總數(shù)計(jì)算，則可獲得液體的累計(jì)流量。渦輪流量計(jì)液體的瞬時(shí)體積流量具體可按公式計(jì)算：Qv=f/K其中：Qv——渦輪流量計(jì)測(cè)得的液體瞬時(shí)體積流量，m3/h；f——渦輪流量計(jì)測(cè)得的脈沖頻率；K——渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)，（m3）-1或L-1。在生產(chǎn)生活中，一般以質(zhì)量流量為基準(zhǔn)。因此，取得體積流量后，需要進(jìn)一步計(jì)算。通過公式可以得到液體的質(zhì)量流量：Qm=pQv其中：Qm——渦輪流量計(jì)測(cè)得的液體瞬時(shí)質(zhì)量流量，t/h；p——工況條件下液體的密度，kg/m3。一般來說，基于渦輪流量計(jì)輸出的TTL電平的連續(xù)脈沖信號(hào)已經(jīng)處理完畢，考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜情況，液體流量控制可能無法安裝在渦輪流量計(jì)的相對(duì)接近位置。為了消除長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸時(shí)的攝動(dòng)，如圖所示，示出了帶有光電分離的渦輪流量計(jì)流量測(cè)量電路的原理圖。圖1.2.2渦輪流量計(jì)測(cè)量電路原理圖使用渦輪流量計(jì)時(shí)，必須在范圍內(nèi)使用。否則儀表的系數(shù)會(huì)有很大的變化。如圖所示，顯示了渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)和流量的關(guān)系曲線。渦輪流量計(jì)K-qv特性曲線可以看出，發(fā)現(xiàn)液體在管中流動(dòng)，根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)分為兩個(gè)區(qū)域：層流區(qū)域和湍流區(qū)域。在層流區(qū)域，流量越大，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)越大。在湍流區(qū)域，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)基本保持穩(wěn)定值。在層流區(qū)域和湍流區(qū)域的邊界點(diǎn)，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)在此顯示峰值。1.2.3流量控制模塊根據(jù)本文所給出的流量計(jì)選型原則，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液體流量檢測(cè)常用流量計(jì)的選擇情況。在液體流量控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用能夠根據(jù)控制信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門。（1）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥時(shí)要依靠一系列的技術(shù)參數(shù)，最基本的技術(shù)參數(shù)包括：型號(hào)、口徑、壓力和連接方式等。主要的技術(shù)參數(shù)有：工作電壓、控制信號(hào)型式和介質(zhì)類型與溫度等。在本文設(shè)計(jì)的液體流量控制系統(tǒng)中，最終選擇上海萬訊儀表有限公司生產(chǎn)的QSTP型號(hào)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，口徑為20mm，螺紋連接型式。能對(duì)蒸汽或冷熱水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，廣泛應(yīng)用于水處理、采暖、中央空調(diào)、工業(yè)加工業(yè)等系統(tǒng)的流體控制。其特點(diǎn)包括：①執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼用塑料材質(zhì)，內(nèi)部支架用鑄鋁材質(zhì)，總重量輕，體積小巧；②驅(qū)動(dòng)裝置帶有永磁同步電機(jī)，并伴隨磁滯離合機(jī)構(gòu)，能夠自我保護(hù)；③控制信號(hào)：電流信號(hào)（4~20mA）；④4~20mA反饋信號(hào)；⑤傳動(dòng)齒輪采用金屬材質(zhì)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的使用壽命較長(zhǎng)；⑥運(yùn)行時(shí)消耗的功率較低、產(chǎn)生的噪音較小、驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩較大；⑦閥體有鑄銅和鑄鐵等材質(zhì)，適合工作于不同場(chǎng)合。由于QSTP型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有以上的特點(diǎn)，這里選擇4~20m電流控制信號(hào)，單片機(jī)輸出電壓到GP8102，由GP8102將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，這樣可以更加方便的調(diào)整電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開度。（2）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作原理電動(dòng)調(diào)整閥的動(dòng)作原理是，致動(dòng)器接收來自控制器的電流控制信號(hào)，通過內(nèi)部比例積分程序輸出對(duì)應(yīng)大小的推力調(diào)整閥桿，一邊打開閥門使其對(duì)應(yīng)的開度，一邊將閥門的實(shí)際開度信號(hào)返回控制器判定是否達(dá)到目標(biāo)開度。圖中示出了操作原理的框圖。電動(dòng)調(diào)整閥是液體流量控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收到的信號(hào)是4～20mA的電流信號(hào)，在模擬中無法模擬實(shí)際的電動(dòng)調(diào)整閥，因此需要用其他元件代替。由于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)裝置是直流馬達(dá)，所以用微機(jī)控制電氣調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)際上控制直流馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)。動(dòng)作原理：當(dāng)單片機(jī)將從流量傳感器測(cè)得的信號(hào)Ii發(fā)送到控制器時(shí)，位置傳感器所代表的電流If傳入，與進(jìn)入控制器的目標(biāo)位置信號(hào)Ii進(jìn)行比較而得到的差ΔI（ΔI＝ΣI-If）中，差值信號(hào)“ΔI>0”使伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過機(jī)械減速器減速后，增加輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度。輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置通過位置發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的反饋電流，經(jīng)由位置傳感器反饋給控制器，馬達(dá)停止旋轉(zhuǎn)直至△I＝0，輸出軸穩(wěn)定在與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置。相反，在△I<0的情況下，當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度減小，If也相應(yīng)減少，在△I＝0的情況下，馬達(dá)停止旋轉(zhuǎn)，輸出軸穩(wěn)定在其他新位置。如圖1.2.3所示，輸出軸的旋轉(zhuǎn)角θ輸入信號(hào)Ii之間具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，其靜態(tài)傳遞系數(shù)K為5.625℃/mA。這正是電氣執(zhí)行機(jī)關(guān)檢查時(shí)的重要性能指標(biāo)。圖1.2.3電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性1.3顯示電路LCD602液晶顯示器現(xiàn)在使用相對(duì)多的文字型液晶顯示模塊。在PCB基板上安裝有文字型液晶顯示器（LCD）、主電路HD44780以及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量的電阻、電容元件、結(jié)構(gòu)部件等。各引腳的功能介紹如下：端口引腳功能特性引腳1VSS為地電源。引腳2VDD接5V正電源。引腳3VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生鬼影現(xiàn)象，可以通過一個(gè)10kQ的電位器調(diào)整其對(duì)比度。引腳4RS為寄存器選擇腳，高電平時(shí)用數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)用指令寄存器。引腳5R/W為讀/寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或顯示地址；當(dāng)RS為低電平，R/W為高電平時(shí)，可以讀忙信號(hào)；當(dāng)RS為高電平，R/W為低電平時(shí)，可以寫入數(shù)據(jù)。引腳6E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。引腳7~14D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。引腳15背光源正極引腳16背光源負(fù)極1.4蜂鳴器電路蜂鳴器能將HYPERLINK"/app/790"\t"/dianzichangshi/_blank"音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)的一種元件，蜂鳴器主要用于提示或報(bào)警，根據(jù)設(shè)計(jì)和用途的不同，能發(fā)出音樂聲、汽笛聲、蜂鳴聲、警報(bào)聲、電鈴聲等各種不同的聲音。在這里，當(dāng)液體的流速到達(dá)所設(shè)定的上下限值時(shí)，蜂鳴器響起，發(fā)出報(bào)警的作用。1.5按鍵電路本系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)本系統(tǒng)通過四個(gè)按鍵，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位、標(biāo)準(zhǔn)流量的設(shè)定與調(diào)整，分別是S1鍵復(fù)位，S2鍵用來將要設(shè)定的流量提高0.1m3/h，S3鍵用來將要設(shè)定的流量降低0.1m3/h，S4選擇確認(rèn)鍵用來切換上下限流量限度并確認(rèn)設(shè)置，如圖所示。1.6測(cè)量電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是液體流量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)于液體流量控制系統(tǒng)的流速測(cè)量部分，在系統(tǒng)仿真模擬中，無法表示渦輪流量計(jì)，其電路在本文中采用模擬流速，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，這里用滑動(dòng)變阻器改變滑動(dòng)變阻器電阻來表示管道內(nèi)的水流速。1.7復(fù)位電路復(fù)位是為了初始化單片機(jī)的操作。單片機(jī)準(zhǔn)備啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作，目的是清除單片機(jī)之前的工作記憶，使單片機(jī)能夠從初始狀態(tài)進(jìn)入工作。因此，在所有操作程序中復(fù)位操作是最基本的操作。但是單片機(jī)本身不能完成復(fù)位操作，它需要與外部電路來共同完成復(fù)位操作。根據(jù)具體要求，上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位是常用的兩種復(fù)位操作方式，而且當(dāng)實(shí)際復(fù)位電路中共同存在這兩種復(fù)位方式時(shí)，對(duì)單片機(jī)可以起到雙重的保護(hù)作用，對(duì)控制系統(tǒng)而言，可以做到更加可靠的控制。因此，在本文設(shè)計(jì)的液體流量控制系統(tǒng)硬件電路中采用上述兩種方式對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，如圖1.7所示。圖1.7復(fù)位電路上電復(fù)位：在電容開始充電的過程中，處理器在通電的瞬間開始對(duì)電容進(jìn)行充電。此時(shí)，可以將電容視為導(dǎo)線。將電阻和開關(guān)短路，將復(fù)位直接連接到高電平，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。當(dāng)電容電壓上升到等于電源供給電壓時(shí)，電容的電線相當(dāng)于開路狀態(tài)，此時(shí)復(fù)位引腳電平變低，程序恢復(fù)正常運(yùn)行。手動(dòng)復(fù)位：實(shí)際按下復(fù)位按鈕可完成復(fù)位操作。程序運(yùn)行時(shí)，按重置鍵，RST與高電平導(dǎo)通，進(jìn)行復(fù)位操作。同時(shí)電解電容器C4被短路，放電到外面。松開復(fù)位按鈕后，電源開始充電電容，充電時(shí)的RST將保持在高電平，復(fù)位操作一直在進(jìn)行。復(fù)位操作將停止，直至電容充電，程序?qū)⒄＿\(yùn)行。1.8時(shí)鐘電路來自時(shí)鐘電路的脈沖信號(hào)控制AT89C51的操作節(jié)奏，并且AT89C51可以以內(nèi)部和外部?jī)煞N方式產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。如圖1.8所示，本文設(shè)計(jì)的液體流量系統(tǒng)控制器使用內(nèi)部時(shí)鐘。XTAL1和XTAL2與外部的結(jié)晶振蕩器（以下稱為晶片）連接，在單片機(jī)內(nèi)設(shè)置有高增益的反轉(zhuǎn)放大器，構(gòu)成自激式振蕩器通過生成振蕩的時(shí)鐘脈沖信號(hào)并發(fā)送到芯片的內(nèi)部時(shí)鐘電路，構(gòu)成內(nèi)部振蕩方式。圖1.8時(shí)鐘電路圖1.8的X1為晶片，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能和電