液位与液体流速检测

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1、中文摘要I 摘摘 要要液位测量一直与自动化密切相关，几乎遍及生产与生活的各个领域。近年来由于新检测原理及微电子技术的发展和应用，使得液位测量仪更趋向小型化和智能化，逐步实现了故障诊断和报警，高精确度、高可靠性、安全性和多功能化。本文研制的液位和液体流速实时检测系统可以自动检测液位，精确测量液体流速，并能将每个下位机的液位和液体流速信号传送至上位机，在上位机对各个下位机的信号进行巡回检测和显示。当液位低于设定下限值、液体流速过高或过低时，在上位机和相应下位机都能发出声光报警，提醒有关人员及时处理。本系统以 8051 为核心，检测液体的液位、液体流速 ，从而可以显示、报警。关键词关键词：液位检测、

2、液体流量检测、单片机英文摘要IIA Ab bs st tr ra ac ct tLiquid level measuring is related with robotization closely, and almost spreads over all fields of producing and living .In recent years, because of the development and application of new measure principle and micro-electronics technique, the liquid level meas

3、uring instruments become more miniature and more intelligentied. They gradually realize fault diagnosis and alarm, high precision, high reliability, high safety and multi-function.This system is developed by this paper to measure liquid level automatically and liquid speed accurately .The system tra

4、nsports the detecting liquid speed signal of lower machine to the up machine, and the signal of every lower machine is displayed around .When the liquid level of lower machine is under the given lower limit or the liquid speed is much faster or lower, the alarm will be the upper machine and correspo

5、nding lower machine to remind the paramedic to deal with it.This system, whose kernel is 8051, detects liquid level, liquid speed and whether has bubble or not, thereby can be displayed and alerted.Keywords: liquid level detection, liquid speed detection, singlechip control 目录III目 录摘 要 .IABSTRACT .I

6、I目 录.III第一章引 言.11.1 概述.11.1.1 课题研究背景 .21.1.2 课题研究意义 .31.2 智能仪器的研究状况.31.3 智能仪器的发展趋势.6第二章 系统设计方案论证与器件简介.92.1 液位与流速检测系统设计方案论证.92.2 硬件设计框图.132.3 器件的介绍.142.3.1 单片机 .142.3.2 投入式液位计传感器 .152.3.3 LUGB 型应力式涡街流量传感器 .172.3.4 ADC0809 的简介 .232.4 本章小结.24第三章 硬件电路设计.253.1 单片机控制模块.253.2 液位与流速采集模块.263.2.1 液位的采集模块 .263

7、.2.2 流速的采集模块 .263.3 LED 显示电路.273.4 键盘模块.303.5 电源电路.323.5.1 LM78 系列三端固定稳压器的原理 .323.5.2 电源电路的设计 .333.6 A/D 转换模块.343.7 报警电路模块.353.8 本章小结.36第四章 软件设计.374.1 软件系统概述.37目录IV4.2 软件系统特点.384.3 键盘输入中断服务程序.404.4 液位与流速显示程序框图.414.5 报警程序框图.424.6 显示转换.434.7 本章小结.44总 结.45参考文献.46致 谢.48附 录.49第一章 引 言1第一章第一章引引 言言1.1 概述计算机

8、是人类有史以来最伟大的发明之一，人类经过几个世纪的努力，把计算机从中国古老的算盘发展到当代的计算机。当代计算机并非仅用于计算，它更广泛地应用到社会生活中的各个领域，从宇宙飞船到人造卫星，从天气预报到地震预报，从办公自动化到生产过程自动化，都离不开计算机的应用，计算机已成为促进现代文明的进步，推动人类社会发展的“智能工具”。单片微型计算机（ single chip microcomputer）被称为单片机，它是各类专用控制器而设计的通用或专用微型计算机系统，高密度集成了普通微机的微处理器、一定容量的 RAM 和 ROM 以及输入 /输出接口，定时器等电路于一块芯片上构成的。单片机的应用十分广泛，

9、其具体有以下几个特点：（1） 小巧灵活、成本低，易于产品化。它能方便地组装成各种智能化的控制设备及各种智能仪器仪表。（2） 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。（3） 抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境条件下都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的。可以很方便地实现多机和分布控制。使整个系统的效率和可靠性他大为提高。（4） 单片机具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，今年来还开发了一些以单片机母片（如 8051），在片中嵌入更多的专用型单片机，因此单片机在计算机控制领域中应用越来越广泛。单片机的应用意义 不仅带来的巨大经济效益。更重要的意义还

10、在于单片机的应用正从根本上改变着传统的抗争系统设计思想和设计方法。从前必第一章 引 言2须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件的方法实现。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念的出现，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机应用的推广和普及，微控制技术必将不断发展，日益完善。1.1.1 课题研究背景液位测量一直与自动化密切相关，液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域，尤其是工业生产过程领域。化工、石油、矿山等企业总是有许多盛液的反应锅 (罐)或贮槽需要测定液位 ;水电、港务、航道等部门也需要测定水库、港口或航道的水位

11、;国防部门等需要测定飞机、坦克之类的动力油箱中的油位。从测量范围来说，小的只有几十个厘米，大的可达几十米;从精度要求来说，有的只允许1 毫米误差，有的却允许几厘米甚至几十厘米的误差;从测量环境和条件来说，有的很简单，有的却非常复杂。目前国内外在液位监测方面采用的技术和产品很多，按所采用的侧量技术及使用方法分类，传统的液位测量归纳起来主要有以下几种:差压式、浮体式、声波式、电容式、核辐射式、直流电极式、光纤式、感应式等等。近年来由于微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。新的检测原理与电子部件的应用使得液位测量仪更趋向小型化和微型化，特别是一些小型现场液位开关发展极快，如超声液位计和振

12、动式液位开关，由于没有可动部件，所以可靠性高，不仅可现场显示，而且可以发出控制信号。与此同时，液位检测也在向着智能化发展，在液位测量领域内广泛应用微处理技术，以实现故障诊断和报警，目的是提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。在传感器方面，在应用和设计中尽量实现不接触式或不渗透式侧量，其中以超声波式液位计、光学式液位计、电磁式液位计与辐射式液位计最为典型，从而提高探头对恶劣的过程条件的抵抗能力。第一章 引 言31.1.2 课题研究意义在石油化工、饮料、轻纺等行业，企业生产管理部门每天都要掌握罐内储存介质的液位、密度、温度、体积和质量等重要数据。多年来，广大用户一直在寻找一种价格便宜、寿命长

13、，能精确监视储罐货存、工艺流程、计量交接、便于操作维护、易于计算机网络化管理的新技术、新设备。在国内企业，90 年代开始， HIG 系统在沿海少数合资石化公司有少量应用，由于价格较高等原因，在国内企业一直很难推广，国内用户需要的不仅是性能具备国外先进水平的同类设备，更为重要的是结合我国石化企业储运领域的实际使用情况、用户经济承受能力和日后系统维护方便的高精度液位测量系统。目前，国内大多石油行业储罐液位测量仍采用人工测量方法，因此研制一套成本低、寿命长、易于安装和维护的高精度测量系统替代进口产品，具有巨大的经济效益。在自动医疗监护系统中，信号提取是医疗监护系统工作的首要前提。医疗液位信号自动检测

14、和传输也是信号提取的过程，医疗工作人员常常需要检测和控制液体的储量或液位，如人工肾机的透析液储液雄中透析液储量、自动洗胃机中冲洗液的液量、中医使用的药浴机中煎药锅中的水位、等等。如果对仪器中液体储量疏于监测，在液体储量失控情况下可能会给患者带来伤害甚至危机其生命 .通过对这些液体储量的监测，医护人员便可以随时了解液体余量，并能在液体缺少时及时自动和人工补充或者采取其他措施，维护医疗设备的安全运行 .因此，如何更好地对医疗液位进行监测，一直是医学工程人员考虑较多的课题之一。为此我们研制了液位和液体流速实时检测系统，该系统自动检测液位，精确测量液体流速，并且进行巡回检测和显示。当液位低于设定下限值

15、、液体流速过高或过低时，在上位机和相应的下位机发出声光报警，提醒有关人员及时处理。1.2 智能仪器的研究状况智能仪器是一种典型的单片机应用系统，它是计算机技术、现代测量技第一章 引 言4术与大规模集成电路相结合的产物。自从 1971 年世界上出现了第一种微处理器以来，微计算机技术得到了迅猛的发展，电子计算机从过去的庞然大物缩小到可以置于测量仪器中，作为仪器的控制器、存储器及运算器，并使其具有智能的作用。1973 年出现了第一台智能仪器 内部装有 4 位微处理器的电容电桥， 1975 年出现了 70 多种智能仪器， 1979 年已增至 600 余种，1980 年出现了 1000 种左右，随后的智

16、能仪器的发展速度更是迅猛。最早出现的智能仪器之一是美国HP 公司的 1772A 示波器，它的微处理器部分是用 HP 一 35 手持计算机改装的，其保留的传统硬件较多，而且没有对外接口功能。早期的智能仪器都采用4 位微处理器，如美国的DANA 公司的 9000 系列计时器 /计数器;Systron Dolmer 公司的 7115 数字电压表其面板采用了键盘，淘汰了传统的波段开关和调节器，并具有计算功能、自动校准功能、对外接口功能及自诊断功能。商品化的智能仪器最早出现于 1973 年，1978 年至 1980 年智能化仪器设计日趋完善，一些常用的智能仪器在一些大公司的主持下已基本上实现了系列化，如

17、英国DATRON公司的智能数字电压表系列及瑞士Mettler 公司的智能化电子天平系列等，这些智能仪器大都采用了 8 位微处理器，少数还采用了16 位微处理器。80 年代初期，出现了可携式精密数字万用表、可程控校准仪等。进入90年代后，在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中己经很少有不采用微计算机技术的了。我国电磁测量信息处理仪器学会于1984 年正式成立了 “自动测试与智能仪器学组”，1986 年 n 涯 EKO(IntemationalMeasuLrementConfederation)以“智能仪器 ”为主题召开了专门的讨论会， IFAC(InternationalFeden 戏 iono

18、 乙气 utomatieControl)1988 年的理事会正式确定 “智能元件及仪器 ”为其系列学术委员会之一。 1989 年在我国武汉召开了第一届测试技术与智能仪器国际学术研讨会。此后，我国有关智能仪器的研究与应用层出不穷。 智能仪器作为新一代的电子仪器，从工作原理来看它的发展经历了三第一章 引 言5个阶段。1 模拟式仪器。模拟式仪器的基本结构是电磁式和力学式，仪器基于电磁测量原理和力学转换原理并用指针来显示最终的测量结果。典型的模拟式仪器有指针式电压表、电流表、功率表和一些通用的测试仪器，这些仪器不管其原理和结构如何都有一个共同的特征，直接对模拟信号进行测量或控制并最终以指针的运动来显示

19、测量结果。2 数字化仪器。数字化仪器的基本原理是将待测的模拟信号转换成数字信号后进行测量，并将测量结果以数字形式进行显示与输出。数字化仪器精度高、速度快、显示清晰直观。典型的数字化仪器如数字电压表、数字频率计、数字式温度显示调节仪等。数字式仪器与模拟式仪器相比在原理、结构上发生了根本性变化，其基本原理是将模拟信号转化为数字信号进行测量或控制，尤其数字集成电路被大量采用，户以 D 转换、D/A 转换和十进制数码显示是数字化仪器最明显的特征标志。数字化仪器给人以直观的感觉、响应速度和测控精度也比模拟式仪器提高了许多3.智能仪器。智能仪器是指能在计算机的控制下，通过各种测量传感器将被测信号转换成电压

20、或电流信号，再经A/D 转换器转换为数字量送入计算机进行计算与处理，并根据实际要求进行各种操作的一类仪器。智能仪器无论在测量速度、精确度、自动化程度还是性能价格比等方面，都是传统仪器所不可比拟的，它具有数据存储、运算和逻辑判断能力，能根据被测参数的变化自动选择量程，可自动校正、自动补偿。微处理器是智能仪器的控制中枢，其功能由软、硬件相结合来完成。智能仪器的发展体现在对传统仪器的改进和新型仪器的出现两个方面，比如传统的手持式万用表，采用单片机控制后，功能更加多样，使用更加方第一章 引 言6便，可靠性及准确度也大大提高。目前，已研制出的智能仪器有智能通用计数器、智能多用表、温度程序控制仪、变频调速

21、控制器、多通道PH 控制器、色谱分析数据处理仪、高频多线示波器、激光测距仪、红外线气体分析仪、B 超探测仪、智能流量计、数字万用表与智能电度表等。此外，在磁测量仪器方面，采用微机的精密测磁装置已经可以实现对磁性材料的智能化测量。这种新型的测磁装置测量准确度高、数据处理能力强、量限宽、自动化程度高、操作简便、可自动绘图及打印测试结果。经过十多年来的发展，智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多用等方面取得了巨大的进展。目前，智能仪器已广泛应用于工业企业、医疗、科研单位和家用电器中，正向着结构简化、体积减小、成本降低、性能价格比提高的方向发展。近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理

22、向知识处理发展，体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等。1.3 智能仪器的发展趋势智能化测量仪表的发展趋势体现在以下几个方面:l、微型化微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。2、多功能化多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉

23、冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上(如准确度 )比专用脉冲发生器和频率合成器好，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。第一章 引 言73、人工智能化人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉(图形及色彩辨读 )、听觉(语音识别及语言领悟 )、思维(推理、判断、学习与联想)等方面具有一定的能力 81。这样，智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，

24、使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。4、网络化伴随着网络技术的飞速发展， Inte 垃 et 技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Intemet 的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。5、虚拟仪器化测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC 机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC 机组成测量仪器。这种基于 PC 机的测量仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系

25、统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心， “软件就是仪器 ”。智能化仪器仪表是计算机科学、控制工程、数字信号处理等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。作为智能仪表核心部件的单片机技术是推动智能仪表向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。可以预料，各种功能的智能化测量仪表在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。第二章 系统设计方案论证与器件简介8第二章第二章 系统设计方案论证与系统设计方案论证与器件简介器件简介2.1 液位与流速检测系统设计方案论证无论是工业生产中，还是日常生活中，对 液位与流速 的检测和控制都是必不可少的，对于 液位的

26、检测通常是采用 WMY 型液位变送器 在通A/D（模/数）转换得到数字信号，但由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采样精度不高，会使这个系统准确性下降。而对于液位控制的方法也有很多：如单片机控制、 PLC 控制、PID 控制等等。方案一：为了完成液位检测设计的各种功能，将整个电路分为三个部分：数控部分、电路检测部分和控制驱动电路部分。框架如下图所示。单片机数据采集传感器键盘控制液位报警显示电路电源电路 方案原理方框图(1) 数控电路部分主要有数字 电路部分构成，它要完成键盘控制，预置按键开关输入控制、 LCD 显示控制、 水管液位不变化时报警 等功能。由于数控部分功能较多，选用了INTEL

27、 公司的 8 位单片机第二章 系统设计方案论证与器件简介9AT89C51，与 INTEL 公司的 8096 系列相比， AT89C51 具有明显的价格优势，而且能够满足数控部分的需要。数控部分的核心是一个 AT89C51 的最小应用系统、包括一片AT89C51 芯片和一片 A/D0809 芯片。采用 3 个按键分别作为输入控制，用 AT89C51 的 P2.3、P2.4、P2.5 口完成键盘输入。当检测到有键盘输入就产生一个中断，而键盘的去抖动通过CPU 用软件实现。利用液位传感器检测，然后转换成对应的电压送到单片机进行液位高度的判断，在输出对应的液位高度值由 LCD 显示。(2) 液位测试部

28、分首先要将 WMY 型液位变送器测得的液位模拟量变为数字量。然后送入单片机进行相应的处理，模数转换的部分采用 AD0809 芯片。该芯片的输入量为 05V 的电压量 。因此需先将 WMY 型液位变送器的输出电流信号转换为 对应的电压信号。即在芯片采集信号端加入 个 250 欧的转换电阻 ，将电流转换为 15V 的电压值 。该电压值在 ADC0809 的输入范围内。 其原理图如下： 液位检测、报警系统原理图(3) 电源电路部分本设计采用交流 220V 供电，输出+5V 的电压。 电源电路可分为三大块：变压部分、整流滤波部分、稳压部分。电源电路设计如下图所示：第二章 系统设计方案论证与器件简介10

29、电源电路图220V/50Hz 的交流电进入本电路后，首先经过变压器进行变压，由交流 220V 变为交流 14V，交流 14V 进入电桥电路进行整流，由交流电整流为直流电，再进过电容的滤波后进入5V 集成三端稳压器 7805，生成+5V直流电，供给单片机应用。1、电源变压器变压部分其实就是一个变压器，变压器作用是将220V 的交流电压变换成我们所需的电压 14V。然后再送去整流和滤波。2、整流滤波电路整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式

30、整流、及变压整流。3、稳压电路在这的稳压电路中我使用的是 “三端固定输出集成稳压器 ”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。方案二:该方案与方案一基本相同，不同的是采用PLC 控制，PLC 采用的是循第二章 系统设计方案论证与器件简介11环扫描的工作方式，通过自诊断，通信处理，扫描输入，刷新输出这五个工作过程来完成一个周期。 但是，利用 PLC 控制价格比较昂贵 ,需要的其他硬件较多， 给安装方面带来不便， 且占用空间大。方案三:该方案的 控制电路由检测、控制及执行机构组成。其工作原理如下图示，CW140 为三端固定稳压集成块（输入电路略）；两只P

31、TC 热敏电阻（RT1、RT2）与 R1、R2 组成桥式液位检测电路； TWH8778 电子开关与继电器 K 组成控制电路；由光电耦合器4N25 提供触发信号； K 的触点JK 与电磁阀组成执行电路。在正常情况下， RT1、RT2 均处于液体中，电桥平衡 Uab 为零，于是 4N25 截止，TWH8778 及 K 不动作，触点 JK 常开，DF-1 关闭。当液位下降到使 RT1 露出液面时， PTC 热敏电阻阻值迅速增大，于是电桥失去平衡， 4N25 导通，并触发 使 TWH8778 导通，K 得电吸合 JK，DF-1 开启向储液罐补充液体。当液位上升到使RT1 浸入液体时，其阻值迅速减小，电

32、桥自动平衡，4N25 截止，K 失电释放JK,DF-1 关闭，停止输入液体。 其原理图如下 : 方案三 原理图方案比较 :这三种方案均是可行的。方案一原理直观，且 价格低廉， 集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单，便于操作且稳定性高和抗干扰能第二章 系统设计方案论证与器件简介12力强等优点。 方案二的 可靠性高 ，在功能上可进行开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、数据采集及监控、多PLC 分布式控制等功能 ，在编程手段上，直观、简单方便，易于各 行业工程技术人员掌握。同时在改变控制要求时，只要改变程序梯形图就可以满足要求。但是利用 PLC 控制价格昂贵，且需要的其他硬件较多，且在安装

33、方面带来不便，占用空间大。方案三原理简单 ,且易于控制 ,但是检测误差大 ,且只能检测某一设定液位,不便于自动化控制等 ,综合以上方案比较，方案一具有明显的优势，因此采用 方案一为本次液位控制的最佳方案。2.2 硬件设计框图单片机液位与流速检测 系统是以 MS-5l 单片机为控制核心， 系统主要包括单片机控制模块 , 传感器模块， LED 显示模块 ，报警模块，控制电源模块，键盘控制 模块等六大部分。系统总体框架如图2-1 所示：单片机控制模块传感器模块控制电源模块LED 显示模块键盘控制模块报警模块图2-1 系统框架图 2-2 硬件框图8051 单片机传感器数据采集转换电路控制电源电路LED

34、 显示器报警电路键盘控制第二章 系统设计方案论证与器件简介132.3 器件的介绍 2.3.1 单片机8051 是 MCS-51 系列单片机中的一个产品， MCS-51 系列单片机是Intel 公司推出的通用型单片机 ，MCS-51 系列单片机的各种型号都是以8051 为核心电路发展起来的，因此他们都具有MCS-51 的基本结构与软件特征。123456ABCD654321DCBATitleN um berRevisionSizeBD ate:24-M ay-2010Sheet of File:C:PROG RA M FILESD ESIGN EXPLORER 99 SEEX AM PLESMyD

35、esign6.ddbD raw n By:P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9RXD /P3.010TXD /P3.111INTR0/P3.212INTR1/P3.313TIMER 0/P3.414TIMER 1/P3.515WR/P3.616RD/P3.717X TA L218X TA L119EA31A LE30PSEN29P0.0(AD 0)39P0.1(AD 1)38P0.2(AD 2)37P0.3(AD 3)36P0.4(AD 4)35P0.5(AD 5)34P0.6(AD 6)33P0.7(AD 7)32P2.0(A8)21P2.

36、1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)288051 图 2-3-1 单片机 80518051 的特点：8 位的 CPU 具有布尔处理功能4K 字节片内程序存储器（ROM） 128 字节片内数据存储器（RAM）21 个特殊功能寄存器（SFR）4 个 8 位的并口、32 根口线两个 16 位的定时计数器一个全双丁的串口5 个中断源，2 个中断优先级第二章 系统设计方案论证与器件简介142.3.2 投入式液位计传感器 用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公

37、式为： =.g.H + Po式中：P：变送器迎液面所受压力 ：被测液体密度 g：当地重力加速度 Po：液面上大气压H：变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为： .g.H，显然,通过测取压力 P，可以得到液位深度。功能特点：稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.2%FS/年。在补偿温度070范围内，温度飘移低于 0.2%FS，在整个允许工作温度范围内低于0.5%FS。具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。固态

38、结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。安装方便、结构简单、经济耐用。主要技术参数：测量范围：0-0.1米0-35米第二章 系统设计方案论证与器件简介15 调试方法：拧下保护盖，即可看到调零和满程电阻器，外接标准电源及电流表（.极以上），即可调整，步骤如下：在变送器没有液体的情况下，调节零点电阻器，使之输出电流m，变送器加液到满量程，调节满程电阻器，使之输出电流m，反复以上步骤两三次，直到信号正常。调节完毕，拧紧保护盖。2.3.3 LUGB 型应力式涡街流量传感器1、用途特点LUGB 型应力式涡街流量传感器与流量积算器或微机型二次仪表配套使用，可精确测量各种管道中液体（如水、油、化工原料、药液

39、、食品），气体（如空气、煤气 、天然气、石油液体气等各种化工气体），蒸汽（如饱和蒸汽，过热蒸汽）的瞬时流量和累积流量。广泛用于石油、化工、冶金、电站轻工食品等领域，是目前工业过程控制，能源计量比较先进的新型流量最大过载：不超过管长测量形式：平衡罩式精度等级：0.5%FS电源电压：24VDC负载电阻：500测量介质：各种无腐蚀性液体长期稳定性：0.2% FS/年环境相对湿度：095%补偿温度：070工作温度：-1070（最高可做 500/需订制）第二章 系统设计方案论证与器件简介16仪表。该传感器 输出与流量成正比的脉冲信号或电流信号，供记录、调节、控制用，其特点主要有：精度高，测量范围宽，无可

40、动部分，可靠性高，介质适应性强，压力损失小等。2、主要技术参数2、1 传感器的型号，规格如下 LUGB 使用环境公称通径 被测介质连接方式应力检测方式传感器用“卡门涡街”原理流量仪表2.2 输出信号：电压脉冲：低电平2V，高电平 6V 模拟输出： 010mA 或 420mADC2.3 供电电源： 120.5VDC，（防爆型传感器经安全栅供电）2.4 允许振动加速度： 0.2g2.5 环境湿度： 5%95%3、工作原理应力式涡街流量传感器是根据 “卡曼涡街 ”原理，利用应力检测方式，以压电晶体为检测敏感元件，并使检测元件与旋涡发生体分离的一种新型振荡式流量仪表。在管道中垂直于流体流向插入一非线性

41、柱体（发生体），检测深斗体置于旋涡发生体后测，当流量增大到一定值时，在旋涡发生体的下流则产生两列交替的旋涡，这种旋涡称卡曼旋涡，卡曼旋涡释放的频率与流体流速及旋涡发生体宽度有关，可用下式表示;f=St v/d(1)第二章 系统设计方案论证与器件简介17式中：f 卡曼旋涡释放的频率 v 旋涡发生体两侧平均流速 d 旋涡发生体的宽度 St斯特劳哈尔系数实践证明，雷诺数 Re 在 21047105范围内， St 为常数，此时旋涡频率与流体的流速成正比，且不受流体 密体、粘度、温度、压力等介质参数的影响，只要准确地测量出旋涡的频率f ，即可测量出流体的流量 。由上式可导出：Kf/Q（2）式中：K仪表常

42、数，脉冲数 m3通过实流标定后，在产品合格证上给出。Q体积流量 m3h4、传感器的组成及结构形式传感器主要由检测器，放大器两大器两大部分组成。4.1 检测器主要由表体，探头（检测元件）等组成。其功能为当旋涡在旋涡发生体两侧产 生时，将同时产生流体流动方向垂直的横向交变升力，该力作用于传感 探头两侧，使检测深头内的压电晶体变形，输出与旋涡频率相同的交变电荷信号。表体及全部零件 均采用 1Cr18Ni9Ti 不锈钢制成。旋涡发生体与表体的连接采用气体保护自熔焊接技术，密封采用高压耐腐蚀密封材料，安全可靠。连杆采用普通型和高温 (代散热片 )两种，以适应于不同温度场合的需要。规格0204050810

43、1520通径25405080100150200D1848494130155210250第二章 系统设计方案论证与器件简介18D2130150165200220285340B7575757590110150H240245250270280310320结构尺寸4.2 检测放大器将电荷信号放大变换整形处理后，输出与流量成正比的电压脉冲信号，供显示仪表积算显示。也可变成010mA 或 420mA模拟量信号， 记录、调节，控制与计算机联网集中监控。5、传感器的选用注：表中所列流量范围，其中气体指常压下的空气（01.29Kgm3）液体指常温下的水（ 01000Kgm3）蒸气指0.4MPa 干饱和水蒸汽（

44、42.1Kgm3）当被测介质参数与流量范围表中的参数变化较大时，须重新选择流量范围，正常流量范围在雷诺数Re2104106之间。雷诺数可按下列公式计算：Re=VD/r103 .(3) 介质 规格 流量范围m3/h液体气体蒸汽021.616880101200423020250303000535030400404500881308010001001200101520012015001502000154045025035003504500206080045065006007500第二章 系统设计方案论证与器件简介19Re=354103Q/rD .(4)Re=354W/D (5)式中：Q体积流量（ m

45、3h） D传感器内径（ mm） V流速（ ms） W重量流量（ Kgh） r 运动粘度（ Cst）(10-6m2/s) 粘度 CP5.1 涡街流量传感器上限流量的确定表四中列出的流量范围是指工况状态下的流量范围，上限流量应符合表中的上限流量值，即上限流速应限制在气体60m/s液体7m/s蒸汽70ms5.2 涡街流量传感器下限流量的确定当遇到工况参数与表四中给定状态的参数有差异时，应按下述方法确定。5.2.1 根据被测介质的实际密度 值，计算其下限流量。 QPQ0 0/ （6） 式中：QP实际下限流量值 m3h Q0表四中给定的下限流量值m3h 实际密度值 Kgm3 0表四中说明给定的介质密度值

46、Kgm3第二章 系统设计方案论证与器件简介205.2.2 根据被测介质工作状态下的粘度r 计算其下限流量值Qr=42Dr (7)式中：Qr实际下限流量值 m3h D传感器通径 mm r 实际运动粘度 Cst（10-6m2s）比较 QP和 Qr两值，取大的一个数值为测量该介质的下限流量。5.2.3 如果参数为重量流量或标准状态下的体积流量时，须先换算成工况状态下的体积流量，然后按5.2.1,5.2.2 公试确定其流量范围，选择相对应的口径。具体换算公式如下：a、重量流量换算成体积流量： QG/ .(8)式中：G重量流量 Kgh Q体积流量 m3h 被测介质密度 Kgm3b、标准状态下的体积流量换

47、算成工况状态下的体积流量Q1(9)式中：Q1工况状态下的体积流量 m3h Q标标准状态下的体积流量 Nm3h T1工况下的绝对温度（ 273.5t1） P1工况下的绝对压力 Mpa(表压0.1) t1工况下的温度 T标标况下的绝对温度（ 273.15）第二章 系统设计方案论证与器件简介21 P标标况下的压力（ 0.10133MPa）5.2.4 阻力损失可按下式计算P1.2V2(Pa) (10)P阻力损失（ Pa）介质密度（ Kgm3）V管内平均流速（ ms）5.2.5 当被测介质为液体时，为了防止气化和气蚀，应使传感器的液体压力符合下式要求：P2.6P 1.25Pa(11)式中P压力损失值（

48、Pa） Pa被测液体介质工作温度所对应的饱和蒸汽压力值（Pa）。2.3.4 ADC0809 的简介ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。其原理、事物图如下图所示：第二章 系统设计方案论证与器件简介22图 2-9 ADC0809 芯片图2.4 本章小结 本章主要对本设计中要用到的一些元器件进行了简要的概述，其中有：8051 单片机、 LED 显示器、WMY 型液位变送器 传感器、 LUGB 型应力式涡街流量传感器 、ADC0

49、809 等器件。这些元器件是设计的基础，通过本章大家对这些器件有了一个基本的认识，同时对本设计有了宏观的把握，本章的介绍对总设计起到铺垫的作用。第四章 软件设计23第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计单片机液位与流速的检测 系统是以 MS-5l 单片机为控制核心，系统主要包括单片机控制模块 ， 液位与流速 采集模块 ，A/D 转换电路， LCD 显示模块，电源电路模块 ，报警模块 等六大部分。3.1 单片机控制模块单片机系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的 MCS-51 系列单片机 805

50、1。8051 可以提供系统控制所需的中断、定时 、存放中间结果的 RAM 及有程序存储器， 因此只要在芯片上外接时钟电路和复位电路就达到真正可用，即就是一个最小系统。由于在此系统中 8051 的接口不够用，所以要扩展接口，由8155 芯片既有RAM 又具有 I/O 接口，所以就用 8155 做 8051 的外围接口芯片。其接线如图 3-1： 图 3-1 AT89C51 单片机引脚图第四章 软件设计243.2 液位与流速采集模块3.2.1 液位的采集模块首先要将 WMY 型液位变送器测得的液位模拟量变为数字量。然后送入单片机进行相应的处理，模数转换的部分采用 AD0809 芯片。该芯片的输入量为

51、 05V 的电压量 。因此需先将 WMY 型液位变送器的输出电流信号转换为 对应的电压信号。即在芯片采集信号端加入 个 250 欧的转换电阻 ，将电流转换为 15V 的电压值 。该电压值在 ADC0809 的输入范围内。 其原理图如下： 图 3-2 液位检测、报警系统原理图3.2.2 流速的采集模块对于流速的测试部分采用的是LUGB 型应力式涡街流量传感器，该传感器主要由检测器，放大器两大器两大部分组成。检测器主要由表体，探头（检测元件）等组成。其功能为当旋涡在旋涡发生体两侧产生时，将同时产生流体流动方向垂直的横向交变升力，该力作用于传感探头两侧，使检测深头内的压电晶体变形，输出与旋涡频率相同

52、的交变电荷信号。表体及全部零件均采用1Cr18Ni9Ti 不锈钢制成。旋涡发生体与表体的连接采用气体保护自熔焊接技术，密封采用高压耐腐蚀密封材第四章 软件设计25料，安全可靠。连杆采用普通型和高温 (代散热片 )两种，以适应于不同温度场合的需要。外形，如 图 3-3 所示：图 3-3 LUGB 型应力式涡街流量传感器3.3 LED显示电路 微机化测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器(简称 LED 或数码管 )和液晶显示器 (简称 LCD)。这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，本系统输出结果选用3 个 LED显示。数码管有共阴共阳之分，本系统采用8 段共阴型

53、LED，其原理图如图 3-4 所示，每位数码管内部有 8 个发光二极管，公共端由 8 个发光二极管的阴极并接而成，正常显示时公共端接低电平(GND)，各发光二极管是否点亮取决于 a-dp 各引脚上是否是高电平。LED 数码管的外形结构如图 3-4，外部有 10 个引脚，其中 com 脚为公共端也称位选端，其余 8 个引脚称为段选端，当要使某一位数码管显示某一数字 (0-9 中的一个 )必须在这个数码管的段选端加上与数字显示数字对应的 8 位段选码 (也称字形码 )，在位选端加上低电平即可。由于系统要显示的内容比较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。 LED 有共阴极和共阳极两种。如图

54、3-4 所示。第四章 软件设计26二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入 +5V 的电压。一位显示器由 8 个发光二极管组成，其中 7 个发光二极管构成字型 “8”的各个笔划（段） ag，另一个小数点为 dp 发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED 不被损坏，需外加限流电阻。 符号和引脚 共阴极 共阳极图 3-3-1 LED 数码管结构原理图数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。动态扫描显示方式需要解决多位 LE

55、D 数码管的 “段控”和“位控”问题，本电路的 “段控”通过 P0 口实现。而每一位的公共端，即LED 数码管的 “位控”，则由P2 口控制。这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。在本系统中，字位线的选通与否是通过PNP 三极管的导通与截止来控制，即三极管处于 “开头”状态。第四章 软件设计27表 3-3-1 共阴极七段码显示代码表 段符号显示字符dpgfedcba七段码00

56、01111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011016DH6011111017DH70000011107H8011111117FH9011011116FHA0111011177HB011111007CHC0011100139HD010111105EHE0111100179HF0111000171HP0111001173HU001111103EHH0111011076H空白0000000000H.1000000080H-0100000040H第四章 软件设计28图 3-3-2 LED 显示电路3.4 键盘模块矩阵键

57、盘又称为行列式键盘，它是用4 条 I/O 线作为行线， 4 条 I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是 44 个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中 I/O 口的利用率。单片机检测按键是否按下的依据就是检测与该键对应的I/O 口是否为低电平。矩阵键盘两端都与单片机I/O 口相连，因此在检测时需要人为通过单片机 I/O 口送出低电平。检测时，先送一列为低电平，其余几列为高电平（此时我们确定了列数），然后立即轮流检测一次各行是否为低电平，若检测到某一行为低电平（这时我们有确定了行数），则我们便可确认当前被按下的键是哪一行哪一列的，用

58、同样的方法轮流送各列一次低电平。再轮流检测一次各行是否为低电平，这样即可检测完所有的的按键。当有键被按下时便可判断出按下的键是哪一个键。当然我么也可以将行线置低电平，扫描列是否有低电平。键盘功能说明：通过键盘的不同键来设定我们需要的数值，对数字的输入设定用“*”键，当正确无误时按 “ENTER” 键，有误时按下 “CENCER”键以便重新输入。按 “#”键实现液位与流速的 显示变换。 上限、下限两键是分别进行液 位上下限设定的按键 。求键值第四章 软件设计29 根据按键的位置求键值的方法很多，对于44 的键盘，采用查表法求取： 键识别码=行码求反（高 4 位）+列码（低 4 位） 按键 行码

59、列码 键识别码 0 1110 0111 00010111 17H 1 1110 1011 00011011 1BH 2 1110 1101 00011101 1DH 3 1110 1110 00011110 1EH 4 1101 0111 00100111 27H 5 1101 1011 00101011 2BH 6 1101 1101 00101101 2DH 7 1101 1110 00101110 2EH 8 1011 0111 01000111 47H 9 1011 1011 01001011 4BH * 1011 1101 01001101 4DH 上限 1011 1110 0100

60、1110 4EH 下限 0111 0111 10000111 87H ENTER 0111 1011 10001011 8BH # 0111 1101 10001101 8DH CANCER 0111 1110 10001110 8EH键功能说明如下：“上限”键设定上限 液位，再按一次可以取消设定值 。“下限”键设定下限 液位，再按一次可以取消设定值 。“*” 键进行工作 液位段设定模式 。“ENTER”键对设定的 液位进行确定，重复按下即可以使系统转到运行状态。“CANCER”键对设定的 液位进行取消操作。“#” 键用来实现系统液位与。第四章 软件设计30 图 3-4-2 键盘与 51 单片

61、机的连线3.5 电源电路电源电路是为主控电路提供稳定的工作电压，由于单片机的工作电压是+5V，所以电源电路的设计采用LM7805 来生成所需电压。3.5.1 LM78 系列三端固定稳压器的原理 图 3-5-1 78 系列外部结构图图 3-5-2 LM78 系列内部结构框图第四章 软件设计31LM78 系列的三端正稳压器， TO-220 封装，能提供固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热、过载保护电路。带散热片时输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。其外部图及内部结构框图分别如图3-8-1 和 3-8-2 所示：3.5.2 电源电路的设计本设计采用交流

62、 220V 供电，输出+5V 的电压。 电源电路可分为三大块：变压部分、整流滤波部分、稳压部分。220V/50Hz 的交流电进入本电路后，首先经过变压器进行变压，由交流 220V 变为交流 14V，交流 14V 进入电桥电路进行整流，由交流电整流为直流电，再进过电容的滤波后进入5V 集成三端稳压器 7805，生成+5V直流电，供给单片机应用。1、电源变压器变压部分其实就是一个变压器，变压器作用是将220V 的交流电压变换成我们所需的电压 14V。然后再送去整流和滤波。2、整流滤波电路整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压

63、。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。3、稳压电路在这的稳压电路中我使用的是 “三端固定输出集成稳压器 ”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。第四章 软件设计32图3-5-3 电源电路3.6 A/D转换模块ADC0809 是带有八位 A/D 转换器、八路多路 开关以及微处理器机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。图 3-6-1 ADC0809 引脚图ADC0809 片内无时钟信号，时钟信号由CLK 端输入，典型的时钟的频率为 64

64、0KHz，在 ADC 与单片机的接口中，时钟信号通常由单片机的ALE 信号经分频得到。单片机的ALE 信号是晶振频率的 6 分频，若单片机的晶振频率为 12MHz，则 4 分频为 500kHz 左右，满足 ADC0809 的要求，可以采用两级 D 触发器来完成，如使用芯片74LS74 实现 4 分频如图3-6-2 所示。第四章 软件设计33图 3-6-2 74LS74 芯片实现分频图 3-6-3 ADC0809 连接电路图3.7 报警电路模块为了在某些紧急状态或反常状态下，能使操作人员不致忽视，以便及时处理，往往需要有某种更能引起人们注意提起警觉的报警信号产生，这种报警信号通常有三种类型 :闪

65、光报警、鸣音报警、语音报警，本系统采用简单易行的声光报警电路。图 2-6-1 报警电路如图 2-6-1 所示报警电路，报警设备选用压电式蜂鸣器，它约需要B1BuzzerDS?LEDR?300+5VP2.5Q?2N3904P2.6第四章 软件设计3410mA 的驱动电流，只需在其两条引线上加3 一 15V 的直流电压，即可产生 3KHz 左右的蜂鸣声音，图中蜂鸣器的一端接在高电平+5V，三极管基极接 P2.5，在初态 P2.5 始终输出低电平 1，当需要报警时，程序对其端口输出高电平，声音的长短可用延时程序控制实现。图中接入的发光二极管LED 为超高线报警器，当 P2.6 端输出为低电平 “0”

66、时，二极管导通，灯亮发出报警信号。3.8 本章小结本章主要对单片机控制模块、报警电路 模块、LED 显示模块、液位检测上下限调整模块、 电源电路模块 等模块的电路设计进行了介绍。其中单片机控制模 块是整个设计的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能；信号 采集模块是通过 WMY 型液位变送器 数字传感器采集液位值，并传入单片机；液位与流速 显示模块中采用七段 LED 数码显示管 ；在液位上下限调整模块中， 44 行列结构构成 的 16 个按键的键盘链接到 51 单片机上； 电源电路是将 220V 的电压转换成 5V，以供单片机使用，其中有变压器、整流滤波电路、稳压电路等。 另外还介绍了 手动复位电路 、看门狗电路 、时钟电路 等。第四章 软件设计35第四章 软件设计 4.1 软件系统概述 单片机测控系统的软件设计和一般在现成系统机上设计一个应用软件有所不同，后者是在系统机器操作系统等支持下的纯软件设计，而单片机的软件设计是在裸机条件下开始的，而且随系统的不同而不同。从软件的功能来看可分为两大类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制、通讯等；