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基於渦輪流量傳感器的矽油流量計的硬件與軟件設（shè）計
點擊次數：1906 發布時間：2021-01-19 15:06:07
矽油流量計（jì）量屬於計量科學技術的一個分支，也是其中一個不（bú）可或缺的組成部分，因為它與國民經濟、國防建設以及科學研究密切（qiē）聯（lián）係。在工業中，矽油流量計（jì）量的（de）作用至關重要，因為準確（què）的矽油流量計量與工業（yè）產品質量和生產效率（lǜ）密切相關。本設計主要是基於渦輪流量傳感器的矽油流量計設計，可實時顯示（shì）的瞬時（shí）流量和（hé）累積流量，通過（guò）對（duì）EEPROM中參數的設置可調整係統測量時的環境參數，以適應各種不同條件下（xià）的（de）流量測量。
1 矽油流量計總體設計
本文所（suǒ）設計的矽油流量計主要由ARM微處理器，串（chuàn）口通（tōng）信模塊，數據存儲模塊，液晶顯示屏模塊以及按（àn）鍵模（mó）塊組（zǔ）成。總體框架如圖（tú）1所示（shì）。係統（tǒng）初始上電（diàn），等待用（yòng）戶按鍵選擇，讀寫EEPROM中的儀（yí）表係數，密度（dù），線性修正（zhèng）參數等具體參數，接收傳感器所傳入的脈衝並對其計數，內部進行數據處理計算（suàn）出脈衝的頻率，按照傳感器提供的（de）矽油流量計算公式（shì）和參數計算出瞬時（shí）流量和累計流量並顯示於LCD12864液晶顯示屏上。
2 矽油（yóu）流量計硬（yìng）件設計
2.1 微處理器*小係（xì）統
本設計中采用的微處理（lǐ）器為NXP公（gōng）司（sī）的M3係列LPC1766，它具有三級流線和哈佛結構，功耗低，性能高，並且包含了眾多外設。此外，M3內核還為LPC1766提供了一個（gè）能夠降低中斷延時和實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TTL電平標（biāo）準，即+5V和0V分別（bié）代表邏輯“1”和（hé）“0”。由（yóu）於TTL和RS232高低電平（píng）的邏輯和範圍不同，故這兩種標準串口之間的連接*先應進行電（diàn）平轉（zhuǎn）換。本設計中采用sp3232芯片轉換LPC1766串口的TTL電平與上位機串（chuàn）口相連，進行RS232通信。TTL到RS232電平轉換電路（lù）。注意，RS232電平較高，接通瞬間可能會（huì）產（chǎn）生非常高的瞬時電湧，這個電湧電流（liú）可能會擊（jī）毀SP3232，所以在使用這個芯片時（shí）應拔插之前進（jìn）行（háng）斷電操作，避（bì）免熱拔插。
2.3 數（shù）據存儲模塊
EEPROM主要是用（yòng）來存（cún）儲一些與（yǔ）測量相關的參數和測量的（de）數據（jù）。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SPI總線和LPC1766相連（lián），對流（liú）量測量參數進行保存。當係（xì）統開始運行時，通過按鍵向存儲芯片寫入相關的參（cān）數，從而保證流量（liàng）測量（liàng）結果的正確。這些參數與實際（jì）運行環境是相關（guān），通過重新寫（xiě）入相應參數以適應新（xīn）的運行環境。
2.4? LCD液（yè）晶顯示模塊
本設計的（de）顯示模塊（kuài）選擇的是LCD12864,用於實時顯示矽油流量計（jì）所測（cè）量的瞬時流（liú）量和累計流量。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（kě）以顯示字母也可（kě）以顯示漢字及圖形。
3 矽油流量計軟件設（shè）計
3.1 軟件設計總流程
軟件的總體設（shè）計主要包括這幾個（gè）方麵：係統初始化程序，LCD顯示（shì）程序，流量測量數據處理（lǐ），數據存儲程序以及基（jī）於modbus協議的RS232串口通信程序。這（zhè）裏*先介紹（shào）軟件設計的總體流程圖，如圖2所示。
係統初始化程序（xù）主要用於微處理器各（gè）GPIO功能引腳的選擇、係統時鍾配置、中斷初始化及優先級（jí）配置以及LCD液晶屏初始化。微處理器LPC1766在（zài）modbus主從通信協議中處於從機地位，為了實現標準的modbus協（xié）議，采用了移植freemodbus源代碼（mǎ）的方式。因此（cǐ）串口通信程序所做的隻（zhī）是根據LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進行設置和開啟（qǐ）串口中斷（duàn）。按鍵程序（xù）主要作用是（shì）為了實現（xiàn）人（rén）機（jī）交互功能，本設計主要用了四個（gè）按鍵，分別用於參數設置時的（de）確認，返回，增大和減小功能（néng）。
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（liàng）大小相關，並在一般情況下，有f=Kqv
式中，K為傳感器的儀表係（xì）數，並在其測量範圍（wéi）內，對qv而言，K相（xiàng）當（dāng）於一個（gè）常（cháng）數，通常由流量儀表廠商經過多次實驗測（cè）得並由提供給（gěi）用戶直接使用。qv為通過傳感（gǎn）器流體的體積流量。由此可以看出，對於流量的測量隻（zhī）須（xū）要測量（liàng）傳感器輸（shū）出的脈衝數。脈衝信號（hào）的采集采用兩個定時器，一個用作計數模式用於對脈衝計數，另一個用作重複定時器，得到單位（wèi）時間內的脈衝數。單位時間內的脈衝數乘以儀表係數再乘以相應的補償係數，便得到了瞬時（shí）流量（liàng）。*後，將瞬時流量累加到累積流量中，並在（zài）顯示屏（píng）上顯（xiǎn）示出來。此程序流程圖（tú）如圖3所示。
3.3 液晶屏顯示程序
該程序（xù）主要用於實時更新流量信息，微處理器與上位（wèi）機通過RS232接口以modbus協議進行通信。*後，該設計液晶屏上所顯示的流量信息（xī）與（yǔ）上（shàng）位（wèi）機軟件（jiàn）所顯示的數據如圖4所示。
4 總結
矽油流量（liàng）計量在**生活（huó）的各種方（fāng）麵都有著（zhe）廣（guǎng）泛應用，從工業農業產品生產到（dào）國防（fáng）經濟和基（jī）礎設施建設、從科學技（jì）術的理論（lùn）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，都有著矽油流量計量的參與。本設計通過（guò）實現對流量的（de）檢測，可（kě）使人們進一步提高的利用效（xiào）率，從而達到節約用的目的。
1 矽油流量計總體設計
本文所（suǒ）設計的矽油流量計主要由ARM微處理器，串（chuàn）口通（tōng）信模塊，數據存儲模塊，液晶顯示屏模塊以及按（àn）鍵模（mó）塊組（zǔ）成。總體框架如圖（tú）1所示（shì）。係統（tǒng）初始上電（diàn），等待用（yòng）戶按鍵選擇，讀寫EEPROM中的儀（yí）表係數，密度（dù），線性修正（zhèng）參數等具體參數，接收傳感器所傳入的脈衝並對其計數，內部進行數據處理計算（suàn）出脈衝的頻率，按照傳感器提供的（de）矽油流量計算公式（shì）和參數計算出瞬時（shí）流量和累計流量並顯示於LCD12864液晶顯示屏上。
2 矽油（yóu）流量計硬（yìng）件設計
2.1 微處理器*小係（xì）統
本設計中采用的微處理（lǐ）器為NXP公（gōng）司（sī）的M3係列LPC1766，它具有三級流線和哈佛結構，功耗低，性能高，並且包含了眾多外設。此外，M3內核還為LPC1766提供了一個（gè）能夠降低中斷延時和實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TTL電平標（biāo）準，即+5V和0V分別（bié）代表邏輯“1”和（hé）“0”。由（yóu）於TTL和RS232高低電平（píng）的邏輯和範圍不同，故這兩種標準串口之間的連接*先應進行電（diàn）平轉（zhuǎn）換。本設計中采用sp3232芯片轉換LPC1766串口的TTL電平與上位機串（chuàn）口相連，進行RS232通信。TTL到RS232電平轉換電路（lù）。注意，RS232電平較高，接通瞬間可能會（huì）產（chǎn）生非常高的瞬時電湧，這個電湧電流（liú）可能會擊（jī）毀SP3232，所以在使用這個芯片時（shí）應拔插之前進（jìn）行（háng）斷電操作，避（bì）免熱拔插。
2.3 數（shù）據存儲模塊
EEPROM主要是用（yòng）來存（cún）儲一些與（yǔ）測量相關的參數和測量的（de）數據（jù）。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SPI總線和LPC1766相連（lián），對流（liú）量測量參數進行保存。當係（xì）統開始運行時，通過按鍵向存儲芯片寫入相關的參（cān）數，從而保證流量（liàng）測量（liàng）結果的正確。這些參數與實際（jì）運行環境是相關（guān），通過重新寫（xiě）入相應參數以適應新（xīn）的運行環境。
2.4? LCD液（yè）晶顯示模塊
本設計的（de）顯示模塊（kuài）選擇的是LCD12864,用於實時顯示矽油流量計（jì）所測（cè）量的瞬時流（liú）量和累計流量。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（kě）以顯示字母也可（kě）以顯示漢字及圖形。
3 矽油流量計軟件設（shè）計
3.1 軟件設計總流程
軟件的總體設（shè）計主要包括這幾個（gè）方麵：係統初始化程序，LCD顯示（shì）程序，流量測量數據處理（lǐ），數據存儲程序以及基（jī）於modbus協議的RS232串口通信程序。這（zhè）裏*先介紹（shào）軟件設計的總體流程圖，如圖2所示。
係統初始化程序（xù）主要用於微處理器各（gè）GPIO功能引腳的選擇、係統時鍾配置、中斷初始化及優先級（jí）配置以及LCD液晶屏初始化。微處理器LPC1766在（zài）modbus主從通信協議中處於從機地位，為了實現標準的modbus協（xié）議，采用了移植freemodbus源代碼（mǎ）的方式。因此（cǐ）串口通信程序所做的隻（zhī）是根據LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進行設置和開啟（qǐ）串口中斷（duàn）。按鍵程序（xù）主要作用是（shì）為了實現（xiàn）人（rén）機（jī）交互功能，本設計主要用了四個（gè）按鍵，分別用於參數設置時的（de）確認，返回，增大和減小功能（néng）。
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（liàng）大小相關，並在一般情況下，有f=Kqv
式中，K為傳感器的儀表係（xì）數，並在其測量範圍（wéi）內，對qv而言，K相（xiàng）當（dāng）於一個（gè）常（cháng）數，通常由流量儀表廠商經過多次實驗測（cè）得並由提供給（gěi）用戶直接使用。qv為通過傳感（gǎn）器流體的體積流量。由此可以看出，對於流量的測量隻（zhī）須（xū）要測量（liàng）傳感器輸（shū）出的脈衝數。脈衝信號（hào）的采集采用兩個定時器，一個用作計數模式用於對脈衝計數，另一個用作重複定時器，得到單位（wèi）時間內的脈衝數。單位時間內的脈衝數乘以儀表係數再乘以相應的補償係數，便得到了瞬時（shí）流量（liàng）。*後，將瞬時流量累加到累積流量中，並在（zài）顯示屏（píng）上顯（xiǎn）示出來。此程序流程圖（tú）如圖3所示。
3.3 液晶屏顯示程序
該程序（xù）主要用於實時更新流量信息，微處理器與上位（wèi）機通過RS232接口以modbus協議進行通信。*後，該設計液晶屏上所顯示的流量信息（xī）與（yǔ）上（shàng）位（wèi）機軟件（jiàn）所顯示的數據如圖4所示。
4 總結
矽油流量（liàng）計量在**生活（huó）的各種方（fāng）麵都有著（zhe）廣（guǎng）泛應用，從工業農業產品生產到（dào）國防（fáng）經濟和基（jī）礎設施建設、從科學技（jì）術的理論（lùn）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，都有著矽油流量計量的參與。本設計通過（guò）實現對流量的（de）檢測，可（kě）使人們進一步提高的利用效（xiào）率，從而達到節約用的目的。