智能化渦街流量計測量系統(tǒng)

摘要 介紹一種通過鍵盤輸入系數(shù)修正渦街流量計非線性的方法。用MCS-51單片機進行數(shù)據(jù)處理和檢測，并討論在以8031單片機為微處理器的智能化儀表中采用一片8155實現(xiàn)智能儀表鍵盤/顯示器及打印機接口的zui小化硬件設(shè)計技術(shù)。
　　　　主題詞 渦街 流量 非線性修正 zui小化硬件接口
　　　　Abstract A method of modifying the nonlinearity of vortex-shedding meter by keying in factors is introduced. Monolithic processor MCS-51 can be used for data processingdetectingone-chip processor 8155 can be applied to inligent instruments with chip microprocessor 8031 for minimized hardware design for interfacing of keyboard/displayprinter.
　　　　Subject Headings Vortex, Flow, Nonlinear modification, Minimized hardware interface
　　
　　
前　　言
　　在石油、化工等生產(chǎn)過程中，對管道內(nèi)液體和氣體的流量進行測量和控制是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分。渦街流量計具有量程寬，無可動部件，運行可靠，維護簡單，壓力損失小，具有一定的計量精度等優(yōu)點。[1]特別是在很寬的范圍內(nèi)，它的測量與介質(zhì)的密度、粘度等物性參數(shù)無關(guān)，因而受到普遍歡迎。本文介紹應(yīng)用MCS一51單片機設(shè)計的智能渦街流量計，對渦街流量計固有的非線性進行修正，并具有顯示、打印、檢測參數(shù)的種類以及數(shù)據(jù)處理等功能，從而拓寬了渦街流量計的應(yīng)用范圍。
　
　　工作原理



  渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計。即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體（渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體），就會在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦即卡門渦街，其漩渦頻率正比于來流速度：[2]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　F＝Stu／d 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）
　　式中 F—渦街頻率
　　　　 d—漩渦發(fā)生體寬度
　　　　 u—來流速度
　　　　 St—斯特勞哈爾數(shù)
　　　　St的值與漩渦發(fā)生體寬度d和雷諾數(shù)Re有關(guān)。當雷諾數(shù)Re＜2×104情況下，St為變數(shù)：當Re在2×104～7×106的范圍內(nèi)，St值基本上保持不變，這段范圍為流量計的基本測量范圍。
　　　　式（1）表明，當d和St為定值時，漩渦產(chǎn)生的頻率F與流體的平均流速u成正比，利用這一特性制成了渦街流量計。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。[3]對于湍流狀態(tài)，不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，進而說明了渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速與管道平均流速的關(guān)系不是*確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。在實際使用時，先繪出傳感器的儀表系數(shù)與頻率的試驗曲線f (F)。
　　　　　　　　　　　　　　　　K= f (F)=KG（F）　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　（2）
　　　　式中G（F）是同一口徑的各臺儀表相同的曲線形狀（僅是位移不同）。K是平均儀表系數(shù)。在本文應(yīng)用MCS一51單片機的智能渦街流量計中，通過將試驗曲線形狀G（F）事先固化于流量計的EPROM中，和讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況通過鍵盤輸入K的值，實現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。
　　
　　
　　硬件設(shè)計



圖1是系統(tǒng)的硬件原理框圖。
　　
　　
　　圖1　硬件原理框圖
　　
　　
　　　　根據(jù)設(shè)計要求，單片機應(yīng)用系統(tǒng)[4]包括：（1）接受變送器送來的與流量成正比的脈沖，并對其定時、計數(shù)的電路；（2）顯示器，鍵盤，打印機接口電路；（3）外部存儲器的擴展電路；主要電路介紹如下：
　　
　　1 鍵盤/顯示器及打印機接口[5]
　　
　　　　為使接口硬件盡可能少，設(shè)計時，僅用一片8155I/O接口芯片完成智能化儀表的鍵盤輸入，LED輸出和打印機輸出的接口任務(wù)。將8155的PC口用作顯示自選通和鍵盤掃描輸出，PB口用作顯示字段及小數(shù)點的輸出，8031外部中斷INTO用作鍵盤響應(yīng)輸入，PA口用作外接打印機的輸出。如圖2所示。



                    圖2　鍵盤/顯示器及打印機接口電路
　　
　　
　　　　（1）顯示器接口設(shè)計
　　
　　　　設(shè)計6位LED顯示器作為儀表的顯示輸出。8155的PB口定義為輸出口，其中低四位PB0～PB3輸出顯示數(shù)據(jù)的BCD碼，并經(jīng)74LS249 BCD譯碼器譯碼后送LED的段碼端，PB4作為測量結(jié)果的小數(shù)點位經(jīng)驅(qū)動器后接LED的小數(shù)點發(fā)光段；PB5作為極性控制位單獨控制一個發(fā)光二極管以顯示測量結(jié)果的正負。8155的PC口定義為輸出口，PC0～PC5分別控制6位LED的位選通，實現(xiàn)動態(tài)掃描方式顯示。
　　
　　　　（2）鍵盤接口設(shè)計
　　
　　　　在圖2所示的鍵盤接口中，由6個鍵組成鍵盤。8031用外部中斷INTO作為鍵盤狀態(tài)輸出。在6個鍵中，其中兩個鍵定義為"加一鍵"和"減一鍵"。另外4個鍵分別為打印鍵，編程鍵，選項鍵以及復(fù)位鍵。按下編程鍵后，進入編程狀態(tài)，用戶輸入平均儀表系數(shù)。選項鍵用來確定顯示那種流量表達方式（如體積流量、質(zhì)量流量等），鍵盤的列掃描信號來自于PC口輸出的LED位選通信號：鍵盤的行輸入信號由鍵盤是否閉合得到。沒鍵按下，鍵狀態(tài)為開，INTO位高電平，中斷不被觸發(fā)；若有鍵按下，鍵狀態(tài)為閉，INTO由高點平變?yōu)榈碗娖剑袛嘤尚盘栂陆笛赜|發(fā)，從而向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應(yīng)中斷后讀取PC口的輸出狀態(tài)，判斷PC0～PC5輸出的低電平為即可完成鍵掃描和鍵識別。
　　
　　　　（3）打印機接口設(shè)計
　　
　　　　采用GP一16通用智能微型打印機，自帶8039單片機。它可以把8031送來的數(shù)據(jù)以字符串、數(shù)據(jù)或圖形三種方式打印出來；它與儀表的接口設(shè)計如圖2所示，它的8根雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線D0～D7直接與8155的PA0～PA7相連，片選信號CS與8155的片選信號公用單片機系統(tǒng)譯碼器輸出的端口地址Y7，WR和RD直接與8031的WR，RD相連，其硬件設(shè)計非常簡單。
　　
　　2 外部存儲器的擴展
　　
　　　　（1）程序存儲器EPROM的擴展
　　
　　　　由于8031片內(nèi)沒有EPROM，故8031單片機需要外擴一片EPROM2764（8K字節(jié)）。在P0口送出的低8位地址時，地址由信號ALE的下降沿控制鎖存到鎖存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，鎖存器采用74LS373鎖存器，控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。
　　
　　　　（2）數(shù)據(jù)存儲器的擴展
　　
　　　　MCS一51單片機內(nèi)RAM為128個字節(jié)，因其容量不能滿足設(shè)計要求，故本機擴展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。本機外擴展的RAM和EPROM電路如圖3所示：



                            圖3 外部存儲器擴展
　　
　　
　　　　從圖中可以看出EPROM2764與RAM6264的地址范圍是相同的，但是它們的控制信號是不一樣的。2764的選通信號是PSEN，而6264的讀入或?qū)懭胧强縍D或WR型號控制，所以不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突問題。
　　
　　
　　軟件設(shè)計[6]
　　
　　
　　　　本機軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，其4個主要部分分別如下。
　　
　　1 主程序
　　
　　　　主程序為本儀器的監(jiān)測程序。在程序運行中，必須首先對系統(tǒng)進行初始化，清各工作單元，置計數(shù)器及標志位初值，自檢指示燈，開中斷，啟動計數(shù)器等工作。儀器采用微型鍵盤和LED指示燈相配合，使儀器的各種功能清晰有序。
　　　　鍵盤子程序包括：掃描鍵盤子程序。其功能是尋找是否有鍵按下，輸入鍵值程序；鍵值掃描程序；表驅(qū)動程序；通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序的功能是根據(jù)按鍵的位置一行行的掃描。表驅(qū)動程序是判斷按鍵是哪種功能鍵。通用顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)中的字碼轉(zhuǎn)換成段碼送入顯示器中，顯示各種字型。幾乎所有程序中都要用到這一程序，因此稱之為通用顯示子程序，以便與顯示功能塊相區(qū)別。
　　
　　2 中斷服務(wù)程序
　　
　　　　儀器的測量、轉(zhuǎn)換等程序均通過中斷方式同主程序相連，單片機內(nèi)的兩個定時器計數(shù)器作為閘門使用。因為流量頻率的測量很重要，所以定時器TO被用來測評，并定為中斷。測量測頻中斷服務(wù)子程序流程圖如圖4所示。
　　
　　3 功能塊程序
　　
　　　　儀器通過鍵盤輸入命令，可隨時得到用戶所需的結(jié)果，這就要用到功能程序塊。功能程序塊包括：顯示、打印、清零等功能塊。顯示功能塊的作用是根據(jù)用戶的需要轉(zhuǎn)入相應(yīng)的入口參數(shù)，再經(jīng)過碼之轉(zhuǎn)換，送至顯示緩沖區(qū)中。打印程序包括打印質(zhì)量流量及體積流量、瞬時流量及累計流量。
　　
　　4 使用計算子程序主要包括計算流量的程序
　　
　　　　采用的是浮點制運算子程序，這些運算子程序可直接調(diào)用。
　　
　　
　　結(jié)　　論
　　
　　
　　　　采用上述設(shè)計的智能化渦街流量計，可讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況，通過鍵盤方便地輸入校正系數(shù)，完成了對渦街流量計非線性修正，拓寬了渦街流量計的應(yīng)用范圍。