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智能化渦街流量計測量系統
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摘 要 介紹一種通過鍵盤輸入系數修正渦街流量計非線性的方法。用MCS-51單片機進行數據處理和檢測,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實現智能儀表鍵盤/顯示器及打印機接口的最小化硬件設計技術。
  主題詞 渦街 流量 非線性修正 最小化硬件接口
  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 processing and detecting and one-chip processor 8155 can be applied to intelligent instruments with chip microprocessor 8031 for minimized hardware design for interfacing of keyboard/display and printer.
  Subject Headings Vortex, Flow, Nonlinear modification, Minimized hardware interface


前  言


  在石油、化工等生產過程中,對管道內液體和氣體的流量進行測量和控制是實現生產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點。[1]特別是在很寬的范圍內,它的測量與介質的密度、粘度等物性參數無關,因而受到普遍歡迎。本文介紹應用MCS一51單片機設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、檢測參數的種類以及數據處理等功能,從而拓寬了渦街流量計的應用范圍。


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生體),就會在其下流兩側產生兩列有規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—漩渦發生體寬度
   u—來流速度
   St—斯特勞哈爾數
  St的值與漩渦發生體寬度d和雷諾數Re有關。當雷諾數Re<2×104情況下,St為變數:當Re在2×104~7×106的范圍內,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,而大約是漩渦發生體兩側的流速。[3]對于湍流狀態,不同的雷諾數下,流速分布規律是不同的。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生體兩側的流速與管道平均流速的關系不是唯一確定的。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。在本文應用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,和讓用戶結合現場具體工況通過鍵盤輸入K的值,實現渦街傳感器的非線性修正。


硬件設計


  圖1是系統的硬件原理框圖。


圖1 硬件原理框圖


  根據設計要求,單片機應用系統[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。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點的輸出,8031外部中斷INTO用作鍵盤響應輸入,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)顯示器接口設計

  設計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輸出顯示數據的BCD碼,并經74LS249 BCD譯碼器譯碼后送LED的段碼端,PB4作為測量結果的小數點位經驅動器后接LED的小數點發光段;PB5作為極性控制位單獨控制一個發光二極管以顯示測量結果的正負。8155的PC口定義為輸出口,PC0~PC5分別控制6位LED的位選通,實現動態掃描方式顯示。

  (2)鍵盤接口設計

  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,選項鍵以及復位鍵。按下編程鍵后,進入編程狀態,用戶輸入平均儀表系數。選項鍵用來確定顯示那種流量表達方式(如體積流量、質量流量等),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,鍵狀態為開,INTO位高電平,中斷不被觸發;若有鍵按下,鍵狀態為閉,INTO由高點平變為低電平,中斷由信號下降沿觸發,從而向CPU發出中斷請求。CPU響應中斷后讀取PC口的輸出狀態,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送來的數據以字符串、數據或圖形三種方式打印出來;它與儀表的接口設計如圖2所示,它的8根雙向三態數據線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片內沒有EPROM,故8031單片機需要外擴一片EPROM2764(8K字節)。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)數據存儲器的擴展

  MCS一51單片機內RAM為128個字節,因其容量不能滿足設計要求,故本機擴展8K字節靜態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的讀入或寫入是靠RD或WR型號控制,所以不會產生數據沖突問題。


軟件設計[6]


  本機軟件采用模塊結構,其4個主要部分分別如下。

1 主程序

  主程序為本儀器的監測程序。在程序運行中,必須首先對系統進行初始化,清各工作單元,置計數器及標志位初值,自檢指示燈,開中斷,啟動計數器等工作。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;表驅動程序;通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序的功能是根據按鍵的位置一行行的掃描。表驅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中的字碼轉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別。

2 中斷服務程序

  儀器的測量、轉換等程序均通過中斷方式同主程序相連,單片機內的兩個定時器計數器作為閘門使用。因為流量頻率的測量很重要,所以定時器TO被用來測評,并定為高級中斷。測量測頻中斷服務子程序流程圖如圖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用戶的需要轉入相應的入口參數,再經過碼之轉換,送至顯示緩沖區中。打印程序包括打印質量流量及體積流量、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用。


結  論


  采用上述設計的智能化渦街流量計,可讓用戶結合現場具體工況,通過鍵盤方便地輸入校正系數,完成了對渦街流量計非線性修正,拓寬了渦街流量計的應用范圍。


圖4 TO的中斷子程序框圖


參 考 文 獻


1 戴昌輝 流體流動測量 北京:航空工業出版社,1991
2 朱德祥 流量儀表原理和應用 南京:華東華工學院出版社,1992
3 王超等 高精度智能化渦街流量變送器的研究 儀器儀表學報,2000,8
4 徐愛鈞 智能化測量控制儀表原理與設計 北京:北京航空航天大學出版社,1995
5 駱德漢 智能化儀表鍵盤/顯示器設計技術 自動化與儀表,1990,3
6 何立民 單片機應用文集 北京:北京航空航天大學出版社,1991


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