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用AT89C51设计智能流量显示仪 |
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作者：辽宁机电职业技术学院 |
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摘要：采用单片机来开发计量二次仪表，具有计量精度高，功耗低，稳定可靠，成本低等特点。文中介绍了一个智能流量显示仪系统的设计思路
关键字：单片机 补偿系数 累积流量 瞬时流量
引言：
随着计算机的发展，工业自动化水平的提高，在油田系统中逐渐使用智能仪表来计量油井的出油量，计量仪表精确度的高低，直接影响着企业的经济效益，。那么在我国现有经济水平下，使用单片机开发的智能流量显示仪作为二次开发仪表是非常适用的，该仪表计量精确，性价比极高，不仅适于油量计算，还广泛适用于许多气体、液体等计量场合。
一、系统概述
流量测量仪表通常由流量测量（又称一次仪表）和流量显示（又称二次仪表）两大部分组成，流量显示部分先后由机械发展到现在的电子表头，电子表头的种类很多，其中用单片机开发出来的，具有多功能，软件调节非线性误差的智能流量显示仪，是和各种脉冲输出的一次流量测量仪表相配套的二次仪表，具有如下特点：
1、采用了微处理技术，可靠性高。
2、采用了微功耗器件，耗电低，适合电池供电。
3、可同时显示累积流量和瞬时流量。
4、采用了智能多段流量软件补偿技术，测量精度高。
5、可以存储流量
它的技术性能如下：
1、输入信号：
一次仪表的频率输入。与流量传感器相接，经检测、放大得被测介质的流量，信号频率为（0~1000）HZ的脉冲信号。传感器连接电缆第度小于1000米，要求导线电容小于0.1μf，电感小于10mH，智能流量显示仪（二次仪表）放在计量间里，每个计量间可容纳30个。
2、输出信号：
a、累积流量显示：八位浮点式，开始显示小数点后五位：0.00000m3，最后显示小数点后三位：0000.000 m3。表示从仪表开始作后的累计流量。
b、瞬时流量显示：四位浮点式，开显示始小数点后两位：00.00 m3，最后显示小数点一位：000.0 m3。表示当前的瞬时流量。
3.抗干扰：10kW~17kW电机转动，显示不变化。
4.准确度：无修正时3%左右，修正后为±0.01%。
5.流量修正范围：在全流程范围内八段进行补偿修正。
6.设累积流量置补偿系数位：最多八位整数。
7.电源：（4~5）V直流。
8.总耗电：<1.0mW.
9.带LB欠压指示.
10.环境温度：(-20~70)℃。
11.相对湿度：<85%
12.隔爆型外壳设计
二、硬件组成
1、硬件中的核心是ATMEL生产的AT89C51/LV51单片机，它是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器 ，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。
2、存储流量用的存储器是ATMEL生产的AT24C16系列，它是一种带有闪2K字节的可电擦除、可编程的只读存储器。通过单片机的RXD和TXD口与它的SCL和SDA分别相连，进行读写操作。
3、测量时，有一个1秒的硬件复位电路接到 RESET端，使单片机定时复位。单片机采用省电模式工作，每次输入、累计、显示处理后等待唤醒，这样工作功耗非常小。设置补偿系数时，复位脚正常连接。
4、输入脉冲通过分频、74HC393锁存后，送入单片机的P2口。在单片机内经过程序处理后，输出显示信号送到P1口（数据4位，选择信号4位）。数据中4位送入MC14543（BCD --锁存/ 7段译码/ 驱动动器）中，共有12个MC14543，分别控制着与累计流量8位及瞬时流量4位相连的液晶块的显示数据，4位选择信号送到CD4514译码器（4位锁存/ 4-16线译码器），选择接收数据的MC14543芯片和浮动显示的小数点位。
6、硬件分为两部分：①控制部分：对流量信号处理，得到累积流量和瞬时流量的显示数据。②显示部分：将显示数据送到液晶显示屏。两部分通过一个10针的插座J1相连。
注：
1、单片机P2口(p20~p27)接经过分频的频率信号输入（8位）
2、单片机的P3.4（T0）接按键：“设定键” ；P3.5（T1）接按键：“确定键”；P3.2（INT0）接按键：“移位键”；P3.3（INT1）接按键：“加一键”。
3、P3.1（TXD）接AT24C16的SDA，P3.0（RXD）接AT24C16的SCL
4、开关K的1、3接通时设置补偿系数，单片机的RESET2正常接复位电路；K的2接通时仪表正常使用；K的2、3、4接通时显示输入的频率值。
5、单片机的P0端空闲，等仪表出厂时，可以将单片机的P0口中的若干引脚用烧掉，以保护开发者的劳动成果，相关知识可查阅单片机的程序加密方法。
显示部分
三、软件设计部分
1、主程序框图
2.程序根据开关的设置分三大部分：
① 正常使用即测量部分 ② 测量输入频率部分 ③ 设置调整系数部分。
四、仪表使用和校正
1、仪表面板简易图如下：
2、仪表误差的非线性调整
仪表使用前，先通过专用仪表检定设备进行检验校对，此时需要用到② 测量输入频率部分。根据流量在不同的频率范围时所产生的误差，得到调整系数，下面有一组模拟数据。开关设置在调整参数时，可使用③部分功能。在下面的数据中说明当流量频率在 0~7hz之间，根据误差值，计算此流量段范围的每个频率每秒对应的流量大小为003765，其余的同理。当所有的八段流量补偿参数都设置完后，由单片机这些参数存入AT24C16中，当接收到一次流量仪表送来的频率信号后，根据频率范围取不同的流量参数，从而达到多段补偿，使仪表的流量非常精确，能达到0.01%。每秒进行一次流量累积和显示刷新。
以上组数为例说明设置补偿系数的过程。
A、按下设定键，瞬时流量位处显示1001，此时可使用加1键和移位键，在累积流量处输入的瞬时脉冲数7。
B、再按下设定键，瞬时流量位处显示1002，此时可使用加1键和移位键，在累积流量处输入的系数00003765。
C、按下设定键，瞬时流量位处显示2001，此时可使用加1键和移位键，在累积流量处输入的瞬时脉冲数28。
D、再按下设定键，瞬时流量位处显示2002，此时可使用加1键和移位键，在累积流量处输入的系数00003420。
E、重复A，B直到所有的段设置完毕。最多可有八段补偿系数。
F、当设置完八段或某段的瞬时脉冲数和调整系数K都设置成0时，再按下设定键，则开始往AT24C16中写入系数。
3、然后开关设置在正常位置，可以用于现场测量了，仪表可显示浮动的八位累积流量和4位瞬时流量，并且可以随时存入流量或调出流量。
五、使用效果与改进
本智能流量显示仪用于现场测量已经有五年多，运行可靠，测量准确，性价比非常低，易于功能括展。现已将流量报警、控制流量大小等功能加入。当流量超过设定的报警值时，能发出语音报警；当设定流量控制参数后，可自动调节流量大小。该仪表也可以结合工业组态软件mcgs或组态王，作为下位机收集流量数据，送给组态服务器来处理。(end)
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(4/15/2005) |
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