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智能涡轮流量计的设计
更新时间:2019-5-13 9:52:06 浏览:213 关闭窗口 打印此页
 [导读] 为实时监测流体的流速和流量,给出了以单片机为核心的智能涡轮流量计设计方案,进行了该流量计的硬件设计和软件流程设计.测试结果表明,该流量计适用于各种复杂环境,能够准确实现测量目的。
 
    1 系统概述
 
    智能涡轮流量计系统结构如图1所示,包括传感器、信号处理电路、AT89C2051单片机、LCD显示电路、数据存储电路和电源。信号处理电路通过放大器用于对待测信号进行放大;通过单片机设置能够对内部定时器T0的工作进行控制,这样能精确地测出加到T1引脚的单位时间内的脉冲个数;流速和流量显示部分采用串口LCD显示模块,所得的数据采用I2C总线,并通过EEPROM来存储,节省了所需单片机的口线和外围器件,同时也简化了显示部分的软件编程。
 
    该设计能实时将所测的流量速度显示出来,同时也能够累计显示累计流量和分段流量。涡轮流量计能将传感器输入到单片机的脉冲信号的个数(传感器将涡轮叶片转过的个数转变成相应的脉冲信号的个数)实时地测量出来,然后通过单片机计算出流速和流量,再将所得的数据存储到串口数据存储器,并由串口液晶显示模块实时显示出所测流速或流量。该设计用一个按键来控制显示即时流速或累计流量或分段流量.考虑到信号的衰减、强弱等影响,在信号送入单片机前应对其进行放大,然后再输入到单片机进行计算。
 
    单片机利用定时器T1的计数功能测出输入信号的个数后,再利用单片机的算术运算功能将个数转换成速度,同时每秒进行一次流量累计,从而计算出累计流量。最后将得出的流速、分段流量值和累计流量值存储在E2PROM中,并根据按键的按下情况来显示流速或流量。为了方便计算要显示数据值的段码,可以通过查表的方式将要显示的数据值中每一位的BCD码转换成8段码送到显示缓冲区,最后经串口送至液晶显示模块以显示所测的流速或流量。速和流量值采用8位显示,流量用1个小数位,流速用2个小数位。
 
    2 统硬件设计
 
    选用AT89C2051作为信号处理核心。T89C2051包含2kB的可重擦写闪存、128字节的内部RAM、15个可编程的I/O口线、2个16位定时/计数器、1个5向量两级中断结构和1个全双工的串行通信口,同时支持2种软件可选的节电工作模式[1-2]。设计中用到了AT89C2051的T0,T1定时器,以及P1端口的8个口线。于该单片机与89C51相兼容,因此在硬件电路设计和软件编程方面更加方便。由于AT89C2051本身固有的特点,设计时应考虑到:首先,它的程序存储器空间为2kB,因此所有的跳转和分支转移指令都要限制在这个范围内。其次,它没有MOVX指令,不支持外部存储器操作。此外,AT89C2051自身还有一些其他特点,譬如可以使用命令使其工作在低功耗模式等。
 
    电路采用液晶显示模块LCM0825,该模块与单片机的接口电路如图2所示。
 
    LCM0825是8位段码式液晶显示模块,它内部集成有LCD控制器、LCD驱动器和RAM,因而可方便显示数据的编程。液晶显示模块采用3~4线串行数据输入,可直接与单片机接口。由于串行接口方式节省了所需的口线和系统资源,因而使系统具有较高的资源利用率。该模块可在2.7~5.2V电压下工作,其低功耗及背光可调特性使得设计更具有经济性和通用性。LCM0825能够显示8位数据,每一个数据均以8段码的形式放在其内部显示RAM区,并用模块内RAM的2个存储地址来放置一个数据的8段码。8位数据共占用内部16个地址[3]。每一个数据位的8段码存放形式及高低地址存放段码的顺序都和表1所列的第8位数据的8段码存放格式一样,只是段码的存放地址不同。因此,编程时应考虑数据的存放地址和形式.在使用该液晶显示模块时,VCC与VLCD之间可用一个50kΩ的电位器来调整背光。
 
    数据存储电路采用I2C总线的E2PROM存储器CAT24WC04.CAT24WC04是串行的E2PROM存储器,其存储容量为4kB,SCL为时钟线,SDA为数据线。流量数据保存在CAT24WC04,因此可保证掉电时数据不丢失。
 
    3 系统软件设计
 
    系统软件采用模块化设计方法。整个系统由系统初始化模块、信号处理模块、定时器中断模块、流量和流速计算和存储模块、显示数据处理模块、数据显示模块以及其他功能模块组成,其软件结构如图3所示。上电后,首先进入系统初始化模块,此后系统软件将开始运行,以实时地将所测数值显示在液晶模块上。
 
图3 系统软件结构框图
 
    3.1 数据处理过程
 
    待测信号经信号处理电路后加至单片机的P3.5(T1)引脚可为单片机测量信号数量提供有效的输入信号。单片机通过T0定时器来决定测量数量的时间。测量时,首先将零赋给TH1,TL1两个寄存器,将计数器T1的运行控制位TR1置位,同时也将ET1置位以允许计数器T1中断。一旦出现低电平,则立即复位TR1以终止计数器,以结束计数程序。根据信号的数量和涡轮流量计的参数即可计算出此时的流速。
 
    每秒进行一次流量数累加,用当前的速度值加上一秒前的流量数即可得出当前的总流量值,得出的流速和流量值放到E2PROM中,通过键盘显示键可显示流速或流量值。要显示的流速或流量放到R1,R2,R3三个寄存器后即可调用转换BCD代码模块,以将数据值显示处理。数据转变成相应的BCD代码后,可调用显示消多余零和显示数据存储模块,并将要显示的数据通过查表转换成相应数据的8段码放到显示缓冲区以备显示。编程时要把十进制数据的相应8段码放在表格中,以便通过查表而得到相应数值的段码。此过程的另一个重要目的是消除最高有效位前面的多余零,使多余零的段码处于不显示状态,从而保证数据以正常的格式显示出来。最后,将显示缓冲区的8位8段码经串口送至液晶显示模块进行显示。
 
    3.2 液晶显示模块的初始化
 
    LCM0825是串行8位8段液晶显示模块。使用时,要在上电后对该模块进行初始化.在初始化之前,应延时200ms以上再送命令。初始化工作过程如下:首先定义液晶模块(当其命令代码为:00101001),其次定义振荡器方式(当其命令代码为00011000时,将模块定义为内部RC振荡方式,命令代码为00010100时,定义为外部晶体振荡方式)。然后分别用命令代码00000001和00000011开振荡器和开显示器。命令送入后,便可以在需要显示数据时将相应的段码直接送入模块内部的显示RAM中。在送显示数据的段码数据时,要考虑到显示RAM的高和低地址所对应的数据段码的存放形式。其第8位数据的段码与LCM0825内部的RAM地址的对应关系见表1。以后随地址的增加依次存放第7位至第1位数据段码。为了正确地显示数据,应使要显示的8位字符在显示屏幕中为左起第1位,右止第8位。
 
    另外,由于命令格式及时序不同,写命令和写数据程序应分别编写。编写传输子程序时,所传数据的高位先移入模块,否则模块不能正常工作或显示。同样,为了能正确读/写命令或数据,必须在时序中加入相应的延时;此外,为保证系统的低功耗,每次读/写命令或数据之后,都应将CS,RD,WR,DATA引脚置高电平。
 
    4 结语
 
    基于单片机的智能涡轮流量计的设计方案中因使用了串口LCD显示模块和EEPROM储存器,不仅节省了硬件资源,提高了系统性价比,又保证了系统测量精度和实时性,具有很好的应用价值。
 
    参考文献
 
    [1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990. 
    [2]李群芳,肖看.单片机原理、接口及应用:嵌入式系统技术基础[M].北京:清华大学出版社,2005.
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