智能化涡街流量计测量系统.doc

智能化涡街流量计测量系统智能化涡街流量计测量系统韩丽 王式民 归柯庭东南大学动力工程系（南京 210096）摘 要 介绍一种通过键盘输入系数修正 涡街流量计 非线性的方法用 MCS-51 单片机进行数据处理和检测，并讨论在以 8031 单片机为微处理器的智能化仪表中采用一片 8155 实现智能仪表键盘 / 显示器及打印机接口的最小化硬件设计技术主题词 涡街 流量 非线性修正 最小化硬件接口Abstract A method of modifying the nonlinearity of vortex-sheddingmeter by keying in factors is introduced. Monolithic processor MCS-51can be used fordata processingand detecting and one-chip processor8155can be appliedto intelligentinstruments with chip microprocessor8031for minimized hardware design for interfacing of keyboard/display and printer.Subject Headings Vortex, Flow, Nonlinear modification, Minimized hardware interface前 言在石油、化工等生产过程中，对管道内液体和气体的流量进行测量和控制是实现生产过程自动化的重要组成部分。

涡街流量计 具有量程宽，无可动部件，运行可靠，维护简单，压力损失小，具有一定的计量精度等优点 [1] 特别是在很宽的范围内，它的测量与介质的密度、粘度等物性参数无关，因而受到普遍欢迎本文介绍应用 MCS一 51 单片机设计的智能涡街流量计，对涡街流量计固有的非线性进行修正，并具有显示、打印、检测参数的种类以及数据处理等功能，从而拓宽了涡街流量计的应用范围工作原理涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体（涡街流量传感器中称之为漩涡发生体），就会在其下流两侧产生两列有规律的漩涡即卡门涡街，其漩涡频率正比于来流速度： [2]F＝St u／d（ 1）式中 F —涡街频率d —漩涡发生体宽度 u —来流速度S t —斯特劳哈尔数St 的值与漩涡发生体宽度 d 和雷诺数 Re有关当雷诺数 Re＜2×104 情况下， St 为变数：当 Re在 2×104 ～7×106 的范围内， St 值基本上保持不变， 这段范围为流量计的基本测量范围式（1）表明，当 d 和 St 为定值时，漩涡产生的频率 F 与流体的平均流速 u 成正比，利用这一特性制成了涡街流量计。

由于涡街传感器所测的并不是平均流速，而大约是漩涡发生体两侧的流速 [3] 对于湍流状态，不同的雷诺数下，流速分布规律是不同的即不同的流速下具有不同的流速分布，进而说明了涡街流量传感器检测到的主要反映漩涡发生体两侧的流速与管道平均流速的关系不是唯一确定的这说明涡街流量传感器的非线性误差是其检测机理所决定的在实际使用时，先绘出传感器的仪表系数与频率的试验曲线 f (F) K= f (F)=KG （ F）（ 2）式中 G（ F）是同一口径的各台仪表相同的曲线形状（仅是位移不同） K 是平均仪表系数在本文应用 MCS一 51 单片机的智能涡街流量计中，通过将试验曲线形状 G（F）事先固化于流量计的 EPROM中，和让用户结合现场具体工况通过键盘输入 K 的值，实现涡街传感器的非线性修正硬件设计图 1 是系统的硬件原理框图图 1 硬件原理框图根据设计要求，单片机应用系统 [4] 包括：（ 1）接受变送器送来的与流量成正比的脉冲，并对其定时、计数的电路； （2）显示器，键盘，打印机接口电路；（ 3）外部存储器的扩展电路；主要电路介绍如下：1 键盘 / 显示器及打印机接口 [5]为使接口硬件尽可能少，设计时，仅用一片 8155I/O 接口芯片完成智能化仪表的键盘输入， LED输出和打印机输出的接口任务。

将 8155 的 PC口用作显示自选通和键盘扫描输出， PB口用作显示字段及小数点的输出， 8031 外部中断 INTO 用作键盘响应输入， PA口用作外接打印机的输出如图 2 所示图 2 键盘 / 显示器及打印机接口电路（1）显示器接口设计设计 6 位 LED显示器作为仪表的显示输出 8155 的 PB口定义为输出口， 其中低四位 PB0～PB3输出显示数据的 BCD码，并经 74LS249 BCD译码器译码后送LED的段码端，PB4作为测量结果的小数点位经驱动器后接 LED的小数点发光段；PB5作为极性控制位单独控制一个发光二极管以显示测量结果的正负 8155 的PC口定义为输出口， PC0～ PC5分别控制 6 位 LED的位选通，实现动态扫描方式显示2）键盘接口设计在图 2 所示的键盘接口中， 由 6 个键组成键盘 8031 用外部中断 INTO作为键盘状态输出在 6 个键中，其中两个键定义为 " 加一键 " 和 " 减一键 " 另外 4 个键分别为打印键，编程键，选项键以及复位键按下编程键后，进入编程状态，用户输入平均仪表系数选项键用来确定显示那种流量表达方式（如体积流量、质量流量等），键盘的列扫描信号来自于 PC口输出的 LED位选通信号：键盘的行输入信号由键盘是否闭合得到。

没键按下，键状态为开， INTO位高电平，中断不被触发；若有键按下，键状态为闭， INTO由高点平变为低电平，中断由信号下降沿触发，从而向 CPU发出中断请求 CPU响应中断后读取 PC口的输出状态，判断 PC0～PC5输出的低电平为即可完成键扫描和键识别3）打印机接口设计采用 GP一 16 通用智能微型打印机，自带 8039 单片机它可以把 8031 送来的数据以字符串、 数据或图形三种方式打印出来； 它与仪表的接口设计如图 2 所示，它的 8 根双向三态数据线 D0～ D7直接与 8155 的 PA0～PA7相连，片选信号 CS与 8155 的片选信号公用单片机系统译码器输出的端口地址 Y7， WR和 RD 直接与 8031 的 WR，RD相连，其硬件设计非常简单2 外部存储器的扩展（1）程序存储器 EPROM的扩展由于 8031 片内没有 EPROM，故 8031 单片机需要外扩一片 EPROM2764（8K 字节）在 P0 口送出的低 8 位地址时，地址由信号 ALE的下降沿控制锁存到锁存器中，高 5 位由 P2.0 ～ P2.4 提供，锁存器采用 74LS373锁存器，控制端直接与ALE相连。

则程序存储器读选通信号 PSEN控制 EPROM2764的输出允许端 OE2）数据存储器的扩展MCS一 51 单片机内 RAM为 128 个字节，因其容量不能满足设计要求，故本机扩展 8K 字节静态 RAM6264一片本机外扩展的 RAM和 EPROM电路如图 3 所示：图 3 外部存储器扩展从图中可以看出 EPROM2764与 RAM6264的地址范围是相同的，但是它们的控制信号是不一样的 2764 的选通信号是 PSEN，而 6264 的读入或写入是靠 RD或 WR型号控制，所以不会产生数据冲突问题软件设计 [6]本机软件采用模块结构，其 4 个主要部分分别如下1 主程序主程序为本仪器的监测程序在程序运行中，必须首先对系统进行初始化，清各工作单元，置计数器及标志位初值，自检指示灯，开中断，启动计数器等工作仪器采用微型键盘和 LED指示灯相配合，使仪器的各种功能清晰有序键盘子程序包括：扫描键盘子程序其功能是寻找是否有键按下，输入键值程序；键值扫描程序；表驱动程序；通用显示子程序等键值扫描子程序的功能是根据按键的位置一行行的扫描表驱动程序是判断按键是哪种功能键通用显示子程序的功能是将显示缓冲区中的字码转换成段码送入显示器中，显示各种字型。

几乎所有程序中都要用到这一程序，因此称之为通用显示子程序，以便与显示功能块相区别2 中断服务程序仪器的测量、转换等程序均通过中断方式同主程序相连，单片机内的两个定时器计数器作为闸门使用因为流量频率的测量很重要，所以定时器 TO被用来测评，并定为高级中断测量测频中断服务子程序流程图如图 4 所示3 功能块程序仪器通过键盘输入命令，可随时得到用户所需的结果，这就要用到功能程序块功能程序块包括：显示、打印、清零等功能块显示功能块的作用是根据用户的需要转入相应的入口参数，再经过码之转换，送至显示缓冲区中打印程序包括打印质量流量及体积流量、瞬时流量及累计流量4 使用计算子程序主要包括计算流量的程序采用的是浮点制运算子程序，这些运算子程序可直接调用结论采用上述设计的智能化涡街流量计，可让用户结合现场具体工况，通过键盘方便地输入校正系数，完成了对涡街流量计非线性修正，拓宽了涡街流量计的应用范围图 4 TO 的中断子程序框图参考文献1戴昌辉 流体流动测量 北京：航空工业出版社， 19912朱德祥 流量仪表原理和应用 南京：华东华工学院出版社， 19923王超等 高精度智能化涡街流量变送器的研究仪器仪表学报， 2000，84徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计北京：北京航空航天大学出版社，19955骆德汉 智能化仪表键盘 / 显示器设计技术自动化与仪表， 1990，36何立民 单片机应用文集 北京：北京航空航天大学出版社， 1991。