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流量檢測裝置設(shè)計說明書1、 裝置需求：1. 100點流量差壓信號的采集。用鍵盤輸入流量系數(shù)，輸入時可顯示；2. 范圍0-1000l/min,采集周期0.5s,信號4-20mA，分辨力0.1%；3. 要求運用數(shù)字濾波（方法自選）；4. 計算瞬時流量（l/min）、累計流量（m3/h）,并顯示；5. 操作人員可隨時修改流量系數(shù)和切換顯示內(nèi)容（瞬時/累計流量）。 2、 設(shè)計說明書要求：1. 系統(tǒng)構(gòu)成框圖及構(gòu)成說明，包括主要部件的選型及依據(jù)；2. DSP與A/D轉(zhuǎn)換芯片連接的電原理圖；3. 程序框圖，包括主要流程；4. 采集、數(shù)字濾波、流量計算程序清單。3、 差壓式流量計基本理論 1.節(jié)流裝置工作原理 差壓式流量計是根據(jù)伯努力方程和流體連續(xù)性原理用差壓法測量流量的，其節(jié)流裝置工作原理如圖1所示，在橫截面H處：流體的平均流速是v1，密度是1，橫截面積是A1；在橫截面L處：流體的平均流速是v2，密度是2，橫截面積是A2。圖1 差壓流量計工作原理圖 根據(jù)流體流動連續(xù)性原理有如下關(guān)系式： v1A11=v2A22 （1） 如果流體是液體，可認為在收縮前、后其密度不變：12 （2） 根據(jù)瞬時流量的定義，即單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道或明渠某橫截面的數(shù)量，所以液體的體積瞬時流量： （3） 根據(jù)伯努利方程（能量守恒定律），在水平管道上Z1Z2，則有如下關(guān)系式： （4） 應(yīng)用伯努利方程和流動連續(xù)性原理，在兩個橫截面上壓力差則有如下關(guān)系式： （5） 將（3）代入（5）式，并整理，則得： （6） 由于， ， 定義直徑比， 其中d為工作狀況下節(jié)流件的等效開孔直徑，D為管道直徑，則得到： （7） 這樣可推導出以下的理論流量公式： （8） 又由于流量系數(shù)C的定義是：C= 實際流量/理論流量，可得出節(jié)流式差壓流量計普遍適用的測量體積流量的實際流量公式： （9） 其中，為被測介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)：對于液體=1； 對氣體、蒸氣等可壓縮流體1 。 根據(jù)累計流量的定義，即在某一段時間內(nèi)流過某橫截面流體的總量，所以液體的體積累計流量為： （10） 因此，我們只要檢測出差壓即可分別計算出瞬時流量和累計流量的大小。2. 差壓變送器工作原理在采用差壓方式進行流量測量時，其流量與差壓呈非線性關(guān)系，即差壓信號與流量之間存在一個開方關(guān)系。為了線性的表達流量，需要對測量系統(tǒng)總的流量信號進行一次開放運算，具體如下： （11）即：應(yīng)用實例：求測量范圍為0-4KPa，輸出4-20mA的帶開方差壓變送器，輸入2KPa差壓值時的輸出電流為多少？輸入2KPa時的輸出電流=mA4、 差壓式流量計硬件設(shè)計 差壓式流量計整體設(shè)計框圖如圖2所示， 首先安裝在管道中的多個節(jié)流裝置檢測出流體差壓，送入差壓變送器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電流（4-20mA）；然后DSP控制多路模擬開關(guān)選擇輸出一路電流到放大器，使其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓（0-5V）；最后信號由A/D采樣后導入到DSP（同時選通第二路電流信號），對多路數(shù)據(jù)進行處理并顯示。圖2 差壓式流量計整體設(shè)計框圖1. 節(jié)流裝置的選型根據(jù)裝置需求 100點流量差壓信號的采集，范圍0-1000l/min，本設(shè)計選用MPA（Multi-Point Averaging Flow meter）流量計(多點測量平均流速流量計)。每個MPA流量計有24點流量信號的采集，相比其他只能2點流量信號采集結(jié)構(gòu)的流量計而言，精度高；同時流量范圍1-15000（m3/h）遠超過設(shè)計指標要求。MPA流量計是一種用于測量管道中液體，氣體或蒸汽等流體流量的新型的差壓式流量計。流體的流量正比于流量計差壓信號的平方根，用戶只需配用差壓計及流量顯示積算儀就可以得到準確的流量測量。（1）與一般的速度式流量計的區(qū)別 ：例如：皮托管流量計測量的是某個點的流速；均速管流量計測量的是管道縱向或橫向分布的平均流速。而MPA流量計是測量分布在管道截面上多個點（測量點是嚴格按切比雪夫積分法選取在管道橫截面上）的流體流速并最終得到準確的管道平均流速測量，因此它具有良好的流量測量準確度；（2）與一般節(jié)流式差壓流量計的區(qū)別：與節(jié)流式孔板流量計、v型內(nèi)錐式流量計等相比。MPA流量計的管道壓力損失很小，僅為普通孔板流量計的1/5-1/8，是一種節(jié)能式流量測量儀表；由于測量是通過管道截面多點平均流速的測量來實現(xiàn)的，因此MPA流量計對前直管段要求相對較低，一般表前有5倍D的直管段就可以滿足測量要求，而表后只要有2倍D的直管段就可以滿足要求；場取壓差壓測量技術(shù)措施可抑制測量噪聲，提高信號測量的準確性，測量范圍度一般可達到1：12或更大。MPA流量計的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 MPA流量計的結(jié)構(gòu)圖用MPA流量計測量流量的關(guān)鍵是如何確定特征點（即流速測量點的分布）。目前比較常用的有等環(huán)面法、切比雪夫積分法和對數(shù)線性法。等環(huán)面法將半徑為R的圓管分成n個面積相等的同心圓環(huán)（最中間的為圓）。在每一個圓環(huán)的等面積處設(shè)置測量點，即特征點位置。半徑方向上n個測量點的位置為r1、r2、r3、rn，。切比雪夫積分法是利用切比雪夫插值點ti求函數(shù)在區(qū)間1到1的積分的一種近似算法。經(jīng)過變換，可以求得管內(nèi)半徑方向的測點位置。對數(shù)線性法選擇特征點的原則是把各環(huán)面上的平均速度看作是該環(huán)面上各特征點所測得的速度的算術(shù)平均值。而整個截面上的平均速度就等于各環(huán)面平均速度的算術(shù)平均值。MPA流量計是嚴格按照切比雪夫法選取分布在管道上的流速測量點的，其分布圖如圖4如下： 圖4 流速測量點分布示意圖MPA流量計為低壓差設(shè)計，因此測量氣體時一般不必考慮氣體膨脹系數(shù)的影響。只有在低壓系統(tǒng)中使用（例如常壓系統(tǒng)氣體流量測量），差壓值與系統(tǒng)壓力比（p/P）大于4時需要考慮氣體膨脹性對測量的影響。因此，MPA流量計是一種新型的高性能的流量測量儀表。其參數(shù)指標如下：2. 差壓變送器的選型 根據(jù)裝置需求輸出電流4-20mA，另外考慮到測量范圍、精度等級及工作溫度等多種因素，本設(shè)計選擇ZL1151電容式差壓變送器。ZL1151輸出電流4-20（mA）,測量范圍0-40000（KPa），精度等級0.05%，工作溫度-40-140攝氏度，優(yōu)于裝置需求。ZL1151電容式差壓變送器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5 差壓變送器結(jié)構(gòu)圖 產(chǎn)品特點：超級的測量性能，用于壓力、差壓、液位、流量測量；精度高：數(shù)字精度+（-）0.05%；模擬精度+（-）0.5%+（-）0.1%F.S；量程、零點外部連續(xù)可調(diào)，量程比100：1；正遷移可達500%、負遷移可達600%；穩(wěn)定性能好，穩(wěn)定性：0.25% 60個月；耐過壓；固體傳感器設(shè)計；全系列統(tǒng)一結(jié)構(gòu)、互換性強；接觸介質(zhì)的膜片材料可選；低壓澆鑄鋁合金殼體；測量速率：0.2S；小型化（2.4kg）全不銹鋼法蘭，易于安裝；過程連接與其它產(chǎn)品兼容，實現(xiàn)最佳測量；采用16位計算機的智能變送器；標準4-20mA，帶有基于HART協(xié)議的數(shù)字信號，遠程操控；支持向現(xiàn)場總線與基于現(xiàn)場控制的技術(shù)的升級； ZL1151電容式差壓變送器關(guān)鍵技術(shù)指標如下：3. 多路模擬開關(guān)的選型 考慮到100點差壓信號的采集需要100路模擬開關(guān)控制，因此本設(shè)計選用13片AD7501芯片，通過DSP發(fā)出控制信號選擇某一路差壓信號輸入。其邏輯結(jié)構(gòu)及引腳如圖6所示，3個地址線A1、A2、A3，1個使能端EN，8路輸入S1、S2-S8，1路輸出Out。圖6 AD7501邏輯結(jié)構(gòu)及引腳圖AD7501性能指標如下：CMOS工藝制造；單8路1模擬多路轉(zhuǎn)換器；16引腳DIP封裝；電源：+/-15V；功耗：300uW；開關(guān)接通電阻：170歐；開關(guān)接通、斷開時間：0.8us；4. 放大電路 由于差壓變送器的輸出信號為電流值，且幅值較小達不到ADC需要的采樣幅值，所以信號首先要經(jīng)過放大器的放大處理，轉(zhuǎn)化為0-5V的電壓信號，如圖7所示，發(fā)射信號經(jīng)一對二極管IN4007的幅值保護后由同相放大器LF357與反相放大器LM318完成信號的放大處理。 圖7 放大電路5. A/D轉(zhuǎn)換器的選型 根據(jù)裝置需求分辨力0.1%，（分辨力是指儀表能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比），以及采集周期0.5s，所以本設(shè)計選用美國AD公司新近推出的一種性能優(yōu)越、由BMIOS工藝制成的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADl674。本芯片采用12位逐次比較方式工作，除了具有較高分辨力0. 05%外，采樣頻率高達100 kHz,即轉(zhuǎn)換速率達10s，片內(nèi)還集成有高精度的基準電壓源與時鐘電路，從而使芯片在不需要任何外加電路和時鐘信號的情況下完成A/D轉(zhuǎn)換，使用非常方便。 AD1674 的基本特點和參數(shù)如下：帶有內(nèi)部采樣保持的完全12 位逐次逼近（SAR）型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；采樣頻率為100kHz；轉(zhuǎn)換時間為10s；具有1/2LSB 的積分非線性（INL）以及12 位無漏碼的差分非線性（DNL）；滿量程校準誤差為0.125%；內(nèi)有+10V 基準電源，也可使用外部基準源；四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為5V，10V，0V10V 和0V20V；數(shù)據(jù)可并行輸出，采用8/12 位可選微處理器總線接口； ADl674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列如圖8所示。各引腳的符號、類型及意義請參考有關(guān)資料手冊。圖8 ADl674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列6. DSP芯片的選型根據(jù)裝置需求對100點差壓數(shù)據(jù)采集，周期0.5秒，數(shù)據(jù)量較大，對速度有較高要求，同時對精度上要求10位以上，所以本設(shè)計選用TMS320C5402定點dsp處理器。TMS320VC5402是C54x系列的杰出代表,是一款性價比極高的定點DSP，具有速度快（指令周期為10ns ），精度高（32位），192K bytes的存儲空間(64K bytes的程序存儲空間、64K bytes的數(shù)據(jù)存儲空間、64K bytes的I/O空間),功耗低，價格便宜的特點。C54x采用多總線技術(shù),具有一條程序總線、3條數(shù)據(jù)總線和4條地址總線,可同時進行程序指令和數(shù)據(jù)的存取,具有高度的并行性。C54x采用模塊化的設(shè)計,使派生器件得到了快速的發(fā)展,并且采用了最新的芯片制造工藝,提高了芯片的性能,降低了功耗。TMS320C5402基本特點：運算速度快，指令周期為10ns；192K bytes的存儲空間(64K bytes的程序存儲空間、64K bytes的數(shù)據(jù)存儲空間、64K bytes的I/O空間)；優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。1個40位的算術(shù)邏輯單元、2個40位的累加器、2個40位的加法器、1個1717乘法器和40位的桶型移位器，有4條內(nèi)部總線和2個地址產(chǎn)生器； 低功耗，可在3.3V或2.7V電壓下工作，三個低功耗方式； 智能外設(shè)，除標準的串行口和時分復用串行口外，還含有自動緩存串行口（2k buffer)和外部處理器并行口HPI。 TMS320C5402的結(jié)構(gòu)如圖9所示。各引腳的符號、類型及意義請參考有關(guān)資料手冊。圖9 TMS320C5402的結(jié)構(gòu)圖7. DSP與A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計 ADl674有2種工作方式：獨立工作方式和完全受控方式。獨立工作方式不需使用全部控制信號,具有專用輸入端口，啟動轉(zhuǎn)換要比完全受控方式精確；完全受控方式要使用全部控制信號，適用于多個需尋址電路掛在同一總線的情況，接口電路對各種控制信號的時序要求嚴格，因此設(shè)計要復雜些.考慮到本系統(tǒng)有多個尋址電路，故采用完全受控方式。完全受控方式下ADl674啟動和讀數(shù)時序如圖10所示。圖10 ADl674啟動和讀數(shù)時序圖 當要啟動AD轉(zhuǎn)換時，只需向ADC寫一任意數(shù)據(jù)即可，此時CE變高，而CS變低，R /C=0，AD1674啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后STS發(fā)出中斷請求信號，在中斷服務(wù)程序中讀轉(zhuǎn)換結(jié)果，此時，CE變高，同時R /C=1，而CS為低，DSP通過數(shù)據(jù)線從總線驅(qū)芯片74ACT16245讀取AD1674轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。從完全受控方式的工作時序圖可以看出，無論是進行AD轉(zhuǎn)換還是進行讀取數(shù)據(jù)，為了使AD1674能可靠地工作，CE信號需落后R /C信號約50ns。 完全受控工作方式下AD1674與TMS320C5402的接口電路圖如圖11所示。圖11 AD1674與TMS320C5402的接口電路圖5、 差壓式流量計軟件設(shè)計 設(shè)計思想：（1） 首先向DSP發(fā)出輸入流量系數(shù)的中斷請求，然后通過矩陣鍵盤輸入流量系數(shù)并由LED顯示；（2） DSP向多路模擬開關(guān)發(fā)出控制命令，使100點差壓信號在1min內(nèi)，以0.5s的數(shù)據(jù)采集周期以次順序通過A/D采樣、數(shù)字濾波、流量計算，（其中每min瞬時流量為每路差壓信號即刻測定流量值，每h累計流量為60min的瞬時流量累加和），最后存儲在分配好的數(shù)據(jù)空間待讀出顯示；（3） 向DSP發(fā)出某一路瞬時流量/累計流量中斷請求，DSP響應(yīng)中斷并從數(shù)據(jù)存儲空間取出流量數(shù)據(jù)進行顯示。1. 軟件設(shè)計流程圖總程序流程圖中斷流程圖數(shù)據(jù)采集及處理流程圖矩陣鍵盤流程圖LED顯示流程圖2. 程序設(shè)計 （1）數(shù)據(jù)采集void main()in it_5402();while(1) start_ad1674(); while( (*(volatile u16*)IFR)0x0001) ) ;void in it_5402(void)/初始化VC5402時鐘和CPU*(volatile u16*)CLKMD=0x0000;while(*(volatile u16*)CLKMD0x0001);*(volatile u16*)CLKMD=0x9807;*(volatile u16*)PMST=0x00A0;*(volatile u16*)SWWSR=0x7fff;*(volatile u16*)SWCR=0x0001;*(volatile u16*)BSCR=0x8802;*(volatile u16*)IMR=0x0001;void sta