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0 引言

變送器是除有傳感的功能之外還有放大整形功能，輸出為標準的控制信號的儀器，它是工業(yè)生產過程中的重要檢測設備，廣泛用于工業(yè)中壓力、差壓、流量、液位等工藝參數(shù)的檢測，是工業(yè)自動化控制的基本數(shù)據(jù)來源。20世紀70年代使用電Ⅱ型變送器，90年代使用電Ⅲ型變送器。到目前為止，大量使用的是智能變送器。經過這么多年的發(fā)展，變送器已達到高精度、高可靠性、小型化并且具有完善的自診斷和通信功能。

本文所設計的流量變送器主要實現(xiàn)瞬時流量的顯示和對流量的累積積算，并能將瞬時流量結果轉換成標準信號4～20 mA電流，變送器采用PIC單片機控制，集多種功能于一體，對信號進行智能處理，以達到增強變送器功能和簡化測量裝置結構的目的。

1 設計思路

通過有關參數(shù)的輸入，完成對各種器件的配接，實現(xiàn)瞬時流量的顯示和對流量的累積積算，并可將瞬時流量結果轉換成標準4～20 mA，完成流量變送器功能。設計思路為：

(1)根據(jù)需要選擇合適的芯片。串行實時時鐘芯片DS1302、LCD液晶顯示芯片LMB162、數(shù)模轉換芯片TLC5615DA、鐵電存儲器芯片F(xiàn)M24C16A等。

(2)硬件電路設計。根據(jù)選擇的各芯片功能及引腳特性連接電路以符合設計的要求。

(3)軟件設計。軟件采用了結構化的程序設計，主要是由主程序、液晶顯示子程序、實時時鐘子程序等幾個部分組成。主程序是由初始化程序段、顯示程序段、數(shù)據(jù)處理程序段、數(shù)字量輸出程序段等組成。

2PIC16F877A單片機

本測量系統(tǒng)的數(shù)學運算并不是很多，整套儀表側重于降低功耗、提高運行速度，因此，根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，選用美國某公司生產的PIC16F877A單片機。在眾多單片機當中，Microchip Technology公司的8位PIC系列單片機，采用精簡指令集、哈佛總線(Harvard)結構、一二級流水線取指令方式，具有實用、低價、指令集小、低功耗、高速度、體積小、功能強和簡單易學等特點 [1] 。

PIC16F877A單片機的指令字節(jié)為14位，除了具有PIC系列單片機的幾乎全部優(yōu)點外，并且還帶有128×8的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，另外其程序存儲器也與眾不同，用FLASH工藝制作的，叫FLASH存儲器(又稱為快速擦寫存儲器或閃速存儲器)這種存儲器可以實現(xiàn)在電路板上快速擦除和寫入程序， 是一種適合于經濟型在線調試的單片機 [2] 。而且PIC16F877A的運算、處理數(shù)據(jù)的速度很快，完全能滿足本系統(tǒng)的需要。

3 硬件電路設計

系統(tǒng)硬件電路由以下幾部分組成：傳感器、主機(即主控制器)、液晶顯示器和功能設定按鈕。傳感器負責流量信號的采集，主控制器則接收由以上傳感器發(fā)出的信號，并進行有效值的轉換，然后送到單片機進行處理，通過軟件將流體的流量計算出來，將各種結果顯示在液晶顯示器上，以便于讀取數(shù)據(jù)。

3.1 電源電路

工業(yè)現(xiàn)場提供的是24 V電源，而在此次設計中需要用到±5 V和±15 V電源供電。鐵電RAM芯片F(xiàn)M24C16以及液晶顯示LMB162A芯片都需要用到5 V的電源；而有效值轉換AD637芯片則需要15 V的電源 [3] 。因此就有必要通過適當?shù)碾娐穪淼玫剿枰碾娫?mdash;—即先通過一個DC-DC轉換芯片得到±15V的電源，然后得到的+15 V再經過7805芯片轉換成+5V，而-5V的電源則只需將+5的電壓通過ICL7660芯片即可得到。其電源模塊電路如圖1所示。

3.2 實時時鐘電路

此次設計需要對流量測量過程中出現(xiàn)斷電或者其他故障情況時的瞬時流量進行保存，特別是要記錄出現(xiàn)故障的時間，通過軟件編程輸入指令來讀取數(shù)據(jù)。因此，根據(jù)這些要求DS1302芯片比較符合要求。美國某公司推出的串行接口實時時鐘芯片DSl302可對時鐘芯片備份電池進行涓流充電。由于該芯片具有體積小、功耗低、接口容易、占用CPU I/O端口少等主要特點，故該芯片可作為實時時鐘，廣泛應用智能化儀器儀表中 [4] 。DS1302可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，芯片及外圍電路如圖2所示。這種記錄對長時間的連續(xù)測控系統(tǒng)結果的分析及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。

3.3 鐵電RAM電路

FM24C16是美國某公司以鐵電晶體為材料生產的鐵電存儲器(FRAM)，和一般的EEPROM比較，具有無寫延時、超低功耗、無限次寫入等超級特性，特別適合在那些對寫入時間和次數(shù)有較高要求的應用場合，而且其與單片機接口電路簡單，應用方便 [5] 。鐵電存儲器和EEPROM比較起來，主要有以下優(yōu)點：

(1)FRAM可以以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時等待，而EEPROM在寫入后一般要5～10ms的等待數(shù)據(jù)寫入時間。

(2)FRAM有近乎無限次寫入壽命。一般EEPROM的壽命在十萬到一百萬次寫入時，新一代的鐵電存儲器已經達到一億億次的寫入壽命。

(3)EEPROM的慢速和大電流寫入使其需要高出FRAM 2 500倍的能量去寫入每個字節(jié)。由于FRAM有以上優(yōu)點，其特別適合于那些對數(shù)據(jù)采集、寫入時間要求很高的場合，而不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，其可靠的存儲能力也讓我們可以放心的把一些重要資料存儲于其中，其近乎無限次寫入的使用壽命，使得它很適合擔當重要系統(tǒng)里的暫存記憶體，用來在子系統(tǒng)之間傳輸各種數(shù)據(jù)，供各個子系統(tǒng)頻繁讀寫 [6] 。

3.4 顯示電路

顯示電路部分使用LMB162A液晶顯示芯片，用以顯示斷電或者故障時瞬時流量的值以及累計流量的計算值。LMBl62A是兩行十六字符的字符液晶顯示器，與LED數(shù)碼管相比具有體積小、電路簡單、顯示字符多、價格便宜的優(yōu)點。LMBl62A與PIC的連接如圖3所示。

4 軟件設計

該系統(tǒng)具有幾項功能，即瞬時流量及總流量顯示、設定系統(tǒng)時鐘、流量數(shù)據(jù)讀取等(通過專用的串口從儀表讀取)。

1)瞬時流量和總流量顯示。傳感器發(fā)出的信號，經過有效值轉換后，送入單片機處理，然后單片機將計算得到的瞬時流量送入液晶顯示器顯示，在瞬時流量的基礎上，每隔一個設定的時間進行累加，得到總流量，同時把這個數(shù)據(jù)送到液晶顯示器顯示。

2)設定系統(tǒng)時鐘。儀表內部設置了日歷時鐘，對流量數(shù)據(jù)每隔幾秒鐘進行一次存儲，便于對使用情況進行監(jiān)控，即當?shù)綦娀蛘叱霈F(xiàn)故障時能夠知道掉電前的流量及掉電的時刻，方便用戶了解自己的用量。

3)流量數(shù)據(jù)讀取。流量數(shù)據(jù)可以直接從液晶顯示器上面讀取。由于系統(tǒng)設置了外接數(shù)據(jù)接口(即串口)，可方便地實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取，從而可以實現(xiàn)抄寫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動化，節(jié)省大量的人力。

4.1 主程序

在主程序中，主要完成對中斷寄存器、存儲器接口、定時器/計數(shù)器寄存器和自定義寄存器的初始化。在完成系統(tǒng)初始化之后，進入等待狀態(tài)，等待定時中斷的發(fā)生。主程序框圖如圖4所示。

4.2 液晶顯示模塊子程序

液晶顯示模塊子程序流程如圖5所示。

液晶顯示模塊的顯示子程序主要完成將顯示RAM中的內容送到液晶顯示模塊中進行顯示的功能。顯示RAM的首地址放在地址指針寄存器FSR中，要顯示的位置置于DDRAM寄存器中。

顯示子程序調用寫顯示代碼子程序，將DDRAM寄存器中的內容寫入，這樣就先確定了內容在液晶顯示屏上的位置，然后順序送入以FSR為首地址的顯示RAM中的數(shù)據(jù)，由COUNT_LCD控制每行顯示的數(shù)據(jù)位數(shù)。

4.3 實時時鐘子程序

DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(xù)測控系統(tǒng)結果的分析及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此，只能記錄數(shù)據(jù)而無法準確記錄其出現(xiàn)的時間；若采用單片機計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設置中斷、查詢等，同樣耗費單片機的資源，而且，某些測控系統(tǒng)可能不允許 [7] 。但是，如果在系統(tǒng)中采用時鐘芯片DS1302，則能很好地解決這個問題。圖6為DS1302的實時時鐘寫數(shù)據(jù)子程序流程圖。圖7為DS1302的實時時鐘讀數(shù)據(jù)子程序流程圖。

5 結語

本文根據(jù)流量檢測的特點，設計的流量變送器系統(tǒng)由實時時鐘、傳感器、液晶顯示模塊、系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計等幾個方面組成。在流量變送器顯示中引入實時時鐘，并將實時時鐘和流體的流量結合在一起。在系統(tǒng)硬件設計中，采用了耗電少的PIC16F877A單片機，并結合各部分的微功耗設計，使得系統(tǒng)的耗電非常小。試驗表明，所設計的新型流量變送器所顯示的瞬時流量和實際計算所得的瞬時流量是相同的，可見系統(tǒng)能實現(xiàn)預定的功能。

 

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