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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(biāo)準(zhǔn)的控制信號的儀器，它是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要檢測設(shè)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(dòng)化控制的基本數(shù)據(jù)來源。20世紀(jì)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(jīng)過這么多年的發(fā)展，變送器已達(dá)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(shè)計(jì)的流量變送器主要實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量的顯示和對流量的累積積算，并能將瞬時(shí)流量結(jié)果轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號4～20 mA電流，變送器采用PIC單片機(jī)控制，集多種功能于一體，對信號進(jìn)行智能處理，以達(dá)到增強(qiáng)變送器功能和簡化測量裝置結(jié)構(gòu)的目的。

1 設(shè)計(jì)思路

通過有關(guān)參數(shù)的輸入，完成對各種器件的配接，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量的顯示和對流量的累積積算，并可將瞬時(shí)流量結(jié)果轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA，完成流量變送器功能。設(shè)計(jì)思路為：

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

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

(3)軟件設(shè)計(jì)。軟件采用了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)，主要是由主程序、液晶顯示子程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序等幾個(gè)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(jī)

本測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算并不是很多，整套儀表側(cè)重于降低功耗、提高運(yùn)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(chǎn)的PIC16F877A單片機(jī)。在眾多單片機(jī)當(dāng)中，Microchip Technology公司的8位PIC系列單片機(jī)，采用精簡指令集、哈佛總線(Harvard)結(jié)構(gòu)、一二級流水線取指令方式，具有實(shí)用、低價(jià)、指令集小、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)和簡單易學(xué)等特點(diǎn) [1] 。

PIC16F877A單片機(jī)的指令字節(jié)為14位，除了具有PIC系列單片機(jī)的幾乎全部優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)在電路板上快速擦除和寫入程序， 是一種適合于經(jīng)濟(jì)型在線調(diào)試的單片機(jī) [2] 。而且PIC16F877A的運(yùn)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由以下幾部分組成：傳感器、主機(jī)(即主控制器)、液晶顯示器和功能設(shè)定按鈕。傳感器負(fù)責(zé)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(jìn)行有效值的轉(zhuǎn)換，然后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過軟件將流體的流量計(jì)算出來，將各種結(jié)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)換AD637芯片則需要15 V的電源 [3] 。因此就有必要通過適當(dāng)?shù)碾娐穪淼玫剿枰碾娫?mdash;—即先通過一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換芯片得到±15V的電源，然后得到的+15 V再經(jīng)過7805芯片轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

此次設(shè)計(jì)需要對流量測量過程中出現(xiàn)斷電或者其他故障情況時(shí)的瞬時(shí)流量進(jìn)行保存，特別是要記錄出現(xiàn)故障的時(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DSl302可對時(shí)鐘芯片備份電池進(jìn)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(diǎn)，故該芯片可作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘，廣泛應(yīng)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(diǎn)的記錄，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，芯片及外圍電路如圖2所示。這種記錄對長時(shí)間的連續(xù)測控系統(tǒng)結(jié)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(chǎn)的鐵電存儲器(FRAM)，和一般的EEPROM比較，具有無寫延時(shí)、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(shí)間和次數(shù)有較高要求的應(yīng)用場合，而且其與單片機(jī)接口電路簡單，應(yīng)用方便 [5] 。鐵電存儲器和EEPROM比較起來，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(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(shí)等待，而EEPROM在寫入后一般要5～10ms的等待數(shù)據(jù)寫入時(shí)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(shí)，新一代的鐵電存儲器已經(jīng)達(dá)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(gè)字節(jié)。由于FRAM有以上優(yōu)點(diǎn)，其特別適合于那些對數(shù)據(jù)采集、寫入時(shí)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(dān)當(dāng)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(gè)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(shí)瞬時(shí)流量的值以及累計(jì)流量的計(jì)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(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。LMBl62A與PIC的連接如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)具有幾項(xiàng)功能，即瞬時(shí)流量及總流量顯示、設(shè)定系統(tǒng)時(shí)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(shí)流量和總流量顯示。傳感器發(fā)出的信號，經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換后，送入單片機(jī)處理，然后單片機(jī)將計(jì)算得到的瞬時(shí)流量送入液晶顯示器顯示，在瞬時(shí)流量的基礎(chǔ)上，每隔一個(gè)設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行累加，得到總流量，同時(shí)把這個(gè)數(shù)據(jù)送到液晶顯示器顯示。

2)設(shè)定系統(tǒng)時(shí)鐘。儀表內(nèi)部設(shè)置了日歷時(shí)鐘，對流量數(shù)據(jù)每隔幾秒鐘進(jìn)行一次存儲，便于對使用情況進(jìn)行監(jiān)控，即當(dāng)?shù)綦娀蛘叱霈F(xiàn)故障時(shí)能夠知道掉電前的流量及掉電的時(shí)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(shè)置了外接數(shù)據(jù)接口(即串口)，可方便地實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取，從而可以實(shí)現(xiàn)抄寫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(shí)器/計(jì)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(jìn)入等待狀態(tài)，等待定時(shí)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(nèi)容送到液晶顯示模塊中進(jìn)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(diào)用寫顯示代碼子程序，將DDRAM寄存器中的內(nèi)容寫入，這樣就先確定了內(nèi)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(shí)時(shí)時(shí)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(diǎn)的記錄，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄。這種記錄對長時(shí)間的連續(xù)測控系統(tǒng)結(jié)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(shí)采樣或定時(shí)采樣，沒有具體的時(shí)間記錄，因此，只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時(shí)間；若采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面需要采用計(jì)數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費(fèi)單片機(jī)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(shí)鐘芯片DS1302，則能很好地解決這個(gè)問題。圖6為DS1302的實(shí)時(shí)時(shí)鐘寫數(shù)據(jù)子程序流程圖。圖7為DS1302的實(shí)時(shí)時(shí)鐘讀數(shù)據(jù)子程序流程圖。

5 結(jié)語

本文根據(jù)流量檢測的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的流量變送器系統(tǒng)由實(shí)時(shí)時(shí)鐘、傳感器、液晶顯示模塊、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面組成。在流量變送器顯示中引入實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并將實(shí)時(shí)時(shí)鐘和流體的流量結(jié)合在一起。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，采用了耗電少的PIC16F877A單片機(jī)，并結(jié)合各部分的微功耗設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)的耗電非常小。試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的新型流量變送器所顯示的瞬時(shí)流量和實(shí)際計(jì)算所得的瞬時(shí)流量是相同的，可見系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

 

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