网路式智能电磁流量仪设计毕业设计论文.docx

网路式智能电磁流量仪设计毕业设计论文.docx

《网路式智能电磁流量仪设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《网路式智能电磁流量仪设计毕业设计论文.docx（96页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

网路式智能电磁流量仪设计毕业设计论文

毕业设计（论文）

设计说明书

设计（论文）题目：

网路式智能电磁流量仪设计

太　原　理　工　大　学

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：

网路式智能电磁流量仪设计

毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：

（1）课题概述

　　电磁流量计是一种测量导电介质体积流量的感应式仪表，可广泛应用于化工、环保、轻纺、冶金、造纸等行业中的导电液体的流量计量。

　　电磁流量计的测量原理基于法拉第电磁感应定律。

即导电液体在磁场中做切割磁力线运动时，导体中产生感应电动势，其感应电动势E为：

E=KBDV式中：

K-仪表常数、B-磁感应强度、D-传感器测量管内径、V-测量管内导电液体的平均流速。

　　本课题的设计目标是采用微处理器对导电液体中感应出的与平均流速（即体积流量）成正比的电压采集信号进行数据处理和显示来实现流量测量，并增加网络接口以实现流量测量的网络数据传输。

（2）设计条件

　　1）测量管内无可动部件，便于维护管理；无阻流部件，因此无压力损失。

　　2）被测液体最低电导率≥5μs/cm，配合各种衬里材料，可适用于测量各种酸﹑碱﹑盐溶液及泥浆﹑矿浆﹑纸浆等介质的流量。

　　3）流量的测量不受流体的密度﹑粘度﹑温度﹑压力和电导率变化的影响，传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系，测量精度高。

具有仪表系数非线性修正，可进一步提高测量精度。

　　4）不受流体方向影响，正反向均可准确计量。

（3）设计要求

　　1）量程比：

1:

100（0.1m/s～10m/s）

　　2）输出信号：

数字显示、4～20mA、RS485

　　3）综合精度：

±0.5%FS

　　4）工作电源：

220VAC

　　5）工作温度：

<80℃

毕业设计（论文）主要内容：

（1）查阅与设计课题相关资料；

（2）熟悉单片机嵌入式系统及接口的设计方法；

（3）了解电磁流量传感器的原理及应用并选型；

（4）设计电磁流量传感器输入电路；

（5）设计以单片机嵌入式系统为核心的主机电路；

（6）设计显示、键盘、打印、通讯电路；

（7）软件程序流程设计；

（8）编写汇编语言或C语言程序（包括系统主监控程序，采样、标度变换、运算、显示、键盘程序，断电处理程序，通讯程序）；

（9）软件调试；

（10）按照太原理工大学本科生毕业论文的格式要求编写毕业设计说明书。

生应交出的设计文件（论文）：

（1）毕业设计说明书一本（要求用Word编辑排版打印）。

主要内容包括：

　　1）中英文摘要及关键字；

　　2）总体设计概述（包括总体结构总框图）；

　　3）传感器原理与选型说明；

　　4）输入通道设计说明（包括硬件电路原理图）；

　　5）主机电路设计说明（包括硬件电路原理图）；

　　6）键盘显示设计说明（包括硬件电路原理图）；

　　7）通信接口设计说明（包括硬件电路原理图）；

　　8）程序流程图及软件设计说明（包括程序流程图和源程序清单及注释）；

　　9）程序调试中的问题、解决方法和结果；

　　10）设计难点和遗留问题（难点及其解决方法，尚未解决的问题和解决思路）；

　　11）参考文献

　　12）设计总结；

　　13）与设计课题相关的英文资料原文（1万个印刷符号）和译文。

（2）光盘一张，内容包括：

　　1）毕业设计说明书的Word电子文档；

　　2）电路原理图设计文件；

　　3）源程序及编译程序包。

主要参考文献（资料）：

[1]自动检测技术

[2]传感器原理

[3]单片机原理及其接口技术

[4]智能仪器原理及设计实例

[5]何利民．单片机与嵌入式系统．北京航空航天大学出版社

[6]与自动化有关的科技期刊（仪器仪表学报、自动化与仪表等）

专业班级自动化0602班学生李佛垚

要求设计（论文）工作起止日期2010-3-12至2010-6-15

指导教师签字日期

教研室主任审查签字日期

系主任批准签字日期

网路式智能电磁流量仪设计

摘要

电磁流量计是基于电磁感应定律的速度式流量计。

流量计在工业生产过程、能源储运核算、环境保护、生物技术、国防建设、科学研究等诸方面发挥着不可或缺的作用。

本文在分析国内外电磁流量计发展现状和趋势的基础上，提出了基于AT89C51的智能流量显示仪设计思路,并在此基础上研制了智能电磁流量计的软、硬件系统。

在智能电磁流量计系统的硬件开发中，采用了单片机控制方式可选的励磁技术，并设计出键盘控制、A/D转换,存储电路和显示电路。

为增强系统开放性和通讯功能，选用RS-485标准总线来实现仪表和外部系统的通信。

在智能流量显示仪的软件设计中，采用汇编语言作为软件开发工具，采用模块化程序设计方式，充分利用AT89C51的优势，设计出了设计出了励磁方式控制子程序、A/D采样控制子程序、输入数据处理与流量计算子程序、键盘管理及LED显示等模块化程序。

不仅使程序结构清晰，而且也提高了系统的实时性，可靠性。

关键词：

智能电磁流量计；AT89C51；LED显示仪；励磁

Netrkintelligentelectromagneticflowmeter

Abstract

Electromagneticflowmeterisbasedontheprincipleofelectromagneticinductionrateflowmeter.Inindustrialproductionprocess,theflowofenergystorageandaccounting,environmentalprotection,biotechnology,nationaldefense,scienceresearch,etcplaytheindispensablerole.Basedontheanalysisofthecurrentsituationanddevelopmenttrendofdevelopmentofelectromagneticflowmeter,onthebasisoftheproposedintelligentflowbasedonAT89C51appearancedesignideas,andonthebasisofthedevelopmentofintelligentelectromagneticflowmeterofsoftwareandhardwaresystems.

Intheintelligentelectromagneticflowmetersystemhardwaredevelopment,adoptedMCUcontrolmodeofoptionalexcitationtechnology,anddesignAkeyboardcontrol,A/Dconversion,storage,anddisplaycircuitcircuit.Inordertoenhancecommunicationandopennesssystemfunction,choosethers-five485standardbustoachieveinstrumentsandexternalcommunicationssystem.

Inthesoftwaredesignofintelligentflowinappearance,assemblylanguageasAsoftwaredevelopmenttools,modulardesignprogram,makefulluseoftheadvantage,designedAT89C51hasdesignedAexcitationmodecontrolprocedure,A/Dsamplingcontrolprocedure,theinputdataprocessingandflowmeteroperatorprocedures,LEDdisplayandkeyboardmanagementsuchmodularizationprogram.Notonlymaketheprogram,butalsotoimprovestructureisclear,thereliabilityofthesystemperformance.

Keywords:

intelligentelectromagneticflowmeter；AT89C51；LEDdisplay；excitation

第1章绪论

1.1引言

流量、温度、压力、物位等的测量同为热工量测量，是工农业生产过程控制中的重要测定参数之一。

流量测量与人们的日常生活有着密不可分的关系，因此，作为流量测量的流量计应用范围很广。

人们对自然界的认识在很大程度上取决于检测和仪表。

无论是在工农业生产、科学研究、国防建设领域中，还是在日常生活中都与检测有着密切的关系，在工业自动化中，过程变量的自动检测仪表是主宰自动化系统命运的关键，任何控制系统都是从生产过程运行的信息测量开始的。

工业过程自动检测技术与仪表在经历了几个重要的历史时期的发展后，它作为自动化科学的一个重要分支，己经成为了一门具有实用性和综合性的新兴学科。

在工业生产过程中，精确地计算出在某一时刻流体的瞬时流量和在一段时间间隔内的累积流量，既可以指导生产，同时也是规范工艺操作的需要和进行经济核算的依据。

然而，就流体流动量的检测而言，要比温度、压力等其他参量检测困难的多。

其原因在于:

流量这个参数受输送流体的工作条件如压力、温度、流动状态、流体的种类、形状等参数的影响。

这就是说，流量计的种类和品种是十分繁多的。

其流量检测的方法也非常多，以应用于各种不同的场合和各种不同的测量目的。

仪器仪表是研究实现信息的获取、转换、传输、处理以及根据处理结果对生产系统进行控制的重要工具。

过程变量的自动化检测仪表是工业自动化实现的关键。

任何控制系统都是从生产过程运行的信息测量开始，因为只有在知道生产过程的状态和工艺参数的条件下才能进行自动控制.随着科学技术的发展，特别是在新材料、新结构的传感器结合高性能微型计算机之后，检测技术有了变革性的进步。

这些新技术在检测系统的准确性、快速性、可靠性和抗干扰等方面发挥了明显的作用，大大丰富了检测技术所包含的内容，扩大了检测技术的应用范围，使检测技术发展成为一门内容广泛，并建立在多种学科发展基础上的自动化技术先行学科。

电磁流量计是一种测量流体流速的速度式流量计，在推向市场后，性能不断完善，己经成为一种技术成熟而又应用广泛的新一代流量仪表。

但在新技术层出不穷和工业过程要求日益提高的情况下，电磁流量计的性能必将进一步得到提升。

1.2课题研究的背景和意义

1.2.1电磁流量计的发展

电磁流量计是随着电子技术的发展而迅速发展起来的基于法拉第电磁感应定理的用来测量导电性液体体积流量的仪表。

1.2.1.1技术发展动向

在科学技术飞速发展的今天，世界各国的流量计生产厂商都努力将最新科技应用到产品的设计中，以提高产品的性能，扩大产品的使用范围。

具体表现在如下几个方面：

提高仪表智能性、提高励磁技术水平、增强信号处理能力、提高系统的开放性几个方面:

1、提高仪表智能性。

仪表的智能性主要是功能上的智能性，特别是近年来新型微处理器的出现和应用，使仪表通过软件控制和管理整个测量的工作过程得以实现，充分发挥出微机的功能和灵活性。

另外，流量仪表的智能性还体现在空管检测、正/反向流量测量、小信号处理、非线性补偿、数字滤波、零点自校准等新功能的增加上。

2、提高励磁技术水平，改善测量性能测量精度和稳定性是电磁流量计的重要技术指标，并与所采用的励磁技术密切相关。

随着电磁流量计和电子技术的发展，励磁技术也从直流励磁、交流励磁、低频矩形励磁发展到三值低频矩形励磁及双频励磁技术阶段，其目的就是为了减少干扰、提高检测精度和仪表零点稳定性。

目前低频矩形励磁和三值低频矩形励磁己成为国外电磁流量励磁方式的主流。

另外，国外还出现了可由微机控制励磁电压，可按被测流体性质选用所需励磁方式，并能根据各种励磁方式进行信号运算处理，准确地找出被各种噪声埋没的流量信号的智能电磁流量计。

3、增强信号处理能力，减小测量误差。

智能化电磁流量计经降低励磁电流、改进传感器结构及其磁通分布密度，使其小型、轻量一体化的目标得以实现，但其单位流速电感也变得更小，而对于不同的测量介质，流量传导内阻变化很大，增加了信号处理的难度。

随着微电子技术和计算机技术的进步，用高性能集成芯片和微处理器来提高信号放大处理精度、拓宽仪表检测量程、补偿检测误差及零点校准己成为当今仪表的发展方向之一。

同时，在软件上采取非线性补偿和数字滤波等高级处理能力也是增强仪表信号处理能力、减少测量误差的一个重要举措。

4、提高系统的开放性。

系统的开放性包括硬件电路开放性、软件结构开放性、通讯接口开放性以及人机界面开放性。

增强系统开放性有利于系统功能扩展、仪表间的互联以及系统组网，更有利于操作和维护。

随着EDA工具及可编程器件技术的发展和日趋成熟，流量仪表工业进入了新的发展时期。

1.2.1.2应用现状

电磁流量计是一种测量导电介质体积流量的计量仪表，具有无节流阻流部件，不易堵塞，耐腐蚀性好，适用介质范围广，测量精度不受被测介质温度、粘度、密度、压力、比重等物理参数的影响，其示值与被标定的液体种类在一定的导电率范围内无关等特点.除可测量一般液体的流量外，还可测量液固两相流、高粘度液流及盐类、强酸、强碱液体的体积流量。

可广泛应用于水泥、化工、轻纺、冶金、矿山、造纸、医药、给排水、食品饮料、制糖、酿造等工业技术部门，特别是在环保领域，电磁流量仪表己成为定量管理企业污水排放的有力手段。

1.2.2本课题研究的意义：

电磁流量检测仪表是利用法拉弟电磁感应原理制成的测量导电流体体积的仪表，与现有各种非电磁流量检测仪表相比，性能好，适用范围广，是目前应用最广泛的流量仪表之一。

我国经过多年的技术探索和产品开发，虽然己在电磁流量检测仪表开发方面取得了一定的成绩，但由于起步迟、起点低，还处于比较落后的状况。

主要表现在一下几个方面：

功能弱、检测精度低、可靠性不高、开放性差。

本课题的研究重点在于利用单片机等集成芯片开发智能电磁流量计，充分利用了单片机系统良好的软硬件资源，达到了增强仪表功能、提高测量精度、可靠性及开放性的目的。

1.3.网络式智能电磁流量仪的总体组成模块

网络式电磁流量显示仪所具有的各个模块有：

电磁流量传感器、信号转换模块、A/D模块、励磁模块、RS-485通信模块、I2C数据存储模块、LED显示模块、键盘控制模块。

1.3.1网络式智能电磁流量仪的模块功能

电磁流量计在结构上一般由电磁流量计传感器和电磁流量计信号转换器两部分组成。

转换器又包括流量转换单元和流量积算、控制单元。

其中流量转换单元包括信号转换模块、A/D转换模块、励磁电流发生模块。

流量积算、控制单元包括RS-485通信接口、键盘控制模块、LED显示模块和数据存储模块。

各单元功能如下:

1、电磁流量传感器:

依据线性关系将导管内被测流体的流量信号转换成相应的电压信号。

2、信号转换模块:

将传感器所输出的小电压信号进行放大，并滤除掉与被测信号无关的干扰信号使信号纯化，为A/D转换器提供放大的模拟量。

3、A/D模块:

将模拟量转换成数字量提供给单片机进行处理。

4、励磁模块:

为变送器提供励磁电流。

5、RS-485通信模块:

为仪表提供RS-485标准总线通信接口。

6、键盘控制模块:

完成仪表的参数设置和控制。

7、LED显示模块:

完成仪表的瞬时流量、累计流量等实时显示。

8、I2C数据存储模块:

存放流量积算后的累计流量数据以及系统正常工作所必须设置的各项参数。

1.3.2电磁流量计的选用与安装应该注意的事项

1）大口径仪表较多应用于给排水工程。

2）中小口径常用于固液双相流等难测流体或高要求场所如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液以及钢铁工业高炉风口冷却水控制和监漏，长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制。

3）小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。

4）选用考虑要点：

精度、流速、范围度、口径、液体电导率。

5）流量传感器安装：

安装场所、直管段长度要求、位置和流动方向、接地。

1.4本章小结

本章首先讲述了电磁流量在现实中的重要性，然后对电磁流量计的发展和发展动向进行阐述，对网络式智能电磁流量显示仪的模块功能进行总体的阐述和介绍，同时对电磁流量计的选用与安装应该注意的事项也添加了具体说明。

第2章电磁流量仪工作原理与结构

2.1电磁流量传感器的工作原理

2.1.1法拉第电磁感应定律

1831年，法拉第最早通过实验发现电磁感应现象.实验表明，通过导体回路所包围的面积的磁通量发生变化时，在回路中就会产生感应电动势及感应电流。

此感应电动势U与通过闭合回路面积的磁感应通量，的变化率成正比。

2.1.2电磁流量传感器的原理

测量原理是基于法拉第电磁感应定律，导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。

因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。

可以通过右手规则判定电动势的方向，在管道直径确定，磁感应强度不变的条件下，体积流量与电磁感应电势有一一对应的线性关系，而与流体密度、粘度、温度、压力和电导率无关。

如图2.1是电磁式流量传感器的工作原理图。

在励磁线圈通以励磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为B的均匀磁场中，当平均流速为v的导电性液体流经绝缘导管时，那么在导线内径为D的管道壁上设置的一对电极中，便会产生如下式所表示的电动势E，

图2.1电磁流量计测量原理

E=KBDV

式中v——液体的平均流速（m/s）

B——磁场的磁通密度（T）

D——导管的内径（m）

液体流动的容积流量的计算如下：

根据上面的公式可以看出，容积流量Qv与电动势E成正比。

如果我们事先知道导管内径和磁场的磁通密度B，那么就可以通过对电动势的测定，求出容积的流量。

虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。

（1）.没有机械可动部分。

（2）.由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。

（3）.能够得到与容积流量成正比的输出信号。

（4）.测量结果不受流体粘度的影响。

（5）.由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。

（6）.测量范围宽，可以从0.005——190000m3/h。

（7）.测量精度高，可达±0.5%。

2.1.3电磁流量传感器的结构

首先，先介绍流量的概念，流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的数量，这个量用流体的体积来表示，称为瞬时体积流量，简称体积流量，单位m3/h。

对在一定通道内流动流体的流量进行测量统称为流量计量。

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。

20世纪50年代，电磁流量计实现了工业化应用，近年来电磁流量计性能有了很大提高，得到了广泛的应用。

根据电磁流量计的结构与原理可知，他有如下的主要特点：

电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞，适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆、和污水浆等；不产生因检测流量所形成的压力损失；测得的体积流量不受流体密度、粘度、温度、压力、和导电率变化明显的影响；前置直管段要求较低；测量范围大，通常为20：

1到50：

1；不能测量导电率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等；不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体；通用型电磁流量计由于受衬里材料和电气绝缘材料的限制，不能用于较高温度液体的测量。

其次，电磁流量计在结构上一般由电磁流量计传感器和电磁流量计信号转换器两部分组成。

电磁流量计＝流量传感器＋转换器。

图2.2电磁流量传感器示意图

如图2.2所示为传感器，一般情况下传感器和转换器是分体的，传感器安装在生产过程工艺管道上，它的作用是将流经管内的液体流量值线性地变换成感应电势信号，并通过传输线将此信号送到转换器中去，主要由外壳、磁路系统、测量管、衬里、电极组成。

信号转换器的作用是将传感器送来的流量信号进行比较、放大、并转换成统一标准的输出信号，以实现对被测液体流量的远距离指示、记录、积算或调节控制。

也有的电磁流量计将传感器和信号转换器装在一起组成一体型电磁流量计，可就地显示，并远传显示和控制。

转换器由前置放大器、主放大器、相敏整流、功率放大、线圈、霍尔乘法器、电位分压器组成。

霍尔乘法器用以消除励磁电压幅值和频率变化引起的误差。

图2.3转换器组成原理

2.2网络式智能电磁流量仪传感器的选择

2.2.1电磁流量传感器的特点，转换器应具备的性能

1．线性放大能力。

转换器应具有高稳定性能的线性放大器，能把毫伏级流量信号放大到足够高的电平，并线性地转换成标准电信号输出。

2．能够分辨和抑制各种干扰信号。

根据不同的励磁方式，转换器应有相应的措施抑制或消除各干扰信号的影响。

对于正交干扰，除了传感器中的干扰调熬机构调零外，转换器中应有分辨和抑制正交干扰的机构，以消除传感器中剩余的正交干扰信号。

否则这些干扰信号同样会被转化器的放大器放大，严重影响仪表工作。

对正交干扰的抑制方法一般是将经过主放大器放大后的正交干扰信号通过相敏检波的方式鉴别分离出来，然后反馈到主放大器输入端，以抵消输入端进来的正交干扰信号。

本课题利用的是低频三值励磁方式很好的解决了正交干扰。

3.应有足够高的输入阻抗。

4.能消除电源电压波动的影响。

2.2.2流量传感器的选择的说明

所谓传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。

传感器的输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电’信号部分。

选择传感器的总的原则是：

在满足对传感器所有技术要求情况下，成本低廉，工作可靠和容易维修，即所谓性能价格比要大。

传感器大致可以分为两类：

第一类是将物理量变换为电量的传感器。

通常由于信号处理、便于测量、精度等要求，而将所有的物理量变换成电量的输出来进行测量的传感器。

第二类是将电、光、温度、声、位移、压力等物理量相互间进行变换的传感器。

而如果从另一个角度来看，也可以将传感器分为基本型与组合型两类。

所谓基本型传感器，就是将光、磁、温度、压力、气体、湿度等基本物理量变换成电量或其它物理量的传感器。

所以在基本型传感器又可分为：

光传感器、温度传感器、压力传感器、应变式传感器、磁传感器、气敏传感器、湿度传感器和生物传感器。

所谓组合型传感器，就是应用基本型传感器来检测其它的物理量的传感器。

而组合型传感器又可分为：

流量、流速传感器，速度传感器，距离、位置、位移传感器，重量传感器，加速度传感器，转数、转角传感器，物位传感器，厚度传感器等随着传感器技术的飞速发展，其发展方向有两个：

一个是传感器本身的研究开发，另一个是与计算机相连接的传感器系统的研究开发。

其中，传感器本身的研