某某学毕业设计（论文）
第1章 绪论
1.1 选题的背景和意义
流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。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；用流量的质量来表示称为瞬时质量流量，简称质量流量。这一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值称为累积流量。 对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。
流量的测量在热电生产、石油化工、食品卫生等工业领域具有广泛的应用。随着传感器技术，微电子技术、单片机技术的发展，为气体流量的精确测量提供了新的手段。充分利用单片机丰富的硬件资源，配以适当的检测接口电路，可精确测量由涡街流量传感器或电磁流量传感器输出的代表流量大小的脉冲信号，以及气体在当地状态下的压力、温度等模拟电压信号。由软件计算出流量，以简单的硬件结构实现了一个高可靠性、高精度、多功能的气体流量检测系统。工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视和控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。
通过对本课题的研究，训练综合运用已学课程的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系统进行仿真与试验。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。
我国近代流量测量技术发展比较晚，早起所需的流量仪表均从国外进口。中国流量仪表制造业从上世纪30年代中期以仪表修配开始，到解放前后在上海、天津等沿海地区形成了现代流量仪表的民族工业。到改革开放前，经历了仿制、统一设计、自行研究开发过程，目前已近初具规模，基本上能满足中等水平流量仪表的需要。改革开放以来又
李四：基于单片机的流量检测系统的设计
经历了技术引进，与国际先进技术企业合资、合作，仪表性能和水平有了很大提高。近年国际主流企业纷纷在中国建立生产基地，既增强了研发能力也增添了竞争因素，现在我国流量计产品已很全面，基本覆盖所有行业，满足各行业产生需要，技术革新较快，但在产品生产工艺上仍然有很大提高的空间。
流量显示仪表的发展经过了机械运算记录图表式，模拟运算机械计数式，简单逻辑运算数显示和微处理器运算及多功能数字显示四个过程。自从单片机出现后，各种各样的智能流量显示仪不断出现，取代了原有的传统的机械式或者纯模拟、数字电路构成的流量显示仪。智能流里显示仪以单片机为核心可以进行各种流最计算、累加、显示等功能。流量显示仪具有使用方便、工作可靠、可进行补偿计算等优点。从上世纪80年代以来，各种智能流量显示仪就不断出现，功能也不断拓展、完善。智能流量显示仪正朝着低功耗、智能化、网络化、多功能方向发展。具体来说，智能流量显示仪可以实现流量及其它信号的采集、流量计算累加及补偿计算、数据示、数据远程传愉及打印等功能。根据用户的不同需要，开发人员可以设计出具有不同功能的智能流量显示仪，软件编程非常灵活。
1.3 研究内容及需解决的问题
本文主要研究的是基于单片机的流量检测系统的设计，实现对管道内天然气的流量的检测，并将流量值实时显示在LED数码管上，且如果流量值超过上下限范围，即调用报警系统，实现声光报警。
本文详细论述了该设计的具体方案，主要解决系统的总体设计，硬件电路的设计以及系统软件的设计。其中硬件电路设计包括单片机最小系统、流量传感器的设计、放大器的设计、AD转换器接口设计、LED显示接口设计、报警器设计等，软件设计包括主程序、信号采集与AD转换程序、显示程序及报警程序。由于实际应用中传感器输出的信号比较微弱，易受到内部干扰及外部干扰的影响，所以在设计结尾描述了一些抗干扰措施。
一个产品的具体设计是复杂与艰巨的，设计的好坏直接影响到工业生产的效率和安全。在设计过程中的遇到的每个难点都得一一克服，而本设计的难点在于如何设计简单易行的流量传感器，各芯片的如何应用与合理搭接，而软件的编写如何简洁无误也是一个难点，在实际设计中不断克服改进，力求方案的可行性。
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第2章 流量传感器
2.1 流量计分类
流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。
这60多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。
总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发讯装置。因此,以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。
按照目前最流行、最广泛的分类法,即分为:容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，以下分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。
1.涡轮流量计
涡轮流量计, 是速度式流量计中的主要种类, 它采用多叶片的转子(涡轮) 感受流体平均流速, 从而推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两部分组成, 也可做成整体式。
涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品, 作为十大类型流量计之一, 其产品己发展为多品种、多系列批量生产的规模。
2.涡街流量计
涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体, 流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。涡街流量计按频率检出方式可分为: 应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。
涡街流量计是属于最年轻的一类流量计, 但其发展迅速, 目前成为通用的一类流量计。 3.电磁流量计
电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。电磁流量计有一系列优良特性, 可以解决其它流量计不易应用的问题, 如脏污流、腐蚀流的测量。70、80 年代电磁流量在技术上有重大突破, 使它成为应用广泛的一类流量计, 在流量仪表中其使用量百分数不断上升。 4.差压式流量计
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压, 已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。 5.浮子流量计
浮予流量计, 又称转予流量计, 是变面积式流量计的一种, 在一根由下向上扩大的垂直锥管中, 圆形横截面的浮子的重力是, 由液体动力承受的, 从而使浮子可在锥管内自由地上升和下降。浮予流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计, 特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。
李四：基于单片机的流量检测系统的设计
6.容积式流量计
容积式流量计, 又称定排量流量计, 简称PD 流量计, 在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分, 根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类, 可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。 7.超声流量计
超声流量计是通过检测流体流动对超声束( 或超声脉冲) 的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法( 直接时差法、时差法、相位差法和频差法) 、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样, 因仪表流通通道未设置任何阻碍件, 均属无阻碍流量计, 是适于解决流量测量困难问题的一类流量计, 特别在大口径流量测量方面有较突出的优点, 近年来它是发展迅速的一类流量计之一。
2.2 涡轮流量计的结构与原理
涡轮流量计：气体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图2-1所示。它是由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有kQ = f ，其中：Q 是流经变送器的流量（L/s）；f 是电脉冲频率（Hz）；k 是仪表系数（次/升）。管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k 是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪表有不同的k。涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。根据单位时间内的脉冲数和累积脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。
图2-1 涡轮流量传感器结构图
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2.3 涡轮流量计的特点
在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低的特点。涡轮流量计还具有测量准确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。像这样的技术参数其他流量计则是难以达到的。因此涡轮流量计在工业上应用最广泛，发展最迅速。除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，由于其兼有测量准确度高和重复性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。涡轮流量计虽有很多优点，但由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体的洁净度要求高。流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。而且由于有转动部件，会带来轴承的磨损，使仪表的使用年限受到影响。因此，必须注意根据被测流体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。应该指出，随着新材料、新工艺的发展，仪表转动部分的耐磨性、变送器的维修性能和寿命正在不断提高；随着对涡轮流量计粘度修正问题研究的不断深入以及测量线路的完善和微的应用，涡轮流量计可以方便和准确得进行各种参数的修正，显示仪表的性能也将更臻完善目前生产的双涡轮流量计，由于变送器内串联两个涡轮，可以互相校核，从而提高了仪表使用的可靠性，受到好评。可以预言，随着涡轮流量计结构和性能的不断完善，以及高性价比，它将在各个领域中越来越广泛的得到应用，在流量测量和标准传递中发挥更大作用。