电磁流量计设计论文
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1.2课题内容
无论是在石油的开采、计量及运输过程中，还是在自来水的监测与控制中，对于流量都要求一定的精确计量和控制。因此，本课题就是针对这一具体实际要求，通过对当前一些相关领域的分析和研究，设计出了一种基于AT89C51单片机的电磁流量计。
电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理研制出的一种测量导电液体体积流量的仪表。根据法拉第电磁感应定律，导电体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电压，该电动势的大小与导体在磁场中做垂直于磁场运动的速度成正比，由此再根据管径，介质的不同,转换成流量。
电磁流量计无节流部件，因此压力损失小，节能效果好，量程范围宽，适合于各种有悬浮物固体粒子的污水、煤浆的测量以及腐蚀性介质的测量。同时电磁流量计也有以下一些不足之处：不能测较高温度流量；不能测气体、蒸汽以及含有大量气泡的液体；易受外界电磁干扰，造成输出精度受影响。
1.3研究意义
开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。自动化技术可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。
图3-1电容式电磁流量计传感器结构
设计的传感器结构如图所示，包括测量管、励磁线圈、检测电极、屏蔽电极和屏蔽罩。检测电极紧贴于管壁外，被屏蔽电极罩住，并以等电位驱动技术减小杂散电容的影响。同时为了减小电极上的涡流影响，将检测电极做成了梳状。最外层屏蔽罩接地，有利于屏蔽外界干扰。考虑到检测电极上感应信号比较微弱，将前置放大器置于传感器内尽可能贴近电极的地方，以减小信号在传输中的衰减及干扰。为避免铁磁材料的磁滞现象，采用了空心线圈励磁。
图3-5 ADC0809与单片机的接口
AT89C51和ADC接口通常可以采用查询和中断两种方式。采用查询法传送数据时，AT89C51应对EOC线查询它的状态：若它为低电平，表示A/D转换正在进行，则AT89C51应当继续查询；若查询到EOC变为高电平，则就给OE线一个高电平，以便2-1—2-6线上提取A/D转换后的数字量。采用中断方式传送数据时，EOC线作为CPU的中断请求输入线。CPU响应中断后，应在中断服务程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目
电磁流量计设计
学生姓名
周艳蓉
学号
11111109
院系
电子工程学院
专业
物联网技术
班级Fra Baidu bibliotek
111111
指导教师
朱彩霞
顾问教师
史老师
二〇一四年六月
摘
本课题研究的内容主要是利用电磁感应原理对各种液体如石油、水等的流量进行检测与控制。主要由流量传感器采集流量信号，然后经过A/D转换器将连续的模拟信号转化为离散信号后传给单片机运算，单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求，将控制命令发送到步进电机，然后通过步进电机来精确控制阀门的开关,实现对流量的精确控制，并通过显示单元实时显示。在设计过程中，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计等都进行了细致的介绍。
控制部分采用由步进电机带动的控制阀。
显示部分采用结构简单、价格便宜的8段共阳型LED用来显示控制过程和运算结果。
为了以后方便扩展，本系统采用8155来连接显示部分。8155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。MCS-51和8155相连不仅可为外设提供两个8位I/O端口（A口和B口）和一个6位I/O端口（C口），而且也可为CPU提供一个256字节的RAM存储器和一个14位定时器/计数器。因此，8155广泛应用于MCS-51系统中。
控制阀是自动控制系统中非常重要的一个环节，起到调节流体流量，克服干扰来保证被控变量达到给定的工艺指标的作用。控制阀的阀部分由阀的内件和阀体组成，阀的内件包括阀芯、阀杆、填料函和上阀盖等。常用的控制阀有普通型、散热片型、长颈型上阀盖及密封结构等形式，本控制系统采用由步进电机带动的控制阀。
3.5显示电路
关键词：流量计电磁感应A/D转换器
A
The content of this research is mainly using the electromagnetic induction principle to all kinds of liquid such as oil, water flow test and control.Mainly by flow sensor to collect traffic signal, and then, after A/D converter will be continuous analog signal into A discrete signal to the single chip microcomputer after operation, under the control of single-chip microcomputer in the software system, according to the control requirements of setting and expected in advance, will control commands sent to the stepper motor, and then through the stepper motor to precisely control the switch of the valve, realize the precise control of traffic, and through the display unit in real time.In the design process, from the overall plan, the unit circuit, components selection and design and so on all has carried on the detailed introduction.
3.2信号处理电路
信号处理模块主要电路如图所示，高输入阻抗的前置放大器从高内阻的信号源中检出电压信号，完成阻抗转换。高共模抑制比的仪表放大器对信号进行差动放大，抑制共模干扰。然后经过旋转电容滤波器滤波，实现与参考信号的互相关处理，并与励磁电流保持严格同步。最后由整流采样电路对旋转电容滤波器电容上的电压信号进行整流采样，经A/D转换后送入单片机。
AT89C51对LED管的显示可以分为静态和动态两种。静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流一遍一遍显示各自字符，人们因视觉惰性而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是适合的。当位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示方法。本设计采用动态显示。
图3-7 LED接口电路
图3-7示出了89C51通过8155对LED的接口电路。图中，B口和所有LED的a、b、c、d、e、f、g、SP引线相连，各LED控制端G和8155C口相连，故B口为字形口和C口为字位口，因此CPU可以通过C口控制各LED是否点亮。
Keywords:Flowmeter Electromagnetic induction A/D converter
第一章
1.1课题研究背景
在我国，石油化工业是国民经济的支柱产业之一，所以对油井产量进行准确、及时的计量，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要的指导意义；为了使高粘度的石油得到开采，就得在开采过程中直接加入降粘剂，如果加少了，石油抽不上来，加多了又造成经济浪费，由于石油是重要的能源，无论是从节约能源的角度，还是从经济性角度来看，对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。
AT89C51属于MCS-51系列单片机。有40条引脚，共分为电源线、时钟、控制线和端口线四类。
图3-4 AT89C51引脚图
AT89C51和ADC接口必须弄清和处理好三个问题：①要给START线送一个100ns宽的起动正脉冲；②获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志；③要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。
3.4驱动电路
图3-6 AT89C51与步进电机接口电路
步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置，也是一种能把输出机械位移增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。具有快速启停能力，只要电机的负荷不超过它所能提供的动态转矩，就能通过输入脉冲来控制它在一瞬间启动和停止。
步进电机是否旋转是由控制绕组中输入脉冲的有无来控制的，每步转过的角度和方向是由三相控制绕组中的通电方式决定的。因此，步进电机的控制是要求单片机软件产生按一定规律变化的时序脉冲，然后通过接口和驱动放大电路来驱动步进电机控制绕组工作。由于89C51的P1口负载只能驱动三个标准的LSTTL输入门，因此需要通过7406驱动器去驱动达林顿复合功率放大器，使步进电机能够正常控制控制阀门。
LED是发光二极管的简称。有共阴和共阳两种。在本设计中，选用管结构简单、价格便宜的8段共阳型LED用来显示控制过程和运算结果。
8155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。AT89C51和8155相连不仅可为外设提供两个8位I/O端口（A口和B口）和一个6位I/O端口（C口），而且也可为CPU提供一个256字节的RAM存储器和一个14位定时器/计数器。
图2-1系统结构框图
系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，经AD转换器将模拟电信号转化为数字信号，传给单片机，单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。
2.2主要元器件
流量传感器部分采用的是电容式电磁流量计传感器，电容式电磁流量计采用了电容耦合的方式来检测流量信号。
图3-2信号处理电路原理图
3.3A/D转换电路
ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口，可以与ADC0808相互代换。内部结构由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
图3-3 ADC0809引脚图
键盘种类很多，本设计采用的是作为人机接口使用的最方便的键盘是十进制输入，BCD码输出的BCD码键盘。
第三章
3.1传感器电路
目前常用的流量计传感器主要有插入式电磁流量计传感器、电磁式流量传感器、插入式正逆流涡轮流量传感器、电容式电磁流量计传感器等。本文采用电容式电磁流量计传感器。
电容式电磁流量计采用了电容耦合的方式来检测流量信号，具有电极与被测流体不接触的特点，因而从根本上解决了电极表面附着、腐蚀、摩擦、液体渗漏等问题。而且对传统接触式电磁流量计难以测量的低电导率液体如酒精等也能进行测量，拓展了电磁流量计的适用范围，在造纸、石油、化工、冶炼等行业有着良好的应用前景。
AD转换部分本设计选用的是ADC0809，ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口，可以与ADC0808相互代换。内部结构由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
单片机部分本设计采用MCS-51系列中的AT89C51，AT89C51有40条引脚，共分为电源线、时钟、控制线和端口线四类。
第二章
2.1总体设计
在硬件电路部分，采用AT89C51单片机，外扩EPROM存储器，构成单片机控制系统的主体部分。通过电磁流量传感器，AD转换器进行输入，通过控制步进电机带动阀门来控制输出。一些其他的功能，如设定值输入，数码管显示则通过扩展I/O接口芯片8155来完成相应的功能。系统软件设计部分，分别对键盘设定值输入，步进电机控制，AD转换控制，数码管显示等程序进行了设计，并且设计了主程序。
无论是在石油的开采、计量及运输过程中，还是在自来水的监测与控制中，对于流量都要求一定的精确计量和控制。因此，本课题就是针对这一具体实际要求，通过对当前一些相关领域的分析和研究，设计出了一种基于AT89C51单片机的电磁流量计。
电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理研制出的一种测量导电液体体积流量的仪表。根据法拉第电磁感应定律，导电体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电压，该电动势的大小与导体在磁场中做垂直于磁场运动的速度成正比，由此再根据管径，介质的不同,转换成流量。
电磁流量计无节流部件，因此压力损失小，节能效果好，量程范围宽，适合于各种有悬浮物固体粒子的污水、煤浆的测量以及腐蚀性介质的测量。同时电磁流量计也有以下一些不足之处：不能测较高温度流量；不能测气体、蒸汽以及含有大量气泡的液体；易受外界电磁干扰，造成输出精度受影响。
1.3研究意义
开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。自动化技术可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。
图3-1电容式电磁流量计传感器结构
设计的传感器结构如图所示，包括测量管、励磁线圈、检测电极、屏蔽电极和屏蔽罩。检测电极紧贴于管壁外，被屏蔽电极罩住，并以等电位驱动技术减小杂散电容的影响。同时为了减小电极上的涡流影响，将检测电极做成了梳状。最外层屏蔽罩接地，有利于屏蔽外界干扰。考虑到检测电极上感应信号比较微弱，将前置放大器置于传感器内尽可能贴近电极的地方，以减小信号在传输中的衰减及干扰。为避免铁磁材料的磁滞现象，采用了空心线圈励磁。
图3-5 ADC0809与单片机的接口
AT89C51和ADC接口通常可以采用查询和中断两种方式。采用查询法传送数据时，AT89C51应对EOC线查询它的状态：若它为低电平，表示A/D转换正在进行，则AT89C51应当继续查询；若查询到EOC变为高电平，则就给OE线一个高电平，以便2-1—2-6线上提取A/D转换后的数字量。采用中断方式传送数据时，EOC线作为CPU的中断请求输入线。CPU响应中断后，应在中断服务程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目
电磁流量计设计
学生姓名
周艳蓉
学号
11111109
院系
电子工程学院
专业
物联网技术
班级Fra Baidu bibliotek
111111
指导教师
朱彩霞
顾问教师
史老师
二〇一四年六月
摘
本课题研究的内容主要是利用电磁感应原理对各种液体如石油、水等的流量进行检测与控制。主要由流量传感器采集流量信号，然后经过A/D转换器将连续的模拟信号转化为离散信号后传给单片机运算，单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求，将控制命令发送到步进电机，然后通过步进电机来精确控制阀门的开关,实现对流量的精确控制，并通过显示单元实时显示。在设计过程中，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计等都进行了细致的介绍。
控制部分采用由步进电机带动的控制阀。
显示部分采用结构简单、价格便宜的8段共阳型LED用来显示控制过程和运算结果。
为了以后方便扩展，本系统采用8155来连接显示部分。8155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。MCS-51和8155相连不仅可为外设提供两个8位I/O端口（A口和B口）和一个6位I/O端口（C口），而且也可为CPU提供一个256字节的RAM存储器和一个14位定时器/计数器。因此，8155广泛应用于MCS-51系统中。
控制阀是自动控制系统中非常重要的一个环节，起到调节流体流量，克服干扰来保证被控变量达到给定的工艺指标的作用。控制阀的阀部分由阀的内件和阀体组成，阀的内件包括阀芯、阀杆、填料函和上阀盖等。常用的控制阀有普通型、散热片型、长颈型上阀盖及密封结构等形式，本控制系统采用由步进电机带动的控制阀。
3.5显示电路
关键词：流量计电磁感应A/D转换器
A
The content of this research is mainly using the electromagnetic induction principle to all kinds of liquid such as oil, water flow test and control.Mainly by flow sensor to collect traffic signal, and then, after A/D converter will be continuous analog signal into A discrete signal to the single chip microcomputer after operation, under the control of single-chip microcomputer in the software system, according to the control requirements of setting and expected in advance, will control commands sent to the stepper motor, and then through the stepper motor to precisely control the switch of the valve, realize the precise control of traffic, and through the display unit in real time.In the design process, from the overall plan, the unit circuit, components selection and design and so on all has carried on the detailed introduction.
3.2信号处理电路
信号处理模块主要电路如图所示，高输入阻抗的前置放大器从高内阻的信号源中检出电压信号，完成阻抗转换。高共模抑制比的仪表放大器对信号进行差动放大，抑制共模干扰。然后经过旋转电容滤波器滤波，实现与参考信号的互相关处理，并与励磁电流保持严格同步。最后由整流采样电路对旋转电容滤波器电容上的电压信号进行整流采样，经A/D转换后送入单片机。
AT89C51对LED管的显示可以分为静态和动态两种。静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流一遍一遍显示各自字符，人们因视觉惰性而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是适合的。当位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示方法。本设计采用动态显示。
图3-7 LED接口电路
图3-7示出了89C51通过8155对LED的接口电路。图中，B口和所有LED的a、b、c、d、e、f、g、SP引线相连，各LED控制端G和8155C口相连，故B口为字形口和C口为字位口，因此CPU可以通过C口控制各LED是否点亮。
Keywords:Flowmeter Electromagnetic induction A/D converter
第一章
1.1课题研究背景
在我国，石油化工业是国民经济的支柱产业之一，所以对油井产量进行准确、及时的计量，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要的指导意义；为了使高粘度的石油得到开采，就得在开采过程中直接加入降粘剂，如果加少了，石油抽不上来，加多了又造成经济浪费，由于石油是重要的能源，无论是从节约能源的角度，还是从经济性角度来看，对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。
AT89C51属于MCS-51系列单片机。有40条引脚，共分为电源线、时钟、控制线和端口线四类。
图3-4 AT89C51引脚图
AT89C51和ADC接口必须弄清和处理好三个问题：①要给START线送一个100ns宽的起动正脉冲；②获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志；③要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。
3.4驱动电路
图3-6 AT89C51与步进电机接口电路
步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置，也是一种能把输出机械位移增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。具有快速启停能力，只要电机的负荷不超过它所能提供的动态转矩，就能通过输入脉冲来控制它在一瞬间启动和停止。
步进电机是否旋转是由控制绕组中输入脉冲的有无来控制的，每步转过的角度和方向是由三相控制绕组中的通电方式决定的。因此，步进电机的控制是要求单片机软件产生按一定规律变化的时序脉冲，然后通过接口和驱动放大电路来驱动步进电机控制绕组工作。由于89C51的P1口负载只能驱动三个标准的LSTTL输入门，因此需要通过7406驱动器去驱动达林顿复合功率放大器，使步进电机能够正常控制控制阀门。
LED是发光二极管的简称。有共阴和共阳两种。在本设计中，选用管结构简单、价格便宜的8段共阳型LED用来显示控制过程和运算结果。
8155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。AT89C51和8155相连不仅可为外设提供两个8位I/O端口（A口和B口）和一个6位I/O端口（C口），而且也可为CPU提供一个256字节的RAM存储器和一个14位定时器/计数器。
图2-1系统结构框图
系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，经AD转换器将模拟电信号转化为数字信号，传给单片机，单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。
2.2主要元器件
流量传感器部分采用的是电容式电磁流量计传感器，电容式电磁流量计采用了电容耦合的方式来检测流量信号。
图3-2信号处理电路原理图
3.3A/D转换电路
ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口，可以与ADC0808相互代换。内部结构由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
图3-3 ADC0809引脚图
键盘种类很多，本设计采用的是作为人机接口使用的最方便的键盘是十进制输入，BCD码输出的BCD码键盘。
第三章
3.1传感器电路
目前常用的流量计传感器主要有插入式电磁流量计传感器、电磁式流量传感器、插入式正逆流涡轮流量传感器、电容式电磁流量计传感器等。本文采用电容式电磁流量计传感器。
电容式电磁流量计采用了电容耦合的方式来检测流量信号，具有电极与被测流体不接触的特点，因而从根本上解决了电极表面附着、腐蚀、摩擦、液体渗漏等问题。而且对传统接触式电磁流量计难以测量的低电导率液体如酒精等也能进行测量，拓展了电磁流量计的适用范围，在造纸、石油、化工、冶炼等行业有着良好的应用前景。
AD转换部分本设计选用的是ADC0809，ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口，可以与ADC0808相互代换。内部结构由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
单片机部分本设计采用MCS-51系列中的AT89C51，AT89C51有40条引脚，共分为电源线、时钟、控制线和端口线四类。
第二章
2.1总体设计
在硬件电路部分，采用AT89C51单片机，外扩EPROM存储器，构成单片机控制系统的主体部分。通过电磁流量传感器，AD转换器进行输入，通过控制步进电机带动阀门来控制输出。一些其他的功能，如设定值输入，数码管显示则通过扩展I/O接口芯片8155来完成相应的功能。系统软件设计部分，分别对键盘设定值输入，步进电机控制，AD转换控制，数码管显示等程序进行了设计，并且设计了主程序。