造紙送漿系統(tǒng)中智能化渦街流量計的應用與設計
對管道內(nèi)液體和氣體流量進行測量和控制是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化重要組成部分。渦街流量計具有量程寬，無可動部件，運行可靠，維護簡單，壓力損失小，具有一定計量精度等優(yōu)點。特別是很寬范圍內(nèi)，它測量與介質(zhì)密度、粘度等物性參數(shù)無關，受到普遍歡迎。本文介紹應用MCS一51單片機設計智能渦街流量計，對渦街流量計固有非線性進行修正，并具有顯示、打印、檢測參數(shù)種類以及數(shù)據(jù)處理等功能，拓寬了渦街流量計應用范圍。
工作原理
渦街流量計是基于卡門渦街原理制成一種流體振蕩性流量計。即流動流體中放置一個非流線型對稱形狀物體（渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體），就會其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律漩渦即卡門渦街，其漩渦頻率正比于來流速度：[2>
F＝Stu／d ?。?）
式中 F—渦街頻率
d—漩渦發(fā)生體寬度
u—來流速度
St—斯特勞哈爾數(shù)
St值與漩渦發(fā)生體寬度d和雷諾數(shù)Re有關。當雷諾數(shù)Re＜2×104情況下，St為變數(shù)：當Re2×104～7×106范圍內(nèi)，St值基本上保持不變，這段范圍為流量計基本測量范圍。
式（1）表明，當d和St為定值時，漩渦產(chǎn)生頻率F與流體平均流速u成正比，利用這一特性制成了渦街流量計。渦街傳感器所測并平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側(cè)流速。[3>湍流狀態(tài)，不同雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同。即不同流速下具有不同流速分布，進而說明了渦街流量傳感器檢測到主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)流速與管道平均流速關系唯一確定。這說明渦街流量傳感器非線性誤差是其檢測機理所決定。實際使用時，先繪出傳感器儀表系數(shù)與頻率試驗曲線f (F)。
K= f (F)=KG（F） （2）
式中G（F）是同一口徑各臺儀表相同曲線形狀（僅是位移不同）。K是平均儀表系數(shù)。本文應用MCS一51單片機智能渦街流量計中，將試驗曲線形狀G（F）事先固化于流量計EPROM中，和讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況鍵盤輸入K值，實現(xiàn)渦街傳感器非線性修正。
硬件設計
圖1是系統(tǒng)硬件原理框圖。
設計要求，單片機應用系統(tǒng)包括：（1）接受變送器送來與流量成正比脈沖，并對其定時、計數(shù)電路；（2）顯示器，鍵盤，打印機接口電路；（3）外部存儲器擴展電路；主要電路介紹如下：
1 鍵盤/顯示器及打印機接口
為使接口硬件盡可能少，設計時，僅用一片8155I/O接口芯片完成智能化儀表鍵盤輸入，LED輸出和打印機輸出接口任務。將8155PC口用作顯示自選通和鍵盤掃描輸出，PB口用作顯示字段及小數(shù)點輸出，8031外部中斷INTO用作鍵盤響應輸入，PA口用作外接打印機輸出。如圖2所示。
圖2 鍵盤/顯示器及打印機接口電路
?。?）顯示器接口設計
設計6位LED顯示器作為儀表顯示輸出。8155PB口定義為輸出口，其中低四位PB0～PB3輸出顯示數(shù)據(jù)BCD碼，并經(jīng)74LS249 BCD譯碼器譯碼后送LED段碼端，PB4作為測量結(jié)果小數(shù)點位經(jīng)驅(qū)動器后接LED小數(shù)點發(fā)光段；PB5作為極性控制位單獨控制一個發(fā)光二極管以顯示測量結(jié)果正負。8155PC口定義為輸出口，PC0～PC5分別控制6位LED位選通，實現(xiàn)動態(tài)掃描方式顯示。
?。?）鍵盤接口設計
圖2所示鍵盤接口中，由6個鍵組成鍵盤。8031用外部中斷INTO作為鍵盤狀態(tài)輸出。6個鍵中，其中兩個鍵定義為"加一鍵"和"減一鍵"。另外4個鍵分別為打印鍵，編程鍵，選項鍵以及復位鍵。按下編程鍵后，進入編程狀態(tài)，用戶輸入平均儀表系數(shù)。選項鍵用來確定顯示那種流量表達方式（如體積流量、質(zhì)量流量等），鍵盤列掃描信號來自于PC口輸出LED位選通信號：鍵盤行輸入信號由鍵盤是否閉合到。沒鍵按下，鍵狀態(tài)為開，INTO位高電平，中斷不被觸發(fā)；若有鍵按下，鍵狀態(tài)為閉，INTO由高點平變?yōu)榈碗娖?，中斷由信號下降沿觸發(fā)，向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應中斷后讀取PC口輸出狀態(tài)，判斷PC0～PC5輸出低電平為即可完成鍵掃描和鍵識別。
?。?）打印機接口設計
采用GP一16通用智能微型打印機，自帶8039單片機。它可以把8031送來數(shù)據(jù)以字符串、數(shù)據(jù)或圖形三種方式打印出來；它與儀表接口設計如圖2所示，它8根雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線D0～D7直接與8155PA0～PA7相連，片選信號CS與8155片選信號公用單片機系統(tǒng)譯碼器輸出端口址Y7，WR和RD直接與8031WR，RD相連，其硬件設計非常簡單。
2 外部存儲器擴展
?。?）程序存儲器EPROM擴展
8031片內(nèi)沒有EPROM，故8031單片機需要外擴一片EPROM2764（8K字節(jié)）。P0口送出低8位址時，址由信號ALE下降沿控制鎖存到鎖存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，鎖存器采用74LS373鎖存器，控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764輸出允許端OE。
?。?）數(shù)據(jù)存儲器擴展
MCS一51單片機內(nèi)RAM為128個字節(jié)，因其容量不能滿足設計要求，故本機擴展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。本機外擴展RAM和EPROM電路如圖3所示：
工作原理
渦街流量計是基于卡門渦街原理制成一種流體振蕩性流量計。即流動流體中放置一個非流線型對稱形狀物體（渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體），就會其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律漩渦即卡門渦街，其漩渦頻率正比于來流速度：[2>
F＝Stu／d ?。?）
式中 F—渦街頻率
d—漩渦發(fā)生體寬度
u—來流速度
St—斯特勞哈爾數(shù)
St值與漩渦發(fā)生體寬度d和雷諾數(shù)Re有關。當雷諾數(shù)Re＜2×104情況下，St為變數(shù)：當Re2×104～7×106范圍內(nèi)，St值基本上保持不變，這段范圍為流量計基本測量范圍。
式（1）表明，當d和St為定值時，漩渦產(chǎn)生頻率F與流體平均流速u成正比，利用這一特性制成了渦街流量計。渦街傳感器所測并平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側(cè)流速。[3>湍流狀態(tài)，不同雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同。即不同流速下具有不同流速分布，進而說明了渦街流量傳感器檢測到主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)流速與管道平均流速關系唯一確定。這說明渦街流量傳感器非線性誤差是其檢測機理所決定。實際使用時，先繪出傳感器儀表系數(shù)與頻率試驗曲線f (F)。
K= f (F)=KG（F） （2）
式中G（F）是同一口徑各臺儀表相同曲線形狀（僅是位移不同）。K是平均儀表系數(shù)。本文應用MCS一51單片機智能渦街流量計中，將試驗曲線形狀G（F）事先固化于流量計EPROM中，和讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況鍵盤輸入K值，實現(xiàn)渦街傳感器非線性修正。
硬件設計
圖1是系統(tǒng)硬件原理框圖。
設計要求，單片機應用系統(tǒng)包括：（1）接受變送器送來與流量成正比脈沖，并對其定時、計數(shù)電路；（2）顯示器，鍵盤，打印機接口電路；（3）外部存儲器擴展電路；主要電路介紹如下：
1 鍵盤/顯示器及打印機接口
為使接口硬件盡可能少，設計時，僅用一片8155I/O接口芯片完成智能化儀表鍵盤輸入，LED輸出和打印機輸出接口任務。將8155PC口用作顯示自選通和鍵盤掃描輸出，PB口用作顯示字段及小數(shù)點輸出，8031外部中斷INTO用作鍵盤響應輸入，PA口用作外接打印機輸出。如圖2所示。
圖2 鍵盤/顯示器及打印機接口電路
?。?）顯示器接口設計
設計6位LED顯示器作為儀表顯示輸出。8155PB口定義為輸出口，其中低四位PB0～PB3輸出顯示數(shù)據(jù)BCD碼，并經(jīng)74LS249 BCD譯碼器譯碼后送LED段碼端，PB4作為測量結(jié)果小數(shù)點位經(jīng)驅(qū)動器后接LED小數(shù)點發(fā)光段；PB5作為極性控制位單獨控制一個發(fā)光二極管以顯示測量結(jié)果正負。8155PC口定義為輸出口，PC0～PC5分別控制6位LED位選通，實現(xiàn)動態(tài)掃描方式顯示。
?。?）鍵盤接口設計
圖2所示鍵盤接口中，由6個鍵組成鍵盤。8031用外部中斷INTO作為鍵盤狀態(tài)輸出。6個鍵中，其中兩個鍵定義為"加一鍵"和"減一鍵"。另外4個鍵分別為打印鍵，編程鍵，選項鍵以及復位鍵。按下編程鍵后，進入編程狀態(tài)，用戶輸入平均儀表系數(shù)。選項鍵用來確定顯示那種流量表達方式（如體積流量、質(zhì)量流量等），鍵盤列掃描信號來自于PC口輸出LED位選通信號：鍵盤行輸入信號由鍵盤是否閉合到。沒鍵按下，鍵狀態(tài)為開，INTO位高電平，中斷不被觸發(fā)；若有鍵按下，鍵狀態(tài)為閉，INTO由高點平變?yōu)榈碗娖?，中斷由信號下降沿觸發(fā)，向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應中斷后讀取PC口輸出狀態(tài)，判斷PC0～PC5輸出低電平為即可完成鍵掃描和鍵識別。
?。?）打印機接口設計
采用GP一16通用智能微型打印機，自帶8039單片機。它可以把8031送來數(shù)據(jù)以字符串、數(shù)據(jù)或圖形三種方式打印出來；它與儀表接口設計如圖2所示，它8根雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線D0～D7直接與8155PA0～PA7相連，片選信號CS與8155片選信號公用單片機系統(tǒng)譯碼器輸出端口址Y7，WR和RD直接與8031WR，RD相連，其硬件設計非常簡單。
2 外部存儲器擴展
?。?）程序存儲器EPROM擴展
8031片內(nèi)沒有EPROM，故8031單片機需要外擴一片EPROM2764（8K字節(jié)）。P0口送出低8位址時，址由信號ALE下降沿控制鎖存到鎖存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，鎖存器采用74LS373鎖存器，控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764輸出允許端OE。
?。?）數(shù)據(jù)存儲器擴展
MCS一51單片機內(nèi)RAM為128個字節(jié)，因其容量不能滿足設計要求，故本機擴展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。本機外擴展RAM和EPROM電路如圖3所示：
圖3 外部存儲器擴展
從圖中可以看出EPROM2764與RAM6264址范圍是相同，它們制信號是不一樣。2764選通信號是PSEN，而6264讀入或?qū)懭胧强縍D或WR型號控制，不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突問題。
軟件設計
本機軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，其4個主要部分分別如下。
1 主程序
主程序為本儀器監(jiān)測程序。程序運行中，必須首先對系統(tǒng)進行初始化，清各工作單元，置計數(shù)器及標志位初值，自檢指示燈，開中斷，啟動計數(shù)器等工作。儀器采用微型鍵盤和LED指示燈相配合，使儀器各種功能清晰有序。
鍵盤子程序包括：掃描鍵盤子程序。其功能是尋找是否有鍵按下，輸入鍵值程序；鍵值掃描程序；表驅(qū)動程序；通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序功能是按鍵位置一行行掃描。表驅(qū)動程序是判斷按鍵是哪種功能鍵。通用顯示子程序功能是將顯示緩沖區(qū)中字碼轉(zhuǎn)換成段碼送入顯示器中，顯示各種字型。幾乎所有程序中都要用到這一程序，稱之為通用顯示子程序，與顯示功能塊相區(qū)別。
2 中斷服務程序
儀器測量、轉(zhuǎn)換等程序均中斷方式同主程序相連，單片機內(nèi)兩個定時器計數(shù)器作為閘門使用。流量頻率測量很重要，定時器TO被用來測評，并定為高級中斷。測量測頻中斷服務子程序流程圖如圖4所示。
3 功能塊程序
儀器鍵盤輸入命令，可隨時到用戶所需結(jié)果，這就要用到功能程序塊。功能程序塊包括：顯示、打印、清零等功能塊。顯示功能塊作用是用戶需要轉(zhuǎn)入相應入口參數(shù)，再碼之轉(zhuǎn)換，送至顯示緩沖區(qū)中。打印程序包括打印質(zhì)量流量及體積流量、瞬時流量及累計流量。
4 使用計算子程序主要包括計算流量程序
采用是浮點制運算子程序，這些運算子程序可直接調(diào)用。
結(jié) 論
采用上述設計智能化渦街流量計，可讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況，鍵盤方便輸入校正系數(shù)，完成了對渦街流量計非線性修正，拓寬了渦街流量計應用范圍。
圖4 TO中斷子程序框圖
參 考 文 獻
1 戴昌輝 流體流動測量 北京：航空工業(yè)出版社，1991
2 朱德祥 流量儀表原理和應用 南京：華東華工學院出版社，1992
3 王超等 高精度智能化渦街流量變送器研究 儀器儀表學報，2000，8
4 徐愛鈞 智能化測量控制儀表原理與設計 北京：北京航空航天大學出版社，1995
5 駱德漢 智能化儀表鍵盤/顯示器設計技術 自動化與儀表，1990，3
6 何立民 單片機應用文集 北京：北京航空航天大學出版社，1991
從圖中可以看出EPROM2764與RAM6264址范圍是相同，它們制信號是不一樣。2764選通信號是PSEN，而6264讀入或?qū)懭胧强縍D或WR型號控制，不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突問題。
軟件設計
本機軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，其4個主要部分分別如下。
1 主程序
主程序為本儀器監(jiān)測程序。程序運行中，必須首先對系統(tǒng)進行初始化，清各工作單元，置計數(shù)器及標志位初值，自檢指示燈，開中斷，啟動計數(shù)器等工作。儀器采用微型鍵盤和LED指示燈相配合，使儀器各種功能清晰有序。
鍵盤子程序包括：掃描鍵盤子程序。其功能是尋找是否有鍵按下，輸入鍵值程序；鍵值掃描程序；表驅(qū)動程序；通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序功能是按鍵位置一行行掃描。表驅(qū)動程序是判斷按鍵是哪種功能鍵。通用顯示子程序功能是將顯示緩沖區(qū)中字碼轉(zhuǎn)換成段碼送入顯示器中，顯示各種字型。幾乎所有程序中都要用到這一程序，稱之為通用顯示子程序，與顯示功能塊相區(qū)別。
2 中斷服務程序
儀器測量、轉(zhuǎn)換等程序均中斷方式同主程序相連，單片機內(nèi)兩個定時器計數(shù)器作為閘門使用。流量頻率測量很重要，定時器TO被用來測評，并定為高級中斷。測量測頻中斷服務子程序流程圖如圖4所示。
3 功能塊程序
儀器鍵盤輸入命令，可隨時到用戶所需結(jié)果，這就要用到功能程序塊。功能程序塊包括：顯示、打印、清零等功能塊。顯示功能塊作用是用戶需要轉(zhuǎn)入相應入口參數(shù)，再碼之轉(zhuǎn)換，送至顯示緩沖區(qū)中。打印程序包括打印質(zhì)量流量及體積流量、瞬時流量及累計流量。
4 使用計算子程序主要包括計算流量程序
采用是浮點制運算子程序，這些運算子程序可直接調(diào)用。
結(jié) 論
采用上述設計智能化渦街流量計，可讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況，鍵盤方便輸入校正系數(shù)，完成了對渦街流量計非線性修正，拓寬了渦街流量計應用范圍。
圖4 TO中斷子程序框圖
參 考 文 獻
1 戴昌輝 流體流動測量 北京：航空工業(yè)出版社，1991
2 朱德祥 流量儀表原理和應用 南京：華東華工學院出版社，1992
3 王超等 高精度智能化渦街流量變送器研究 儀器儀表學報，2000，8
4 徐愛鈞 智能化測量控制儀表原理與設計 北京：北京航空航天大學出版社，1995
5 駱德漢 智能化儀表鍵盤/顯示器設計技術 自動化與儀表，1990，3
6 何立民 單片機應用文集 北京：北京航空航天大學出版社，1991
本文標簽：造紙送漿系統(tǒng)中智能化渦街流量計的應用與設計
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：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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