转轮式流量传感器的特性与标定试验毕业论文.doc 44页

'本科学生毕业论文（设计）题目(中文):转轮式流量传感器的特性与标定试验(英文):Characteristicsandcalibrationtestofwheeltypeflowsensor姓名学号院（系）专业、年级指导教师27 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　指导教师签名：　　　　　日　　期：　　　　　使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　27 湖南科技学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本科毕业论文（设计）作者签名：二○一○年月日27 毕业论文（设计）任务书课题名称：转轮式流量传感器的特性与标定试验学生姓名：龙晓辉系别：电子工程系专业：电子信息工程指导教师：刘志壮2009年11月30日27 湖南科技学院本科毕业论文（设计）任务书1、主题词、关键词：流量传感器、流量测量、ARM、FPGA，软件滤波2、毕业论文（设计）内容要求：本论文研究转轮式流量传感器的特性与标定。论文的主要内容包括：(1)对比几种转轮式流量传感器的特性的特性测量方案，并对其测量原理及优缺点进行分析。(2)依据上述优缺点的分析，提出一种结构简单、精度高、基于FPGA加ARM7的测量方案。(3)检测方案的具体实现，采用光隔离，并用FPGA采集数据，32位CPU处理数据。完成整个设计的硬件部分。（4）FPGA与CPU程序编写。（5）对整个设计进行实验测试，处理及分析实验数据，误差分析等，得出它的特性及标定。（6）分析该设计方案的不足及如何改进。27 3、文献查阅指引：1）从学校图书馆网页上中国期刊网，检索相应关键词，查找相关资料；2）通过百度查找关键词，搜索相关资料；3）通过googol查找相关资料。4、毕业论文（设计）进度安排：1）2009年10月中上旬查找资料；2）2009年12月下旬写好开题报告；3）2010年3月设计发硬件电路；4）2010年4月完成毕业论文；5）2010年5月完成论文答辩。教研室意见：负责人签名：注：本任务书一式三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份交指导教师，一份留系里存档。27 湖南科技学院本科毕业论文（设计）开题报告书论文（设计）题目转轮式流量传感器的特性与标定试验作者姓名龙晓辉所属系、专业、年级电子工程系电子信息工程专业2006年级指导教师姓名、职称刘志壮预计字数10000开题日期2009.12.28选题的根据：1）说明本选题的理论、实际意义2）综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解电热毯作为一种经济实用的床上取暖器材，已经在世界各地广泛使用。目前，日本、韩国、美国等国家的电热毯已经采用自动控温和异常超温安全保护技术，而我国的电热毯还是采用整流二极管调功输出。这种调功输出技术，虽具有基本的电气绝缘和加热功能，但不具有调温和温度自动控制功能，也不具备异常超温安全保护功能。现国内使用的两档调温电热毯会出现由于电热线局部断丝打火，或者局部绕线过密，或者用户折叠使用等引起电热毯局部烧坏，甚至引起床上起火燃烧的不安全事故。要避免这些事故，必须从电热毯温度控制方面进行改造。在这种思路指导下，研制电热毯温度自动控制系统。请按照我发给你的开题报告模板所提的要点来写.主要内容：电热毯温度自动控制系统应用了成熟的集成电路技术,采用了双层螺旋线结构,实现了可靠的高精度闭环自动控制和可靠的异常超温安全保护.27 研究方法：1.理论推导法:2.仿真法:3.实验法完成期限和采取的主要措施：完成期限：2009年4月24日完成论文。主要措施：严格遵照《湖南科技学院毕业论文(设计)工作管理办法》的指示精神，结合个人的实际情况，我完成这项设计所采取的主要措施有两条：一是密切联系。联系本组设计成员及毕业设计指导师，寻求有关毕业设计信息，确定设计课题方向与设计内容；二是虚心学习。利用课余时间到图书馆和网络上查阅资料，并虚心向老师请教和同学进行学习交流，保障毕业设计的顺利完成。主要参考资料：[1]阎石。数字电子技术基础[M]。北京：高等教育出版社（第四版）,1998。[2]梁廷贵。现代集成电路使用手册[M]。北京:科学技术出版社,2002。[3]扬素行。模拟电子技术基础简明教程[M]。北京：高等教育出版社（第二版）,2004。指导教师意见：指导教师签名：教研室意见：签名：年月日27 开题报告会纪要时间地点与会人员姓名职务（职称）姓名职务（职称）姓名职务（职称）会议记录摘要：会议主持人：记录人：　年　月日指导小组意见负责人签名：年月日系部意见负责人签名：年月日注：此表由学生本人填写，一式三份，一份留系里存档，指导老师和本人各保存一份27 湖南科技学院毕业论文（设计）中期检查表毕业论文（设计）题目（宋体四号居中）学生姓名学号系别物理与电子工程专业电子信息工程指导教师刘志壮检查日期指导教师检查情况记载及修改意见：1）摘要请从研究意义，方法和手段，结论与结果三个方面写；2）系统设计部分,FPGA和ARM7主要介绍他们的功能就行了，不要过细说明；3）工作原理部分补充一个原理图，介绍一下流量检测原理；4）参考文献补充部分外文资料，格式请按要求写。签名：注：此表用于指导教师在学生毕业论文（设计）初稿完成后对学生执行任务书情况进行中期检查时用，由指导教师填写。27 湖南科技学院毕业设计（论文）指导过程记录表毕业论文(设计)题目（宋体五号居中）学生姓名学号专业班级指导教师职称系（教研室）指导过程记录指导内容记录(一)学生签名：200年月日指导教师签名：200年月日指导内容记录(二)学生签名：200年月日指导教师签名：200年月日指导内容记录（三)学生签名：200年月日指导教师签名：200年月日指导内容记录(四)学生签名：200年月日指导教师签名：200年月日27 指导过程记录指导内容记录(五)学生签名：200年月日指导教师签名：200年月日指导内容记录(六)学生签名：200年月日指导教师签名：200年月日指导内容记录(七)学生签名：200年月日指导教师签名：200年月日指导内容记录(八)学生签名：200年月日指导教师签名：200年月日答辩小组组长意见(对情况是否属实做出意见)组长(签名)：200年月日注：本表与毕业论文一起装订存档。27 湖南科技学院本科毕业论文（设计）评审表论文题目（楷体_GB2312小四号字体）作者姓名所属系、专业、年级物理与电子工程系电子信息工程专业2005年级指导教师姓名、职称字数定稿日期2009.4.25中文摘要字体：楷体_GB2312小四，（中文摘要以300—500字为宜）。行距固定值14磅，行距可以适当调整，总之中文摘要、英文摘要要保持在1页上面。关键词（3-5个）英文摘要字体要求：TimesNewRoman字体小四，行距固定值14磅，行距可以适当调整，总之中英摘要、英文摘要要保持在1页上面。关键词(3-5个)27 指导教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵满分指导教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作规范符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分成绩等级指导教师评审意见：指导教师签名：说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。27 评阅教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵满分评阅教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作规范符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分成绩等级评阅教师评审意见：评阅教师签名：说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。27 湖南科技学院本科毕业论文（设计）答辩记录表论文题目（宋体五号）作者姓名所属系、专业、年级电子工程系电子信息工程专业2005年级指导教师姓名、职称答辩会纪要时间地点答辩小组成员姓名职务（职称）姓名职务（职称）姓名职务（职称）答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录：会议主持人：记录人：年月日27 答辩小组意见评语：评定等级：负责人（签名）：年月日系学位委员会意见评语：论文（设计）最终评定等级：负责人（签名）：系部（公章）年月日校学位委员会意见评语：评定等级：负责人（签名）：年月日27 目录1绪论11.1流量测量的意义11.2流量测量的研究现状11.2.1我国动态流量测量研究现状11.2.2流量传感器的类型22硬件的设计32.1系统框图32.2转轮式流量传感器的结构及原理52.2.1转轮式流量传感器的结构52.2.2转轮式流量传感器的工作原理62.3测量原理62.3.1测量原理62.3.2测量方案62.4光电隔离电路72.5显示和按键电路72.6输出控制电路92.7储与通信电路102.7.1存储模块102.7.2通信模块102.8电源电路113软件的设计133.1程序流程图133.1.1FPGA程序流程133.1.2CPU程序流程133.2软件环境143.2.1FPGA软件环境143.2.2CPU软件环境144实验与标定164.1实验装置164.2实验方法164.3实验结果和误差分析164.3.1实验结果1627 4.3.2误差分析17结论（用四号黑体）18参考文献19附录A:20致谢2127 插图索引图1系统方框图7图2转轮式流量传感器9图3流量传感器的接线图10图4光电耦合电路11图5数码管显示电路12图6按键扫描电路13图7输出控制电路14图8EEPROM存储电路14图9485通信电路15图10系统电源电路16图11FPGA程序流程图17图12CPU程序流程图18图13实验装置图20图14传感器实物图2427 转轮式流量传感器的特性与标定试验摘要流量检测在工业、农业、医药等多领域应用广泛。本文主要对一种基于转轮式新型流量传感器的特性进行测试与精度进行标定。测试方法采用时间质量法，………..该方法（过程）将流量传感器输出的信号通过光隅隔离电路，再同FPGA进行高精度的采集数，并将采集的数据存在FPGA内部的RAM中，CPU通过SPI总线将RAM中的数据读出进行处理与分析。并显示在数码管上，或通过485总线将数据传达送到PC机处理。不仅可以提高测量准确度，更便于使用计算机进行实时测量，可记录力随时间的变化，这对科研和教学具有重要意义。（你叙述是一个过程，在前面再介绍所使用的方法：时间质量法，【关键词】(小四号黑体)：流量传感器;流量测量;ARM;FPGA;软件滤波ThecharacteristicsandcalibrationtestofwhelltypeflowsensorAbstractThispaperdescribesanewwheelflowsensorbasedonthecharacteristicsandcalibrationtestmethod,whichwillflowthroughtheopticalsensoroutputsignalisolationcircuitcorner,thenthecollectionwithhighaccuracythenumberofFPGA,anddatacollectedthereFPGAintheinternalRAM,CPURAMthroughtheSPIbus,thedataprocessingandanalysisofreading.Anddisplayedinthedigitalcontrol,orby485bustoconveydatasenttoPCMachine.Cannotonlyimprovethemeasurementaccuracy,moreuser-friendlycomputerforreal-timemeasurement,itcanrecordforcechangeswithtime,andthisisimportantresearchandteaching.27 【Keywords】Flowsensor,FlowMeasurement,ARM,FPGA,Softwarefiltering27 1绪论1.1流量测量的意义流体流量的测量在工业生产和过程控制中占有重要地位。由于流体性质、流动状态、流动条件以及感测机理的复杂性，造成了如今流量测量仪表的多样性、专用性和价格差异的悬殊性。作为其核心部分的流量传感器更是百花齐放，种类繁多而且发展较快。流量参数可谓工业生产过程、科学实验计量和进行各种经济核算所必须的重要参数，是能源计量的重要组成部分。特别是在热电厂、石油、矿山、冶金、航空、机械等领域，现在又扩展到医疗器械等领域。通过流体流量的测量，人们可以了解掌握流动过程、进行生产工艺的自动控制、实行能源管理。从而可以保证产品质量，提高生产效率，节约能源，尤其是在能源危机、工业自动化程度越来越高的当今时代，流量传感器在国民经济中的作用越来越明显。流量传感器的精度高低、稳定性好坏及适应工作环境能力的大小、智能化水平和性能价格比高低等指标极大地影响着社会各行业的发展。而现今向数字化、智能化、多功能化、网络化发展是流量传感器将来发展的必然趋势，因此大力研究生产高质量的流量传感器是十分必要的。1.2流量测量的研究现状由于液体介质本身的复杂性以及处于变速运动状态的介质内部不仅存在着粘性摩擦力，产生不稳定的旋涡和二次流等复杂现象。而且运动介质和检测元件存在惯性力的作用，使准确测量动态流量非常困难。1.2.1我国动态流量测量研究现状国外在80年代就进行了这方面的研究,我国90年代初也有部分学者从事了这方面的研究。1.2.1.1接触式测量早在90年代初，浙江大学就提出了一种二通插装阀式动态流量计。由于特殊设计的阀芯受压大，惯性小，动态品质得到明显提高，响应频宽可达左右之后，他们还成功研制出多种通径的动态流量计，这些流量计在工作频宽、流量范围等方面都令人满意，但由于未能消除动态流体惯性力的影响，因而流量变化越大时，测量误差也越大。1.2.1.2非接触式测量动态流量的测量还可采用非接触测量方法，即在流量测量时无运动部件的参与，如超声波流量计和电磁流量计。27 目前所用的部分超声波流量计和电磁流量计自身没有运动部件，并且能够避开动态流量直接测量中存在的液体惯性力问题但是目前这两种流量计都还主要用于稳态流量的测量，如何将它们运用到动态流量测量中还有待研究。1.1.1流量传感器的类型目前测量流量的的方法很多,如容积式、涡轮式、差压式、动量式等。1.1.1.1容积式容积式流量传感器出现较早，它的结构比较简单，相当于用一个精密的标准容器对被测流体进行连续计量。被测流体流过时，推动转子旋转，2个驱动齿轮相互改变主从驱动关系作连续的、没有死点的不等速旋转运动。得知转子的旋转速度，就可以求出流体的流量。理论上，这种类型流量计的测量精度与流体的种类、黏度、密度等属性无关。测量误差一般为±（0.2%～O.5%）R，可作为工业流量计量的标准仪表。但当被测管道直径较大时，仪表本体显得过于笨重。1.1.1.2涡轮式涡轮流量传感器是近30年发展起来的速度式测量仪表。其工作原理是将涡轮置于被测流体中，液体流动冲击涡轮叶片转动，涡轮的转速与流体的流量成正比。通过磁电转换装置将涡轮的转速转换为相应的电信号输出。涡轮流量传感器具有测量精度高、测量范围广等优点；但由于涡轮必须安装在管道内，对被测流体的清洁度要求较高；流体的温度、黏度、密度对测量精度影响较大；转动部件会带来轴承的磨损，影响传感器的使用寿命。1.1.1.3差压式差压式流量传感器生产历史较长，应用十分广泛，生产已标准化，种类也很多。如：孔板、音速喷嘴、均速管、文丘里管等流量传感器。差压式流量传感器工作原理是利用当流体流过内置于管道中的节流件时，其前后会出现一个与流量有关的压力差值，通过测量压差值就可获得流量值。其特点是节流件的机加工精度高，安装要求严格，其前后必须有足够长的直管道，保证流体流态稳定；流体压损大；对于低流速流体，产生的差压小，误差增大；不适于脉动的流体测量。1.1.1.4动量式动量式流量计中最为典型的是靶式流量计，是20世纪60年代发展起来的产品，常用来测量较高黏度油料的流量。它的主体是一个圆盘型靶，液体流动时，流动质点冲击在靶上，使靶产生微小的位移，这个位移量反映了流量的大小。27 1硬件的设计1.1系统框图本设计总框图如图1所示，总体上可以分为流量传感器、光电隔离电路、FPGA、CPU、数码管、按键、输出控制，及电源。图1系统方框图在整个装置中，传感器部分是最关键的部分，其性能的好坏直接决定了测量结果的精度和准确度。其次是光电隔离电路部分，它们将传感器输出的信号进行隔离然后输出至FPGA采集。CPU部分是信号处理的核心部件，它将FPGA采集的数据通过SPI总线读进来再进行处理，再将结果送FPGA显示缓存区，让FPGA显示。或通过数据485总线将数据传送到上位机处理。FPGA我们先用的是Actel公司的ProASIC3系列的AP030。CPU我们选用NXP公司的ARM7核LPC2132。ProASIC3系列FPGA是基于Flash构架的器件，在价格、性能和门密度方面有着重大突破，并提供了时下应用所要求的各种功能。27 在系统上电时无需额外配置非挥发内存以载入器件配置数据，从而减低了成本，增加了安全性核系统稳定性。Flash单元的配置元素不会被高能中子改变，因此ProASIC3/E器件与基于SRAM的FPGA不同，它具有中子引发的固件错误免疫力。AP030系统门密度30K，典型等效宏单元256，D触发器768，1K的FlashROM，VQ100封装，可用IO多达77个。 LPC2132微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有64kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使LPC2132特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和16kB的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、1个或2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统。特性16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装。16kB的片内静态RAM和64kB的片内Flash程序存储器。128位宽度接口加速器可实现高达60MHz工作频率。通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程(ISP/IAP)。单个Flash扇区或整片擦除时间为400ms。256字节行编程时间为1ms。EmbeddedICERT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪。1个8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出。2个32位定时器/外部事件计数器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)和看门狗。低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入。多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C总线(400kbit/s)、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口(可承受5V电压)。多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚。27 通过片内PLL(100us的设置时间)可实现最大为60MHz的CPU操作频率。片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为1～30MHz，与外部振荡器的操作频率范围高达50MHz。低功耗模式：空闲和掉电。可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。通过外部中断或BOD将处理器从掉电模式中唤醒。单电源，具有上电复位(POR)和掉电检测(BOD)电路：CPU操作电压范围：3.0~3.6V(3.3V±10%)，I/O口可承受5V的电压。这部分不要介绍那么细，主要说一下他们的功能和作用就行了。1.1转轮式流量传感器的结构及原理1.1.1转轮式流量传感器的结构转轮式流量传感器结构非常简单，它由一个流体进口、出口、内部一个转轮再加上外部的三个电极引出脚组成。它的内孔直径1mm。如图2所示：图1转轮式流量传感器1.1.2转轮式流量传感器的工作原理27 它的工作原理就是流体从传感器的进口流进，冲动内部的转轮，再从出口流出。在冲动内部转轮的过程中在外部的引脚上就输出了与之相关系的电脉冲信号。外部三个电极为电源，地，脉冲输出。只要给该传感器加上3.8~24V的电压。有流体从进口流进去刚在脉冲输出引脚上会输出相应的脉冲信号，脉冲信号的频率与流体流动的速度有关。接线图如图3所示：补充一个简易的工作原理图，介绍流量检测原理！图1流量传感器的接线图1.2测量原理1.2.1测量原理由于转达轮式流量传感器是以电脉冲的形式输出的，所以只要测量出单位时间内输出的脉冲数和它流过流体的重量，经过多次测量即可得出一个脉冲的所通过的流量，即标定该传感器及得出传感器的特性。1.2.2测量方案由上面可知就是要测出脉冲的与体休重量。在这里有两种测量方案：1.2.2.1测周法测这种方法是计量在被测信号一个周期内频率为F0的标准信号的脉冲数N来间接测量频率，F＝F0／N。显然，被测信号的周期越长（频率越低），则测得的标准信号的脉冲数N越大，则相对误差越小。由于传感器输出的脉冲信号的周期比较低，所以要一个周期内得到流体的重量比较困难。并且它的周期随着流体流动的速度变化而变化很大，所以在固定的周期内来得到流体的重量，这样当流量较小时会造成测量时间过长。1.2.2.2计数法这是指在一定的时间间隔T内，对输入的周期信号脉冲计数为：N，则信号的频率为F＝N／T。测量的相对误差为1／N×100％。显然这种方法适合于高频测量，信号的频率越高，则相对误差越小。27 通过比较上述两种测量方法，所以选择计数法。当按下开始测量键时，FPGA开始测量并且定时一分钟。从而得出一分钟内的脉冲个数及流体的质量。1.1光电隔离电路隔离能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。常用的隔离电路主要有两种：一种是磁隔离，一种是光隔离。由于磁离器件是通电磁场来转换的，所以需要用线，一般体积都会比较大，价格也相对较贵。而光电隔离器器件一般都体积较小且响应速度快，抗干扰的能力也比较强。所以本系统采用NEC公司的光电耦合器件NEC2501。它的驱动电流非常小，只需要几个mA即可。光耦的前级采用的是直流24V，网络标号IN为接收传感器来的信号。图中的RIE0为限流电阻。是由于IN0是送给FPGA采集的，由于FPGA采用的是IO是3.3V供电，而光耦接的是5V。图1光电耦合电路1.2显示和按键电路显示与按键电路主要是为了提供很好的人机交互。常用的显示器件多种，LED、数码管、LCD等。LED具有控制简单，提供的信息也非常驻简单。一般常用于开关指示。LCD的种类则比较多。通常用于提供有大量的信息显示。控制起来也比较难，特别是TFT屏一般都需要CPU自带的LCD控制器。而且会占用CPU相当大的RAM。 LED数码管的主要特点如下： (1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。 (2)发光响应时间极短(<0．1µs)，高频特性好，单色性好，亮度高。(3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。(4)寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时，成本低。它分为共阴和共阳两种。  27 由于本系统只需要提前些较少的信息，所以采用了三位共阳数码管显示。并且采用FPAG扫描显示的。由于数码管的显示占用比较多的CPU时间，所以这里采用了FPGA扫描，扫描时钟为1ms。各个数码管显示亮度均匀。图1数码管显示电路按键模块主要用于启动测量和其它参数的设置，本系统中设置了三个按键。在单片机系统中常用键盘输入有矩阵式键盘、一线键盘和独立式键盘等。独立式键盘一个键要占用一个I/O口线，其优点是扫描程序比较简单，执行时间也较短，而缺点则是当系统需要的键较多时，键盘就会占用相当多的I/O口资源。而矩阵式键盘中有3*3、4*4等扫描方式，占用相同I/O口资源时，与独立式键盘相比可以组成更多的键，其缺点则是程序较复杂，执行时间相对较长。一线键盘则需要用到AD，它的优点是可以在一个AD口接多个按键。缺点是使用一线键盘必要单片机内部带有AD功能，并且AD转换时间长。本系统所需的键盘输入不需要很多，且系统也有足够的I/O口资源，固采用独立式键盘，如图6所示。27 图1按键扫描电路1.2输出控制电路常用的输出器件有继电器和大功率晶体管。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。由于继电器是感性负载，所以吸合或者断开的瞬间的会感生很大的反向电流。并且体积也比较大，开关噪声也很大。大功率晶体管一般都具体积小，开关速度快，功耗小，无噪声等优点。所以本系统采用的是大功率晶体管IRF540。它的最高电压达100V，电流达23A。输出电路也采用了光电隔离。网络标号OUT0接CPU的一个IO口。来控制输出。输出采用的是大功率晶体管IRF540。DO0是一个吸收二极管，LED用来指示输出的状态。电阻R13、CO_CS和Q7等元件是防止上电时输出抖动。网络标号out_cs和outcs都接到FPGA的IO脚上。FPGA通过检测outcs引脚的电平，只有当outcs的电平为高电平时，才控制Q7的导通给光耦供电。由上刚上电时电容CO_CS要充电，为低电平。输出就不会导通，这样很好的防止了上电输出抖动。27 图1输出控制电路1.2存储与通信电路1.2.1存储模块存储模块主要是储存一些重要的数据，防止掉电后丢失。由于本系统存储的数据不多，所以选用Atmel公司24C04。24C04是串行E2PROM基于I2C-BUS的存储器件，容量为512字节。遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。图2EEPROM存储电路1.2.2通信模块通信电路主要是CPU与PC机的通信。将数处发送到上位机进行处理。一般的CPU都带有232接口，但由于232通信的距离比较近，并且抗干扰的能力比较差。由于485通信采用的是差分通信方式，它的能信距离比较远，并且抗干扰能力比较强，所以本系统采用了485通信方式。MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为30027 μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。图1485通信电路1.2电源电路电源电路为整个系统供电。由于工业上绝大部公采用的是24V供电，所以本系系统也是采用24V供电。本系统主要提供三种电压，+5V，+3.3V，+1.5V。+5V主要给输入号的光耦、和一些IC供电，如24C04，MAX485等等。+3.3V主要是给CPU、FPGA的IO等供电，+1.5V则为FPGA内核供电。+5V由LM2575及外围电路产生，+3.3V和+1.5V分别由LTH1117-3.3和LTH1117-1.5两个电源芯片及外围电路产生。F1及F2和一些电容一起组成滤波电路。提高抗干扰能力。LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等。LTH1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LTH1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。其特点有：1、节省空间的SOT-223和LLP封装。2、电流限制和热保护功能输出电流可达800Ma。3、线性调整率：0.2%(Max)。4、27 负载调整率：0.4%(Max)5、温度范围－LTH1117：0℃~125℃；－LM1117I：-40℃~125℃。图1系统电源电路27 1软件的设计1.1程序流程图1.1.1FPGA程序流程对FPGA程序流程图做如下说明：FPGA主要完成的功能就是负责计数传感器输出的脉冲数。存入内部的RAM中。并且能够产生中断通知CPU来及时读取RAM中的数据。另一个功能就是扫描数码管，它在1ms的时钟驱动下，进行动态扫描各个数码管。FPGA外部输入时钟为22.1184M，经过内部精确的分频得到11.1184M给CPU及各个模需要的时钟。FPGA中有一个高速引脚和CPU的复位引脚一同接到外接的复位芯片上，实现同步复位。图1FPGA程序流程图1.1.2CPU程序流程以CPU的程序流程说明如下：CPU主要的功能就是完成与FPGA通信，读写FPGA内部的RAM、与PC机通信、数据处理、扫描按键、存储一些数据到外部的EEPROM。等等。由于CPU上电时所有的引脚都是处于高阻态的，所以需要进行配置为普通IO或者某些第二功能第三功能。27 接着就是等待开始测量命令，当检测到启动键按下时，就给FPGA开始测量发送命令，当FPGA测量完了之后，产生一个中断信号给CPU，CPU即读出测量数据出来进行运算处理。再送FPGA显示，与控制输出。图1CPU程序流程图1.2软件环境1.2.1FPGA软件环境FPGA采用的是Verilog语言，在Actel公司提供的软件LiberoIDE8.5上调试通过。1.2.2CPU软件环境CPU采用的汇编语言与C语言编写，汇编语言主要是完成ARM的启动代码编写，C语言则是后面的功能实现。在Keil公司提供的软件KeilARM上调试通过。27 27 1实验与标定1.1实验装置实验的装置主要由一个水压恒定的水箱、转轮式流量传感器、水温及控制电路构成。如图13所示：调节阀传感器注水端溢出端注水端控制电路恒温控制图1实验装置图1.2实验方法(1)首先控制好水箱的注水端的进水量，让水箱里面的水恒定在溢出端的位置保持在溢出端口的位置。这样做的目的就是确保流向传感器的水压基本上保持不变。(2)再调节阀门使得传感器注水端的流量基本稳定。(3)调节水箱温度为一定值时，测量10次。分别记录下来。(4)再次调节水箱温度。多次测量。(5)进行实验结果分析。1.3实验结果和误差分析1.3.1实验结果实验结果如下表1所示：分别在水箱温度为30度、40度、50度时所测得的数据。由此数据可得单位脉冲的流量就等于水的质量除以脉冲的个数。27 表1实验数据表次数温度1234567891030脉冲52616054566260525855质量33.532.533.132.832.733.433.233.534.132.940脉冲57555456605258626559质量34.133.832.933.833.534.235.034.233.833.450脉冲54586065635856525755质量35.134.534.633.833.233.634.134.533.833.61.1.2误差分析经过多次实验得出实验的误差主要来源出以下几点：（1）每次按键开始测量时与接水不同步，造成水的质量不精确。（2）流量传感器的进出口的密封性不是很好，有点漏水，造成测量不精确。（3）由于水箱的注水端是来由自来水的管道注入，所以难精控制注水的大小，造成水箱的水压有点偏差。27 结论本文设计了一种基于转轮式流量传感器的标定与试验的方法，阐述了其基本原理和实现方法，完成了在一定条件下对某一特定的传感器的标定实验。此外，还具有以下优点：（1）从实验结果可得：用转轮试流量传感器测得的流量与理论值吻合较好。（2）本方法测得的相对偏差较其它测量方法偏差要小,提高了实验的准确度,无需修正。（3）把单纯的一个流量实验变成了一个流量、电的综合实验,改变了测流量的传统思想。目前科学技术的发展日新月异,并呈现出多学科互相渗透、相互综合的趋势。（5）用流量传感器流量的变化转换为电信号输出,不仅测量准确度高,也便于使用计算机进行实时测量,展示流量的物理特性,这将有助于理解液体的性质,掌握液体的测量方法。对于科研和教学具有重要意义。（4）虽然此方法测出的流量误差较小，但也有些不足。比如说流量会随着温度的变化而变化。在实验的过程中流量的大小也会随着水箱里面水的重量变化而变化。（5）由于CPU运行的速度很快，所以很在测量启动和停止的瞬间精确的得出流体的重量。这种传感器可广泛应用于热电厂、石油、矿山、冶金、航空、机械等领域、通过不同的标定也可用于医疗器械等领域。27 参考文献[1]程斌，杨尚平，马骏骑，赵斌．浅谈我国流量测量研究的现状[J]．中国期刊网[2]周立功．ARM嵌入式系统基础教程[M]．北京：航空航天大学，2008-9-1．[3]夏宇闻．Verilog数字系统设计教程[M]．北京：航空航天大学，2004-1-1．[4]周立功，张华等．深入浅出ARM7—LPC213x/LPC214x(上册)[M]．北京：航空航天大学，2005-6-1．[5]阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，1998年[6]杨素行.模拟电子技术基础简明教程.北京：高等教育出版社，2005年10月[7]刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用.北京：北京航空航天大学出版社，2008年2月[8]蒋辉平，周国雄.单片机原理与应用设计.北京：北京航空航天大学出版社，2007年6月。27 附录A:表1控制板实物图图2传感器实物图27 致谢人的本科毕业设计论文一直是在导师刘志壮老师的悉心指导下进行的，刘志壮老师治学态度严谨、学识渊博，为人和蔼可亲。刘志壮老师不断对我得到的结论进行总结，并提出新的问题，使我的毕业设计课题能够深入地进行下去。在设计过程中使我学会了如何去分析和解决问题，同时也使我能够将所学的理论知识与实践相结合起来，他严谨的工作作风也给我留下了深刻的印象，在此表示诚挚的感谢和由衷的敬意！实验过程中，参与的同学之间的共同协作与帮助，共同研究、讨论等使我懂得了团队合作精神的重要性，同时也明白了如何为人处世的道理。通过本次设计，使我学到了更多电子信息方面的知识，实践技能有了更进一步的提高。在此，对所有帮助过我的同窗同学表示衷心的感谢！此外，向所有曾经辛勤培育、关心、支持、鼓励我的所有老师致以深深的谢意！最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！！！27 致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。致谢四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。27'