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1、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 学 生： 李 佛 垚专 业： 自 动 化班 级： 0602 班指导教师： 李 晓 林设计日期： 2010年6月 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/
2、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Netrk intelligent electromagnetic flowmeterAbstractElectromagnetic flowm
3、eter is based on the principle of electromagnetic induction rate flowmeter. In industrial production process, the flow of energy storage and accounting, environmental protection, biotechnology, national defense, science research, etc play the indispensable role. Based on the analysis of the current
4、situation and development trend of development of electromagnetic flowmeter, on the basis of the proposed intelligent flow based on AT89C51 appearance design ideas, and on the basis of the development of intelligent electromagnetic flowmeter of software and hardware systems.In the intelligent electr
5、omagnetic flowmeter system hardware development, adopted MCU control mode of optional excitation technology, and design A keyboard control, A/D conversion, storage, and display circuit circuit. In order to enhance communication and openness system function, choose the rs-five 485 standard bus to ach
6、ieve instruments and external communications system.In the software design of intelligent flow in appearance, assembly language as A software development tools, modular design program, make full use of the advantage, designed AT89C51 has designed A excitation mode control procedure, A/D sampling con
7、trol procedure, the input data processing and flowmeter operator procedures, LED display and keyboard management such modularization program. Not only make the program, but also to improve structure is clear, the reliability of the system performance.Keywords: intelligent electromagnetic flowmeter ；
8、AT89C51；LED display；excitation目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1引言11.2课题研究的背景和意义21.2.1电磁流量计的发展21.2.2本课题研究的意义：31.3. 网络式智能电磁流量仪的总体组成模块31.3.1网络式智能电磁流量仪的模块功能31.3.2电磁流量计的选用与安装应该注意的事项41.4本章小结4第2章 电磁流量仪工作原理与结构52.1 电磁流量传感器的工作原理52.1.1法拉第电磁感应定律52.1.2电磁流量传感器的原理52.1.3电磁流量传感器的结构62.2网络式智能电磁流量仪传感器的选择82.2.1电磁流量传感器的特点，转换器
9、应具备的性能82.2.2流量传感器的选择的说明82.2.3电磁流量传感器选型小结：102.3流量检测的方法和分类102.4 本章小结11第3章 网络式电磁流量仪的输入通道设计123.1网络式电磁流量仪的功能要求123.2网络式电磁流量仪总体结构设计123.2.1 系统硬件电路设计原则123.2.2 硬件系统整体结构133.3 信号调理放大电路设计143.4 有源滤波电路163.5 A/D转换电路设计163.6 本章小结20第4章 网络式电磁流量仪控制模块和显示电路设计214.1 单片机控制模块的选型214.1.1单片机的特点和重要指标224.1.2 AT89C51单片机简介224.2 I/O接
10、口电路的扩展设计8255A284.2.1 8255A的内部结构和引脚排列284.2.2 8255A有两种控制字294.3键盘电路的设计304.4显示电路的设计314.5本章小结33第5章 网络式电磁流量仪的其他硬件模块设计345.1励磁系统的说明345.2励磁系统的电路与单片机的连接图355.3 供电模块设计355.4 上电复位电路365.5 存储功能的扩展I2C总线375.6 通讯接口的设计395.7 量程自动变换和标尺变换技术405.8 系统整体硬件原理图415.9 本章小结41第6章 网路式电磁流量仪软件设计426.1 程序总体设计426.2 软件“看门狗”的设计446.3数据采集程序4
11、56.4数字滤波程序设计466.4.1数字滤波的优点466.4.2字滤波主要的几种方法476.5 键盘管理程序506.6 8255A初始化的程序设计526.7标度变换程序设计526.8 三值励磁程序设计536.9本章小结53结 论54致 谢55参考文献56附录57附录63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
12、，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
13、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
14、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
15、、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
16、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
17、、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、
18、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
19、，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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、范围宽，可以从0.005190000m3/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
26、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
27、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。前置放大主放大相敏整流功率放大正交干扰抑制线圈霍尔
28、乘法器电位分压器ExVxIoIyVhKzA1A3A4A2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
29、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
30、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
31、、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，传感器本身的研究开发有两个分支，一个是有关传感器的新技术与新原理的基础研究，另一个是面对着生产与社会日益迫切的需要，出现了一大批新颖的传感器产品，如陶瓷型传感器、仿生化学传感器等。电磁流量计应用领域非常广泛，其传感器
32、的选择是其中最主要的，因为传感器的类型就大部分决定了传感器成品将来使用的场合，按应用场合有大口径、中小口径、小口径和微小口径之分，其中大口径的较多应用于给排水工程，中小口径常应用于固液双相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、钢铁工业高炉风口冷却水控制、长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制等，而小口径和微小口径常应用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。市场上通用型的性能有较大差别，有些精度高、功能多，有些精度低、功能简单。精度高的仪表基本误差为（ 0.5%到 1%）R（测量值的百分率），精度低的仪表则为（1.5%
33、到25%）FS（测量上限或量程的百分率），两者价格相差)1-2倍。因此测量精度要求不很高的场所（例如非贸易核算仅以控制为目的，只要求高可靠性和优良重复性的场所）选用高精度仪表在经济上是不合算的。选定仪表口径不一定与管径相同，应视流量而定。 电导率是表征材料导电性能的一个物理量，国际单位为s/cm。使用电磁流量计的前提是被测液体必须是导电的，不能低于阈值（即下限值）。本课题从以上谈到的许多方面考虑，以学习研究为重点，流量传感器的选型如下：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，因此测量精度高。采用国际最新最先进的单片机(MCU)和表面
34、贴装技术(SMT)，性能可靠，精度高，功耗低，零点稳定，参数设定方便。采用特殊的生产工艺和优质材料，确保产品的性能在长时间内保持稳定。低频三值矩形波恒流励磁，不受工频及现场各种杂散干扰的影响，性能稳定可靠。采用非均匀磁场的新技术及特殊的磁路结构，磁场稳定可靠，而且大大缩小了体积，减轻了重量，使流量计具有小型轻量化的特点。可根据用户实际需求现场在线修改量程。具有空管自动复零功能。测量管内无阻流件，因此无附加压力损失。由于感应电应信号是在整个完满磁场的空间中形成的，是管道截面上的平均值，因此传感器所需的直管段较短，长度为5倍的管道直径。 传感器部分只有内衬和电极与被测液体接触，只要合理选择电极和内
35、衬材料，即可耐腐蚀和耐磨损。测量结果与液体的压力、温度、密度、粘度、电导率（不小于最低电导率）等物理参数无关。使用方便，安装后只需接上电源，不需其它任何操作，即可输出标准信号，便于非专业人员使用。鉴于本课题的要求和综合各方面的考虑才选择了此电磁流量计传感器。 2.2.3电磁流量传感器选型小结：由设计任务书的要求以及传感器的资料本毕业设计所选用的传感器的相应规格如下：（1） 通径D=40mm，测量误差 0.5% 。（2） 衬里 氯丁橡胶（Neoprene）耐磨性好，有极好的弹性，高扯断力，耐一般低浓度酸碱盐介质的腐蚀。适用于80、一般水、污水、泥浆、矿浆。（3） 电极材料的选型，由于本设计为学习
36、理论型设计所以电极材料的选择可以根据实际工程选用。（4） 测速范围般工业用电磁流量计被测介质流速以24m/s为宜，在特殊情况下，最低流速应不小于0.2m/s，最高应不大于8m/s。在本设计中以最大范围来进行计算即取扩展范围15m/s。（5） 测量误差以及精确度的计算：所以当D=40mm时, Qvmin = 0.452(m3/h), Qvmax = 67.85(m3/h)2.3流量检测的方法和分类1）容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计。受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体
37、。2）速度法：这种方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量。检测管道内流速的方法主要有一下几种：节流式检测方法（差压流量检测法）；电磁式检测方法；变面积式检测方法；旋涡式检测方法；涡轮式检测方法；声学式检测方法；热学式检测方法。2.4 本章小结本章详细介绍了电磁流量计的基本原理及其组成结构，并详细的介绍了电磁流量计的测量原理。重点在于对电磁流量计从内部原理的详细阐述到自身结构的说明，由内到外的说明设计思路，尤其是对电磁流量计的模块化设计也进行了详细的说明，最后，对本课题的传感器选型进行小结，本章是在对以后的几章设计打下基础，也是在进行设计中首先要解决的了解过程。第3章
38、网络式电磁流量仪的输入通道设计3.1网络式电磁流量仪的功能要求课题设计的电磁流量显示仪的全过程为：微处理器采集流量传感器输出的电压信号，然后通过放大滤波适合于A/D转换器的输入要求，将此信号进行转换为数字量，并且把转换后的数字量进行数字滤波后给单片机进行计算，最终将计算后得到的瞬时量和一段时间的累积流量在LED上进行显示。要进行硬件设计，首先要清楚流量显示仪所要实现的具体功能，并考虑到流量显示仪的性能要求，然后才能设计各个功能模块，再进一步选择合适的芯片、元器件及设备，进行具体电路的设计。该流量显示仪功能要求有:(1) 显示功能 现场同时显示累积体积流量、瞬时体积流量.(2) 存储功能 存储各
39、种流量数据，流量计系数.(3) 电源供电功能 由于元器件对电压要求不同，需要根据不同的电源进行变压以满足流量显示仪所需的电压。(4) 键盘控制功能 系统可以利用按键进行仪表系数设置，流量显示和清零。此外，流量显示仪的高精度、低功耗、可靠性等性能要求也是进行软、硬件设计所必须考虑的重要因素。3.2网络式电磁流量仪总体结构设计3.2.1 系统硬件电路设计原则本文在硬件设计时的步骤及遵循的原则：（1）要选择最主要的芯片或元器件，在流量显示仪中就是对信号处理和运算的核心 单片机芯片的选择，它决定着硬件整体方案的设计和其它芯片及元器件的选择。（2）分别设计各个外围硬件模块，选择典型电路，实现系统的模块化
40、。设计外围硬件模块时，注意单片机资源的分配和应用，如单片机的管脚分配、单片机内部集成模块的应用等。充分和合理利用单片机资源不但可以减少外围电路设计的工作量，而且可以提高整机的可靠性。（3）设计硬件结构时，要结合软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案发生相互影响时，考虑的原则是:功能尽可能由软件来实现，以简化硬件的结构。这样可以减小硬件的复杂性，还可以降低生产成本，所付出的代价是占用较长CPU运行时间。在所实现功能相同的情况下，都选择低功耗芯片、元器件及设备。（4）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计所必须考虑的，它包括芯片、元器件选择、滤波、信道隔离等。3.2.2 硬件系统整体结构电磁流量传感器放大
41、滤波波A/D转换单片机数据处理LED显示I2C数据存储键盘控制RS485总线三值励磁电路电源模块 图3.1 系统的硬件结构根据流量显示仪的功能要求，硬件系统结构框图如图3.1所示.硬件系统包括单片机控制器模块、传感器信号输入模块、A/D转换模块、LED显示模块、按键模块及电源供电模块。单片机控制器模块主要由单片机构成，是信号处理、计算的核心，也是整个流量显示仪运行的核心部分。其它大部分模块都受单片机控制器模块的控制或通过单片机控制器而起作用。传感器信号输入模块是指流量信号的整形输入，流量信号需要进行整形等处理，然后被单片机控制器的计数模块识别并计数。LED显示模块由LED数码管组成。按键模块由
42、键盘组成。电源供电模块包括供电电路和设备供电电源。本系统的各个模块硬件设计电路将在后面逐一详细加以介绍。3.3 信号调理放大电路设计本课题所选用的是AD623单电源仪表放大器，下面对AD823进行介绍。AD623是单电源仪表放大器，具有满摆幅输出（+3V- +12V电源），若无外接电阻，该放大器增益为1，若是增加外接电阻，增益在1-1000范围内可用单电阻调节增益。（1）引脚排列与基本电参数该芯片的引脚排列如图3.2所示。其中：RG+和RG-是增益电阻引脚IN-与IN+是差动输入引脚 图3.2 AD623引脚排列图VCC、GND是电源、地线引脚。若是双电源使用，VCC对应+VS，GND对应-V
43、SOUT是输出引脚VREF是参考电压引脚，用于移动输出电平。不需要移动电平时，该端接地。在单电源电压VCC=+5V，RL=10k时的一些典型参数：增益范围：11000增益误差为0.03%（G=1）增益非线性为50ppm，（G=11000）增益温度变化5ppm/输入失调电压VOSI= 25V输入失调电压温度系数0.1V/输出失调电压VISO=200V输出失调电压温度系数2.5V/电源电压抑制比为100dB（G=1）输入偏置电流IB=17nA输入偏置电流温度系数25pA/输入失调电流IOS=0.25nA输入失调电流温度系数为5pA/差模输入阻抗2G|2pF共模输入阻抗2G|2pF输入电压范围（电源
44、为+6V）0.15V+VCC0.15V共模抑制比为80dB（G=1，在60Hz，1k源内阻）输出电压范围 +0.01V+VCC-0.5V（负载电阻RL=10k）3dB带宽800kHz（G=1）摆率SR=0.3V/s0.01%建立时间ts=30s（G=1，阶跃信号3.5V）输入电压噪声eni=35nV/Hz（1kHz）输出电压噪声eno=50nV/Hz（1kHz）0.1Hz10Hz电压噪声，3.0Vp-p0.1Hz10Hz电流噪声，1.5pAp-p电源电压范围2.5V6V（双电源），2.7V+12V（单电源）（2）参考输入端：输入电阻RIN=100k输入电流IIN=+50A电压范围GND+VCC
45、增益电阻(3) 输出电压VO=（1+100k/RG）VG，这里：RG增益电阻，VG是输入差动电压。可以得到增益电阻值为： RG=100k（G1）,这里G是增益。（4）参考电位参考电位VREF用于在0到VS之间控制输出电压的基础电平。参考电位应该很稳定，常来自基准电源芯片或是AD转换器的内部参考电源。（5）接地典型的AD623单电源接地电路如本课题中所接所示。图中参考电位VREF接模拟地。若是模拟与数字共用一个电源，则应该采用电感、电容组成的滤波电路隔离模拟电源部分与数字电源部分。（6）在本课题中用到AD623对传感器输出的信号进行放大，以便于满足后面的A/D转换器的输入，从而完成对模拟信号的转
46、换，由于是学习性质的设计，本课题中所选用的参数是按照传感器输出电流为8mA,通过转换后给AD623的输入电压是大约0.2V，所以需要放大的倍数是25倍，以满足A/D转化器的要求，本课题的AD623连接图如图3.3所示。图3.3 AD623放大连接电路3.4 有源滤波电路为了或得更好的数据采集效果，或得稳定的数据，在ADC前应该加有源滤波电路，滤去不需要的干扰。常用的滤波器分为三种：巴特沃斯、贝塞尔、和切比雪夫。在本课题当中，选的是巴特沃斯低通滤波器，频率为3Hz。有源滤波电路如图3.4所示。图3.4.有源滤波电路3.5 A/D转换电路设计（1）对模数转换器的选择A/D转换器是单片机应用系统进行数据采集的重要器件，它是将连续的模拟信号转换成二进制数的器件。从工作原理上看，常用A/D器件有双积分型、逐次逼近型等；从分辨率角度看，A/D 转换器按照输出二进制代码的有效位数的不同通常有8 位、10 位、12 位、14 位和16 位等多种；按照转换时间(即进行一次A/D 转换所需要的时间
