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1、基于ARM的热量计设计摘 要民用住宅的暖气计量一直是供暖技术中的一个重要问题，现有的按使用面积收费的方式存在着许多不合理的因素。为解决这一问题，本文介绍了一种新型的热量计，该热量计是基于ARM，主要由流量传感器、温度传感器、LPC2103三部分组成。本文详细阐述了热量计的硬件和软件设计，介绍了相应的抗干扰措施，并对误差来源作了简要的分析。热量计是实施城市供热体制改革，推行按热量收费的关键设备，对热量消耗全部智能计算，以用户实际耗用热量为计量收费依据。热量计作为热力公司向每一位住户收费的依据和手段，不仅已广泛被用户所接受，而且由于用热量与费用直接相关，也加强了住户的节能意识。用热量计进行热计量更
2、为科学、合理，既方便用户，又便于管理。关键词:热量计，ARM，热量，温度传感器，流量传感器The Design of Calorimeter Based on ARM ABSTRACT The calculation of heat in civilian buildings has continuously been a difficult problem in the heating system. The traditional method of collecting fees by the space of rooms leaves much problem to be solved
3、. In order to solve this problem，a new type of calorimeter is introduced, which is based on ARM and mainly consists of flow sensor, temperature sensor and ARM. In this paper the design of hardware and software are expounded in detail, the inference-resistant measures are presented and the causes of
4、error are analysed. The calorimeter is a crucial equipment which implements the system reform ofurban heat supply and charges according to heat. It measures and charges on the basis of the users consumption of heat actually. The administration adopt calorimeter to measure heat that not only facilita
5、tes the users，but easy to manage.KEY WORDS : calorimeter, ARM，quantity of heat，temperature sensor , flowsensor目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 选题背景11.2 热量计概述21.3 热量计类型和发展21.4 国内外发展概况31.5 本文研究内容和目标52 热量计的硬件电路设计62.1 热量计量系统原理框图62.2 热量计的硬件原理框图62.3 外围电路设计72.4 温度测量电路82.4.1 温度传感器82.4.2 DS18B2082.4.3 温度测量电路图112.5 流
6、量测量电路112.5.1 流量测量原理112.5.2 霍尔流量传感器142.5.3 测量电路与输出特性142.6 显示电路设计162.7 电源设计162.8 传输模块设计182.9 本章小结193 热量计软件设计203.1 初始化主程序203.2 温度测量子程序203.3 流量测量子程序213.4 热量计量子程序233.5 显示子程序233.6 本章小结244 系统通讯部分设计254.1 串行通信接口254.1.1 RS232接口254.1.2 RS422，RS485接口254.2 通讯方式选择254.3 本章小结265 抗干扰设计275.1 系统抗干扰设计275.2 硬件抗干扰275.3 误
7、差分析275.3.1 误差来源275.3.2 误差影响（举例）286 结论与展望29致 谢30参考文献31附录321 绪论1.1 选题背景我国是一个能源大国，每一天能源的消耗与转换不计其数，故保证高效的能源利用率一直以来都是国内学者研究的重大课题，而热量计在各个行业的应用更是首当其冲。当前，建筑节能在世界上蓬勃兴起，成为大家关心的热点。我国的建筑能耗很高，是发达国家的3倍多，而城市供暖又是建筑能耗的主要部分，发达国家普遍采用了能够调节和控制的供热系统，锅炉和管网热效率特别高。城市供热正在迈出改革步伐，迫切需要高新计量设备进入供热领域，改变我国城市目前采暖技术的落后局面。 多年来，我国一直沿用旧
8、的居民供暖体制，以居民小区为单位，共用一个控制阀，以住宅面积为热量的计量依据收取供暖费用。随着人民生活水平的提高，商品意识的不断加强，这种旧体制已经不能适应当前经济生活的发展，其弊端也是显得越来越突出。随着市场经济的发展及个人需求的提高，对供暖质量的要求也越来越高，越来越多样化，如有的人宁愿多花钱，来享受一个暖冬，而有的人依据自身条件喜欢经济一点，过得去就行。居民住房越来越大而人口越来越少，暂时无人住的房间希望不供暖或低温就行，但不论何种需要有一点是共同的，就是希望供暖也能象商品一样，花多少钱，享受多少热量，明码实价，钱花得其所。而现在所有的供暖方式，只要是同一个供暖单位供热，就只能一个样，根
9、本无法依住户的需要自行调节。随着改革深入发展，多种经济形式并存，非国有企业日渐增多，各单位经济效益及个人收入的差别也越来越大。拖欠取暖费的情况越来越多，造成各地区收费困难。有的地方收不上费只好不供暖，而现有的供暖方式是全小区或一栋楼一个控制阀，无法区别对待缴费与不缴费的住户，造成大范围停止供暖。供热由供热单位单一方支配，随意性强，缺少制约机制。在现有的供热体制下，取暖费交给供热单位后，这一冬季居民室的冷暖全在供热单位的控制下，无法建立有效的监督机制，用户处在被动受暖地位，导致供热质量逐年下降，供热单位与用户的矛盾也日益加深，投诉电话逐年增加。由此可见，现有的大锅饭式供暖体制必须改革，让供暖走向
10、市场，把热量回归为商品，让人们对热量的需求如同对普通商品的需求一样，多花钱多买，少花钱少买。民用住宅的暖气计量一直是供暖技术中的一个重要问题，现有的按使用面积收费的方式存在着许多不合理的因素。热量计是实施城市供热体制改革，推行按热量收费的关键设备，对热量消耗全部智能计算，以用户实际耗用热量为计量收费依据。热量计作为热力公司向每一位住户收费的依据和手段，不仅已广泛被用户所接受，而且由于用热量与费用直接相关，也加强了住户的节能意识。用热量计进行热计量更为科学、合理，既方便用户，又便于管理。1.2 热量计概述按热量计费，必须具备适用的热量计量工具，而热量计就是建立在分户计量的基础上，通过测量流经散热
11、器的热媒总量以及当时的温度计算热量的损失，热量计量器具实现把热量作为一种商品供应千家万户。一户一表，一户一阀，利用数据传送，采用户内计量，户外统一抄表的方式。一个完整的热量计由三个部分组成:流量传感器，用以测量流经热交换系统的热水流量;配对温度传感器，分别测量供暖进水和回水温度;计算显示器，根据与其相连的流量传感器和温度传感器提供的流量和温度数据，通过热量公式计算出用户从热交换系统获得的热量。一般都显示输出总耗热量、总耗水量、瞬时热量、瞬时流量、供回水温度、温差、最高温度、时间等参数。其技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、寿命与可靠性、自备电源或电池等。目前，国内市场上广泛使用的自动热量计
12、是以通用微机为操作平台的微机热量计。这种热量计结合了传感器、数据采集和自动控制多种技术，再配以运行在PC机上的友好人机界面，给用户提供了丰富的功能及简便的操作环境。这种微机热量计普遍采用Intel或兼容的硬件及Windows操作系统(即Winiel架构)，具体实现上主要分为两种形式:l)基于板卡的集中式微机热量计 具体做法是将一块采用ISA或PCI总线的板卡插入计算机中，仪器将所需的外部数据信号、控制信号通过导线引至已插入计算机插槽内板卡的扩展端口上，通过定制的应用程序实现各种功能。采用这种方法的优点是成本较低、速度快;缺点也比较明显:安装复杂，板卡易受机箱内电磁环境的干扰，同时受到插槽的数量
13、限制，扩展性不强。2)基于串行通信的分布式微机热量计 这种类型的微机热量计分为下位机仪器和上位机应用程序两大部分。下位机是以单片机为核心的数据采集及控制系统，上位机应用程序通过特定的通用总线(如RS232、RS485)和下位机进行数据交互。采用这种方法的优点是易维护、可靠性高;缺点是速度低、受计算机串口数量限制，不能实现一机多控。1.3 热量计类型和发展按照热量计计量原理(流量测量方式)的不同，户用型热量计可以分为叶轮式、涡轮式、压差式、电磁式、超声波式等种类。这类仪表可直接测得热量，属必须校正的仪表。因为它的价格较贵，不可能按房间来安装，一般都是按户来安装，对居民用户通常都是采用小型的，标准
14、流量为0.6立方米/小时的热量计。叶轮式热量计是通过叶轮的转动测量水的流量，按流速的形式分为单流速式和多流速式两种。单流速式主要优点是体积小，质量轻，外形美观，但由于流量仅从一个方向冲击叶轮，对叶轮和轴的材质要求较高，同时由于其腔体较小，对热水的水质要求较高。多流速式主要优点是，由于流量从多个方向冲击叶轮，对叶轮和轴的材质要求相对较低，其腔体较大，内置过滤网，极大提高了抗污水的能力。叶轮式热量计具有耗电少、抗干扰性好、安装维护方便和价格低廉的优点，其测量原理和结构相对简单，对工作条件的要求相对不高，因此现在应用的比较多，在户用表中普遍采用，在热水管网的热计量中占据主导地位。如法国和德国，叶轮式
15、热量计的比例高达90%，但是叶轮式热量计在水中杂质较多时精度会受到较大的影响。超声波式热量计是通过超声波射线直射或反射的方法测量热水的流量，其测量腔体内部没有任何可动部件，对介质的成分没有要求。超声波式的优点是量程大、计量精度较高、压力损失较小，但是易受管壁锈蚀程度、水中泡沫或杂质含量、管道震动的影响，尤其是当测量腔体内存在结垢时将极大地降低测量精度，而且成本较高，功耗较大，在户用表中用量较少。电磁式热量计是按法拉第定律测量热水的流量，其测量腔体内部没有任何可动部件。户用型热量计普遍采用的结构形式是紧凑型，即将进水温度探头与流量计一体，回水温度探头与之分开，计算显示器可与流量计装在一体，亦可拆
16、下。这种结构灵活，不受安装空间限制;缺点在于安装调试较麻烦，其暴露的温度探头使热能易于被盗。一体化热量计把流量计，进水温度传感器，回水温度传感器和计算显示器做在了一体，这种结构安装简单，无需调试，而且成本低廉，其掩埋式的温度探头和新颖的积分温度差算法，极大的降低了“窃能”的可能;缺点在于对安装尺寸有较高的要求。从热量计的组成可以看出，制造热量计的技术比电表、水表、煤气表等要复杂。只有采用高质量的热量计，并综合考虑其经济性、耐用性、可维修性等性能指标，才能达到供热计量及按热量收费的目的。1.4 国内外发展概况国外，热量是以商品进入市场的。欧洲早在20世纪二十年代就开始进行按户计量，八十年代已全面
17、实行集中供暖按户计量网。美国到八十年代末期应用的热量计量仪表己达到250万台。七十年代末出现的能源危机及能源消耗加大环境污染，使得节约能源和保护环境成了举世瞩目的大事，促进了发达国家供热计量技术的长足发展。德国规定每栋楼必须安装热量计，每组换热器必须安装温控阀和热计量装置。在法国1980年公布的热计量收费法规中，也明确制定了每栋楼必须安装热计量表，不允许按面积收费。收费方法也作了明确规定:生活热水按热水表计量收费，采暖热费则要分两部分收取，其中30-40%为按建筑面积计算，60-70%按消耗的热量计算。我国早在1986年开始试行第一部建筑节能设计标准。仅单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的
18、3倍以上，而且空调系统的能耗也居高不下。事实上，造成大量能源浪费的原因，除体制方面的原因外，还在于传统的按面积缴纳热费或冷气费的做法无形中纵容了“高能耗”的行为。“高能耗”造成了热费收缴困难等问题。由于我国热计量方面的研究处于起步阶段，存在一定程度上的盲目性与试探性，研究中出现了一些问题与争议，比如国外的热计量方式与推广经验是否适合中国国情？国外的热计量产品能否在中国完全适用？什么样的系统能够应用计量？面对我国如此大的市场需求，开发什么产品、采用什么系统方式能够经济、简单、可靠，在达到节能目的的同时，满足舒适需要？等等，这些都需要我们进行更深入地研究和探讨。近几年来，国内许多部门做了大量有效的
19、工作，在居住建筑建立适合热量计量的供热系统以及热量计量方法方面做了一些示范工程，进行了有益的探索，取得了一定的成效。目前，国内不少单位根据建筑采暖必须计量收费的原则，已着手研究开发建筑节能技术和产品，引进、消化、研制相关的控制手段和仪表。天津、北京、哈尔滨等城市的供热单位已经以不同规模，不同供热计量方式进行了试验，并取得了可喜的成绩。另外，热计量产品方面，一方面，国外大公司如:何德鲁美、Hnoeywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场，另一方面，国内生产企业全面进入起步阶段，热计量产品的研制开发工作发展很快，己经有数家企业开发出类似产品。目前国外在供热工程中采用的热计量方式可分为4种，每
20、种方式都有其自身的技术特点，成本效益各不相同。 方式A:楼栋热表 整栋楼的热耗由安装在热力入口的一块热量计计量，并以此计算整栋楼的热费，每户按面积分摊。本方法可用于各种供热系统。芬兰等国采用此方法进行供热计量。 方式B:热分配表户内每个散热器的散热量由蒸发式或电子式热分配表计量，整栋楼安装热量计，每户的耗热量按照分配表的读数进行分摊。由于热分配表安装在独立的散热器上，对供热系统的管路形式没有特殊的要求。为了保证热分配表更好地工作，必须按照标准和生产厂家的要求确定其安装位置。在德国、瑞士、丹麦、奥地利、波兰等国家中，热分配表得到了普遍的应用。热分配表分为蒸发式和电子式两种。两种热分配表都是间接计
21、量散热器的散热量，蒸发式分配表主要是通过计量蒸发液来计算散热器的散热量;电子式分配表则主要是通过采集散热器表面温度，并利用散热器散热量计算公式来计量散热量。电子式分配表有很多优点，如计量准确，不计量没有使用的散热器的热量，数据可以远传，消除了入户查表的麻烦。 方式C:热水流量表 整栋楼安装热量计，每个住户的耗热量根据安装在住户入口管道上的热水表计量的热水流量进行分摊。通常热水表安装在按户分环的双管系统中。韩国是惟一一个法定用热水表进行热计量的国家，由于该国国内普遍采用大流量、小温差的低温热水地板辐射供暖系统，所以按热水表计量的热水流量进行热量分摊精度很高。 方式D:户用热量计 户用热量计安装在
22、按户分环系统中。户用热量计既可以作为热费分摊的计算依据，又可以直接用于供热单位与热用户结算热费。虽然上述4种方式都能用于计算用户耗热，但准确性、易用性和经济性却存在差异。国内试验的计量方法及仪表基本是采用了国外的计量方式A和计量方式C。同时也试验了我国提出平均温差法和变温差法。国内试验工程中使用的仪表有:叶轮式热量计、超声波式热量计、磁感应式热量计、蒸发式和电子式热量分配表。世界各国已经越来越重视按户计量收费，我国己在多个城市进行了按户计量的试验工程，一些城市己开始以各种手段促进这一技术的发展。1.5 本文研究内容和目标本文针对热量计的现状及发展趋势，在阅读了大量文献及资料的基础上，成功设计、
23、调试了一套用于计量热量的智能低功耗热量计系统。该系统充分体现了热量计的智能化、低功耗、高精度的发展趋势，把智能化技术应用于新型的超低功耗热量计的设计中。其中，重点在于温度传感器、流量传感器的设计及智能化上。除此以外，在软件的设计上也尽量使系统的电流消耗达到最小，实现低功耗。最终热量计能够在水管进出口有温差，叶轮有转动的条件下按照设定的要求不断的累计放热量并通过LED数码管显示出来。通过采集器连接上位机，物业管理部门可以通过上位机监视各用户的用热情况。 2 热量计的硬件电路设计2.1 热量计量系统原理框图该配置设计竖井内的管道为双管式，户内水平并联，入口设热量计和锁闭阀，散热器设温控阀。通过管路
24、，热水流至用户端，经热传导体(其中包括散热器、热量传导体、地热)的表面散热冷却后通过管道返回供暖处。热量计的主要任务是通过计量流过热量计的热水的体积、进水温度、回水温度，来计量该户耗热量。该方案室内散热器并联，通过温控阀调节散热器的流量，各散热器之间没有影响。在保证用户舒适性的前提下，节能效果更加明显，是最理想的布管方式。其缺点是管材部分要增加投资。 图2-1 水平并联系统图适合热量计量系统的布管方式还有水平串联方式和跨越式串联方式。水平串联方式设计竖井内的管道为双管式，户内水平串联，入口设热量计和锁闭阀;跨越式串联方式竖井内的管道为双管式，户内水平跨越式串联，入口设热量计，锁闭阀，散热器设温
25、控阀。水平串联方式与水平串联跨越方式的不同之处是散热器之间没有跨越管，主干管的全部流量都流过散热器，单个散热器无法调节，因此房间的舒适度下降，且达不到节能效果。其特点是没有温控阀，减少了设备投资，将室内供回水主管设在该层地面附近侧墙的沟槽内。跨越式串联方式温控阀可以对各散热器热量进行调节;锁闭阀主要用于室内散热器检修时关闭管道供热。2.2 热量计的硬件原理框图热量计的硬件原理框图如图2-2所示，该热量计主要由流量传感器、温度传感器、单片机及LED组成。根据一定时间内所通过的水的流量(V)和供、回水的温度差(AT)，以及由AT所决定的热交换系数K，得到用户所消耗的热量值。流量传感器进水温度传感器
26、出水温度传感器 A R M信息显示实验控制 结果处理其他功能图2-2 热量计硬件原理框图2.3 外围电路设计单片机外围电路主要包括复位电路，时钟电路和晶振电路。图2-3 外围电路设计1)复位电路采用手动复位，高电平有效。2)晶振采用11.0592MHz3)外部时钟采用32.768kHz2.4 温度测量电路2.4.1 温度传感器温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触并进行温度测量，这是温度测量的基本形式。这种方式的特点是由于通过接触方式把被测物体的热量传递给传感器，从而降低被测物体的温度，尤其是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物
27、体的真实温度，前提条件是被测物体的热容量要足够大于温度传感器的热容量。 非接触方式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量物体的温度。适合于热量计的温度传感器有热电偶传感器、热电阻传感器、PN结温度传感器、集成温度传感器等。 热电偶是根据热电效应的原理制成的，其特点是:结构简单、价格便宜、测量范围广、准确度高;缺点是要有温度补偿，长期使用要定期检查和更换。热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化来测量温度的一种温度敏感元件，特点是准确度高，灵敏度高，测量范围大，无需参考点。PN结温度传感器是利用晶体管基极一发射极的正向压降随温度变化的特性而制成的温度敏感元件，其特点是线性好、响应快、体积小
28、和使用方便。集成温度传感器是把温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器，其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠;2.4.2 DS18B20该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 1）技术性能描述 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5。 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个
29、，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。工作电源: 35V/DC。 在使用中不需要任何外围元件。 测量结果以912位数字量方式串行传送。 不锈钢保护管直径6。适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 。标准安装螺纹“M10X1, M12X1.5,G1/2”任选。 PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。 2）应用范围 该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控域，轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制，汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。供热/制冷管道
30、热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制 。3）接线说明 独特的一线接口，只需要一条口线实现多点通信能力，简化了分布式温度传感应用。无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V5.5 V 无需备用电源。测量温度范围-55 C+125 。华氏相当于是-67 F257华氏度。-10 C+85 C范围内精度为0.5 C。温度传感器可编程的分辨率为912位 温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。DS18B20的数字温度计提供912位。信息被发送到从DS18B20 通过1线接口
31、，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从据线本身获得能量，不需要外接电源。因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。 DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，所以把后11位的2进制转化为10进制后在乘以0.0625便为所测的温度，还需要判断正负。前5个数字为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。16位数字摆放是从低位到高位，温度的关系
32、图如图所示。表2-1 DS18B20测温范围传感器型号测量温度范围DS18B20-55C to +125CDS18B20+-55C to 125CDS18B20/T&R-55C to 125CDS18B20+T&R-55C to 125CDS18B20-SL/T&R-55C to 125CDS18B20-SL+T&R-55C to 125CDS18B20U-55C to 125CDS18B20U+-55C to 125CDS18B20U/T&R-55C to 125CDS18B20U+T&R-55C to 125CDS18B20Z-55C to 125CDS18B20Z+-55C to 125
33、CDS18B20Z/T&R-55C to 125CDS18B20Z+T&R-55C to 125C 表2-2 DS18B20输出关系图温度值二进制输出数字输出（HEX）+125C0000 0111 1101 000007D0h+85C0000 0101 0101 00000550h+25.0625C0000 0001 1001 00010191h+10.125C0000 0000 1010 001000A2h+0.5C0000 0000 0000 10000008h0C0000 0000 0000 00000000h-0.5C1111 1111 1111 1000FFF8h-10.125C11
34、11 1111 0101 1110FF5Eh-25.0625C1111 1110 0110 1111FE6Fh-55C1111 1100 1001 0000FC90hDS18B20优点1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。5）温范围55+125
35、，在-10+85时精度为0.5。6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。8）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。图2-4 DS18B20外部电源供电方式2.4.3 温度测量电路图图2-5 温度测量电路图2.5 流量测量电路2.5.1 流量测量原理流量测量的原理大致可分为两类，即直接测量流量的方式和先求流速再通过流速乘以横截面积来求流
36、量等方式。适用于测量液体流量的流量计主要有差压式、容积式、浮子式、涡轮式、涡街式、电磁式、流体震动式、超声波式、质量式、插入式和其它流量计。1)差压式流量计差压式流量计是根据安装在管道中的流量检测元件所产生的差压Ap来测量流量的仪表。它包括节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计等，其中，节流式流量计是一类已系列化和标准化、规格种类繁多、应用极广的流量仪表。其检测元件(节流装置)种类繁多，有的已经标准化，如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、文丘里管等;有的尚未标准化，如锥形入口孔板、1/4圆孔板、偏心孔板、圆缺孔板等。在流量测量领域，差压式流量计的使用量一直居流量仪表的首位。2)容积式流量计容积式流
37、量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知体积，并进行重复不断地充满和排放该体积部分的流体而累加计量出流体总量的流量仪表。它可用来测量液体和气体的流量，是目前流量仪表中测量精度最高的一类仪表之一。根据结构形式，容积式流量计可分为转子型，如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、双转子(螺杆)流量计;刮板型，如凸轮式刮板流量计、凹线式刮板流量计、弹性刮板流量计等;活塞型，如往复活塞流量计、旋转活塞流量计等;其他型，如圆盘式流量计、湿式流量计、模式流量计等。常被用于昂贵介质(如油品、天然气、化工产品等)的总量测量。3)浮子流量计浮子流量计又称为转子流量计、面积流量计，它是一种变面积流量计。它的结构极
38、为简单，由一根向上扩大的垂直锥管和一圆形截面的浮子组成。按锥管材料，浮子流量计可分为玻璃浮子流量计和金属管浮子流量计两大类。金属管浮子流量计又可分为就地指示型和远传型两类，远传型又可分为电远传和气远传两类。浮子流量计是用量仅次于差压式流量计的一类应用广泛的流量仪表，尤其在微小流量测量方面具有举足轻重的作用。浮子流量计与差压式流量计、容积式流量计并列为三类使用量最大的流量仪表。4)涡轮式流量计涡轮式流量计是速度式流量计中应用最广的流量仪表。它是利用管道内一多叶片转子(涡轮)在流体动能作用下旋转的角速度与管内平行流速成正比这一特性而制成的流量计。涡轮的转速可用机械、磁感应、光学方式、电子方式等手段
39、检测得到，目前一般是通过磁感应方式来测量涡轮转速的。在结构上，涡轮流量计一般由传感器和显示仪表两部分组成，也可做成一体式涡轮流量计。其测量精度很高，可与容积式流量计并列，可以说是目前流量计中测量精度较高的流量计。5)电磁流量计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介质的流量计。其测量元件在管外结构简单，不受介质温度、勃度、密度的影响，灵敏度高;可用在测量脏污流、腐蚀流、含纤维流体以及浆液等方面有一系列优良的特性，又无流动压损，是一类可应用于特殊场合又节能的流量仪表。但由于测量管内衬材料和电气绝缘材料的限制，不能用于测量高温介质，并且易受外界电磁干扰的影响。随着技术上的突破，电磁流
40、量计的测量精度已不断提高，应用范围也越来越广。目前电磁流量计的测量精度已可与涡轮流量计并列。是既适合于高精度流量测量，又适合于高精度总量测量的流量仪表。6)流体震动式流量计流体震动式流量计是利用流体流过流量计时某些物理量产生周期变化的频率与管内平均流速成正比的原理制成的流量仪表。即在特定流动条件下，流体一部分动能产生流体振动，振动频率与流体的流速有一定的关系，通过测量频率便可推出流速。根据结构不同，可分成涡街流量计，旋进旋涡流量计和射流流量计三类，其中涡街流量计应用最广。涡街流量计与差压、浮子流量计相比测量精度高，压力损失小，测量范围大，但由于是速度式流量计要求较长的直管段，与同口径的涡轮流量
41、计相比，仪表系数较低，且随口径增大而降低，分辨率也降低。7)超声流量计超声流量计是利用流体对超声波的影响(可以影响超声波的传播速度、频率、或位移等)来测量流量的仪表。根据流体对超声波的影响作用，超声流量计可以分为传播速度差法、多普勒法和射束位移法等几类，其中传播速度差法又可分成时分法、相差法和频差法等几种测量方法，是超声流量计中应用最广的一类流量计。超声波流量计没有压力损失，但由于时间差的数量级很小，因此，为保证测量精度，对电子线路的要求较高，从而仪表的成本相应增加。8)质量流量计质量流量计可分成直接式质量流量计和间接式质量流量计两大类。直接式质量流量计是输出信号直接与通过测量管的质量流量成正
42、比的流量仪表。近几年发展较快的有科里奥利质量流量计、热式质量流量计等。科里奥利质量流量计是通过测量流体流过以一定频率振动的检测管时所受科里奥力的变化来反映质量流量的仪表;热式质量流量计是利用测量加热流体或加热物体被流体冷却的速度与速度之间的关系，或测量加热物体时温度上升一定值所需的能量与流速之间的关系来测量流量的仪表。9)插入式流量计插入式流量计是一类利用测量管道内某一点的流速来推知通过整个管道的流量的流量仪表，主要适用于大型管道的流量测量。根据测量头的原理，可分为插入涡沦、插入涡街、插入电磁、毕托管等点流速型的流量计，还有均速管流量计、插入型热式流量计等也可以归入插入式流量计。 由于流量测量
43、仪表比温度，压力仪表受介质特性的影响要突出的多，比如各流体的粘度、腐蚀性、导电性的不同都对流量测量仪表有不同的要求，因此，要根据科研和生产的具休目的，合理选用原理和仪器。2.5.2 霍尔流量传感器1）霍尔效应 如图所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。 图2-6 霍尔效应和霍尔元件这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反
44、，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。2）霍尔流量传感器霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应原理来直接或间接检测磁性物理量，当他被置于磁场中，且给霍尔元件正极串入负载电阻，同时通入控制电压DC5V，使电流方向与磁场方向正交。这样，当液体通过涡轮开关壳时，推动磁性转子转动，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感线，产生高低脉冲。由于霍尔元件的输出脉冲信号与磁性转子的转速成正比关系，转子的转速又与水流量大小成正比关系，因此通过记录脉冲的频率即可得出水流的速度。 图2-7 霍尔叶轮流量计2.5.3 测量电路与输出特性本设计中需要测量的是管内
45、液体通过的总量即体积。流量传感器选用测量精度高的涡轮式流量计，它是利用管道内一多叶片转子在流体动能作用下旋转的角速度与管内平行流速成正比这一特性而制成的流量计。通过对叶片转速的测量可以计算出瞬时流量的速度。涡轮转速一般通过机械，磁感应等手段。 图2-8 流量测量本设计采用变磁阻式的霍尔流量传感器，叶轮的旋转引起霍尔元件的周期性变化，输出动态周期的脉冲信号，此信号与液体流速成正比，可以利用计数器得到它的累计值，从而通过计算将流量速度值量化为液体的体积。V T图2-9 霍尔流量传感器输出信号脉冲（HZ） 流量（L/min）图2-10 霍尔流量传感器流量与输出脉冲关系霍尔集成传感器是将霍尔元件与放大
46、器集成于单片上所构成的传感器，有线型与开关型两种。本课题选用开关型霍尔元件传感器，霍尔脉冲频率和流量成正比，测量流量运用测量霍尔脉冲频率的方法。用单片机测量信号频率有多种方法，基本方法是在一定时间内，控制计数与门启闭，用计数器对被测信号脉冲进行计数，再把计数值根据启闭与门的定时时间转换成频率显示、测量频率要解决如下三个基本问题:1)控制计数与门启闭的定时;2)对被测信号脉冲计数;3)定时器与计数器工作的同步。2.6 显示电路设计本设计显示部分选用LED数码管，采用动态显示方法。两片74HC595分别实现位选和段选功能。图2-11 显示电路2.7 电源设计设计中各个元器件需要1.8V,3.3V,5V不等电压供给，需要一个多电压输出的电源。电源包括变压，整流，滤波以及稳压电路。其中，在滤波电路有分别接多个稳压电路以达到不同电压输出的目的。图2-12 变压，整流，滤波图2-13 LM317稳压电路LM2576系列的稳压器是单
