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基于PIC单片机的新型流量变送器的设计

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引言

变送器是除有传感的功能之外还有放大整形功能,输出为标准的控制信号的仪器,它是工业生产过程中的重要检测设备,广泛用于工业中压力、差压、流量、液位等工艺参数的检测,是工业自动化控制的基本数据来源。20世纪70年代使用电Ⅱ型变送器,90年代使用电Ⅲ型变送器。到目前为止,大量使用的是智能变送器。经过这么多年的发展,变送器已达到高精度、高可靠性、小型化并且具有完善的自诊断和通信功能。

本文所设计的流量变送器主要实现瞬时流量的显示和对流量的累积积算,并能将瞬时流量结果转换成标准信号420 mA电流,变送器采用PIC单片机控制,集多种功能于一体,对信号进行智能处理,以达到增强变送器功能和简化测量装置结构的目的。

1 设计思路

通过有关参数的输入,完成对各种器件的配接,实现瞬时流量的显示和对流量的累积积算,并可将瞬时流量结果转换成标准420 mA,完成流量变送器功能。设计思路为:

(1)根据需要选择合适的芯片。串行实时时钟芯片DS1302LCD液晶显示芯片LMB162、数模转换芯片TLC 5615DA、铁电存储器芯片FM24C16A等。

(2)硬件电路设计。根据选择的各芯片功能及引脚特性连接电路以符合设计的要求。

(3)软件设计。软件采用了结构化的程序设计,主要是由主程序、液晶显示子程序、实时时钟子程序等几个部分组成。主程序是由初始化程序段、显示程序段、数据处理程序段、数字量输出程序段等组成。

2 PIC16F877A单片机

本测量系统的数学运算并不是很多,整套仪表侧重于降低功耗、提高运行速度,因此,根据系统功能的要求,选用美国Microchip Technology公司生产的PIC16F877A单片机。在众多单片机当中,Microchip Technology公司的8PIC系列单片机,采用精简指令集、哈佛总线(Harvard)结构、一二级流水线取指令方式,具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易学等特点 [1]

PIC16F877A单片机的指令字节为14位,除了具有PIC系列单片机的几乎全部优点外,并且还带有128×8EEPROM数据存储器,另外其程序存储器也与众不同,用FLASH工艺制作的,叫FLASH存储器(又称为快速擦写存储器或闪速存储器)这种存储器可以实现在电路板上快速擦除和写入程序, 是一种适合于经济型在线调试的单片机 [2] 。而且PIC16F877A的运算、处理数据的速度很快,完全能满足本系统的需要。

3 硬件电路设计

系统硬件电路由以下几部分组成:传感器、主机(即主控制器)、液晶显示器和功能设定按钮。传感器负责流量信号的采集,主控制器则接收由以上传感器发出的信号,并进行有效值的转换,然后送到单片机进行处理,通过软件将流体的流量计算出来,将各种结果显示在液晶显示器上,以便于读取数据。

3.1 电源电路

工业现场提供的是24 V电源,而在此次设计中需要用到±5 V和±15 V电源供电。铁电RAM芯片FM24C16以及液晶显示LMB162A芯片都需要用到5 V的电源;而有效值转换AD637芯片则需要15 V的电源 [3] 。因此就有必要通过适当的电路来得到所需要的电源——即先通过一个DC-DC转换芯片得到±15V的电源,然后得到的+15 V再经过7805芯片转换成+5V,而-5V的电源则只需将+5的电压通过ICL7660芯片即可得到。其电源模块电路如图1所示。
流量变送器

3.2 实时时钟电路

此次设计需要对流量测量过程中出现断电或者其他故障情况时的瞬时流量进行保存,特别是要记录出现故障的时间,通过软件编程输入指令来读取数据。因此,根据这些要求DS1302芯片比较符合要求。美国Dallas公司推出的串行接口实时时钟芯片DSl302可对时钟芯片备份电池进行涓流充电。由于该芯片具有体积小、功耗低、接口容易、占用CPU I/O端口少等主要特点,故该芯片可作为实时时钟,广泛应用智能化仪器仪表中 [4] DS1302可以用于数据记录,特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录,能实现数据与出现该数据的时间同时记录,芯片及外围电路如图2所示。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。
流量变送器

3.3 铁电RAM电路

FM24C16是美国Ramtron公司以铁电晶体为材料生产的铁电存储器(FRAM),和一般的EEPROM比较,具有无写延时、超低功耗、无限次写入等超级特性,特别适合在那些对写入时间和次数有较高要求的应用场合,而且其与单片机接口电路简单,应用方便 [5] 。铁电存储器和EEPROM比较起来,主要有以下优点:

(1)FRAM可以以总线速度写入数据,而且在写入后不需要任何延时等待,而EEPROM在写入后一般要510ms的等待数据写入时间。

(2)FRAM有近乎无限次写入寿命。一般EEPROM的寿命在十万到一百万次写入时,新一代的铁电存储器已经达到一亿亿次的写入寿命。

(3)EEPROM的慢速和大电流写入使其需要高出FRAM 2 500倍的能量去写入每个字节。由于FRAM有以上优点,其特别适合于那些对数据采集、写入时间要求很高的场合,而不会出现数据丢失,其可靠的存储能力也让我们可以放心的把一些重要资料存储于其中,其近乎无限次写入的使用寿命,使得它很适合担当重要系统里的暂存记忆体,用来在子系统之间传输各种数据,供各个子系统频繁读写 [6]

3.4 显示电路

显示电路部分使用LMB162A液晶显示芯片,用以显示断电或者故障时瞬时流量的值以及累计流量的计算值。LMBl62A是两行十六字符的字符液晶显示器,与LED数码管相比具有体积小、电路简单、显示字符多、价格便宜的优点。LMBl62APIC的连接如图3所示。
流量变送器

4 软件设计

该系统具有几项功能,即瞬时流量及总流量显示、设定系统时钟、流量数据读取等(通过专用的串口从仪表读取)

1)瞬时流量和总流量显示。传感器发出的信号,经过有效值转换后,送入单片机处理,然后单片机将计算得到的瞬时流量送入液晶显示器显示,在瞬时流量的基础上,每隔一个设定的时间进行累加,得到总流量,同时把这个数据送到液晶显示器显示。

2)设定系统时钟。仪表内部设置了日历时钟,对流量数据每隔几秒钟进行一次存储,便于对使用情况进行监控,即当掉电或者出现故障时能够知道掉电前的流量及掉电的时刻,方便用户了解自己的用量。

3)流量数据读取。流量数据可以直接从液晶显示器上面读取。由于系统设置了外接数据接口(即串口),可方便地实现对系统数据的读取,从而可以实现抄写系统数据的自动化,节省大量的人力。

4.1 主程序

在主程序中,主要完成对中断寄存器、存储器接口、定时器/计数器寄存器和自定义寄存器的初始化。在完成系统初始化之后,进入等待状态,等待定时中断的发生。主程序框图如图4所示。
流量变送器

4.2 液晶显示模块子程序

液晶显示模块子程序流程如图5所示。
流量变送器

液晶显示模块的显示子程序主要完成将显示RAM中的内容送到液晶显示模块中进行显示的功能。显示RAM的首地址放在地址指针寄存器FSR中,要显示的位置置于DDRAM寄存器中。

显示子程序调用写显示代码子程序,将DDRAM寄存器中的内容写入,这样就先确定了内容在液晶显示屏上的位置,然后顺序送入以FSR为首地址的显示RAM中的数据,由COUNT_LCD控制每行显示的数据位数。

4.3 实时时钟子程序

DS1302用于数据记录,特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录,能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。

传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样,没有具体的时间记录,因此,只能记录数据而无法准确记录其出现的时间;若采用单片机计时,一方面需要采用计数器,占用硬件资源,另一方面需要设置中断、查询等,同样耗费单片机的资源,而且,某些测控系统可能不允许 [7] 。但是,如果在系统中采用时钟芯片DS1302,则能很好地解决这个问题。图6DS1302的实时时钟写数据子程序流程图。图7DS1302的实时时钟读数据子程序流程图。
流量变送器

5 结语

本文根据流量检测的特点,设计的流量变送器系统由实时时钟、传感器、液晶显示模块、系统硬件设计、系统软件设计等几个方面组成。在流量变送器显示中引入实时时钟,并将实时时钟和流体的流量结合在一起。在系统硬件设计中,采用了耗电少的PIC16F877A单片机,并结合各部分的微功耗设计,使得系统的耗电非常小。试验表明,所设计的新型流量变送器所显示的瞬时流量和实际计算所得的瞬时流量是相同的,可见系统能实现预定的功能。

参考文献

[1] 蒋淑敏,莫国民,王艳,等 . 基于单片机的小气候信息采集系统便携机设计 [J]. 微型电脑应用,201026(6) 20-22.

[2] 李维諟,郭强.液晶显示应用技术[M].北京:电子工业出版社,2000.

[3] 黄舒.基于PIC单片机的LED点阵手写屏设计[J].世界电子元器件,2010(2)67-69.

[4] 刘星汛,张涛,李维平.靶式流量变送器[J].电子测量技术,2005(5)21-25.

[5] 何一文,许维胜.基于PIC16F877的瓦斯传感器设计[J].测控技术,2009(8)9-12.

[6] 罗清华.使用AD637的真有效值电压表[J].无线电,2002(1) 46-47.

[7] 朱更军,彭永供,项安,等 . 串行 10 D/A 转换器 TLC5615 原理及与 DSP 的接口 [J]. 电子质量,2003(10) 12-13.

 

作者简介:王道河(1984- ),男,硕士研究生,研究方向为智能仪器、图像处理;

王金利(1982- ),男,硕士研究生,研究方向为故障诊断、目标跟踪。

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