采用 microchip 公司的 pic18f4580 芯片設(shè)計(jì)的熱式氣體流量傳感器儀表 , 包括了 4580 應(yīng)用單元 , 信號(hào)采集 , 串口通信 , 電源 , 熱敏 P t 探頭等單元。隨著氣體流量的增加 , 帶走熱敏探頭表面的熱量也會(huì)增加 , 為維持系統(tǒng)平衡 , 啟動(dòng)加熱電路對(duì)熱敏探頭加熱 ; 氣體流量越大 , 加熱電流也會(huì)越大 , 采集到的信號(hào)量也越大。該儀表還可以通過(guò)串口與上位機(jī)通信 , 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作 , 具有良好的市場(chǎng)前景。

1 .引言

隨著社會(huì)的發(fā)展 , 氣體流量計(jì)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)工程、管道運(yùn)輸、生物技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域 。是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) , 節(jié)約能源 , 改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量 , 提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具 , 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。

2 .總體方案

熱式氣體流量計(jì)采用 microchip 公司的 18 系列PIC18F4580 作為處理核心, 構(gòu)建 PIC18F4580 應(yīng)用電路 ,信號(hào)采集電路 , 儀表盤(pán)顯示電路 ,485 通信電路 , 電源電路 ,PWM 輸出電路 , 調(diào)試仿真接口。如圖 1 系統(tǒng)框圖所示。

系統(tǒng)上電后 , 先由處理器復(fù)位并進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件初始化 , 顯示初始化。儀表設(shè)置有 2 個(gè)獨(dú)立按鍵 , 通過(guò)按鍵控制儀表頭顯示的內(nèi)容及控制系統(tǒng)復(fù)位。同時(shí) , 系統(tǒng)也可以通過(guò) 485 通道同上位機(jī)通過(guò)通訊協(xié)議進(jìn)行標(biāo)定及顯示內(nèi)容的切換 , 或通過(guò)系統(tǒng)的 PWM 輸出實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示與監(jiān)控。

3.硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè) P t 熱敏電阻 , 分別作為流量傳感器和溫度傳感器。信號(hào)采集是利用由 2 個(gè)熱敏電阻和2 個(gè)精密電阻組成的惠斯通電橋 , 電壓放大電路 , 負(fù)反饋電路構(gòu)成的信號(hào)產(chǎn)生模塊 , 實(shí)現(xiàn)對(duì)流量大小的檢測(cè)。由于流量計(jì)設(shè)計(jì)為恒壓差式流量計(jì) , 即在任何時(shí)候 , 流量傳感器的溫度都比此時(shí)的速度傳感器溫度高 100℃ ;當(dāng)氣體流速為零時(shí) , 能夠采集到一個(gè)零點(diǎn)電壓 , 每量對(duì)應(yīng)一定的采集電壓值 , 通過(guò)此種方式對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定并存儲(chǔ)在 PIC18F4580 的內(nèi)部 EEPROM 中 , 在系統(tǒng)上電復(fù)位后 , 將數(shù)據(jù)讀出 , 以便后續(xù)測(cè)量流量使用。

通訊模塊采用 R S -485 通訊協(xié)議 , 通過(guò)處理器RX、TX 引腳與 LBC184 相連 , 引出兩根 485 總線(xiàn) , 與上位機(jī)通訊。R S -485 標(biāo)準(zhǔn) 采用差分信號(hào)傳輸 , 能有效消除共模干擾 , 且傳輸距離可達(dá) 1200m , 抗干擾能力較強(qiáng) , 能進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸 , 廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域。

人機(jī)接口電路包括 2 個(gè)獨(dú)立按鍵和 1 個(gè) 12864 模塊組成的顯示屏。其中 R E3、R B0 分別接一個(gè)獨(dú)立按鍵 ,實(shí)現(xiàn)復(fù)位和顯示內(nèi)容的切換等功能 , 其中 RE3 引腳連接的按鍵為手動(dòng)復(fù)位 , R B0 按鍵的引腳設(shè)置為中斷模式。

12864 顯示模塊通過(guò) 5 個(gè)端口與微處理器相連 , 以便及時(shí)更新系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容。

4.軟件設(shè)計(jì)

熱式氣體流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要是指微處理器P I C18F4580 程序的編寫(xiě)及上位機(jī)通訊軟件的設(shè)計(jì) , 軟件運(yùn)行的目標(biāo)是通過(guò) R S -485 與流量計(jì)通訊 , 先對(duì)流量計(jì)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定 , 使流量計(jì)能正常工作 , 同時(shí)方便遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

4.1  主程序

主程序流程圖如圖 3 所示 , 系統(tǒng)初始化包含時(shí)鐘初始化 ,GPIO 配置 , 中斷配置 , 顯示初始化 ,EEPROM初始化。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后 , 每 1 秒中都會(huì)對(duì)相應(yīng)的采樣點(diǎn)進(jìn)行分析 , 計(jì)算當(dāng)前流量 , 并在 12864 顯示屏上顯示當(dāng)前流量。

4.2  中斷程序

中斷程序包括串口中斷 , 定時(shí)器中斷及按鍵中斷 他們的優(yōu)先級(jí)配置如表 1 所示 , 串口中斷用于傳感器與上位機(jī)通訊 , 標(biāo)定 , 遠(yuǎn)程監(jiān)控 ; 獨(dú)立按鍵中斷可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行顯示內(nèi)容的切換 ; 定時(shí)器中斷主要應(yīng)用與信號(hào)的采集 ,12864 屏幕顯示的控制。

5.系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)上電后 , 用 PICkit3-STD 仿真調(diào)試器對(duì)主控芯片進(jìn)行在線(xiàn)編程與調(diào)試 , 調(diào)試完畢 , 切換燒錄模式 ,將程序燒進(jìn)主控芯片。通過(guò)標(biāo)定儀器對(duì)熱式流量計(jì)進(jìn)行流量標(biāo)定。將各部件組裝過(guò)后 , 及形成如圖 4 所示熱式流量計(jì)。流量計(jì)主要有探頭和儀表盤(pán)組成。測(cè)量管道氣體流量時(shí) , 將探頭安裝在合適的法蘭盤(pán)上 , 探頭插入管道中 , 調(diào)節(jié)探頭深度使探頭位于管道中心 , 管道測(cè)量直徑為 80~2000m m。儀表顯示屏顯示當(dāng)前流量或總質(zhì)量 ,可以通過(guò)上位機(jī)切換顯示 , 如圖 5 所示。

6.結(jié)束語(yǔ)

基于 PIC18F4580 作為系統(tǒng)的主控芯片 , 芯片內(nèi)部自帶 256k 的 EEPROM 空間 , 可用于存儲(chǔ)掉電時(shí)需要存儲(chǔ)的總量 , 標(biāo)定電壓、流量等數(shù)據(jù) ; 芯片內(nèi)部有 8 路 10位的 A/D 轉(zhuǎn)換通道 , 可以用來(lái)采集所需的流量信號(hào) ,從而減少外圍元器件的設(shè)計(jì) , 且精度可達(dá) 5mv。實(shí)際驗(yàn)證表明 , 基于 PIC18F4580 設(shè)計(jì)的熱式流量計(jì) , 具有較高的測(cè)量精度 , 使測(cè)量誤差控制在 1% 以?xún)?nèi) , 具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性 , 同時(shí) , 預(yù)留有遠(yuǎn)程監(jiān)控接口 , 方便對(duì)管道內(nèi)的工作情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和顯示。