基于C8051F350單片機的氣體流量計檢測儀硬件設(shè)計

氣體流量計是較為常用的儀表設(shè)備。鐘罩式氣體流量標準裝置是以空氣作為介質(zhì)，對氣體流量計進行檢定、校準和檢測的計量標準裝置。主要適用于速度式、容積式和差壓式等氣體流量計的檢定、校準和型式評價工作，也可用于氣體流量測量的研究工作。本文基于C8051F350單片機，改造現(xiàn)有的鐘罩裝置，設(shè)計一種氣體流量計檢測儀。

氣體流量計檢定技術(shù)概述

目前，氣體流量計的檢定方法廣義上可分為直接測量和間接測量兩種。

直接測量法的是用實際流體進行計量檢定，其具體定義為用標準裝置（標準流量計或計量器具）與被測流量計串聯(lián)，通過比較兩者測得流體的累積流量值，得出被測流量計測量誤差的方法。實流檢測法具有檢定環(huán)境與工況環(huán)境一致、流量值準確可靠和真實反映被測流量計計量特性的特點。實流檢測法又可分為離線實流檢測和在線實流檢測。離線實流檢測主要在實驗室進行，就是將被檢流量計與實驗室的流量標準裝置相串聯(lián)，在實驗室參比條件下測得流量計計量誤差，此方法可保證在實驗室條件下的計量準確，但忽視了其在工況條件下的計量特性。在線實流檢測則是將標準流量計安裝在被測流量計后方的預(yù)留檢定管路上，利用實際流體進行計量，現(xiàn)場在線檢測獲得實際工況誤差。

間接測量法是通過測量與流量值的相關(guān)的幾個物理量，通過對幾個相關(guān)物理量誤差的運算，間接地獲得被測流量計示值誤差的一種方法。

氣體流量計檢測儀原理

鐘罩裝置的工作原理

鐘罩式氣體流量標準裝置是氣體流量標準裝置主要形式之一。在壓力不高（一般小于10kPa）、流量不大的情況下，用它檢定流量計是比較簡便的。該裝置按氣流方向可分為排氣式和進氣式。其特點是：①它適合檢定壓力不高、流量不大的氣體流量計;②排氣式裝置中，流經(jīng)被檢流量計的氣體壓力很低，接近于大氣壓，而且氣體濕度很高，對檢定的結(jié)果造成影響，因此必須有濕度修正;③進氣式裝置需要一個干燥和穩(wěn)定的氣源，保證檢定用氣體的干度符合規(guī)定要求，并保證試驗管段的氣流壓力、溫度和流量恒定，這就使建立進氣式裝置比建立排氣式裝置困難;④由于鐘罩的內(nèi)壓只決定于本身的重力、配重物的重力、液體浮力和補償機構(gòu)的拉力，所以不管是排氣式還是進氣式，內(nèi)壓是不變的。

鐘罩的標準體積是通過測量鐘罩的位移得到的，鐘罩位移的自動測量是該檢測儀（鐘罩裝置）的重要部分。光柵尺是高精度的位移測量元件，在精密儀器、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，將光柵尺用于檢測儀，作為鐘罩量筒的位移傳感元件，能精確對應(yīng)鐘罩的體積量。檢測儀的原理是當鐘罩下降時，鐘罩內(nèi)氣體通過連接管路流經(jīng)被檢流量計，在鐘罩下降同時通過光柵尺將鐘罩下降的高度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，經(jīng)硬件接口電路調(diào)理后傳送給計算機，計算機經(jīng)過補償修正等運算處理，將其轉(zhuǎn)換成氣體標準體積或者體積流量。另外，標定后的檢測儀設(shè)有擋板和光電傳感器，鐘罩兩擋板之間的容積是固定的，擋板先后通過光電傳感器所經(jīng)歷的時間可測得，也可得到排出氣體的標準體積或體積流量。將所測值與被檢流量計指示的體積或流量的比較，就可得到被檢流量計的基本誤差。

流量計算公式

在測量時間t內(nèi)鐘罩排出的氣體體積為VS，則經(jīng)過被校流量計的體積流量

式（1）中，PS、TS 、 ZS分別為鐘罩內(nèi)的絕對壓力（Pa）、熱力學溫度（K）和氣體壓縮系數(shù); Pm、Tm、 Zm分別為流量計前的絕對壓力（Pa）、熱力學溫度（K）和氣體壓縮系數(shù); Vs為鐘罩排出的在PS、 TS 狀態(tài)下的氣體容積（m3）; Vm為鐘罩排出的在Pm、 Tm狀態(tài)下的氣體容積（m3）; t為測量時間（s）。

將 （qv）s與被校流量計的顯示值（qv）m比較，可計算出被校流量計示值相對誤差為：

對于速度式流量計，是通過鐘罩裝置排出的標準體積及被校流量計輸出的脈沖數(shù)來標定流量計的儀表系數(shù)。

氣體流量計檢測儀基本結(jié)構(gòu)

氣體流量計檢測儀以C8051F350單片機為核心，監(jiān)控所有被測量，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣體流量計檢測儀結(jié)構(gòu)圖

為了保證鐘罩內(nèi)的氣溫和液槽內(nèi)的液體溫度之差符合規(guī)定要求，應(yīng)嚴格控制檢測儀的溫度，故設(shè)置了五個采溫點，另增加溫度濕度傳感器，監(jiān)視現(xiàn)場檢定環(huán)境。檢測儀監(jiān)測的所有信號如下：①鐘罩，五路溫度包括罩頂溫度、罩內(nèi)上、中、下溫度、液溫;②被檢流量計，流量計檢定前溫度、壓力、差壓、模擬流量計信號;③環(huán)境，室溫、濕度;④脈沖信號，鐘罩光柵尺、擋板、限位、脈沖式流量計信號。

氣體流量計檢測儀硬件設(shè)計

氣體流量計檢測儀硬件部分由單片機、通訊、閥門控制和電壓轉(zhuǎn)換等電路構(gòu)成，受計算機控制，完成各項檢定指令，并實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和高精度計時等功能。

C8051F350單片機簡介

檢測儀選用C8051F350單片機為控制核心，它是一款高集成度的混合信號片上系統(tǒng)型單片機，集成了PGA、ADC、DAC等豐富的片上資源，而且具有低功耗、高分辨率、小封裝、高性價比等優(yōu)點，是高精準度測量應(yīng)用的理想選擇。單片機信號的輸入與輸出如圖2所示。

C8051F350單片機的功能特性：①70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，這樣在保證系統(tǒng)速度要求時，可以降低系統(tǒng)時鐘頻率，從而降低系統(tǒng)功耗;②PGA可以放大1~128倍，適用于小信號直接測量;③8通道24位ADC，其非線性可達0.0015%，保證系統(tǒng)的高精度;④8kB片內(nèi)FLASH存儲器，保證足夠的代碼空間，可用于傳感器的線性矯正程序，而且可以將其中一個扇區(qū)（512字節(jié)）作為非易失型存儲器使用，存放系統(tǒng)標定參數(shù);⑤高精度可編程的24.5MHz內(nèi)部振蕩器，±2%的精度，可支持無晶體UART操作;⑥768字節(jié)內(nèi)部RAM，可用于存放線性化運算時需要的大量數(shù)據(jù);⑦可編程計數(shù)器/定時器陣列，可實現(xiàn)16位PWM，配合簡單外圍電路可實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換;⑧32腳LQFP封裝，節(jié)省PCB面積，可用于小型化產(chǎn)品;⑨片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試，保證開發(fā)簡便。

C8051F350芯片可外接的振蕩電路有四種，設(shè)計中選擇晶體作為外部振蕩源，為了便于波特率的設(shè)置，圖2中所示Y1取22.1184MHz。C8051F350芯片共有17個數(shù)字I/O端口，其中P2.0/C2D用作JTAG調(diào)試，余下16個端口在硬件連接和交叉開關(guān)配置后，引腳功能如下：P0.0光柵尺輸入脈沖計數(shù);P0.2、P0.3連接外部晶振;P0.4、P0.5串口通訊;P0.6鐘罩擋板、限位信號（INT0中斷）;P0.7流量計脈沖信號（INT1中斷）;P1.0按鍵（上電復(fù)位）;P1.1、P1.2單片機讀擋板和限位信號;P1.4控制CD4053;P1.5~P1.7控制74HC595，P0.1、P1.3空余。

圖2 C8051F350單片機接口圖

檢測儀信號采集

壓力、溫度傳感器和一些氣體流量計輸出的流量信號是電流信號（4mA~20mA）。考慮到ADC輸入范圍，可選用100Ω的精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的0.4V~2V的電壓信號。

C8051F350單片機有8通道24位可編程AD轉(zhuǎn)換器，而檢測儀中待轉(zhuǎn)換的模擬量有16路，為了解決通道不足的問題，可使用雙向模擬開關(guān)CD4053。

設(shè)置ADC使用內(nèi)部參考電壓，經(jīng)過零點校準和斜率校準，使ADC在輸入4mA時輸出為初始值，輸入20mA時為滿量程值。讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的高16位送給計算機，計算機再根據(jù)每個變送器提供的線形內(nèi)插表算出對應(yīng)的數(shù)值。

氣體流量計信號調(diào)整電路

氣體流量計信號以脈沖方式輸出，輸出的一部分是標準脈沖信號（TTL電平），還有一部分是在3V~30V之間的高電平信號。因此，利用比較器設(shè)計一個輸入脈沖調(diào)整電路來簡化電路，調(diào)整電路可識別這兩部分脈沖信號，并將高電平的信號轉(zhuǎn)化為TTL電平。流量計信號調(diào)整電路如圖3，f2為流量脈沖的輸入。設(shè)置參考電壓V2，當輸入低于參考電壓時，輸出GND=0V;當輸入電壓高于參考電壓時，比較器輸出電壓Vcc=5V。比較器輸出的信號，經(jīng)過光電隔離和功率放大，輸入到單片機P0.7引腳。

圖3 流量計信號調(diào)整電路圖

多路電磁閥控制電路

依據(jù)檢定規(guī)程和流量計量程，檢定時需設(shè)定多個檢定流量點。在0.5m3/h~128m3/h之間取10個流量檢定點，對應(yīng)10只電磁閥來控制流量，定標時手動輸入所需流量值，計算機根據(jù)電磁閥對應(yīng)的流量值，自動打開相應(yīng)電磁閥或電磁閥組合。

檢測儀通過C8051F350單片機執(zhí)行電磁閥的開閉動作、控制鼓風機，為了盡量少占用單片機的I/O口，引入74HC595芯片，如圖4所示，設(shè)計串行口多路氣閥控制電路。74HC595內(nèi)含8位串入、串/并出移位寄存器和8位三態(tài)輸出鎖存器。將第一個74HC595的Q7與第二個的SER相接，單片機只需控制第一個74HC595的SER、 SRCLK和RCLK三個引腳，就可使多路氣閥和風機等的開閉得到控制。

圖4 多路氣閥控制電路圖

氣體流量計檢測儀軟件設(shè)計

氣體流量計檢測儀軟件設(shè)計采用Delphi編程技術(shù)，處理下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，得出檢定結(jié)果，并將檢定數(shù)據(jù)保存在SQL SERVER數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。檢測儀系統(tǒng)的控制器部分負責采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令，而在計算機上完成檢定界面的設(shè)計、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和數(shù)據(jù)的處理。

控制器部分軟件設(shè)計

如圖5所示，控制器部分軟件設(shè)計包括A/D采樣模塊、通訊模塊、定時模塊和計數(shù)模塊設(shè)計。

圖5 控制器程序流程圖

（1）計數(shù)與計時

氣體流量計檢測儀采用中斷方式對鐘罩擋板脈沖、流量計輸出脈沖和光柵尺脈沖進行計數(shù)。同時，檢測儀要對標準時間計時，并且要產(chǎn)生1s中斷，以及在通訊時產(chǎn)生波特率。C8051F350單片機可滿足計數(shù)與計時要求，它擁有一個可編程計數(shù)器陣列（PCA），將PCA設(shè)置為對輸入脈沖計數(shù)，大部分情況下只需控制其啟動和停止，然后讀出計數(shù)值。T0用于被檢流量計脈沖信號計數(shù);T1為串口通訊波特率發(fā)生器;T2用于標準時間計時和1s定時。

（2）通訊

C8051F350單片機與計算機通訊采用RS-232C串口，設(shè)定波特率115200bps。實際通訊時，計算機發(fā)出的有效指令編為一組代碼，單片機在執(zhí)行命令后，返回的數(shù)據(jù)中包含與此次操作對應(yīng)的另一組代碼。這樣，上位機與單片機程序可同時編寫，寫好后可以像拼圖一樣組合使用;而且數(shù)據(jù)格式被約定了，在上位機修改數(shù)據(jù)格式的代碼就可改變命令。

（3）檢定方式

由檢定人員將相關(guān)檢定參數(shù)設(shè)定在計算機上，通過串口發(fā)送給單片機，檢定流程如圖6所示。首先將鐘罩提升至指定位置，在設(shè)定檢定方式和參數(shù)后開始檢定。已實現(xiàn)的檢定方式有：①鐘罩定容方式：主要檢定脈沖量輸出流量計，標定流量計儀表系數(shù);②流量計定容方式：主要檢定標準流量脈沖信號輸出流量計，采用流量比對方式，標定流量計相對誤差;③模擬量檢定方式：類似于方式①，采用擋板定容，由起始和終止擋板數(shù)控制流量計模擬量的采集并進行A/D轉(zhuǎn)換，1s采樣1次;④手動方式：類似于方式②，主要檢定人工讀數(shù)的流量計，由檢定人員控制計時和光柵尺脈沖計數(shù)的起始與結(jié)束。

在檢定各種流量計的過程中，單片機每隔1s采集壓力、溫度等傳感器數(shù)據(jù)，同時讀取鐘罩位移對應(yīng)的光柵尺脈沖數(shù)和鐘罩經(jīng)過的檔板個數(shù)，流量計輸出脈沖數(shù)等數(shù)據(jù)，發(fā)送至計算機進行顯示和流量值補償計算。當鐘罩降至底部時，停滯3s，再由計算機發(fā)送升鐘罩指令，提升鐘罩以便進行下一次檢定。

計算機部分軟件設(shè)計

計算機主要用于設(shè)置流量計檢定參數(shù)及分析計算檢定誤差和管理數(shù)據(jù)。

（1）計算機功能模塊

檢測儀采用Delphi程序設(shè)計開發(fā)用戶界面，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理檢定數(shù)據(jù)，計算機各功能模塊包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)修改、檢定報表打印和檢定人員管理模塊。

（2）計算機數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理方式因檢定方式的不同而異，以檢定方式①為例，按以下公式計算流量計儀表系數(shù)和誤差，首先確定每個流量檢定點的儀表系數(shù)ki。

式中ki為第i流量檢定點的儀表系數(shù)，m-3; Nij為第i流量檢定點第j次檢定被檢流量計的累計脈沖數(shù); Vij為第i流量檢定點第j次檢定鐘罩的體積量，即不同檢定點鐘罩的定容體積量，在檢定前輸入，m3; PS和Tm為檢定時間內(nèi)鐘罩處和流量計的平均絕對壓力，Pa;TS和Tm為鐘罩處和流量計的平均溫度值，℃?？捎嬎懔髁坑嫷膬x表系數(shù)k為：

流量計的線性度為

（5）

進而可以得出流量計的基本誤差為：

式中為鐘罩裝置的系統(tǒng)誤差，經(jīng)計量部門檢定合格后確定。

軟件的設(shè)置

（1）設(shè)置權(quán)限

登錄軟件的人員分不同權(quán)限，最高權(quán)限為具有所有權(quán)限的系統(tǒng)管理員，可以通過管理員生成不同權(quán)限的操作員和調(diào)試員或其他自定義人員。操作員權(quán)限為檢測儀表、調(diào)用檢測記錄等，其權(quán)限由系統(tǒng)管理員指定;調(diào)試員權(quán)限為修改軟件內(nèi)部設(shè)置、設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。

（2）設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)

完成組建系統(tǒng)后，必須設(shè)置一些相應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)以保證檢測儀正常工作和儀器較高的檢測精度，包括：

①鐘罩儀表系數(shù)：表示旋轉(zhuǎn)編碼器所發(fā)出的脈沖中每單個脈沖代表鐘罩排出氣體的體積。它是鐘罩固定參數(shù)，每年需校準一次。在檢測軟件中必須設(shè)置該系數(shù)，否則無法檢測被測流量計。

②流量計儀表系數(shù)：表示流量計所發(fā)出脈沖中每單個脈沖代表流過流量計氣體的體積，單位為升每個脈沖（L/N）。它在檢測之前輸入，也必須設(shè)置，可設(shè)置為流量計固定參數(shù)或可變參數(shù)。

③標況方的條件：它是氣體的標準狀態(tài)條件，即大氣壓力為101.325kPa、溫度為293.15K（20℃）。

④鐘罩提升到指定高度后的穩(wěn)定時間：鐘罩提升后，在短時間內(nèi)經(jīng)歷上升、停止過程會產(chǎn)生顫動，通過設(shè)置穩(wěn)定時間使鐘罩穩(wěn)定下來，以減小系統(tǒng)誤差。該參數(shù)設(shè)置越大，鐘罩顫動越小，檢測效果越好，但也會降低檢測效率。

⑤鐘罩檢測下降開始階段穩(wěn)定脈沖數(shù)：鐘罩下降階段經(jīng)歷靜止、下降過程，在下降開始階段會產(chǎn)生顫動，通過設(shè)置鐘罩下降開始階段脈沖不計量，使鐘罩在這段不計量的過程中減小顫動，減小系統(tǒng)誤差。該參數(shù)設(shè)置越大，鐘罩顫動越小，檢測效果越好，但也會降低檢測效率。

⑥檢測完畢后下降脈沖個數(shù)：鐘罩在當次檢測完畢后，不能馬上停止鐘罩下降，必須先停止脈沖計數(shù)，再停止鐘罩。設(shè)置此參數(shù)，是為了滿足先停止脈沖計數(shù)，再停止鐘罩。該參數(shù)設(shè)置不應(yīng)太大，保證檢測停止與鐘罩止降時間錯開即可。

3）設(shè)置檢定證書格式

包括設(shè)置紙張大小、字體大小、正文位置等。

結(jié)束語

氣體流量計在生產(chǎn)和生活中經(jīng)常被用到，其準確性與整個生產(chǎn)和生活安全密切相關(guān)。面對日益增長的流量計檢定測試需求，提高檢測儀器的工作效率和準確度等級顯得十分重要。本文采用C8051F350單片機為控制核心，改進鐘罩裝置，加裝精密光柵尺作為鐘罩位移傳感元件，并增設(shè)多路傳感器，設(shè)計出氣體流量計檢測儀。該檢測儀通過單片機數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)控制，提高了采集數(shù)據(jù)的可靠性和準確性;檢測儀組成簡單，維護方便;在檢定過程中，完全由檢測儀控制檢測過程和計算檢定結(jié)果，提高了檢測精度，具有普遍適用性。