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1、学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2012届）题 目 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月基于单片机的多变量检测装置的研究与设计摘 要：现如今，在工业检测领域的流量检测这块，将介质的温度和管道压力纳入检测范围，并把前两者波动对流量检测产生的影响通过特定的算法来进行补偿已经成了一个基本环节。本文以V型流量计的工业应用为背景，针对受温度、压力影响最大的蒸汽介质研究了基于单片机的多变量变送器的流量补偿装置。主要包括前端温度、压力信号采集电路、核心控制电路及显示模块。其中主控制器采用MSP430芯片，完成对采集信号的处理和外围芯片的控制
2、；温度传感器采用DS18B20芯片，完成对环境温度的采集并以数字量输出；压力传感器采用日本松下的D3B集成电路压力采集模块，完成对环境压力的采集并以电压值输出；显示模块采用LCD1602液晶，完成待查看数据的显示。经测试，该系统能完整实现对温度和压力的检测和显示，为以后流量补偿装置的具体实现打下良好的基础。关键词：单片机；多变量检测；流量补偿Research and design of multivariable detecting device that based on microcontrollerAbstract: Nowadays, in the field of industria
3、l inspection and to be a little more precise, in the process of flow amount detection, it is the most basic one to take the medium temperature and pipeline pressure into account.This paper is on the background of industrial applications of the V-type flowmeter, in allusion to steam media which could
4、 be easily affected by temperature and pressure. Hence the multi-variable transmitter that based on single chip is researched. The front-end temperature and pressure signal acquisition circuit, the core control circuit and the display module is included in this design. Among this, the MSP430 chip is
5、 adopted as the main controller to complete the process of signal colleting and the control of peripheral chips; the DS18B20 is adopted as the temperature sensor to collect environmental temperature and to output the digital quantity; The D3B IC pressure acquisition from JAPAN is adopted to collect
6、environmental pressure and to output the voltage values; the LCD1602 module is adopted to complete data display.After testing, the system can complete implementation of the detection and display of temperature and pressure, to lay a good foundation for the concrete realization of the after flow comp
7、ensation device.Key words: Single chip microcomputer; Multivariate detection; Flow compensation摘 要I目 次III1 绪论11.1 课题的背景及研究意义11.2 V型流量计的测量原理11.3 课题的现状及发展趋势21.4本设计的主要内容21.5 本设计的难点及论文的结构安排32 课题设计方案及原理42.1系统的总体方案42.2 单片机的方案比较与选择52.3 温度传感器的选择52.3.1 温度传感器的应用简介52.3.2 温度传感器应用方案选择62.3.3 温度传感器DS18B20的原理及特点72.
8、4 压力传感器的选择82.4.1 压力传感器的应用简介82.4.2 压力传感器及AD转换模块的方案选择82.4.3 压力传感器的原理及特点92.5 显示模块的方案选择103 系统单元电路设计113.1 最小系统的硬件设计113.1.1 MSP430单片机简介113.1.2 MSP430最小系统及扩展I/O原理图123.2 温度采集模块的硬件设计133.2.1 温度传感器DS18B20的硬件设计133.2.2 数据转换模块ADC12结构图133.3 数据显示模块的硬件设计163.3.1 LCD1602引脚功能说明163.3.2 LCD1602液晶的电路图163.4 通讯下载模块电路PL2303H
9、X173.5 电源模块184 系统软件的设计与实现194.1 系统主程序的设计与实现194.2 温度采集模块的软件设计与实现204.2.1 温度采集模块流程图204.2.2 温度采集模块子函数214.3 压力采集模块的软件设计与实现224.3.1 压力采集模块流程图224.3.2 压力采集模块代码235 系统调试245.1 软件开发平台及使用说明245.1.1开发平台IAR的简介及使用245.1.2 MSP430编程方式255.2 硬件模块的调试265.2.1温度传感器的调试265.2.2 AD转换模块的调试265.2.3 MSP430最小系统硬件调试265.3 实物展示266 结论28参 考
10、 文 献29致 谢30附 录 A31- IV -常州大学本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的背景及研究意义各种流动介质的计量问题及流量的精确测量和调节已经成为当前工业测控系统、能源计量管理、环境保护等领域的一个重要内容，用一台变送器同时检测温度、压力、差压等参数，如被测介质是气体、蒸汽，并通过补偿公式得到测量成分不变的工况密度，从而实现气体、蒸汽的质量流量测量。传统的流量计主要是差压式流量计，距今已有百年的历史。经过实际使用和实验的证明，文丘里管流量计等有测量精度低，压差阻力大等缺点。而V型流量计的独特设计，可以使它克服其它差压流量计的一些不足。1.2 V型流量计的测量原理下面简要介绍一
11、下V型流量计的测量原理。图1-1 V型流量计的结构图V型流量计是一种差压式流量计，和其它的差压式流量计一样，都是基于密闭管道中的能量相互转化的伯努利定律。如图1-1所示，它是通过在管线的中心悬挂一个锥形体来节流的。在管道中，理想流体的流速分布为：越靠近管壁处流速越接近零，越靠近管线中心处流速越大，在管线中心处流速达到最大。当流体通过V型流量计的时候，正居中心处的锥体和流体相互作用，使得高速中心和接近管壁处的低速流体流速均匀化，从而产生正确的差压。流体的流量和它经过的V型锥所产生的前后压差的平方根成线性关系。这即是基于封闭管道中能量相互转换的伯努利定理，而且在测量低速流体时更有用。相比较而言，在
12、中心处开孔的差压流量计（比如说孔板流量计），就不可以测量流速过低的流体。差压式流量计由于实际情况的限制，在现实中很难达到理论环境的要求，从而使一般的差压式流量计难以精确测量。实践表明，在比较恶劣的情况下，V型流量计也能够保证测量的精度1。现实中的油气储运灌区油品运输过程中，直径超过十米的储油罐十分常见，小批量的油品运输可以通过过磅来测量油品质量，但在油品的火车装车过程中，过磅显然不现实，这个时候，流量计或者质量计的精度就显得十分重要，温度、压力补偿可以使企业避免由于进厂的物料亏损或者出场物料多付所带来的不应有的经济损失2。一般的差压流量计只能测量工况体积流量，然而在工业生产的配比和品质控制，物
13、料和能量平衡以及贸易储运中往往需要知道的量是质量流量，因此开发多变量变送器具有工业实用价值。本课题设计研究了基于V形内锥式节流装置的多变量变送器，针对工业背景中的蒸汽流量介质的检测，克服了传统节流装置的缺点，将温度传感器、压力传感器用于流量检测，实现多变量测量。1.3 课题的现状及发展趋势当前的流量监测已经是质量流量计主导的时代。广泛应用于国内外的质量流量计的测量方法包括直接式流量测量法和间接式流量检测方法两类3。直接测量法是直接测量和质量流量有函数关系的变量，以算出质量流量。直接式质量流量计中，科里奥利质量流量计是比较好的一种。但是在非液体测量中，比如说蒸汽测量中科里奥利质量流量计并不多见，
14、受其测量原理的影响，在蒸汽测量中的推广受到限制。目前，以国内的油气储运这块为例，比较实用的都是采用间接测量法，即把非质量流量仪表（比如说体积流量计）和温度传感器、压力传感器等结合起来，以实现流体密度变化的补偿。最后把所测的密度和体积流量相乘，得出质量流量的数值。这种思想得到认同的初期，包括现在不少工业现场，都是通过分立的温度、压力检测仪表获得这些变量的信息而非集成化的多变量智能流量计，采集到专门的处理器上分析，进而得出实际油品运输的流量。这种测量方法虽然解决了温度、压力等对流量检测的影响，但也不可避免地有成本高、体积太大占用空间、故障率较高等缺点。因此，开发多变量变送器具有工业使用价值。差压流量变送器是传统差压流量测量的核心。从1997年起，国外一些国家开始推出以差压变送器为基础的多变量变送器。即用一台变送器同时检测温度、压力、差压等信号，并通过补偿公式得到测量组分的工况密度，从而实现对诸如气体的质量流量测量。这种测量技术相当于用一台变送器实现了之前的三台现场变送器的功能，实现了一个差压变送器实现测量、温度补偿、流量积累、液位测量等一系列的功能3。几年
