流量积算仪的设计理论和介绍

一、测量原理
本文中介绍了一个用单片机设计的 流量积算仪 ，它能适用于各种介质，如气体、液体等，可测量热量，水冷，水热，所以又叫热量流量积算仪，水热/水冷流量积算仪，并能在全流程范围内进行非线性调节，用各种介质的标准仪表对该流量计进行检定后，即可使之成为该介质的流量计。
流量计由流量传感器和流量积算仪两部分组成，流量传感器由旋涡发生体、传感器探头和产生输出信号的相关电子电路组成。
当以一定流速流动介质遇到流量传感器的旋涡发生体时，旋涡产生的频率与流速成正比，因此与管道内的流量成正比，因此我们用单片机设计的流量积算仪，根据传感器送来的频率信号，进行累计，显示，并将累计流量和瞬时流量通过串行口通讯送到计算机中进行处理，如形成报表等。
为使用仪表更加准确，我们可以通软件的方法使仪表非常**，基本上可达到0.05%左右。首先在仪表出厂前，非用标准设置对该流量计进行检定后，即可记录在全流程范围内的若干段中，每段内单个频率的每秒流量系数。然后通过四个键的键盘设置流量参数，由单片机程序将系统全程的频率对应的每秒流量计算出来后，写入单片机的24C16中。
正常测量时，根据不同的频率取出24C16中的相应每秒流量，送到单片机中经运算，得到当时的瞬时流量(米3/小时)，并进行累计。
二、硬件电路原理
附图一：
1、硬件中的核心是ATMEL生产的AT89C51/LV51单片机，它是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。
2、存储流量和参数，用的存储器是ATMEL生产的AT24C16系列，它是一种带有闪2K字节的可电擦除、可编程的只读存储器。通过单片机的P0.0和P0.1口与它的SDA和SCL分别相连，进行读写操作。
3、一秒硬件复位电路，使用MC14060(十四位二进制计数器)、二个74HC132(两输入与非门)和二个双JK触发器CD4027，在CD4027的15脚形成一秒宽的时钟脉冲。
4、CD4027的15脚接到RESET端，使单片机定时复位。单片机采用省电模式工作，每次输入、累计、显示处理后等待唤醒，这样工作功耗非常小。设置补偿系数时，复位脚正常连接。
5、流量传感器的输入脉冲通过74HC393锁存(双四位二进制计数器)后，送入单片机的P2口。输入信号：脉冲信号(0~255)HZ
6、在单片机内经过程序处理后，输出显示信号送到P1口(数据4位，选择信号4位)。连到12针的插座上。
附图二：
1、输出显示信号送到P1口(数据4位，选择信号4位)连到12针插座，其中数据4位(高四位)送入MC14543(BCD--锁存/7段译码/驱动动器)中，共有12个MC14543，分别控制着与累计流量8位及瞬时流量4位相连的液晶块的显示数据。数据中另外4位选择信号(ABCD)直接送到CD4514译码器(4位锁存/4-16线译码器)，通过两个MC14174B(带清0端的6D触发器)，浮动显示的小数点位。
2、累积流量和瞬时流量的显示使用两个液晶块：EDS806A 960827/DR(8位)、EDS805A 971218/DR(4位)
a、 累积流量显示：八位浮点式，开始显示小数点后五位：0.00000m3，*后显示小数点后三位：0000.000m3。
b、 瞬时流量显示：显示为小数点后两位：00.00 m3。
三、总框图及主程序
程序根据开关的设置分三大部分：①正常使用即测量部分②测量输入频率部分③设置调整系数部分。
主程序如下：
ORG  0000H
LJMP  L001E
ORG  0003H
LJMP  L05E6
ORG  0023H
LJMP  server
MOV  C,P0.7
NOP
JC L001E
LJMP L052C ;
L001E: MOV  C, P0.7 ；IC40开关1(ON)，3(ON)，写系数
NOP  
JC   L002C ；IC40开关2(ON)，4(ON)，测流量
L0029: LJMP  L037A ；IC40开关2(ON)，4(OFF)，测频率
L002C: LCALL L003B ；初始化
LCALL L01D2 ；输入频率
LCALL L01B7H ；流量进行累计
LCALL L0085 ；显示
ORL  87H, #02H
L003B: MOV  R0, #60H ；60H~6FH清0
MOV  B, #10H
LCALL L005B
MOV  C, P3.3
JC   L005A
MOV  R0, #40H ；40H~6FH清0
MOV  B, #10H
LCALL L005B
MOV  R0, #50H ；50H~6FH清0
MOV  B, #10H
LCALL L005B
L005A: RET  
L005B: MOV  @R0, #00H
INC  R0
DJNZ  B, L005B
RET  
ORG  0037EH
L037E: NOP  
JNB  P0.7, L0385
LJMP  L052C ;写系数
L0385: MOV  38H, #00H ；以下是测频率
MOV  39H, #00H
MOV  3AH, #00H
MOV  3BH, #00H
MOV  3CH, #00H
MOV  3DH, #00H
MOV  3EH, #00H
MOV  3FH, #00H
L03A1: CLR  C
MOV  2EH, #00H
MOV  2FH, #00H
ACALL L046E
MOV  A, R0
NOP  
MOV  B, #64H
DIV  AB
MOV  32H, A
MOV  A, B
MOV  B, #0AH
DIV  AB
MOV  31H, A
MOV  30H, B
MOV  33H, #00H
MOV  34H, #00H
MOV  35H, #00H
MOV  36H, #00H
MOV  37H, #00H
ACALL L0411
ACALL L03EF
MOV  C, P3.3
JC   L03EC
MOV  38H, #00H
MOV  39H, #00H
MOV  3AH, #00H
MOV  3BH, #00H
MOV  3CH, #00H
MOV  3DH, #00H
MOV  3EH, #00H
MOV  3FH, #00H
L03EC: ORL  87H, #02H
L03EF: ORL  P1, #0FFH
MOV  B, #0EH
CLR  A
MOV  DPTR, #0359H ；显示数据
L03F9: MOVC  A, @A+DPTR
MOV  R0, A
MOV  A, @R0
ORL  A, #0F0H
ANL  P1, A
CLR  A
INC  DPTR
MOVC  A, @A+DPTR
ANL  P1, A
ORL  P1, #0F0H
ORL  P1, #0FFH
CLR  A
INC  DPTR
DJNZ  B, L03F9
RET  
L0411: MOV  R0, #30H
MOV  R1, #38H
MOV  B, #08H
CLR  C
L0419: MOV  A, @R1
ADDC  A, @R0
DA   A
MOV  C, ACC.4
CLR  ACC.4
MOV  @R1, A
INC  R0
INC  R1
DJNZ  B, L0419
RET  
ORG 0359
DB 4BH,0DFH,4AH,0CFH,49H,9FH,49H,8FH,47H,7FH,46H,6FH,45H,5FH,44H,4FH
DB 43H,3FH,38H,2FH,37H,1FH,36H,0FH,2FH,0AFH,2DH,0BFH
ORG 000BH
LJMP L05E6
ORG 052CH
L052C: MOV  SP, #38H
MOV  IE, #88H
MOV  PSW, #00H
MOV  TMOD, #15H
MOV  TL0, #00H
MOV  TH0, #00H
MOV  TL1, #00H
MOV  TH1, #00H
SETB  TCON.TR0
SETB  TCON.TR1
SETB  P3.1
MOV  P3, #0FFH
L0552: LCALL L0BD3 ；键盘输入
L0579: CJNE  A, #0FBH, L0552
LCALL L0814 ；写系数
RET  
ORG 05E6H ；定时显示
L05E6: PUSH  ACC
PUSH  PSW
MOV  PSW, #08H
MOV  TL1, #00H
MOV  TH1, #00H
CLR  A
MOV  78H, A
SETB  01H
MOV  R0, #25H
MOV  R1, #00H
MOV  R7, #0CH
L05FE: MOV  A, #00H
ORL  A, #0F0H
ANL  P1, A
ANL  P1, A
CLR  A
MOV  A, #0BFH
ANL  P1, A
ORL  P1, #0F0H
ORL  P1, #0FFH
MOV  A, #00H
ORL  A, #0F0H
ANL  P1, A
ANL  P1, A
CLR  A
MOV  A, #0AFH
ANL  P1, A
ORL  P1, #0F0H
ORL  P1, #0FFH
MOV  A, R0
CJNE  A, 00H, L0635
JNB  0AH, L0635
CPL  0BH
JNB  0BH, L0635
MOV  A, #0FH
LJMP  L0636
L0635: MOV  A, @R0
L0636: ANL  A, #0FH
SWAP  A
ORL  A, R1
SWAP  A
MOV  P1, A
ORL  A, #0F0H
MOV  P1, A
INC  R0
INC  R1
CJNE  R1, #0AH, L0648
INC  R1
INC  R1
L0648: DJNZ  R7, L05FE
POP  PSW
POP  ACC
RETI 
四、接口及外设驱动程序
1、输入部分程序：
L01D2: MOV  R0, P2 ；读入P2中的频率信号
CLR  P3.7
NOP  
NOP  
NOP  
SETB  P3.7
NOP  
NOP  
NOP  
MOV  R1, #70H ；读出的数据存入位置
MOV  R6, #0A0H ；27C16中的设备地址
MOV  R7, #08H
L01E4: LCALL L0223 ；根据相应的频率从27C16中读取每秒流量参数
MOV  @R1, A
INC  R1
MOV  A, R6
ADD  A, #02H ；
MOV  R6, A
DJNZ  R7, L01E4 ；读8位参数
PUSH  00H
MOV  R1, #70H
MOV  R0, #28H
MOV  R3, #08H
L01F7: MOV  A, @R1
MOV  @R0, A
DEC  R0
INC  R1
DJNZ  R3, L01F7 ；将70H中的数据送入20H~27H中
MOV  R0, #20H ；将20H~27H中的数据送到60H~67H中。
MOV  R1, #67H
MOV  R3, #08H
L0203: MOV  A, @R0
MOV  @R1, A
INC  R0
INC  R1
DJNZ  R3, L0203
MOV  60H, #36H ；将60H中的每秒流量换算成米3/小时
MOV  R0, #20H
MOV  R1, #60H
MOV  R3, #07H
LCALL L02FC
MOV  R0, #20H ；将瞬时流量换算成十进制BCD送入到30H~3FH中
MOV  R1, #3FH
MOV  R2, #08H
LCALL L034A
POP  00H
RET   
计算累计流量送入50H中，程序如下
L01B7: mov R0, #67H ；将60H~67H中的瞬时流量二进制值累加到50H~57H
MOV  R1, #57H
MOV  B, #08H
CLR  C
L01BF: MOV  A, @R1
ADDC  A, @R0
DA   A
MOV  @R1, A
DEC  R0
DEC  R1
DJNZ  B, L01BF
MOV  R0, #50H ；将50H~57H中的二进制换算成十进制BCD码
MOV  R1, #4FH ；送到40H~47H中
MOV  R2, #08H
LCALL L034A
RET  
2、显示部分：
程序如下：
L0085: ORL  P1, #0FFH ；P1口置1，4FH~40H中是要显示的数据(高~低)
MOV  A, 4FH ；*高位是否为0
NOP  
NOP  
MOV  A, 4FH
ANL  A, #0ffH
JZ   L009E ；为0转移
MOV  DPTR, #0F10H ；**段显示数据(此时数据为*大)
MOV  2FH, #0a0h ；送小数点数据到2FH中
LJMP  L00DD
L009E: MOV  A, 4EH ；次高位是否为0
NOP  
NOP  
MOV  A, 4EH
ANL  A, #0FFH
JZ   L00B1 ；为0转移
MOV  DPTR, #0F20H ；**段显示数据
MOV  2FH, #21H ；送小数点数据到2FH中
LJMP  L00DD
L00B1: MOV  A, 4DH
NOP  
NOP  
MOV  A, 4DH
ANL  A, #0FFH
JZ   L00C4 ；为0转移
MOV  DPTR, #0F30H ；第三段显示数据
MOV  2FH, #22H ；送小数点数据到2FH中
LJMP  L00DD
L00C4: MOV  A, 4CH
NOP  
NOP  
MOV  A, 4CH
ANL  A, #0FFH
JZ   L00D7 ；为0转移
MOV  DPTR, #0F40H ；第四段显示数据
MOV  2FH, #24H ；送小数点数据到2FH中
LJMP  L00DD
L00D7: MOV  DPTR, #0F50H ；第五段显示数据
MOV  2FH, #28H ；送小数点数据到2FH中
L00DD: MOV  B, #0DH ；显示数据中的数据个数
MOV  A, 2FH
ANL  A, #0FH
MOV  2DH, A
MOV  A, 2FH
ANL  A, #0F0H
SWAP  A
MOV  2FH, A
CLR  A
L00EE: MOVC  A, @A+DPTR ；取相应段的数据进行显示
MOV  R0, A
MOV  A, @R0
ORL  A, #0F0H
ANL  P1, A
NOP  
NOP  
NOP  
NOP  
NOP  
ANL  p1,a
CLR  A
INC  DPTR
MOVC  A, @A+DPTR
ANL  P1, A
NOP
NOP  
NOP
NOP  
ANL  P1, A
ORL  P1, #0F0H
ORL  P1, #0FFH
CLR  A
INC  DPTR
DJNZ  B, L00EE
END  
ORG 0F10H ；以下为显示数据，浮动五位。
DB 4FH,0DFH,4EH,0CFH,4DH,9FH,4CH,8FH,4BH,7FH,4AH,6FH,49H,5FH,48H,4FH
DB 47H,3FH,38H,2FH,37H,1FH,36H,0FH,2FH,0AFH,2DH,0BFH
ORG 0F20 H
DB 4EH,0DFH,4DH,0CFH,4CH,9FH,4BH,8FH,4AH,7FH,49H,6FH,48H,5FH,47H,4FH
DB 46H,3FH,38H,2FH,37H,1FH,36H,0FH,2FH,0AFH,2DH,0BFH
ORG 0F30 H
DB 4DH,0DFH,4CH,0CFH,4BH,9FH,4AH,8FH,49H,7FH,48H,6FH,47H,5FH,46H,4FH
DB 45H,3FH,38H,2FH,37H,1FH,36H,0FH,2FH,0AFH,2DH,0BFH
ORG 0F40 H
DB 4CH,0DFH,4BH,0CFH,4AH,9FH,49H,8FH,48H,7FH,47H,6FH,46H,5FH,45H,4FH
DB 44H,3FH,38H,2FH,37H,1FH,36H,0FH,2FH,0AFH,2DH,0BFH
ORG 0F50 H
DB 4BH,0DFH,4AH,0CFH,49H,9FH,49H,8FH,47H,7FH,46H,6FH,45H,5FH,44H,4FH
DB 43H,3FH,38H,2FH,37H,1FH,36H,0FH,2FH,0AFH,2DH,0BFH
3、键盘部分：
L0BD3: SETB P3.2
SETB  P3.3
SETB p3.4
SETB  P3.5
MOV  A, P3
ORL  A, #0D7H
CJNE  A, #0FFH, L0BF0
MOV  R6, #10H
ACALL L0BFE
MOV  A, P3
ORL  A, #0D7H
CJNE  A, #0FFH, L0BD3
CLR  A
CLR  07H
SJMP  L0BFD
L0BF0: MOV  R6, #10H
ACALL L0BFE
MOV  A, P3
ORL  A, #0D7H
CJNE  A, #0FFH, L0BFD
SJMP  L0BD3
L0BFD: RET  
L0BFE: NOP  
LCALL L07D3 ；延时程序
DJNZ  R6, L0BFE
RET  
4、通讯程序：
采用中断方式传送数据给计算机。
ORG 0023H
server:   push acc
push 00h
push 01h
push 02h ;保护断点
JBC TI,server1 ;中断程序将累计流量传给算机
RETI
Server1: mov R1,#50h
Mov R0,#08h
mov a,@r1
MOV SBUF, A  ;传送一个位
Djnz R0,server1
JB P,ERROR   ;偶校验
ANL A,#7FH   ;去掉校验位
Server2: mov R1,#60h ; 中断程序将瞬时流量传给算机
Mov R0,#08h
mov a,@r1
MOV SBUF, A  ;传送一个位
Djnz R0,server1
JB P,ERROR   ;偶校验
ANL A,#7FH   ;去掉校验位
ERROR:     pop acc ；恢复断点
pop 02h
pop 01h
pop 00h
RETI
四、结束语
流量计 的抗干扰能力强，在流量全范围内可非线性调整、内部无可调件、使用维护简单等优点，可以用来测量、变送及现场显示封闭工业管道中液体、气体和蒸汽的流量及总量。可实现累积流量定量控制，从投用到现在，应用的效果非常好，是一种理想的仪表