基于PIC18F微處理器的熱式氣體流量計設計
采用 microchip 公司的 pic18f4580 芯片設計的熱式氣體流量傳感器儀表 , 包括了 4580 應用單元 , 信號采集 , 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增加 , 為維持系統(tǒng)平衡 , 啟動加熱電路對熱敏探頭加熱 ; 氣體流量越大 , 加熱電流也會越大 , 采集到的信號量也越大。該儀表還可以通過串口與上位機通信 , 實現遠程監(jiān)控與操作 , 具有良好的市場前景。
1 .引言
隨著社會的發(fā)展 , 氣體流量計越來越廣泛的應用于工業(yè)生產、能源計量、環(huán)境保護工程、管道運輸、生物技術等應用領域 。是發(fā)展工農業(yè)生產 , 節(jié)約能源 , 改進產品質量 , 提高經濟效益和管理水平的重要工具 , 在國民經濟中占有重要的地位。
2 .總體方案
熱式氣體流量計采用 microchip 公司的 18 系列PIC18F4580 作為處理核心, 構建 PIC18F4580 應用電路 ,信號采集電路 , 儀表盤顯示電路 ,485 通信電路 , 電源電路 ,PWM 輸出電路 , 調試仿真接口。如圖 1 系統(tǒng)框圖所示。
系統(tǒng)上電后 , 先由處理器復位并進行系統(tǒng)軟硬件初始化 , 顯示初始化。儀表設置有 2 個獨立按鍵 , 通過按鍵控制儀表頭顯示的內容及控制系統(tǒng)復位。同時 , 系統(tǒng)也可以通過 485 通道同上位機通過通訊協議進行標定及顯示內容的切換 , 或通過系統(tǒng)的 PWM 輸出實現遠程顯示與監(jiān)控。
3.硬件設計
本實驗采用兩個 P t 熱敏電阻 , 分別作為流量傳感器和溫度傳感器。信號采集是利用由 2 個熱敏電阻和2 個精密電阻組成的惠斯通電橋 , 電壓放大電路 , 負反饋電路構成的信號產生模塊 , 實現對流量大小的檢測。由于流量計設計為恒壓差式流量計 , 即在任何時候 , 流量傳感器的溫度都比此時的速度傳感器溫度高 100℃ ;當氣體流速為零時 , 能夠采集到一個零點電壓 , 每量對應一定的采集電壓值 , 通過此種方式對流量計進行標定并存儲在 PIC18F4580 的內部 EEPROM 中 , 在系統(tǒng)上電復位后 , 將數據讀出 , 以便后續(xù)測量流量使用。
通訊模塊采用 R S -485 通訊協議 , 通過處理器RX、TX 引腳與 LBC184 相連 , 引出兩根 485 總線 , 與上位機通訊。R S -485 標準 采用差分信號傳輸 , 能有效消除共模干擾 , 且傳輸距離可達 1200m , 抗干擾能力較強 , 能進行有效的數據傳輸 , 廣泛應用于工控領域。
人機接口電路包括 2 個獨立按鍵和 1 個 12864 模塊組成的顯示屏。其中 R E3、R B0 分別接一個獨立按鍵 ,實現復位和顯示內容的切換等功能 , 其中 RE3 引腳連接的按鍵為手動復位 , R B0 按鍵的引腳設置為中斷模式。
12864 顯示模塊通過 5 個端口與微處理器相連 , 以便及時更新系統(tǒng)要顯示的內容。
4.軟件設計
熱式氣體流量計的軟件設計主要是指微處理器P I C18F4580 程序的編寫及上位機通訊軟件的設計 , 軟件運行的目標是通過 R S -485 與流量計通訊 , 先對流量計進行參數標定 , 使流量計能正常工作 , 同時方便遠程監(jiān)控與調節(jié)。
4.1 主程序
主程序流程圖如圖 3 所示 , 系統(tǒng)初始化包含時鐘初始化 ,GPIO 配置 , 中斷配置 , 顯示初始化 ,EEPROM初始化。系統(tǒng)開始運行后 , 每 1 秒中都會對相應的采樣點進行分析 , 計算當前流量 , 并在 12864 顯示屏上顯示當前流量。
4.2 中斷程序
中斷程序包括串口中斷 , 定時器中斷及按鍵中斷 他們的優(yōu)先級配置如表 1 所示 , 串口中斷用于傳感器與上位機通訊 , 標定 , 遠程監(jiān)控 ; 獨立按鍵中斷可以現場進行顯示內容的切換 ; 定時器中斷主要應用與信號的采集 ,12864 屏幕顯示的控制。
5.系統(tǒng)調試
系統(tǒng)上電后 , 用 PICkit3-STD 仿真調試器對主控芯片進行在線編程與調試 , 調試完畢 , 切換燒錄模式 ,將程序燒進主控芯片。通過標定儀器對熱式流量計進行流量標定。將各部件組裝過后 , 及形成如圖 4 所示熱式流量計。流量計主要有探頭和儀表盤組成。測量管道氣體流量時 , 將探頭安裝在合適的法蘭盤上 , 探頭插入管道中 , 調節(jié)探頭深度使探頭位于管道中心 , 管道測量直徑為 80~2000m m。儀表顯示屏顯示當前流量或總質量 ,可以通過上位機切換顯示 , 如圖 5 所示。
6.結束語
基于 PIC18F4580 作為系統(tǒng)的主控芯片 , 芯片內部自帶 256k 的 EEPROM 空間 , 可用于存儲掉電時需要存儲的總量 , 標定電壓、流量等數據 ; 芯片內部有 8 路 10位的 A/D 轉換通道 , 可以用來采集所需的流量信號 ,從而減少外圍元器件的設計 , 且精度可達 5mv。實際驗證表明 , 基于 PIC18F4580 設計的熱式流量計 , 具有較高的測量精度 , 使測量誤差控制在 1% 以內 , 具有良好的重復性和穩(wěn)定性 , 同時 , 預留有遠程監(jiān)控接口 , 方便對管道內的工作情況進行遠程監(jiān)控和顯示。