輪流量計積算儀硬件電路設(shè)計
1、積算儀系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成：
渦輪流量計硬件電路圖主要由以下五個部分組成：電源電路、信號處理及 CPU電路、顯示電路、鍵盤電路、比較電路。其整體硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1所示。
圖3-1 渦輪流量計積算儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
測量系統(tǒng)工作流程如下：被測流體經(jīng)過傳感器，在檢測線圈中磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生的周期性的感應(yīng)電勢，即電脈沖信號，被送入以單片機(jī)為中心的信號處理單元，進(jìn)行計算、積算、存儲和顯示。整體電路連接參見系統(tǒng)電路原理圖 3-9 所示。
2、電源電路：
電源電路的作用主要是給測量系統(tǒng)供電，本測量系統(tǒng)的電源由兩個獨立電源組成，可以獨立進(jìn)行工作，互不依賴。并且采用電池供電，電池是純凈電源，能有效降低系統(tǒng)的干擾。電源電路的連接如圖3-2所示。
圖3-2 電源電路圖
3、比較電路:
系統(tǒng)采用一個外部比較電路對脈沖信號進(jìn)行比較，輸出想要得到的脈沖信號。 比較器電路選用了LM258單電源運(yùn)算放大器，其管腳配置如圖3-3所示：
圖3-3 LM258DIP8封裝
選擇LM258主要基于以下考慮：
① 輸入電壓范圍寬；
② 低成本；
③ 滿足脈沖比較放大的功能[7]；
比較器電路的連接如圖3-4所示。
圖3-4 比較器電路連接圖
電路的參考電壓接比較器的同相端，脈沖信號接比較器的反相端，當(dāng)脈沖信號電壓大于參考電壓時，輸出飽和高電壓；當(dāng)脈沖信號電壓小于參考電壓時，比較器輸出端截止，輸出低電平。
4、信號處理及 CPU:
傳感器輸出的脈沖信號，送至信號處理即 CPU 系統(tǒng)，進(jìn)行計數(shù)、計算、累積。單片機(jī)是信號處理電路的核心，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，在整個硬件電路中起著舉足輕重的作用。
它的主要功能包括：
對傳感器的輸出脈沖信號計數(shù)；
人機(jī)交互；
流量積算；
LCD 顯示控制；
數(shù)據(jù)存儲。
圖3-5 管腳配置圖
圖3-6 P89LPC922的內(nèi)部功能模塊圖
4.1、LPC900 FLASH 單片機(jī)介紹：
LPC900 FLASH 單片機(jī)，是 PHILIPS 公司推出的一款高性能、微功耗 51 內(nèi)核單片機(jī)，主要集成了字節(jié)方式的 IC 總線、SPI 總線、增強(qiáng)型 UART 接口、比較器、實時時鐘、EPROM、AD/DA 轉(zhuǎn)換器、ISP/IAP 在線編程和應(yīng)用中編程等一系列有特色的功能部件。LPC900 系列單片機(jī)提供從 8 腳 DIP 到 28 腳的 PLCC 等豐富的封裝形式，可以滿足各種對成本、線路板空間有限制而又要求高性能、高可靠性的應(yīng)用。且其具有高速率（6 倍于普通 51 單片機(jī)），低功耗（完全掉電模式功耗低于 1u A），高穩(wěn)定性，小封裝，多功能（內(nèi)嵌眾多流行的功能模塊），多選擇等特點（該系列有多款不同封裝，不同價位，不同功能的型號供用戶選擇）。
適合于許多要求高集成度、低成本的場合?？梢詽M足多方面的性能要求。P89LPC920/921/922/9221 采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需 2 到 4個時鐘周期。P89LPC920/921/922/9221 集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本[8]。
4.2、P89LPC922 型號的選擇：
選擇P89LPC922主要是基于以下考慮：
2. 速度快。 P89LPC920/921/922采用增強(qiáng)型80C51 CPU，其運(yùn)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51的6倍。一個機(jī)器周期由2個CPU時鐘周期組成，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為1到2個機(jī)器周期。當(dāng)操作頻率為18MHz時，除乘法和除法指令外，高速80C51 CPU的指令執(zhí)行時間為111～222ns。同一時鐘頻率下，其速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。只需要較低的時鐘頻率即可達(dá)到同樣的性能，這樣無疑又降低了功耗和EMI。
3. 鍵盤中斷。 P89LPC922芯片的I/O口具有鍵盤中斷功能，該功能主要用于當(dāng)P0口等于或不等于特定的模式時產(chǎn)生一個中斷。該功能還可用于總線地址識別或?qū)︽I盤的識別。用戶可通過SFR將端口配置為不同的用途。
4. 脈沖檢測計數(shù)。 P89LPC920/921/922/9221有2個模擬比較器，輸入和輸出選項允許將比較器配置成為不同模式。當(dāng)正向輸入（二個可選擇腳之一）電壓大于反向輸入時（可選擇外部管腳輸入或內(nèi)部參考電壓），輸出信號為“1” （可從寄存器讀出和/或輸出到管腳），反之則輸出為“0”。每個比較器都可配置為當(dāng)輸出發(fā)生改變時產(chǎn)生中斷，其較低工作電壓為VDD=2.4V。本測量系統(tǒng)采用外部參考電壓，利用比較器的功能，記錄來自傳感器的脈沖信號個數(shù)，以此來計算流體的流量值。
5. 流量累計及定時顯示。 P89LPC920/921/922/9221具有一個簡單的實時時鐘。它允許用戶在器件其它部分掉電時能夠繼續(xù)運(yùn)行一個的定時器。實時時鐘可以作為一個中斷或一個喚醒源。實時時鐘可用作1個由7位預(yù)分頻器組成的23位倒計數(shù)器或1個可裝載的16位倒計數(shù)器。當(dāng)定時時鐘變?yōu)?后，計數(shù)器被重裝載，并設(shè)置RTCF標(biāo)志。該定時器的時鐘源可以是CPU時鐘（CCLK）或者XTAL振蕩器（前提是XTAL振蕩器不作為CPU的時鐘源）。如果XTAL振蕩器作為CPU時鐘源，
綜上所述，可以看出P89LPC922單片機(jī)滿足了本測量系統(tǒng)低功耗、高速度、高性能的要求，適合用作渦輪流量計積算儀系統(tǒng)的CPU。另外。P89LPC920/921/922集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本。
5、LCD 選擇：
顯示模塊是人機(jī)接口的一個重要組成部分，友好的顯示界面能夠方便操作者的讀數(shù)和進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。其接線圖見圖3-9系統(tǒng)原理圖。
本測量系統(tǒng)的顯示模塊選用了長沙太陽人電子有限公司的微功耗SMS0501C液晶顯示模塊，其主要顯示參數(shù)如下：
接口信號說明[10]： VDD：電源正極 D1：串行數(shù)據(jù)輸入 CLK：串行移位脈沖輸入 VSS：電源地 
圖3-7 液晶外觀圖 
6、鍵盤電路：
在計算流量之前，系統(tǒng)必須對所用參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；在測出流體的流量后，智能流量檢測儀表還應(yīng)該將所得到的瞬時流量、累積流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示，以便于操作人員能夠及時了解流量的變動情況。為了能夠向儀表系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令，智能檢測儀表一般還根據(jù)實際需要配備了鍵盤。
同時，在流量積算系統(tǒng)中由于要顯示的數(shù)據(jù)位數(shù)較多，而單片機(jī)要實時的采集和處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，因此顯示不能占用太多單片機(jī)的時間，這就要求設(shè)計鍵盤電路。
圖 3-8 鍵盤電路圖
7、硬件電路原理圖：
下圖為本測量系統(tǒng)整體硬件設(shè)計原理圖，主要的部分電路我們在以上幾節(jié)已經(jīng)講述過，在此不再重復(fù)。 
圖 3-9 系統(tǒng)原理圖
8、PCB 圖：
圖 3-10 系統(tǒng) PCB 版圖
本章小結(jié)：
本章詳細(xì)介紹了本測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計部分，首先對電路的總體構(gòu)成框架進(jìn)行了介紹，使我們對系統(tǒng)有了一個整體的認(rèn)識和了解，然后進(jìn)一步分別對系統(tǒng)各部分電路的功能以及考慮的要點進(jìn)行了詳細(xì)的分析和介紹，使我們懂得了系統(tǒng)各部分所起的作用以及設(shè)計思想，其中包括：電源電路、信號放大電路、信號處理電路以及鍵盤電路。