《传感器技术及应用》课程设计说明书课设题目流量检测系统班级姓名学号指导教师时间摘要流量是三大工业过程控制量之一，流量计量直接关系到国家利益和国计民生。
电磁流量计因测量时不受被测介质的温度、粘度、密度等影响，应用领域非常广泛。
因此，设计一个流量检测系统。
设计的流量检测系统以AT89C51单片机为核心，管道流量的检查采用电磁流量计，电磁流量计输入4～20mA的电流信号，通过I/A转为0～5V的电压信号，经AD转换送与单片机转换为流量数据，在液晶屏幕LCD1602中显示。
该流量检测系统可检测小口径管道流量,因不受流体材料的限制，常应用于食品工业。
关键词：电磁流量计，AT89C51单片机目录一、绪论1.1课题开发的背景和现状1.2课题开发的目的和意义1.3课题技术性能指标二、流量计种类选择方案三、系统总体方案设计四、主要器件的方案选择4.1、HR-LDG系列电磁流量传感器4.2、单片机的方案选择五、模块电路的设计5.1、MCU主控电路5.2、LCD1602液晶显示电路5.3、电流/电压转换电路5.4、A/D转换电路5.5、电源模块六、电磁流量计安装时注意事项七、系统软件开发流程及代码分析八、设计总结九、参考文献附录1、总电路图2、元器件清单一、绪论1.1课题开发的背景和现状工业生产中过程控制是流量测量和仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。
对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。
流量的检测与控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。
例如：在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量收起了人们的特别关注，因为在天然气的采集、处理储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中流量蠩涉及到的结算金额数字巨大，对测量和控制准确度和可靠性要求特别训。
此外，在环境保护领域，流量测量仪表也分演着重要角色。
人们为了控制大气的污染，必须对污染大气的烟气以及其分温室气体排放进行监测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。
于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测理对象。
同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系统进行仿真与试验，流量计在现代家业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也有广泛的应用。
1.2课题开发的目的和意义在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。
流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。
同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。
所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。
例如：由于石油是重要的能源，无论上从节约能源的角度，还是从经济性角度来看,对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。
在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计量与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。
开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。
自动化技术可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。
1.3课题技术性能指标（1）小口径的电磁流量计，应用于食品工业；（2）检测管道的流量；（3）所测流量送液晶显示。
二、流量计种类选择方案目前，常用的流量计有：涡轮流量计、电磁流量计和明渠流量计3种。
因此，初步有三种方案设计可选用。
1、方案一采用明渠流量计进行流量的检测。
HOH-L-01多普勒明渠流量计测量系统的组成方法一般由一台流量显示仪、一台流速计、一台液位计组成；也可由一台流量显示仪、多台流速计、一台液位计组成的多点流速测量的明渠流量系统。
HOH-L-01多普勒明渠流量计系统，适用于水库、河流、水利工程、城市供水、污水处理、农田灌溉、水政水资源等矩形、梯形明渠及涵洞的流量测量，此次设计中应用于食品工业，故不适合使用明渠流量计。
2、方案二采用涡轮流量计进行流量检测。
涡轮流量计由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成。
被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。
涡轮流量计在一些对于准确度要求不高的场合得到了广泛的应用，但其不能长期保持校准特性，流体对流量特性有较大影响，对于食品安全流量检测，不适合于用此涡轮流量计。
3、方案三采用电磁流量计进行流量检测。
电磁流量计的测量管是一个内衬绝綠材料非导磁合金短管。
两只电极沿径方向透壁固定在测量管上，其电极头与衬头内表面基本齐平。
励磁线圈由双向方波脉冲劢磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为B的工作磁场，此时，如果具有一定电导率的液体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。
电动势E正比于磁通量密度B、测量管内径d与平均流速V的乘积。
电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器。
转换器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，用于流量的控制与调节。
电流量计有如下特点：（1）属于非接触性仪表，测量管段是光滑直管，管内没有任何阻碍流体流动的节流元件，不会引起额外的压力损失，节能效果好，可用于测量各种粘度的液体，特别适于测量含固体颗粒的液固混合流。
此外除电极外没有其他组件与液体直接接触，因此它还适于测量腐蚀性大的液体，由此形成了独特的应用领域。
（2）流量计测量过程不受被测介质的温度、粘度、密度等因素的影响，因此只需一次经水标定后就可用于测量其他导电液体的流量。
（3）电磁场的产生是极快的过程，因此电磁流量计反应速度快，无机械惯性，可以测量瞬时流量，还可测水平或垂直管道中两个轴向的流量。
（4）流量计输出只与被测介质的流速有关，量程范围宽。
（5）应用口径范围大，小口径、微小口径常用于医药卫生等有卫生要求的场所，中小口径常用于高要求或难测场合，如造纸工业测量纸浆液，大口径多用于给排水工程。
对比以上三种方案，方案一中适合应用于水库、河流、水利工程、城市供水、污水处理、农田灌溉、水政水资源等矩形、梯形明渠及涵洞的流量测量，此次设计中应用于食品工业，管道内流量的流速测量，故不适合使用明渠流量计。
方案二中涡轮流量计主要应用于石油、有机液体、无机液，液化气，天然气和低温流体，不适合选用涡轮流量计。
方案三中流量计测量过程不受被测介质的温度、粘度、密度等因素的影响，因此只需一次经水标定后就可用于测量其他导电液体的流量，可用于食品工业流速的检测，因此对比前两种方案可得此次设计中采用电磁流量计进行流速的检测。
三、系统总体方案设计工作原理：基于电磁流量计的管道流量检测系统实现的功能为检测管道的流量，送液晶显示。
管道流量的检查采用电磁流量计，电磁流量计输入4～20mA 的电流信号，通过I/A转为0～5V的电压信号，经AD转换送与单片机转换为流量数据，在液晶屏幕LCD1602中显示。
系统框图见图：系统框图四、主要器件的方案选择4.1、HR-LDG系列电磁流量传感器一般工业用电磁流量计被测介质流速为2～4m/s为宜，在特殊情况下，最低流速应不小于0.1m/s，最高不大于8m/s。
若介质中含有固体颗粒，常用流速应小于3m/s，以防止衬里和电极的过分摩擦：对于粘滞流体，流速可选择大于2m/s，较大的流速有助于自动消除电极上附着的粘滞物的作用，有利于提高测量精度。
在流量Q已确定的条件下，即可根据上述流速V的范围决定流量计口径D的大小，其值计算公式为：Q=πD2V/4式中，Q:流量（m3/h）；D：管道内径（m）；V:流速（m/h）。
（1）电磁流量计的工作原理与组成电磁流量计的测量管是一个内衬绝綠材料非导磁合金短管。
两只电极沿径方向透壁固定在测量管上，其电极头与衬头内表面基本齐平。
励磁线圈由双向方波脉冲劢磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为B的工作磁场，此时，如果具有一定电导率的液体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。
电动势E正比于磁通量密度B、测量管内径d与平均流速V的乘积。
电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器。
转换器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，用于流量的控制与调节。
导电性液体在垂直磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”，其计算公式为E=kBD V（式1）式中，E：感应电动势，即流量信号，V;K:系数；B磁感应强度，T；D：测量管内径，m；V：平均流速，m/s.设液体的体积流量为qv (m3/s), qv=πD2V/4 (式2)则E=(4kB/πD)qv =kqv(式3)式中K为仪表常数，K=4kB/πD。
式1中K、d为常数，由于励磁电流是恒流的，因此B也是常数。
由E=kBD V可知，体积流量Q与信号电压E成正比，即流速感应的信号灯电压E与体积流量Q成线性关系。
因此，只要测量出E就可以确定流量Q，这就是电磁流量计的基本工作原理。
由E=kBD V可知，被测流体介质的温度、密度、压力、电导率、液固两相流体介质的液固成公比等参数不会影响测量结果。
至于流动状态，只要符合轴对称流动就不会影响测量结果。
因此，电磁流量计是一种真正的流量计。
对于制造厂和用用户来说，只要用普通的的水实际标定后就可测量其他任何导电流体的体积，而不需要任何修正，这是电磁流量计的一突出特点，也是其他任何流量计所没有的。
测量管内无活动及阻流部件，因此几乎没有压力损失，并具有很高的可靠性。
EMF由流量传感器和转换器两大部分组成。
传感器的测量管上下装有激磁线圈，能激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。
激磁电流则由转换器提供。
（2）电磁流量传感器的选择电磁流量计的量程Q应大于预计的最大流量值，而正常的流量值以稍大于流量计满量程高刻度的50%为宜。
口径大小与流量范围对应如下表所示。
表2 口径大小与流量范围对应参考表在本系统中选用HR-LDG-D25-T0-F1-C0-E1-H0-G1-D型电磁流量计，流量范围为0.4~14 m3/h，介质温度为0℃-80℃，衬里材料为耐磨橡胶，电极材料为216L，工作压力为2.5Mpa,全系列口径，连接方式为法兰式，转换器结构为一体式智能表头，220VAC供电电压，输出为4-20mA，防爆类型为隔爆型。