基于PIC18F微处理器的热式气体流量计设计

采用 microchip 公司的 pic18f4580 芯片设计的热式气体流量传感器仪表 , 包括了 4580 应用单元 , 信号采集 , 串口通信 , 电源 , 热敏 P t 探头等单元。随着气体流量的增加 , 带走热敏探头表面的热量也会增加 , 为维持系统平衡 , 启动加热电路对热敏探头加热 ; 气体流量越大 , 加热电流也会越大 , 采集到的信号量也越大。该仪表还可以通过串口与上位机通信 , 实现远程监控与操作 , 具有良好的市场前景。

1 .引言

随着社会的发展 , 气体流量计越来越广泛的应用于工业生产、能源计量、环境保护工程、管道运输、生物技术等应用领域 。是发展工农业生产 , 节约能源 , 改进产品质量 , 提高经济效益和管理水平的重要工具 , 在国民经济中占有重要的地位。

2 .总体方案

热式气体流量计采用 microchip 公司的 18 系列PIC18F4580 作为处理核心, 构建 PIC18F4580 应用电路 ,信号采集电路 , 仪表盘显示电路 ,485 通信电路 , 电源电路 ,PWM 输出电路 , 调试仿真接口。如图 1 系统框图所示。

系统上电后 , 先由处理器复位并进行系统软硬件初始化 , 显示初始化。仪表设置有 2 个独立按键 , 通过按键控制仪表头显示的内容及控制系统复位。同时 , 系统也可以通过 485 通道同上位机通过通讯协议进行标定及显示内容的切换 , 或通过系统的 PWM 输出实现远程显示与监控。

3.硬件设计

本实验采用两个 P t 热敏电阻 , 分别作为流量传感器和温度传感器。信号采集是利用由 2 个热敏电阻和2 个精密电阻组成的惠斯通电桥 , 电压放大电路 , 负反馈电路构成的信号产生模块 , 实现对流量大小的检测。由于流量计设计为恒压差式流量计 , 即在任何时候 , 流量传感器的温度都比此时的速度传感器温度高 100℃ ;当气体流速为零时 , 能够采集到一个零点电压 , 每量对应一定的采集电压值 , 通过此种方式对流量计进行标定并存储在 PIC18F4580 的内部 EEPROM 中 , 在系统上电复位后 , 将数据读出 , 以便后续测量流量使用。

通讯模块采用 R S -485 通讯协议 , 通过处理器RX、TX 引脚与 LBC184 相连 , 引出两根 485 总线 , 与上位机通讯。R S -485 标准 采用差分信号传输 , 能有效消除共模干扰 , 且传输距离可达 1200m , 抗干扰能力较强 , 能进行有效的数据传输 , 广泛应用于工控领域。

人机接口电路包括 2 个独立按键和 1 个 12864 模块组成的显示屏。其中 R E3、R B0 分别接一个独立按键 ,实现复位和显示内容的切换等功能 , 其中 RE3 引脚连接的按键为手动复位 , R B0 按键的引脚设置为中断模式。

12864 显示模块通过 5 个端口与微处理器相连 , 以便及时更新系统要显示的内容。

4.软件设计

热式气体流量计的软件设计主要是指微处理器P I C18F4580 程序的编写及上位机通讯软件的设计 , 软件运行的目标是通过 R S -485 与流量计通讯 , 先对流量计进行参数标定 , 使流量计能正常工作 , 同时方便远程监控与调节。

4.1  主程序

主程序流程图如图 3 所示 , 系统初始化包含时钟初始化 ,GPIO 配置 , 中断配置 , 显示初始化 ,EEPROM初始化。系统开始运行后 , 每 1 秒中都会对相应的采样点进行分析 , 计算当前流量 , 并在 12864 显示屏上显示当前流量。

4.2  中断程序

中断程序包括串口中断 , 定时器中断及按键中断 他们的优先级配置如表 1 所示 , 串口中断用于传感器与上位机通讯 , 标定 , 远程监控 ; 独立按键中断可以现场进行显示内容的切换 ; 定时器中断主要应用与信号的采集 ,12864 屏幕显示的控制。

5.系统调试

系统上电后 , 用 PICkit3-STD 仿真调试器对主控芯片进行在线编程与调试 , 调试完毕 , 切换烧录模式 ,将程序烧进主控芯片。通过标定仪器对热式流量计进行流量标定。将各部件组装过后 , 及形成如图 4 所示热式流量计。流量计主要有探头和仪表盘组成。测量管道气体流量时 , 将探头安装在合适的法兰盘上 , 探头插入管道中 , 调节探头深度使探头位于管道中心 , 管道测量直径为 80~2000m m。仪表显示屏显示当前流量或总质量 ,可以通过上位机切换显示 , 如图 5 所示。

6.结束语

基于 PIC18F4580 作为系统的主控芯片 , 芯片内部自带 256k 的 EEPROM 空间 , 可用于存储掉电时需要存储的总量 , 标定电压、流量等数据 ; 芯片内部有 8 路 10位的 A/D 转换通道 , 可以用来采集所需的流量信号 ,从而减少外围元器件的设计 , 且精度可达 5mv。实际验证表明 , 基于 PIC18F4580 设计的热式流量计 , 具有较高的测量精度 , 使测量误差控制在 1% 以内 , 具有良好的重复性和稳定性 , 同时 , 预留有远程监控接口 , 方便对管道内的工作情况进行远程监控和显示。