在石油、化工等生產(chǎn)過程中，對管道內(nèi)液體和氣體的流量進行測量和控制是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分。渦街流量計具有量程寬，無可動部件，運行可靠，維護簡單，壓力損失小，具有一定的計量精度等優(yōu)點。[1]特別是在很寬的范圍內(nèi)，它的測量與介質(zhì)的密度、粘度等物性參數(shù)無關(guān)，因而受到普遍歡迎。本文介紹應(yīng)用MCS一51單片機設(shè)計的智能渦街流量計，對渦街流量計固有的非線性進行修正，并具有顯示、打印、檢測參數(shù)的種類以及數(shù)據(jù)處理等功能，從而拓寬了渦街流量計的應(yīng)用范圍。

工作原理

　　渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計。即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體（渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體），就會在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦即卡門渦街，其漩渦頻率正比于來流速度：[2]
　　　　　　　　　　　　　　　　F＝Stu／d 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�1）
式中 F—渦街頻率
　　 d—漩渦發(fā)生體寬度
　　 u—來流速度
　　 St—斯特勞哈爾數(shù)
　　St的值與漩渦發(fā)生體寬度d和雷諾數(shù)Re有關(guān)。當雷諾數(shù)Re＜2×104情況下，St為變數(shù)：當Re在2×104～7×106的范圍內(nèi)，St值基本上保持不變，這段范圍為流量計的基本測量范圍。
　　式（1）表明，當d和St為定值時，漩渦產(chǎn)生的頻率F與流體的平均流速u成正比，利用這一特性制成了渦街流量計。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。[3]對于湍流狀態(tài)，不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，進而說明了渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速與管道平均流速的關(guān)系不是唯一確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。在實際使用時，先繪出傳感器的儀表系數(shù)與頻率的試驗曲線f (F)。
　　　　　　　　　　　　　　K= f (F)=KG（F） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　（2）
　　式中G（F）是同一口徑的各臺儀表相同的曲線形狀（僅是位移不同）。K是平均儀表系數(shù)。在本文應(yīng)用MCS一51單片機的智能渦街流量計中，通過將試驗曲線形狀G（F）事先固化于流量計的EPROM中，和讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況通過鍵盤輸入K的值，實現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。

硬件設(shè)計

　　圖1是系統(tǒng)的硬件原理框圖。

圖1　硬件原理框圖

　　根據(jù)設(shè)計要求，單片機應(yīng)用系統(tǒng)[4]包括：（1）接受變送器送來的與流量成正比的脈沖，并對其定時、計數(shù)的電路；（2）顯示器，鍵盤，打印機接口電路；（3）外部存儲器的擴展電路；主要電路介紹如下：

1 鍵盤/顯示器及打印機接口[5]

　　為使接口硬件盡可能少，設(shè)計時，僅用一片8155I/O接口芯片完成智能化儀表的鍵盤輸入，LED輸出和打印機輸出的接口任務(wù)。將8155的PC口用作顯示自選通和鍵盤掃描輸出，PB口用作顯示字段及小數(shù)點的輸出，8031外部中斷INTO用作鍵盤響應(yīng)輸入，PA口用作外接打印機的輸出。如圖2所示。

圖2　鍵盤/顯示器及打印機接口電路

　　（1）顯示器接口設(shè)計

　　設(shè)計6位LED顯示器作為儀表的顯示輸出。8155的PB口定義為輸出口，其中低四位PB0～PB3輸出顯示數(shù)據(jù)的BCD碼，并經(jīng)74LS249 BCD譯碼器譯碼后送LED的段碼端，PB4作為測量結(jié)果的小數(shù)點位經(jīng)驅(qū)動器后接LED的小數(shù)點發(fā)光段；PB5作為極性控制位單獨控制一個發(fā)光二極管以顯示測量結(jié)果的正負。8155的PC口定義為輸出口，PC0～PC5分別控制6位LED的位選通，實現(xiàn)動態(tài)掃描方式顯示。

　　（2）鍵盤接口設(shè)計

　　在圖2所示的鍵盤接口中，由6個鍵組成鍵盤。8031用外部中斷INTO作為鍵盤狀態(tài)輸出。在6個鍵中，其中兩個鍵定義為"加一鍵"和"減一鍵"。另外4個鍵分別為打印鍵，編程鍵，選項鍵以及復(fù)位鍵。按下編程鍵后，進入編程狀態(tài)，用戶輸入平均儀表系數(shù)。選項鍵用來確定顯示那種流量表達方式（如體積流量、質(zhì)量流量等），鍵盤的列掃描信號來自于PC口輸出的LED位選通信號：鍵盤的行輸入信號由鍵盤是否閉合得到。沒鍵按下，鍵狀態(tài)為開，INTO位高電平，中斷不被觸發(fā)；若有鍵按下，鍵狀態(tài)為閉，INTO由高點平變?yōu)榈碗娖剑�中斷由信號下降沿觸發(fā)，從而向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應(yīng)中斷后讀取PC口的輸出狀態(tài)，判斷PC0～PC5輸出的低電平為即可完成鍵掃描和鍵識別。

　　（3）打印機接口設(shè)計

　　采用GP一16通用智能微型打印機，自帶8039單片機。它可以把8031送來的數(shù)據(jù)以字符串、數(shù)據(jù)或圖形三種方式打印出來；它與儀表的接口設(shè)計如圖2所示，它的8根雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線D0～D7直接與8155的PA0～PA7相連，片選信號CS與8155的片選信號公用單片機系統(tǒng)譯碼器輸出的端口地址Y7，WR和RD直接與8031的WR，RD相連，其硬件設(shè)計非常簡單。

2 外部存儲器的擴展

　　（1）程序存儲器EPROM的擴展

　　由于8031片內(nèi)沒有EPROM，故8031單片機需要外擴一片EPROM2764（8K字節(jié)）。在P0口送出的低8位地址時，地址由信號ALE的下降沿控制鎖存到鎖存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，鎖存器采用74LS373鎖存器，控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。

　　（2）數(shù)據(jù)存儲器的擴展

　　MCS一51單片機內(nèi)RAM為128個字節(jié)，因其容量不能滿足設(shè)計要求，故本機擴展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。本機外擴展的RAM和EPROM電路如圖3所示：

圖3 外部存儲器擴展

　　從圖中可以看出EPROM2764與RAM6264的地址范圍是相同的，但是它們的控制信號是不一樣的。2764的選通信號是PSEN，而6264的讀入或?qū)懭胧强?/FONT>RD或WR型號控制，所以不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突問題。