在石油、化工等生產(chǎn)過程中，對(duì)管道內(nèi)液體和氣體的流量進(jìn)行測量和控制是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要組成部分。渦街流量計(jì)具有量程寬，無可動(dòng)部件，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡單，壓力損失小，具有一定的計(jì)量精度等優(yōu)點(diǎn)。^[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(jī)設(shè)計(jì)的智能渦街流量計(jì)，對(duì)渦街流量計(jì)固有的非線性進(jìn)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(jì)的應(yīng)用范圍。

工作原理

渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計(jì)。即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線型的對(duì)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(huì)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＝S_tu／d 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）
式中 F—渦街頻率
d—漩渦發(fā)生體寬度
u—來流速度
S_t—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(dāng)雷諾數(shù)Re＜2×10⁴情況下，St為變數(shù)：當(dāng)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(jì)的基本測量范圍。
式（1）表明，當(dāng)d和St為定值時(shí)，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(jì)。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(duì)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(jìn)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*確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機(jī)理所決定的。在實(shí)際使用時(shí)，先繪出傳感器的儀表系數(shù)與頻率的試驗(yàn)曲線f (F)。
K= f (F)=KG（F） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　?。?）
式中G（F）是同一口徑的各臺(tái)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(jī)的智能渦街流量計(jì)中，通過將試驗(yàn)曲線形狀G（F）事先固化于流量計(jì)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(shí)現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。

硬件設(shè)計(jì)

　　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(jì)要求，單片機(jī)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(duì)其定時(shí)、計(jì)數(shù)的電路；（2）顯示器，鍵盤，打印機(jī)接口電路；（3）外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路；主要電路介紹如下：

1 鍵盤/顯示器及打印機(jī)接口^[5]

為使接口硬件盡可能少，設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)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(diǎn)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(jī)的輸出。如圖2所示。

圖2　鍵盤/顯示器及打印機(jī)接口電路

（1）顯示器接口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(diǎn)位經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后接LED的小數(shù)點(diǎn)發(fā)光段；PB5作為極性控制位單獨(dú)控制一個(gè)發(fā)光二極管以顯示測量結(jié)果的正負(fù)。8155的PC口定義為輸出口，PC0～PC5分別控制6位LED的位選通，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描方式顯示。

（2）鍵盤接口設(shè)計(jì)

在圖2所示的鍵盤接口中，由6個(gè)鍵組成鍵盤。8031用外部中斷INTO作為鍵盤狀態(tài)輸出。在6個(gè)鍵中，其中兩個(gè)鍵定義為"加一鍵"和"減一鍵"。另外4個(gè)鍵分別為打印鍵，編程鍵，選項(xiàng)鍵以及復(fù)位鍵。按下編程鍵后，進(jìn)入編程狀態(tài)，用戶輸入平均儀表系數(shù)。選項(xiàng)鍵用來確定顯示那種流量表達(dá)方式（如體積流量、質(zhì)量流量等），鍵盤的列掃描信號(hào)來自于PC口輸出的LED位選通信號(hào)：鍵盤的行輸入信號(hào)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(diǎn)平變?yōu)榈碗娖?，中斷由信?hào)下降沿觸發(fā)，從而向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)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(shí)別。

（3）打印機(jī)接口設(shè)計(jì)

采用GP一16通用智能微型打印機(jī)，自帶8039單片機(jī)。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(jì)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(hào)CS與8155的片選信號(hào)公用單片機(jī)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(jì)非常簡單。

2 外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

（1）程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展

由于8031片內(nèi)沒有EPROM，故8031單片機(jī)需要外擴(kuò)一片EPROM2764（8K字節(jié)）。在P0口送出的低8位地址時(shí)，地址由信號(hào)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(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

MCS一51單片機(jī)內(nèi)RAM為128個(gè)字節(jié)，因其容量不能滿足設(shè)計(jì)要求，故本機(jī)擴(kuò)展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。本機(jī)外擴(kuò)展的RAM和EPROM電路如圖3所示：

圖3 外部存儲(chǔ)器擴(kuò)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(hào)是不一樣的。2764的選通信號(hào)是PSEN，而6264的讀入或?qū)懭胧强縍D或WR型號(hào)控制，所以不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突問題。

軟件設(shè)計(jì)^[6]

本機(jī)軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，其4個(gè)主要部分分別如下。

1 主程序

主程序?yàn)楸緝x器的監(jiān)測程序。在程序運(yùn)行中，必須首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，清各工作單元，置計(jì)數(shù)器及標(biāo)志位初值，自檢指示燈，開中斷，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器等工作。儀器采用微型鍵盤和LED指示燈相配合，使儀器的各種功能清晰有序。
鍵盤子程序包括：掃描鍵盤子程序。其功能是尋找是否有鍵按下，輸入鍵值程序；鍵值掃描程序；表驅(qū)動(dòng)程序；通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序的功能是根據(jù)按鍵的位置一行行的掃描。表驅(qū)動(dòng)程序是判斷按鍵是哪種功能鍵。通用顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)中的字碼轉(zhuǎn)換成段碼送入顯示器中，顯示各種字型。幾乎所有程序中都要用到這一程序，因此稱之為通用顯示子程序，以便與顯示功能塊相區(qū)別。

2 中斷服務(wù)程序

儀器的測量、轉(zhuǎn)換等程序均通過中斷方式同主程序相連，單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器作為閘門使用。因?yàn)榱髁款l率的測量很重要，所以定時(shí)器TO被用來測評(píng)，并定為中斷。測量測頻中斷服務(wù)子程序流程圖如圖4所示。

3 功能塊程序

儀器通過鍵盤輸入命令，可隨時(shí)得到用戶所需的結(jié)果，這就要用到功能程序塊。功能程序塊包括：顯示、打印、清零等功能塊。顯示功能塊的作用是根據(jù)用戶的需要轉(zhuǎn)入相應(yīng)的入口參數(shù)，再經(jīng)過碼之轉(zhuǎn)換，送至顯示緩沖區(qū)中。打印程序包括打印質(zhì)量流量及體積流量、瞬時(shí)流量及累計(jì)流量。

4 使用計(jì)算子程序主要包括計(jì)算流量的程序

采用的是浮點(diǎn)制運(yùn)算子程序，這些運(yùn)算子程序可直接調(diào)用。

結(jié)　　論

采用上述設(shè)計(jì)的智能化渦街流量計(jì)，可讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況，通過鍵盤方便地輸入校正系數(shù)，完成了對(duì)渦街流量計(jì)非線性修正，拓寬了渦街流量計(jì)的應(yīng)用范圍。

圖4 TO的中斷子程序框圖