基于AVR單片機的流量檢測系統設計

隨著計算機技術和微電子器件在工業自動化生產中的廣泛應用，在維修柴油機噴油器時，對流量測量的準確度和自動性要求越來越高。因此，為了自動測試柴油發動機油泵供油量和噴油器的噴油量：開發設計柴油發動機噴油器油泵全自動測試臺。流量檢測系統是整個開發的組成部分之一，本系統具有對試驗過程流量進行實時檢測功能，同時保證測試數據可靠、精度高等。本次設計的流量檢測系統主要檢測油體流量，系統需要對管道中的柴油的流量進行測量。根據上位機(組態王)實現人機交互控制單片機輸出油路閉合狀態(電磁閥控制)，從而實現自動檢測功能。設計主要由下位機與上位機構成，通過上位機的指令來驅使下位機工作，采集到的流量數據傳回上位機后顯示。介紹以AVR Atmega16單片機為核心，經Flomec OM004采集流量信號：通過單片機于上位機通訊，將測量結果顯示于組態王軟件界面。

流量檢測系統的組成及流量采集原理

流量檢測系統的組成

采用Flomec OM004橢圓齒輪流量計作為流量傳感器：通過串口輸出脈沖信號(頻率范疇隨測量的流量大小成線性變化)，以便于作為AVR單片機輸入信號：7通道共享1個流量計，用7支2位3通電磁閥實現各個通道與流量計間的逐一切換：各個通道均裝備濾清器。

該設計的電氣控制部分實質上是一套計算機測控系統。需要控制的部分為油路的啟停；需要采集的信號為流量脈沖信號。通過RS485標準串口通信，可以很方便地與PC機和其他儀器一起組成用戶所需要的自動檢測系統。

流量采集原理

橢圓齒輪流量計時最典型的容積式流量計，工作原理為腔內的一對相互齒合的橢圓齒輪作為轉子，兩個齒輪和腔內分別構成一個固定的體積，稱為標準容積。小型橢圓齒輪流量計采用液體流動推動兩個非常精密的橢圓轉子轉動的方式測量流量(圖1)。感應探頭是檢測轉動的運動并把它轉化為脈沖數字電信號源，它的電磁線電壓輸出值接近正選曲線，脈沖信號源的頻率范疇隨測量的流量大小成線性變化。

流量檢測系統設計

系統開發設計

流量檢測系統采用兩級計算機通信系統實現。上位機采用通用計算機，下位機采用AVR單片機控制。上位機和下位機之間以串行數據傳輸方式進行通信。上位機通過RS-485串口向單片機發指令、單片機接收到指令后對指令進行譯碼。根據通信協議約定的控制方式，單片機采取一定的算法對7路油路中的電磁閥進行開閉控制，進而使相應的油路中的液體進入流量傳感器中。單片機在收到來經過處理的傳感器脈沖信號后進行相應的流量基計算，并將信息傳給上位計算機。上位計算機在組態王軟件的支持下對采集的數據進行處理，并顯示在屏幕上。

系統功能簡要概括為以下：

(1)系統能夠響應上位機通過RS485串口的控制命令：

(2)控制7路油路的三通電磁閥打開和關閉，進行油路的選擇；

(3)系統能夠測量被選擇的l路油路的油量：

(4)通過KS485通信輸出油量的流量數值：

柴油機燃油噴射量流量參數要求

強烈的脈動流動：

流量范圍寬：最小流量，3.5mL／min：最大流量，600mL／min。

測量精度高：在小流量時，分辨率要小于±0.2mL／min：在大流量時、分辨率要小于±2mL／min。

設備選型

本設計采用Atmel公司的公司高性能低功耗AVR單片機ATMEGAl6做為檢測系統的核心。根據確定的流量檢測的系統結構，選擇Flomec0M 004橢圓齒輪流量計作為智能傳感器，它將測到的流量轉換為脈沖形式的數字信號輸

硬件電路設計

流量檢測系統硬件電路框圖如圖2所

電源電路設計

電源的設計要求越來越嚴格，已經重電源供電上升到電源管理的高度。電源的設計是一個系統能否良好穩定工作的前提保證，電源的優劣關系到系統工作的好壞。本系統的電源其有+24V、+12V、+SV。其中+24V電源由開關電源輸出，用來作為電磁閥及系統其他電源的輸入。系統的+12V電源用于擊打電磁的供電，它可有DC-DC變換器MC33063將+24V降壓得到。控制系統的+5V電源由開關穩壓電源器件LM2576對+12V電壓進行降壓得到，它為單片機及其接口系統提供電源。其中R49和D20放光二極管組成電源工作指示燈：為防止電源正負極反接，損壞系統，接入電源輸入保護電路。如圖3所示

主機(單片機)控制電路設計

主機(單片機)控制電路設計包括復位電路、晶振電路、JTAG下載接口電路設計、串行通信接口電路設計。電路如圖4所示，部分電路采用AVR單片機官方推薦電路。

軟件設計

流量檢測系統的軟件包括單片機程序和上位機運行的組態王應用程序。

單片機軟件設計

流量檢測系統的單片機控制系統采用模塊化程序結構。根據模塊化軟件設計的要求將整個程序從分為如下模塊。

(1)系統初始化模塊：設計計數器工作模式、中斷方式、I／O口初始化、寄存器初始化。

(2)組態王通訊協議模塊：組態王和單片機的協議，處理來自上位機的命令。

(3)監控程序模塊：控制電磁閥油路的打開和閉合

(4)命令控制模塊：流量的更新和繼電器處理

(5)流量信號數據采集與處理模塊：采集流量信號并計算處理。

(6)串口通信模塊：與上位機的通信中斷服務。

系統主程序設計

流量檢測系統用來對油路流量進行實時監控。把測量值進行算法計算后串口通信傳給上位機，同時上位機對數值進行顯示并判斷是否關閉閥門：并將命令通過串口回傳給單片機驅使相應的閥門做出動作(如圖5)。

脈沖信號計算程序

傳感器輸出一個脈沖為一個單位體積，計算工作主要是計算單位時間內有幾個脈沖輸出，從而測出流速；系統采用16位定時器產生1000Hz的固定計數時鐘，在OCRA計數器的比較中斷里面進行數值的增加，在輸入捕捉中捕獲傳感器脈沖。兩個脈沖之間會得到以1000Hz為單位的計數個數，從而得到兩個脈沖之間的時間(以秒為單位)，每個脈沖的計量值是0.346mL，將其除以脈沖之間的時間(以分鐘為單位)，就得到了以mL／min為單位的流量值。

組態王通信協議處理程序

通信協議處理程序包括3部分：對組態王的查詢命令做應答處理；組態王從單片機讀取數據處理：組態王向單片機寫數據處理。上位機組態王監控軟件設計

本次設計中使用的是北京亞控公司開發的組態軟件“組態王”，版本為“組態王6.53”作為流量測試上位機的檢測軟件。

組態王的通訊配置

上位機通信采用COMI，在組態王的工程瀏覽器中點擊設備＼COMl，在右面窗口中雙擊新建，出現設備配置向導，設置智能模塊＼單片機＼通用單片機HEX＼串口，點擊下一步，邏輯設備命名為流量檢測，選擇COMl口：接著配置COMl口通訊參數，參數為1位起始位，8位數據位，1位結束位，0位奇偶校驗位，波特率為9600bps。

流量自動檢測系統組態王顯示界面如N6所示。結語

本論文設計的流量檢測系統，采用了單片機與計算機進行聯合控制。兩級計算機之間采用標準的RS-485接口的串行通信方式，這樣計算機便能夠將單片機采集的數據進行分析和處理，在屏幕上用組態王軟件實時顯示油路的流量狀態，方便對系統進行實時監測。竇踐證明，該系統運行穩定、竇時性好、硬件設計成本低、數據傳輸穩定；適合應用于工業檢測中。