黃晗 徐冰輝 江澤裔 孫超 朱璽 李雅麗

摘要： 本文分析了國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段，使用IC卡、遠(yuǎn)傳燃?xì)獗?、集中抄表、無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）遠(yuǎn)傳抄表等管道燃?xì)庥?jì)費(fèi)管理系統(tǒng)，在不同階段發(fā)揮了一定積極作用，但是它們都基于機(jī)械式傳動(dòng)燃?xì)庥?jì)量表，脫離不了機(jī)械構(gòu)件受安裝精度和環(huán)境溫度等的影響?；诨ヂ?lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)等技術(shù)，智能燃?xì)鉄o線傳輸管理系統(tǒng)成為了人們研究的熱點(diǎn)問題。本文設(shè)計(jì)一種基于流量壓力傳感器、 脫離機(jī)械構(gòu)件的燃?xì)饬髁坎杉娐?，它是智能燃?xì)鉄o線傳輸管理系統(tǒng)中重要的組成部分，可提高燃?xì)庥?jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行效率和處理精確度。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 采集電路 串行通信

中圖分類號(hào)：TB937 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1.引言

隨著科技經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市居民生活現(xiàn)代化水平和管道燃?xì)馄占岸鹊奶岣?，燃?xì)馐褂贸?、?jì)費(fèi)和收費(fèi)工作量也與日俱增?，F(xiàn)有的人工抄表；用戶購(gòu)買磁卡、IC卡收費(fèi)；通過遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)（如公用電話網(wǎng)、電力線載波、數(shù)據(jù)網(wǎng)等）自動(dòng)獲取遠(yuǎn)程儀表數(shù)據(jù)的方式，以及采用無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）[1]等方式 ，已經(jīng)跟不上現(xiàn)在發(fā)展的需要。IC卡燃?xì)獗恚窃诂F(xiàn)成的機(jī)械式燃?xì)獗淼挠?jì)量機(jī)構(gòu)上，通過光電或霍爾元件等傳感器，將天然氣的流量轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)量，利于燃?xì)馄髽I(yè)的資金回收，減少人工查表收費(fèi)中的弊端等問題[2]，但是用戶要先買后用，而且受一次購(gòu)氣數(shù)量、IC卡營(yíng)業(yè)站的工作時(shí)間和地點(diǎn)等的限制，給用戶購(gòu)氣帶來諸多不便。自上世紀(jì)九十年代末開始，燃?xì)夤静煌潭鹊貙?duì)遠(yuǎn)傳燃?xì)獗砗图谐硐到y(tǒng)進(jìn)行了積極嘗試，采用有源脈沖式遠(yuǎn)傳燃?xì)獗?通訊采集器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是系統(tǒng)存在的計(jì)量準(zhǔn)確性低、系統(tǒng)可靠性差、維護(hù)工作量大等問題，直接影響了燃?xì)獗淼耐茝V應(yīng)用。2005年后，推出全新的無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）[3]等，但是它們都基于機(jī)械式傳動(dòng)燃?xì)庥?jì)量表，脫離不了機(jī)械構(gòu)件受安裝精度和環(huán)境溫度等的影響。隨著互聯(lián)網(wǎng)、zigbee無線通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，基于單片機(jī)等智能化系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)控制管理中廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)、氣體流量傳感器，實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁坎杉娐贰?/p>

2.系統(tǒng)電路構(gòu)成

燃?xì)獠杉瘋鬏斚到y(tǒng)，由氣體流量傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、采樣保持器電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源電路、時(shí)鐘電路、單片機(jī)顯示電路、串行通信電路等組成，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框圖

3.采集電路的設(shè)計(jì)

本文選用SDP1000熱傳導(dǎo)式差壓傳感器，量程為-5～125Pa（0.5inch H2O ，-20～500 Pa（2 inch H2O），工作電壓5V，輸出電壓為0.25～4V，精度和分辨率可達(dá) 0.05 Pa，受溫度等因素影響小，運(yùn)行安全可靠。

信號(hào)調(diào)理電路選用RC低通濾波電路，以達(dá)到信號(hào)提取的精度要求。在流量采集調(diào)理電路中利用6個(gè)放大器及電阻構(gòu)成了求差式放大電路，選擇合適的電阻值可將SDP1000輸出的模擬電壓0.25-4V，轉(zhuǎn)換為ADC0809所需0～5V的輸入電壓。

采樣保持器電路：由于輸入模擬信號(hào)是連續(xù)變化的，而A/D轉(zhuǎn)換器要完成一次模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，為使在A/D轉(zhuǎn)換期間，保持采樣輸入信號(hào)的大小不變而設(shè)計(jì)。電路由電容CH和兩級(jí)輸入緩沖器A1、A2和控制開關(guān)S1組成，A1為高增益放大器。該電路工作先后經(jīng)歷兩種工作模式：采樣和保持，采樣保持器可以通過模擬控制信號(hào)來選擇工作模式[4]。

A/D轉(zhuǎn)換電路：由括采樣、量化、編碼三部分組成，將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，為數(shù)碼顯示和串行通信鑒定基礎(chǔ)。

時(shí)鐘電路和復(fù)位電路：AT89C51時(shí)鐘電路主要由12Hz晶振、30pF電容組成。單片機(jī)系統(tǒng)工作需要外部提供時(shí)鐘晶振才能啟動(dòng)工作，此外為了使系統(tǒng)工作穩(wěn)定往往要加上一定的濾波電容，避免由于噪聲干擾而死機(jī)。

ADC0809與單片機(jī)AT89C51連接電路：本系統(tǒng)將單片機(jī)AT89C51與ADC0809直接連接，通過P2口傳遞數(shù)字信號(hào)，P1口發(fā)送控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)AT89C51與ADC0809的連接，具體連接方式如圖2所示。

圖2 單片機(jī)AT89C51與ADC809連接

單片機(jī)串行通信電路：由于計(jì)算機(jī)的串行接口屬于RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，接口信號(hào)的電平不能和單片機(jī)的串行接口直接相連。利用芯片MAX232可以作為電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信。

LED顯示電路：通過程序控制，將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，顯示在LED數(shù)碼管上。本燃?xì)饬髁坎杉瘋鬏斚到y(tǒng)，選用了4位軟件譯碼動(dòng)態(tài)LED顯示方式。

4. 電路制作及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

用軟件Protel，畫出燃?xì)饬髁坎杉瘋鬏斚到y(tǒng)的電路原理圖，然后需要對(duì)原理圖各個(gè)元器件進(jìn)行封裝，部分元器件需要自己設(shè)計(jì)其封裝圖比如SDP1000、74LS02、AT89C51等，最后生成PCB圖即可生成PCB版圖，在PCB版圖中，需要對(duì)元器件調(diào)整排列布局，使得各元器件之間的連線盡可能的方便簡(jiǎn)單。由于元件庫(kù)有些元件和需要的不一致，在生成PCB圖時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，所以在生成版圖后要檢查線路的連接是否和原電路圖相對(duì)應(yīng)，核對(duì)無誤，把圖打印在相片紙上。本燃?xì)饬髁坎杉瘋鬏斚到y(tǒng)的PCB版圖如圖3所示。在生成PCB圖后，利用Photoshop軟件將圖片進(jìn)行鏡像處理并打印在透明的相片紙上，最后在覆銅板上制成了印刷電路板。氣體流量傳感器輸出的模擬電壓采用直流模擬電壓代替進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)物通電后，給調(diào)理電路加上+5V、+12V電壓后調(diào)節(jié)輸入的模擬電壓，當(dāng)緩慢改變氣體流量即增大輸入電壓時(shí)，測(cè)量結(jié)果與計(jì)算仿真基本一致。

本文設(shè)計(jì)的基于壓力傳感器的燃?xì)饬髁坎杉娐?，可以擺脫傳統(tǒng)的燃?xì)獗淼臋C(jī)械傳動(dòng)構(gòu)件，克服了機(jī)械構(gòu)件受外力、安裝精度和環(huán)境溫度等的影響，而且能夠擺脫復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，可提高燃?xì)庥?jì)費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)行效率和處理精確度。為進(jìn)一步借助互聯(lián)網(wǎng)、zigbee無線通信等技術(shù)，構(gòu)建新型的、智能化的、高效率的燃?xì)庥?jì)量、收費(fèi)和綜合管理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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