渦輪流量計信號模擬器設計分析范文

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摘要:灌溉和施肥是農業生產中的至關重要的兩個環節，分開實施費時費力，水肥一體化智能灌溉施肥是提高生產效率的重要方法，其核心是研發以控制算法和傳感器技術為基礎的智能控制系統及操作裝置。針對水肥一體化智能控制系統實驗室試驗臺缺乏的問題，設計了一種渦輪流量計信號模擬系統，包括下位機系統硬件電路和上位機應用軟件兩部分。基于51單片機采用定時器中斷和串口通信技術，設計了可模擬不同流量信號的下位機硬件電路，包含單片機模塊、用戶交互模塊、串口通信模塊、EEPROM存儲模塊。使用VisualStudio開發平臺采用C#語言進行上位機應用軟件設計開發，包括用戶界面設計、上位機與下位機串口通信設計。該系統可在實驗室條件下為控制算法試驗提供模擬流量信號，具有重要應用價值。

關鍵詞:渦輪流量計;單片機;上位機軟件;串口通信;C#語言

灌溉和施肥是農業生產中的至關重要的兩個環節，分開實施費時費力，水肥一體化智能灌溉施肥是提高生產效率的重要方法［1，2］，其核心是研發以控制算法和傳感器技術為基礎的智能控制系統及操作裝置［3－5］。水肥一體化和智能灌溉系統研究核心是智能控制算法研究和控制系統研發優化［6－8］，在整個過程中，大量的實驗室和田間試驗必不可少，目前的研究大都采用在真實的系統上或使用流量計搭建小型系統開展試驗，不僅費時費力，還無法開展過載疲勞試驗［9，10］。設計一渦輪流量計信號模擬器，在實驗室條件下為控制算法試驗系統提供模擬流量信號，具有重要應用價值。

1模擬器總體設計

系統主要由硬件部分與軟件部分組成，系統主要包括下位機上位機兩部分。下位機包括單片機模塊、按鍵模塊、顯示模塊、存儲模塊和渦輪流量計模擬接口，用戶可通過按鍵進行用戶菜單的選擇，設置工作模式和工作參數，如果選擇下位機設置模式，可以只使用下位機進行簡單流量模擬，通過模擬接口輸出模擬流速信號。上位機軟件系統包括上位機模塊和通信模塊，上位機通過串口模塊把用戶設置好的參數傳輸到下位機，同時進行數據的存儲，當參數確認完以后進入模擬狀態，通過模擬輸出端把信號以方波的形式輸出。

2上位機軟件設計

基于VisualStudio開發平臺設計了上位機應用軟件，首先對上位機應用軟件界面進行初始化，等待用戶的模擬方式的選擇，如果選擇恒流速模擬，界面選擇框上顯示恒流速模擬字樣，并等待用戶輸入初始流速設置;如果選擇流量加速模擬方式，界面選擇框上顯示流速加速模擬字樣，并等待用戶輸入初始流速、最大流速和流速變化率等設置;如果選擇流速階躍模擬，界面選擇框上顯示流速階躍模擬字樣，并等待用戶輸入階躍流速設置。之后等待用戶設置Com口、波特率、數據位和停止位等串口參數，當用戶點擊確定后，軟件首先讀取用戶參數輸入并進行合法化檢查，如果參數不合法，軟件會彈出修改提示對話框提示用戶修改;如果參數合法，軟件會根據參數設置生產命令字符串通過串口下發到下位機中。如果用戶選擇退出，軟件釋放內存空間并退出。

3下位機系統設計

硬件系統主要包括單片機模塊、供電模塊、串口通信模塊、用戶輸入模塊、顯示模塊、外觀設計，設計重點是單片機處理與控制模塊以及下位機與上位機串口通信兩部分。單片機模塊采用為常見的單片機最小系統，復位電路采用按鍵復位。晶振采用11.0592，采用11.0592M的目的是為了獲得精準的串口通信頻率，即波特率，它能夠精準生成9600的波特率，相比于12M晶振來說可以準確與上位機進行通信而不會發生失真與亂碼。單片機使用較為實用的AT89C52，它是CMOS8位單片機，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89C52有40個引腳，32個I/O端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口。52系列單片機雖然已經是十年前使用的芯片，但它全備的功能與低廉的價格也是我們選擇的理由，其運算速度與程序存儲量足以滿足本系統的開發，直插式的封裝也方便裝卸。單片機模塊主要功能在于串行通信口進行與上位機的通信，2K字節EEPROM進行的數據存儲，用來模擬流量時實時計時功能的定時器0，用來產生所需頻率脈沖方波的定時器1及單片機基本的用戶菜單顯示與輸入功能。本系統采用RS－232串口通信技術進行下位機與上位機的通信，但RS232電平和單片機電平不一致，單片機TTL信號電平為［0，+5］，而RS－232信號電平為［－10，+10v］。MAX232芯片使用+5v單電源供電，可實現單片機和串口信號之間電平轉換。基于MAX232芯片設計了渦輪流量計模擬系統下位機硬件電路串口通信模塊，串口通信模塊電路分三部分，第1部分是電荷泵電路，由4只1uf極性電容(也可用非極性電容或0.1uf電容)構成。第2部分是數據轉換通道，本次只使用第二數據通道，把第一數據通道的輸入端接地，接收端空引腳。第3部分是供電線路，15腳接地、16腳5V電源。

4結語

第一，設計了渦輪流量計信號模擬系統組成。包括下位機系統硬件電路和上位機應用軟件兩部分，上位機軟件接收用戶的流量信號模擬設置，通過串口發送給下位機，下位機根據上位機的命令信息產生模擬信號輸出。第二，設計研發了模擬系統下位機硬件電路。基于51單片機采用定時器中斷和串口通信技術，設計了可模擬出不同流量信號的下位機硬件電路，包含了單片機模塊、用戶交互模塊、串口通信模塊、EEP-ROM存儲模塊。第三，設計開發了模擬系統上位機應用軟件。使用VisualStudio開發平臺采用C#語言進行上位機應用軟件設計開發，包括用戶界面設計、上位機與下位機串口通信設計。用戶界面可以設置模擬方式、初始流量、流量變化率、最大流量等各個參數，通過上位機進行設置更簡單便捷。

參考文獻:

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作者：張華 張海輝 單位：西北農林科技大學機械與電子工程學院