基于C8051F350单片机的气体流量计检测仪设计

实时数据采集和高精度计时等功能。

C8051F350单片机简介

　　检测仪选用C8051F350单片机为控制核心，它是一款高集成度的混合信号片上系统型单片机，集成了PGA、ADC、DAC等丰富的片上资源，而且具有低功耗、高分辨率、小封装、高性价比等优点，是高精准度测量应用的理想选择。单片机信号的输入与输出如图2所示。

　　C8051F350单片机的功能特性：①70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，这样在保证系统速度要求时，可以降低系统时钟频率，从而降低系统功耗；②PGA可以放大1~128倍，适用于小信号直接测量；③8通道24位ADC，其非线性可达0.0015%，保证系统的高精度；④8kB片内FLASH存储器，保证足够的代码空间，可用于传感器的线性矫正程序，而且可以将其中一个扇区（512字节）作为非易失型存储器使用，存放系统标定参数；⑤高精度可编程的24.5MHz内部振荡器，±2%的精度，可支持无晶体UART操作；⑥768字节内部RAM，可用于存放线性化运算时需要的大量数据；⑦可编程计数器/定时器阵列，可实现16位PWM，配合简单外围电路可实现D/A转换；⑧32脚LQFP封装，节省PCB面积，可用于小型化产品；⑨片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试，保证开发简便。

　　C8051F350芯片可外接的振荡电路有四种，设计中选择晶体作为外部振荡源，为了便于波特率的设置，图2中所示Y1取22.1184MHz。C8051F350芯片共有17个数字I/O端口，其中P2.0/C2D用作JTAG调试，余下16个端口在硬件连接和交叉开关配置后，引脚功能如下：P0.0光栅尺输入脉冲计数；P0.2、P0.3连接外部晶振；P0.4、P0.5串口通讯；P0.6钟罩挡板、限位信号（INT0中断）；P0.7流量计脉冲信号（INT1中断）；P1.0按键（上电复位）；P1.1、P1.2单片机读挡板和限位信号；P1.4控制CD4053；P1.5~P1.7控制74HC595，P0.1、P1.3空余。

　　图2 C8051F350单片机接口图

　　检测仪信号采集

　　压力、温度传感器和一些气体流量计输出的流量信号是电流信号（4mA~20mA）。考虑到ADC输入范围，可选用100Ω的精密电阻将电流信号转换为对应的0.4V~2V的电压信号。

　　C8051F350单片机有8通道24位可编程AD转换器，而检测仪中待转换的模拟量有16路，为了解决通道不足的问题，可使用双向模拟开关CD4053。

　　设置ADC使用内部参考电压，经过零点校准和斜率校准，使ADC在输入4mA时输出为初始值，输入20mA时为满量程值。读取AD转换结果的高16位送给计算机，计算机再根据每个变送器提供的线形内插表算出对应的数值。

　　气体流量计信号调整电路

　　气体流量计信号以脉冲方式输出，输出的一部分是标准脉冲信号（TTL电平），还有一部分是在3V~30V之间的高电平信号。因此，利用比较器设计一个输入脉冲调整电路来简化电路，调整电路可识别这两部分脉冲信号，并将高电平的信号转化为TTL电平。流量计信号调整电路如图3，f2为流量脉冲的输入。设置参考电压V2，当输入低于参考电压时，输出GND=0V；当输入电压高于参考电压时，比较器输出电压Vcc=5V。比较器输出的信号，经过光电隔离和功率放大，输入到单片机P0.7引脚。

　　图3 流量计信号调整电路图

　　多路电磁阀控制电路

　　依据检定规程和流量计量程，检定时需设定多个检定流量点。在0.5m3/h~128m3/h之间取10个流量检定点，对应10只电磁阀来控制流量，定标时手动输入所需流量值，计算机根据电磁阀对应的流量值，自动打开相应电磁阀或电磁阀组合。

　　检测仪通过C8051F350单片机执行电磁阀的开闭动作、控制鼓风机，为了尽量少占用单片机的I/O口，引入74HC595芯片，如图4所示，设计串行口多路气阀控制电路。74HC595内含8位串入、串/并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。将第一个74HC595的Q7与第二个的SER相接，单片机只需控制第一个74HC595的SER、 SRCLK和RCLK三个引脚，就可使多路气阀和风机等的开闭得到控制。

　　图4 多路气阀控制电路图

气体流量计检测仪软件设计

　　气体流量计检测仪软件设计采用Delphi编程技术，处理下位机发送来的数据，得出检定结果，并将检定数据保存在SQL SERVER数据库系统中。检测仪系统的控制器部分负责采集数据和执行指令，而在计算机上完成检定界面的设计、数据库的设计和数据的处理。

　　控制器部分软件设计

　　如图5所示，控制器部分软件设计包括A/D采样模块、通讯模块、定时模块和计数模块设计。

　　图5 控制器程序流程图

　　（1）计数与计时

气体流量计检测仪采用中断方式对钟罩挡板脉冲、流量计输出脉冲和光栅尺脉冲进行计数。同时，检测仪要对标准时间计时，并且要产生1s中断，以及在通讯时产生波特率。C80