（微电子学与固体电子学专业论文）热式气体质量流量计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 热式质量流量计是利用传热学和流体学理论，即流动的流体与热源之间热量交换关 系来测量流量的仪表。热式质量流量传感器应用先进的半导体集成电路技术制作，其体 积小，生产制作比较容易：采用独特的恒温原理建立数学模型，测量出介质的质量流量， 无须温度和压力补偿。流量计部分采用智能化、袖珍型设计，应用a t m e l 公司生产的 a v r 系列单片机中的a t m e g a 8 作为处理器，其片内集成了8 路1 0 位a d c 、 三通道 p w m 、先进的r i s c 结构、2 3 个可编程的i o 口、自带看门狗、丰富的非易失性数据存 储器空间及在线j t a g 编程等。仪器内部a d c 测量精度达到o 1 ，温漂0 2 ， t 三1 0 ，线性度较好。仪器采用四位扫描数码管构成显示系统，具有丰富的功能菜单。 通过i s p 串口下载线与计算机连接进行软件更新，单片机系统的软件是在i a re m b e d d e d w o r k b e n c h 环境下，利用c 语言编写的，仪器内部的各项参数和数据表格都可由计算机 设置和调整。流量计算部分采用查表加线性插值法。仪器使用前，通过流量计的标定键 可对流量计进行标定；并对瞬时、累计流量、传感器输入电压值进行实时监测，利用1 2 c 总线的铁电存储器对实时流量值进行存储；文中着重阐述了仪器的功能规划，气体质量 流量传感器的物理和数学模型的建立，流量计的软、硬件设计到仪器的软硬件调试、实 际流量的测量及误差分析，以及研制出样机的全过程。 关键词：热式气体质量流量计，传感器，a t m e g a 8 ，查表加线性插值，a d c 热式气体质量流量计 d e v e l o p m e n to ft h e r m a lg a sm a s sf l o w m e t e r a b s t r a c t t h ef l o w m e t e ri sad e v i c ef o rm e a s u r i n gf l u x ，a n du t i l i z e sh e a tt r a n s f e rt h e o r i e sa n d h y d r o m e c h a n i c st h e o r i e st h a ti s t os a ye x c h a n g ef o rq u a n t i t yo fh e a tb e t w e e nf l o w i n gl i q u i d a n dh e a t e r a p p l y i n ga d v a n c e dm e t h o do fs e m i c o n d u c t o ra n di n t e g r a t ec i r c u i tt e c h n o l o g y ，t h e a d v a n t a g eo ft h et h e r m a lm a s sf l o ws e n s o ri sd i m i n u t i v ev o l u m ea n de a s ys t a n d a r d i z a t i o nf o r p r o d u c t i o n t h e r m a lm a s s f l o ws e n s o rh a su n i q u ec o n s t a n t t e m p e r a t u r ep r i n c i p i u m a s m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rm e a s u r i n gm e d i u mm a s sf l o ww i t h o u tc o m p e n s a t i o no ft e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r e t h ef l o w m e t e ra p p l i e si n t e l l i g e n ta n dp o c k e td e s i g n，a n da d o p t sa v r m i c r o c o n t r o l l e ra t m e g a 8o fa t m e lc o r p a sm c u w h i c hi n t e g r a t e s8 - c h a n n e l1 0 b i t 1 5 k s p sa d c ，t h r e ep w mc h a n n e l ，a d v a n c e dr i s ca r c h i t e c t u r e ，2 3p r o g r a m m a b l ed i 百t a l f ol i n e s ，w a t c h d o gt i m e r ，a b u n d a n to n - b o a r dm e m o r ya n do n c h i pj t a gd e b u ga n ds o o u m e a s u r i n gp r e c i s i o no fa d ch a sa c h i e v e d 0 1 ，t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t0 2 ， t - 1 0 ，b e t t e rl i n e a r i t y t h ed i s p l a ys y s t e mi sc o n s t r u c t e db y4 一b i tl e d ，w h i c hh a v e s a b u n d a n tf u n c t i o nm e n u s s o f t w a r eo fm c ui su p d a t e db yi s ps e r i a l p o r td e v i c ew h i c hi s c o n n e c t e dt oac o m p u t e r ，t h es o f t w a r ei s d e v e l o p e d w i t hci ni a re m b e d d e d w o r k b e n c h c o m p u t e r c a nf i n i s ht h e p a r a m e t e r a n dt h et a b l e s e t t i n g o fd a t a a c q u i s i t i o n c h e c kt a b l ea n dl i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o di s u s e dt oc o m p u t em a s sf l u x v a l u e t h ef l o w m e t e rc a l lb ec a l i b r a t e db yp r e s s i n gs e tb u t t o nb e f o r et h es y s t e mw o r k i n g i n a d d i t i o nt h es y s t e mc a nr e a l t i m ei n s p e c tt h er e a l t i m ef l u x ，a c c u m u l a t i v et o t a lf l u xa n ds e n s o r i n p u tv o l t a g e t h ea c c u m u l a t i v et o t a lf l u xc a n b es a v e di na1 2 cf e r r o e l e c t r i cr a n d o ma c c e s s m e m o r y i nt h i sp a p e r ，a u t h o re x p a t i a t e st h el a y o u t i n go ff u n c t i o n ，b u i l d i n gt h ep h y s i c a la n d m a t h e m a t i c sm o d e lf o rt h e r m a lg a sm a s sf l o ws e n s o r ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i n gt o d e b u g g i n g ，d e v e l o p i n gs a m p l eo f i n s t r u m e n t k e yw o r d s ：t h e r m a lg a s m a s sf l o w m e t e r ，s e n s o r ，a t m e g a 8 ，c h e c kt a b l ea n dl i n e a r i n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，a d c 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： j 彳 日期：! z ：! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：j 彳导师签名：邋日期：堡2 ：! ! 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 在现代工业生产和科学实验中，为了有效地进行生产操作和控制工艺流程中 各种物质的配比、监视管道输料系统的运行情况及进行油、气、水等能源的计量 与经济核算，需要测量这些生产过程中各种介质的物理参数【“。其中，流体的 流量是经常测量和控制的参数之一。为了满足社会的需要，经过人们的不懈努力， 基于不同物理规律所开发的流量测量方法及装置已达一百多种【3 】o 通常流量测量有体积与质量计量两种方式。体积流量计量如容积式、速度式 流量计，其往往受到温度、压力等工况变化的影响，进而影响计量的精度。因此， 要求精确计量的场合必须采用质量流量计。质量( 而非体积) 是非常重要的一个 参考量，它是质量流量测量中的基本单位，质量流量不受黏度、密度、电导率、 压力和温度的影响，是关于被测物质的更精确、更有用的一个物理量”i 。愿量 流量的测量方法可以分两大类： 一是质量流量间接测量方法。同时测量流体的体积和温度、压力值，利用流 体密度与温度、压力之间的关系，计算出流体质量。比如孔板流量计、文丘罩流 量计、差压流量计、旋流流量计、涡轮流量计、超声波流量计等都需要使用绝对 压力传感器和温度传感器l “。而且随着工况的变化，流体的一些特性参数如温度、 压力、密度、黏度等都会发生变化。在工况变化大的场合，上述测量方法往往达 不到准确测量流体质量流量的目的。 二是质量流量直接式测量方法。流体测量直接反映质量流量值，与流体的温 度、压力和密度等参数的变化无关。因此，发展直接式流量计，对于流量计量和 过程控制有着十分重要的意义。目前直接式测量方法有：热式质量流量计；冲量 式质量流量计；科里奥利质量流量计。这里我们主要研究热式气体质量流量计。 1 1 热式质量流量计概述 热式质量流量计( t h e r m a lm a s sf l o w m e t e r ，以下简称聊f ) 是利用传热原 理i7 ，8 1 ，即流动中的流体与热源( 流体中加热的物质或测量管外加热体) 之间热 量交换关系来测量流量的仪表，过去我国习称量热式流量计。 热式气体质量流量计 1 1 1 热式质量流量计的分类 按流体对检测元件热源的热量作用可分为热分布式效应和热耗散效应i l 。 利用流动流体传递热量改变测量管壁的温度分布和热传导分布效应的热分缸式 流量计( t h e r m a lp r o f i l ef l o w m e t e r ) 又称量热式t m f ；利用热耗散( 冷却) 效 应的金氏定律( k i n g sl a w ) t m f 。 按检测变量可分为温度测量法和功率消耗测量法。“温度测量法”是指以恒 定功率提供热量，测量随流量而变的温度，又称定功率测量法。“功率消耗测量 法”是指保持加热元件和被测流体温度差恒定，控制和测量热源提供的功率，功 率消耗随着流量增加而增加，又称恒温差测量法m 。 按流量传感器结构可分为接入管道式和插入式【5 1 。接入管道式是由于结构上 流量传感器有测量短管，必须在管道待测位置截断后接入检测元件，热分布式 t m f 一般采用这种结构；插入式( i n s e r t i o nt y p e ) 是将检测探头在现场插入被测 管道的t m f ，它是有1 组或2 组以上检测元件的独立传感器和变送器组成。由 多组检测元件的插入检测杆( 探头) 组成的t m f ，用于中大管径，对于特大通 风、烟道圆管或矩形管，也有采用多台插入检测杆阵列的布置。 按测量流体可分为气体和液体用。气体是当前t m f 主要应用的流体，从微 小流量到大管径大流量都可使用。 1 1 2 热式质量流量计的特点 接入管道式t m f 可测量低流速微小流量；插入式t m f 可测量低中偏高流速。 插入式t m f 更适合于大管径。t m f 使用性能相对可靠，作为新型的气体流量仪 表，热式质量流量计可以取代孔板、文丘里管差压式流量元件等，直接测量气体 的质量流量【1 1 】。热式质量流量计的特点有： 测量精度和重复性好气体t m f 是中等精确度仪表，热分布式的基本误差 在2 2 5 f s 之间；国外设计优良的产品则为i f s ；重复性则在 0 2 - 0 5 f s 之间；带测量短管侵入式的基本误差办在2 2 5 f s 之问，设 计优良的产品可达到2 的读数：插入式除仪表本身基本误差外，还应加上流速 沈阳工业大学硕士学位论文 分布系数变化的影响等，单点测量影响较大，多点或多检测探头影响较小，合计 约- + 2 5 5 f s 之间。 防过载能力强当实际流量高出满量程流量范围时，不会对仪表造成任何损 坏。 测温范围和耐压范围很宽测液体温度可达2 0 0 ，气体可达8 5 0 ，尤其 适用于高温烟道尾气的测量，耐压最高可达7 0 m p 。无需温度和压力补偿，特别 是在大管径、低流速、间歇流量、流量变化范围较大、微小流量测量时，具有更 大的优越性【8 , 1 2 1 。 压力损失小t m f 无运动部件、无分流管、无阻流件，压力损失很小1 6 】。 结构简单，安装方便，无活动部件整个流量计无运动部件，可避免因旋转、 移动或震动等原因造成的部件磨损、断裂和疲劳缝隙，在冶金、化工、石油等行 业的一些恶劣环境中能可靠运行【1 3 1 。t m f 仪表抗干扰性好，仪表安装时对前后 管道直管段要求不严格，使用方便。 易产生液体凝结的管道处不宜安装热式质量流量计由于热式质量流量计 的测量原理是利用热耗散技术，因此在易产生液体凝结的管道处不宜安装热式质 量流量计。 混合气体变化对热式质量流量计的质量流量测量也有影响对于被测量气 体组分变化较大的场所，因被测气体的定压比热容( c p ) 和热导率的变化，测量 值会有较大变化进而产生测量误差。 对于热分布式t m f ，若被测气体在管壁沉积垢层，则会影响测量值，必须 定期清洗；对脉动流在使用上将受到限制。t m f 对于黏性流体在使用上亦受到 限制【1 4 , 1 5 i 。 1 2 热式质量流量计的应用 热式质量流量计可广泛地应用在石油、天然气，水处理、化学、造纸、电力、 食品及医药等行业的流体流量测量中1 5 1 。 石油化工中火炬气的流量测量； 3 热式。t 体质量流量计 天然气生产中乙二醇注入的流量测量； 污水处理中气体的测量：水处理中化学添加剂注入量的测量： 电力行业中锅炉送风机、引风机的空气流量测量；汽轮机系统的氢气泄漏检 测： 造纸行业中纸机真空泵密封水的断流保护；干燥器轴承润滑油的断流保护： 医药行业中批量罐内液位的控制；泵的保护控制。 1 3 热式气体质量流量计的国内外发展概况 气体流量传感器的种类比较多，目前已研制出的气体流量传感器有截流式、 容积式、涡流式、电磁式、热式、超声波式等若干种。多数是采用测量流体的温 度、压力等信号，再换算成流量的方法进行测量。但由于气体流动状态不稳定， 使其流量测量准确性受到影响。直到美国的科学家发明了插入式托马斯热线式气 体质量流量传感器，为流量的测量带来了一场革命，实现了直接测量流体流量的 目的。且测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿。随着数字 技术的发展，其连续测量的特点就显得具有难以替代的优势，但受多个参量的影 响，存在交叉灵敏度，从而影响它的稳定性及灵敏度，由于流量与电信号的对应 关系是非线性的，需要进行线性补偿。近几十年，由于电予技术的飞速发展，各 种补偿技术不断提高，使热线式流量传感器的精度大大提高，测量范围不断扩大， 但热线一致性较差，难以进行批量生产；当测低流速流体时，热紊乱很大；热线 抗污染、抗腐蚀能力差，价格高，易损坏；测量中有电子噪声，导致它的响应速 度下降。当前t m f 大部分用于气体的测量，只有少量用于微小液体流量的测量。 世界上生产热式气体质量流量计的厂家有美国的f c i ( f l u i dc o m p o n e n t s i n t l ) 公司、美国布鲁克斯( b r o o k sl n s t r u m e n t ) 公司、美国k u r z 公 司、美国f o x 公司、加拿大s a i l s o r s 公司、德国b o s c h 公司、韩国i e n t e k 公司等。其中f c i 公司于1 9 6 4 年研制出了第一台热式气体质量流量开关【，目 前其流量计和流量开关两项在国际市场占有率及在美国权威杂志的综合评比上 均领先于其它公司的产品，在中国尤其是石化行业中应用较多1 1 3 , 1 7 1 。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 在热耗散效应的气体质量流量计市场上，比较常用的产品中，国外产品居多， s a i l s o r s 公司的 i f 1 0 0 型、f c i 公司的f i e x m a s s s t e rs t 9 8 型、山武公司的 c m s 2 0 5 0 型、b r o o k si n s t r u m e n t 公司的5 8 5 0 s 5 8 6 4 s 型、f o x 公司的 f o x l 0 a 型以及k u r z 公司的4 5 2 1 5 6 系列【1 7 l 等。 国内目前只有几家厂商生产的少量类似产品，例如：上海电仪的h q 9 8 0 、 昆明埃晕伯特i l b o t f e b 、北京建中机械厂、上海华强仪表等。 2 0 世纪9 0 年代初期，世界范围t m f 销售金额约占流量仪表的8 ，约4 5 万台。国内9 0 年代中期销售估计每年1 0 0 0 台左右。过去的流程工业用仪表主要 是热分布式，近几年才开发热耗散或冷却效应式。 经过对国内外现有的热耗散效应气体t m f 行业产品的性能、价格和功能的 了解，其概况如下： 热耗散效应气体t m f 发展迅速，性能稳定，市场需求大，应用范围广； 现场仪器的傻瓜化和智能化、提高仪器的可用性、大部分采用液晶显示、键 盘控制及通讯接i ：1 i s 】： 减少或取消运动部件，安装简便； 传感器制作复杂； 1 4 课题的提出 根据对国内外气体用t m f 现状的了解和分析，并结合现有设备和目前工业 生产实际的需要，同时配合沈阳仪表科学研究院的产品开发计划，决定研制一种 传感器制作简单，产品性能优越的热式气体质量流量计，该热式质量流量计由流 量传感器和流量计电路组成。 该热式气体质量流量计应具备以下特点： 体积小、成本低、易于规模化生产、稳定性好、功耗低、不受温度和压力影 响。为实现上述目的，拟采用独特的原理建立数学模型，通过标定系统进行传感 器标定，得到传感器输出电压的变化与实时流量之间的对应关系。气体在流量传 感器周围流动时，当气体流过两个测温的热敏电阻时将引起热敏电阻阻值的变 5 一 热式气体质量流量计 化，此时管道内气体流量的变化所引起的测温电阻阻值的改变，传感器将产生电 压信号的输出，经a d 转换和单片机运算处理后，得到实时的流量值。 该气体用热式质量流量计的传感器部分采用集成电路技术制作，为硅杯镀膜 结构，结构简单，无需温度和压力补偿，适用于各种管道，使用更为方便。将来 随着s o c 技术和m c m 技术的发展，一方面由于硅集成技术的应用，使其可以 实现大批量的生产，从而保证其性能稳定，价格低廉，体积微型化。另一方面， 将传感器和变送器集成在同一块芯片上，实现流体的智能测量，使流量传感器的 性能提高到一个新的水平，极大的方便了流量传感器的推广和使用【l ”。 设计中采用新型a v r 单片机a t m e g a 8 作为流量计的微控制器，其集成度高， 反应速度快，满足流量计的袖珍化和智能化的要求。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 热式气体质量流量计的硬件设计 2 1 热式气体质量流量传感器的工作原理 该传感器是以单晶硅为基体，采用硅微机械加工技术制作出的微桥结构 1 2 0 , 2 “，采用( 1 0 0 ) 硅片f 捌，先在表面制作一层厚度为l u m 的氮化硅层，然后溅 射一层几个微米厚的高电阻温度系数的n i i l 。将n i 膜利用刻蚀的方法制作成 加热电阻器r t 、气流热敏电阻器r 、环境热敏电阻器r a ：将r 与两个相同阻值 的外电阻构成电桥，用于温度场温度变化的测量，用r r 与r a 构成电桥控制加热 电流，使r r 上的温度能够始终保持在高于环境温度一个固定值。将热敏电阻器 与外接的固定电阻组成测量电桥。当流体流动时，沿管道轴向的温度场分布的对 称性遭到扰动而被破坏，致使热源前端的温度低于热源后端的温度，进而引起测 温电阻器阻值发生变化，使得两测温电阻器的阻值不相等f 2 5 圆】，致使电桥失去平 衡，将电阻值变化的非电信号转化成电信号，通过电桥输出一个直流电压信号。 当被测介质的比热恒定时，其输出的直流电压信号就与被测介质的质量流量成一 定的比例关系1 3 0 - 3 2 1 。通过测量电桥两端的输出电压值，便可得到此时流过传感器 的气体流量。 测量时，将两个测温热敏电阻r l 、r 3 与两个阻值相等的外接电阻r 2 、r 4 构 成惠斯登电桥，加热电阻先加热约2 3 m i n 预热。实际测量时采用的惠斯登电桥 如图2 1 所示。采用l m a 恒流源作为惠斯登电桥的激励来测输出电压。将加热 电阻加热到1 2 0 c 1 4 0 c ，测量此时的输出电压【3 3 彤】。 热式气体质量流量汁 图2 1 测量电桥 f i g 2 1m c a 飘i r ec i r c u i tb r i d g e 2 2 微处理器的选择 近3 0 年来，世界各主要电子元器件生产厂商纷纷推出自己各具特色的单片 机产品。现在市场上常用的单片机有：德州仪器( 1 r i ) 推出的m s p 4 3 0 系列单片 机：a t m e l 推出的a v r 系列单片机；m i e r o c h i p 推出的p i c 系列单片机；p h i l i p 单片机；c y g n a l 推出的c 8 0 5 1 f 系列单片机；m o t o r o l a 、n e c 、i n t e l 和华邦单片 机【3 6 】等。 2 2 1 课题选择的单片机 热式气体质量流量计安装在管道附近，为了安装和使用的方便，设计流量计 时，要求其体积小、测量精度高、系统集成度高。对流量计的控制核心器件单片 机主要考虑其必须满足：封装小、片内集成1 0 位采样精度的a d 、三通道p w m 输出、自带看门狗及丰富的存储器空问等。 在众多的单片机中，德州仪器( t i ) 推出的m s p 4 3 0 f 1 3 x f 1 4 x 系列，a t m e l 的高档a v r 单片机a t m e g a 系列及8 0 5 1 系列中少数几种单片机如：t 8 9 c 5 1 1 5 、 a t 8 3 c 5 1 1 1 等，m i c r o c h i p 的中档p i c 单片机的p i c l 2 c 6 x x p 1 c 1 6 c x x x 系列， c y g n a l 的c 8 0 5 1 f 系列，p h i l i p 的p 8 x c c e 5 5 系列等在各方面都有其自己的优势， 沈阳矗k 大学硕士学位论文 典型的m c u 性能比较如表2 1 所示。这6 种典型的单片机是它们各自不同种类 单片机中最满足我们上述微控制器要求的m c u ，它们自带a d 、d a 、串行通 讯接口、看门狗定时器、丰富的存储空间。 表2 1 典型单片机性能比较 t a b 2 1c o m p a r i s o n so fm c up e r f o r m a n c e s 是否带有高分辨率a d 单片机市场上很多片内自带a d 的单片机绝大部 分只有8 1 0 位分辨率，通过进一步的比较分析，这里所列举的6 种单片机大部 分都有1 0 1 2 位最高分辨率的a ，d 。 是否带有1 0 位d a 市场上带有d a 的单片机比较少见，而且很多是通过 p w m 输出信号来实现d a 输出，在我们所列举的前5 种单片机中：p l c l 6 ( 7 3 3 是p i c l 2 c 6 x ) 卯i c l 6 c x x x 系列中自带1 2 位高分辨率a d 的典型单片机，但是 它的片内不带d a ( 或p w m ) 输出：还有4 种均采用8 位的p w m 输出模块，8 位分辨率并不能满足仪器高精度d a 输出的要求。只有c 8 0 5 1 f 系列中的 c 8 0 5 1 f 0 0 7 带有1 2 位分辨率d a 。 o 一 热式气体质鼙流量计 结合本课题对m c u 的要求和对目前市场上单片机性能的分析，最后我们选 择了性价比较高且非常适合本课题要求的a t m e l 公司a v r 系列单片机中的 a t m e g a 8 单片机。在a v r 家族中，a t m e g a 8 是一个非常特殊的单片机，它的芯 片内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路，具备a v r 高档单片机 m e g a 系列的全部性能和特点【3 7 矧。由于采用了小引脚封装( 为d i p 2 8 和 t q f p m l f 3 2 ) ，引脚结构如图2 2 所示，所以其价格仅与低档单片机相当，成 为具有及高性价比、深受广大用户喜爱的单片机。再加上a v r 系列单片机的i s p 性能，用户往往不需要购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机嵌入式系统的 开发应用【3 9 】。 # 匿琵羁p c 6 口1 ( r x d p d o 口2 ( t x o i p 0 1 口3 ( i n t o j p 0 2 口4 ( r n t i p d 3 口5 ( x c l ( j t o p d 4 口0 v c c 口7 g n d 口8 ( x t a l i , r i o s c i p b 6 口9 0 c r a l 2 j t o s c 2 p b 7 口1 0 ( t 1 ，p d 5 口1 1 删n 0 p 0 6 口1 2 ( 碑j n i p d 7 口1 3 f i c p i ) p 8 0 口1 4 p d i p p c 5 l d c 5 敝l 1 p c 4 ( a d c 射s o a ) p c 3 ( d c 3 ) p c 2 ( a d c 2 ) p c l ( a d c l p c 0l a d c 0 l g n d a r e f v c c f b 5 f s c k ) p b 4f m i s o l p b 3 ( m o s i o c 2 ) r b 2 f s 融1 b ) p b li o c ， i 图2 2a t m e g a 8 引脚结构 f i g 2 2a t m e g a 8 p i nc o n f i g u r a t i o n a t m e g a 系列单片机是较高档次的a v r 单片机，其中a t m e g a 8 是基于增强 的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于其先进的指令集以及单 时钟周期指令执行时问，a t m e g a 8 的数据吞吐率高达1 m i p s m h z ，从而可以缓 解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。片内集成1 0 位a d c 和三通道p w m 。 对于m c u 来讲，性价比是个很重要的指标。a v r 单片机具有电路简单、 故障率低、可靠性高、成本低、可采用高级语言编程等优势。独特结构的8 一b i tr i s c 翘打拂嚣拍n丝弛婚博汀博停 沈阳j 业大学硕士学位论文 c p u 与在线自编程f l a s h 的结合，单时钟指令，为c 语言优化的指令系统设置， 以及丰富的片载外围接口电路，使功能强大的a v r 单片机成为一款高度灵活和 高性价比的芯片，为许多高端嵌入式系统设计提供了优秀的解决方案 4 0 l 。 2 2 2a v r 系列与m c s - 5 1 系列单片机的比较 堆栈工作方式 m c s 一5 1 的堆栈是一个由堆栈指针寄存器s p ( 单字节) 控制的向上生长型堆 栈，即将数据压入堆栈时s p 增大。a v r 系列单片机的堆栈同样受s p 寄存器控 制，而堆栈的生长方向与m c s 5 1 相反，为向下生长型，即数据压入堆栈时s p 减小。另外要注意以下几点【3 9 】： 程序空间的访问 m c s 5 1 的程序存储器是以字节为单位的，地址是按字节进行寻址的，使用 m o v c 指令访问程序存储器，这和指令寄存器访问程序r o m 没有什么区别。在 a v r 中程序存储器的总线为1 6 位，即指令寄存器访问程序r o m 时是以字( 双 字节) 为单位的，即一个程序地址对应两个字节，而a v r 的数据存储器的总线， 为8 位，当用户使用l p m 指令访问程序r o m 时是以字节为单位读取的，此时z 寄存器中的一个地址只对应一个字节，因此要注意这两个地址的换算，否则很容 易产生错误，具体的换算是l p m 指令使用的z 寄存器中地址应该是程序地址的 两倍。 a v r 输入输出端口的使用 m c s 5 1 单片机的加l 端口大部分是准双向的，在复位时全部输出高电平， 对端口的输入和输出操作也是直接通过i o 端口的地址进行的。而a v r 的i o 端口为标准双向口，在复位时所有端口处于没有上拉电阻的输入状态( 高阻态， 管脚电平完全由外部电路决定) ，这在强调复位状态的场合是很有用的。a v r 的每一个端口对应三个地址，即d d r x 、p o r t x 和p i n x 。 d d r x 为端口方向寄存器，当d d r x 的某一位置1 时，相应端口的引脚作 为输出使用；当d d r x 的某一位清0 时，对应端口的引脚作为输入使用。p o r t x 热式气体质量流量计 为端口数据寄存器，当引脚作为输出使用时，p o r t x 的数据由相应引脚输出； 当引脚作为输入使用时，p o r t x 的数据决定相应端口的引脚是否打开上拉功能。 p i n x 为相应端口的输入引脚地址，如果希望读取相应引脚的逻辑电平值，一定 要读取p i n x 而不能读取p o r t x ，p o r t x 为端口锁存器的值，这与m c s - 5 1 是 有区别的。 在使用a v r 单片机之前，一定要根据引脚功能定义对应的端口初始化，否 则，端口很可能在用作输出时不能正常工作( 复位后默认为输入状态) 。 a v r 和m c s 5 1 定时器的对比 在m c s 5 1 中，定时器计数器有两种基本用法，即以晶振频率的十二分频 信号为输入的定时器工作方式，或以外部引脚i n t 0 、i n t l 上输入信号的计数器 工作方式。在a t 9 0 s 8 5 1 5 中有两个定时器t o 和t 1 ，t o 的功能与m c s 一5 1 相似； 而t 1 的功能更强，除了普通的定时计数功能外，还有一些增强的功能，如：比 较匹配a 、比较匹配b 、由i c p 引脚或模拟比较器出发的捕捉功能、8 1 0 位的 p w m 调制器。当a v r 的定时器计数器用作定时器时，其输入信号可选为晶振 频率的某一个分频信号，分频比为1 、8 、6 4 、2 5 6 、1 0 2 4 五种，当作为计数器使 用时，既可上升沿触发也可下降沿触发。 a v r 和m c s 5 1 中断系统的对比 m c s 一5 1 有六个中断源( 5 个中断入口地址) ，分两个优先级，并且是通过 m 寄存器控制中断的使能，通过i p 控制中断的优先等级。而在a v r 中根据不 同的单片机有不同数量的中断源，典型的a t 9 0 s 8 5 1 5 有1 2 个中断源，这1 2 个 中断源各有自己的中断向量入口地址。 a v r 通过寄存器g 1 m s k 、t i m s k 和s r e g 来控制中断使能，其中s r e g 的d 7 位i 是全局中断使能标志，在a v r 中只有全局中断控制位和某一特定中 断控制位同时使能，中断才会起作用。 在a v r 中没有专门的中断优先级控制寄存器来区分中断的优先等级，用户 可在中断服务程序中通过使能全局中断i 来使系统响应更高优先级的中断。具体 沈阳工业大学硕士学位论文 的做法是当a v r 单片机响应任何个中断时，硬件会禁止全局中断i ，从而禁 止系统响应其它的中断，而当从中断服务程序中退出时，硬件重新使能全局中断 i 。而当在中断服务程序中用s e i 指令打开全局中断使能时，系统在没有退出中 断服务程序的情况下又恢复了对中断的响应能力，从而可以响应高优先级的中 断。另外，在同一优先级中断入口地址较低的中断优先级较高。 a v r 和m c s 5 1 位操作的对比 m c s 5 1 和a v r 有较强的位操作功能，在汇编语言写的a v r 源程序中对端 口的某一位置1 可用s b i 指令，清0 可用c b i 指令。在c 语言程序中，可用位 运算或在线汇编完成上述功能。 ( 2 5 1 的源代码向i a r 的快速转换 1 头文件。对c 5 1 中定义寄存器的头文件，如r e 9 5 1 h 、a t 8 9 x 5 1 h 等，替换 成相应的a v r 头文件，如i o t a 8 h 、i o m l 2 8 h 、i 0 8 5 1 5 h 等。 2 中断处理函数。在( 2 5 1 中以i n t e r r u p t 关键字来说明某一个函数为中断处理 函数，在i a r 中可采用“# p r a g m a v e c t o r = ”伪指令在子程序前声零 明。原c 5 1 源程序中的i n t e r r u p t 和u s i n g 关键字应当删除。 3 对c 5 1 中的b i t 和s b i t 数据类型的处理。在i a r 中不支持b i t 和s b i t 数据。 类型，对这两种类型可用u n s i g n e dc h a r 来代替；对有关位运算可用标准c 的位 运算功能进行处理，也可采取在线汇编处理。 4 对中断系统、定时器初始化。需重新根据相应控制寄存器的功能给其赋值， 方法与c 5 1 相同。例如：对m c s 5 1 中t m o d 、 i c o n 的处理改为对a v r 的 t c c r o 、t c c r l a 、t c c r i b 、t i f r 的处理；对m c s 5 1 中l e 、i p 的处理改为 对a v r 中g i m s k 、t i m s k 、m c u c r 、s r e g 的处理。 5 将原c 5 1 中有关对看门狗电路、外部e e p r o m 的处理改为对a v r 芯片内 部看门狗电路、内部e e p r o m 的处理。 6 如果使用片外s r a m ，应当对m c u c r 初始化；如果有引脚作为输出引脚 使用，应当对其方向寄存器进行初始化。 热式气体质量流量计 7 对( 2 5 1 中符合a n s i 标准的c 语言，一般可以不作修改。 2 3 流量计电路设计 热式气体质量流量计原理框图如图2 3 所示，主要由a d 信号调理模块、微 控制器m c u 模块、仪用放大器模块、电源模块、数码管显示模块、铁电存储器 模块六大模块组成。我们在硬件设计时，不仅要考虑其功能的实现，而且要选择 集成度高、封装小的器件以满足仪器的安装要求，尽量减少仪器的体积i “, 4 2 1 。 回 广回 国一圆一圈一囤一圈一圃 l 区圃 图2 3 流量计原理框图 f i g 2 3c o n f i g u r a t i o n so ft h ef l o w m e t e r 2 3 1 振荡器的配置和驱动 在a t m e g a 8 芯片内部集成了可校准的内部r c 振荡器，也可以使用外部时 钟源作为系统时钟，外部时钟信号应从x t a l l 、x t a l 2 输入。将c k s e l 熔丝 位编程为“0 0 0 0 ”时，即选定系统使用外部时钟源( 3 8 l 。 a t m e g a 8 内置的毕竟是r c 振荡，在一些要求较高的场合，比如在硬件设计 中，由于涉及到a d c 的绝对采样速率，还是最好使用外部的晶振线路，该设计 中采用4 m h z 的石英晶体振荡器。早期的9 0 s 系列，晶振两端均需要接2 2 p f 左 右的电容。m e g a 系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。设计中为 了使线路工作更加稳定，选用3 0 p f 的电容置于晶振两端，振荡器电路如图2 4 所示。 1 乒 沈阳工业大学颈士学位论文 b u y 0 # 上 图2 4 振荡器电路 f i g 2 4o s c i l l a t o rc i r c u i t 2 3 2 d 配置电路 a t m e g a 8 内部集成一个1 0 位逐次比较型( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n ) 的a d c 。 a d c 与一个8 通道的模拟多路复用器连接，能够对以p o r t c 口作为a d c 输入 引脚的8 路单端电压输入进行采样。单端电压输入以0 v ( g n d ) 为参考【3 叼。 在电路设计中，我们使用了其中的1 路a d c 输入端口p c 0 ( a d c 0 ) ，选 择2 5 6 v 的片内基准电压源作为a d 的基准源。通过对a d c 多路复用器选择寄 存器a d m u x 中的m u x 位的设定，来进行采样通道的配置。选择第0 通道a d c 输入、2 5 6 v 片内基准电压源、转换结果右端对齐，则a d m u x = 1 1 0 0 0 0 0 0 。 a d c 预分频器设置 a d c 模块中包含一个预分频器，它对输入的系统时钟c k ( 1 0 0 k i 舷) 进行 分频，以获得合适的a d c 时钟。预分频率是由a d c s r a 寄存器中的a d p s 位 设置的。一旦寄存器a d c s r a 中的a d e n 位置“1 ”，预分频器就启动开始计 数。a d e n 位为“i ”时，预分频器将一直工作：a d e n 位为“0 ”时，预分频器 一直处在复位状态。 a d c 转换结果 热式气体质量流量计 d 转换结束后( a d i f = 1 ) ，在a d c 数据寄存器( a d c l 和a d c h ) 中可 以取得转换的结果。对于单端输入的a i d 转换，其转换结果为： a d c = ( v i nx 1 0 2 4 ) v r e f( 2 1 ) 其中v i n 表示选定的输入引脚上的输入电压，v r e f 表示选定的基准源的电 压。 为减小a d 转换的电源干扰，a t m e g a 8 芯片有独立的a d 电源供电。在 v c c 串上一只1 0 u h 的电感，然后接一只0 1 u f 的电容到地。a t m c g a 8 片内自带 2 5 6 v 标准参考电压，该设计中使用片内自带的参考电压已经足够，同时在a r e f 引脚接一只o 1 u f 的电容到地，具体接法如图2 5 所示。 图2 5a d c 配置电路 f i g 2 5a d cc o n f i g u r a t i o nc i r c u i t 2 3 3 从p 删到d c 的转换 在实际控制系统中，需将从微控制器得到的数字控制量转换为p w m 式模拟 控制量，通常的设计方法是外接d a 转换器，再转换成p w m 式模拟信号1 4 ”。 但很多单片机本身不具备p w m 功能，且目 i 大多数d a 转换器的价格较高，当 有多路输出时需要相应的扩展接口电路，这样电路就会变得复杂，电路板的面积 也会成倍增长。本设计使用的a t m e g a 8 单片机内部集成了三通道p w m 输出模 沈阳工业1 夭学硕士学位论文 块，通过一个低通滤波器可以把p w m 调制的数模转换信号解调出来，实现从 p w m 到d a c 的转换。 图2 6 所示为从p w m 到d a c 输出的信号处理方块图。 图2 6p w m 到d a c 输出信号处理方块图 f i g 2 6c o n f i g u r